（机械设计及理论专业论文）圆柱分度凸轮机构及其cad系统.pdf

济南人学坝i 叫立论艾 摘要 利用啮合过程中滚予与凸轮的相对运动耳f 1 等距曲而理论，导出了副柱分度ir ：l | 轮的 通用坐标力程和圆柱分度凸轮机构压力角方程，对圆柱分度凸轮机构的压力角进行了 分析，滚予直径d ，越大，压力角越大；滚子分和网直径d 。越大，压力角越小。凸轮 半径r 。越小，压力角取值范围越小。 通过对常用运动舰律的分析比较，得m 结沦：盖特曼运动舰律和史余弦运动规律 输出角位移和角速度的变化规律相似，均为f h j 歇运动输出：角加速度的变化规律却有 着本质的区别，变余弦运动规律时，角加速度有突变；盖特曼运动姚律时，角加速度 没有突变。 在动力学研究中，对网柱分度凸轮机构进行了简化，以啮合点为界线，将系统分 为输入、输出两个予系统，这两个子系统在啮合点处通过力和位移的耦合相互联系。 将输入子系统和输出子系统分别简化成由等效转动惯量、等效刚度、等效阻尼组成的 单自由度动力学模型，导出了扭转振动的动力学方程和基于数值计算思路之解的表达 式。通过动力学仿真分析，得 结沦：输入转速对圆柱分度凸轮机构的振动有直接影 响，由于工程实际转速对应的激振频率远离系统的固有频率，所以，实际使用的输入 转速对系统的最大振幅影响很小，但是，系统的图谱形态变化较大，因为转速决定了 系统激振的频率，也就决定了系统的振动频率，所以，输入转速影响系统响应图谱的 形态。动程角对振动有明锓的影响，动程角越小，振动越严重。在参数相同时，变余 弦运动规律对应的最大振幅小 二盖特曼运动规律对应的最大振幅；但是，在离开分度 区进入位置保持区的过程中，两种运动舰律对应的振动情况差异很大，盖特曼运动规 律对应的振动衰减的早且快，原因在于加速度没有突变。 通过对现有各种c a d c a m 软件的分析，并结合圆柱分度凸轮机构设计的特点， 选用p r o e n g i n e e r 软件作为二次丌发平台，利用p r o t o o l k i t 、p r o p r o g r a m 、v i s u a l c + + 构建了丌发环境。卡勾建了圆柱分度凸轮机构c a d 系统框架，规划并实现了各模 块功能。运用p r o e n g i n e e r 的_ 次 发工具p r o p r o g r a m ，p r o t o o l k i t 的功能， 进行了参数化设计研究与丌发工作。使用p r o p r o g r a m 进行圆柱分度凸轮的参数化建 模，采用非常直观的u i 对话窗输入参数的方法便“j 生成模型。实i 见了机构自动建模 和运动学仿真。 编译并调试了应用程序，形成了界而友好、操作便捷，高效实用的劂拄分度凸轮 | f ! j 】拄分崖凸轮制l 构及其c a d 糸统 机构的c a d 系统，本系统实现了彳系统之间的信息传递和资源共享，提高了剧柱分 度凸轮改讣自动化的程度，从而为圆柱分度“l 轮机构的设训、制造及性能研究提供了 一种快捷的软件平台。 关键词：p r o e n g i n e e r ；圆柱分度凸轮机构；c a d ；动力学分析；运动学分析 jj a b s t r a c t c o o l d i n a t ee q u a t i o ne l 、c a r l l l sc o n t o u rs u r f a c ea n dp r e s s u r ea n g l ee q u a t i o nf o rb a r r e l i n d e x i n gc a mm e c h a n i s mh a v eb e e ne d t t c e db yl n c a u so f r e l a t i v em o v e m e n | b e t w e e nr o l l c r a n dc a md u r i n ge n g a g e m e n ta n dt h et h e o r yo fi s o m e t r i c sc l l r v et h ea n a l y s i so fp r e s s u r e a n g l ef o rb a r r e li n d e x i n gc a l nm e c h a n i s mh a sb e e nd o n e t h el a r g e rt h er o l l e sd i a m e t e r d t h eg r e a t m t h ep r e s s u r ea n g l ei s 7 f h el a r g et h ed i a m e t e ro f r e l l e r sd i s t r i b u t e dc i r c l e ，t h e s m a l l e rt h ep r e s s u r ea n g l ei st h es m a l l e rt i l er a d i u so fc a mr 。，t h es m a l l e rt h er a n g eo f p r e s s t n ea n g l ev a l u e i tf o l l o w sf r o mt h ea n a l y s i sf o rc o n n n o n l yn s e dr e g u l a t i o n se l f o l l o w e rt h a t ：a n g u l a r d i s p l a c e m e n ta n da n g u l a rs p e e do fg u t m a na r es i m i l a rw i t hs h o e so fq u a s i - c o s i n e ，b o t ho f t h e ma r ei n t e r v a l o u t p u tm e c h a n i s m t h ev a r i a t i o nr u l e so fa n g u l a ra c c e l e r a t i o na r e d i f f e r e n ti nn a t u r e t h ea n g u l a ra c c e l e r a t i o no fg u t m a ni ss m o o t h l yc o n t i n u o u s t h e r ea r e b r e a k sf o ra n g u l a ra c c e l e r a t i o no f q u a s i c o s i n e d u r i n gd y n a m i c sa n a l y s i s ，b a r r e li n d e x i n gc a mm e c h a n i s mh a sb e e ns i m p l i f i e da s i n p u ts u b s y s t e ma n do u t p u ts u b s y s t e me n g a g i n gp o i n ti st h cb o u n d a r yo ft h es u b s y s t e m s ， w h i c ha r cc o u p l e db yd i s p l a c e m e n ta n dt b r c e se x e r t e de a c ho t h e ra tt h i sp o i n t i n p u t s y s t e ma n do u t p u ts y s t e mw e r es i m p l i f i e da so n e f r e e d o ms y s t e mr e s p e c t i v e l y , w h i c h c o n s i s t so fe q u i v a l e n tm o m e n to fi n e r t i a e q u i v a l e n ts t i f f n e s sa n de q u i v a l e n td a m p d y n a m i cr e s p o n s ee q u a t i o n sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d ：e v a l u a t i o nf o r m u l ai sp r e s e n t e db a s e d o nn u m e r i c a lc o m p u t a t i o nt h e o r yi t i sc o n e l u s e df r o mt h ed y n a m i cs i m u l a t i o na n d d y n a m i ca n a l y s i st h a tt h ei n f l u e n c eo fi n p u ts p e e do nm a x i m u ms w i n gi st o ol i t t l et ot a k e i n t oa c c o u n tb e c a u s et h ee x i c t i n gf r e q u e n c yc o r r e s p o n d i n gt or o t a t i o ns p e e da p p l i e di n e n g i n e e r i n gp r a c t i c ei sf a ra w a yf r o mn a t u r a lr e q u e n c yo ft h em a c h a n i s ms y s t e m i n p u t s p e e di n f l u e n c e st h es h a p eo fv i b r a t i o no u t p u tg r a p hb e c a u s eo ft h ec h a n g eo fd y n a m i c l o a df r e q u e n c y t h es m a l l e rt h es t r o k e a n g l e ，t h em o r ev i o l e n tt h ev i b r a t i o ni s t h e m a x i m t m as w i n go fq u a s i c o s i n ei sl e s st h a nt h a to fg u t m a n a tt h ee n do fg u t m a n i n d e x i n g ，v i b r a t i o ns h r i n k sm u c h m o r es h a r p l yt h a nt h ec a s eo fq u a s i c o s i n e t h es o f t w a r ep r o e n g i n e e ri su s e da sd e v e l o p m e n tp l a t f o r ma c c o r d i n gt ot h e c o m p a r i s o no fc o m m e r c i a lc a d c a ms o f i w a r e sa n dt h ea n a l y s i so fd e s i g nf e a t u r eo f b a r r e li n d e x i n gc a mm e c h a n i s m d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n lc o n s i s t so fp r o f l o o l k i t p r o p r o g l 。a 1 1 a n dv i s u a lc + + t h ea r c h i t e c t u r eo fc a d c a ms y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d f u n c t i o nf o re v e r ym o d u l ed a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d p a r a m e t e r i z e dd e s i g na n d d e v e l o p m e n th a sb e e n r e s e a r c h e d b ym e a n so fd e v e l o p i n g t o o l p r o p r o g r a m a n d 阔柱分鹱t “j 轮机f ；= i 成j c a d 系统 p r o t o o l k h o fp r o e n g i n e e rp r o p r o g r a mi su s e df o rp a r a m e t e r i z e dm o d e l i n go f b a r r e li n d e x i n gc a mm o d c l sc a nb ec r e a t e da u l o m a t i c a l l ya sp a r a m e t e r si n p u t e db ym e a n s o fv i s u a lu id i a l o gb o xa u t o m a t i cm o d e ln ga n dk i n e m a t i cs i n m l a l i o nh a v eb e e nr e a l i z e d a p p l i e ds o f t w a r eh a sb e e np r o g r a m n l e da n dc o m p i l e df i n a l l y , c a ds y s t e mf o r b a r r e l i n d e x i n gc a i nl ”e c h a l l i s mh a sb e e ne s t a b l i s h e dw i t hf r i e n d l yi n t e r f a c e ，e a s yo p e r a t i o na n d p r a c t i c a b i l i t y t h ei m p l e m e n t a t i o no f i n f o r m a t i o nt r a n s f e ra n di n f o r m a t i o ns h a r i n gb e t w e e n t h es u b s y s t e m sc a ni m p r o v et h ed e g r e eo f i n t e g r a t i o na n d h u t o m a t i o no nd e s i g na n d m a n u f a c t u r ef o rb a r r e li n d e x i n gc a r ns o ，t h ed e v e l o p e dc a ds y s t e mi s ae x c e l l e n t s o f t w a r ep l a t f m x nf o rb a r r e li n d e x i n gc a l nm e c h a n i s md e s i g n ，m a n u p a c t u r i n ga n db e h a v i o r r e s e a r c h k e yw o r d s ：p r o e n g i n e e r ；b a r l 。e li n d e x i n gc a mm e c h a n i s m ；c a d ；d y m a n i c a n a l y s i s ；k i n e m a t i ca n a l y s i s 扩 原创性声明 水人郑重声明：所当! 交的一i 应沦文，足本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的，戍果。除文巾已经注明引用的内容外，奉 论文1 i 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已存义中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：屋函麴e 日 期：理盟：2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位沦文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学刚。以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鹰函自乎导师签名：玉数。1 期：乏盟2 ：i ：2 第一章概述 1 】引言 再种日动机和白z 力生产线上大罐m 州川歇机构或称分歧机构、步迸机十- 9 。j ：占j j l t | 0 传统唰歇射l f - , j 有 1 1 ：束求轮机构、槽轮机构、星轮机构、不完全齿轮机构、连打问歇机 构等削e l 歇，| ! jl t - , j 。传统的问歇机构山于3 “j , “, , 4 “1 f - “1 度1 i 高、性能差、只能f f i 于低速，每分钟 分度几次、一几十次，无法满足现代叫l ，提出的自动化、高精度、耍载荷、高效率等的 指标要求，近年来存幽外的加工中心、自动化设备及自动装配机中经常见到凸轮锄j j 歇分度机构，该机构把凸轮的连续运动转化为分度盘的间歇转动，分度撇| ，l , 9 运动舰律 可以根据实际工况设汁，能够满足高精度、高速度、低振动等各种要求，因此得到了 迅速发展和广泛应用，已成为叫歇运动机构的发展方向。 分度凸轮机构与传统问歇机构桐比具有传动甲隐、分度准确、结构紧凑、传递 转矩大、分度精度高、两速性能好、体积小、噪音低、寿命长、可实现各种运动规律 的优点，在组合机械、机床加工r r f 心、i 力机自动送料机构、食品包装机械、制药机 械、烟草机械、化工灌装机械、玻璃陶瓷机械，电器制造装配自动生j 线等领域得到 了。泛应用 2 - 4 。 分度凸轮机构r 虿分为三种类型f 5 ：平行分度凸轮机构、圆拄分度凸轮机构和弧面 分度凸轮机构( 又称蜗杆，、轮机构、福克森机构) 。圆柱分度凸轮机构分度数大h 具有 良好的运动特性和动力特性，能够实现输入输出轴垂直交义的传动，凸轮廓形比弧而 分度凸轮廓形更容易加工，在分度凸轮机构的应用中占有举足轻重的位置，因此j 泛 应用在轻工、电子、医药等自动化设备中。现在分度凸轮机构没有统的困家标准， 分度凸轮机构的生产还是单件d , t t k 量的，单件小批量生产的性质能使c a d 系统能够 最人限度的发挥作用，不仅能够降低产品_ f 发成本、缩短供货周期，而且能够保证产 品的性能，甚至可以结合虚拟现实技术及时评价产品性能并进行改进，从而做出产品 丌发的i n 瞻，陆决策，能够最大限度的降低产品丌发风险。 1 2 分度凸轮机构的研究进展 弧嘶分度凸轮由关国工程师cn n e k l u t mj 十世纪2 0 年代初构思发明，在5 0 年代由美国菲同索公司( f e r g u s o nm a c h i n cc o ) 外始进行产业化，其后、hj 分度“轮、 圆杜分度凸轮也相继问世。在8 0 年代初，分度凸轮机构j 。品刊丌始引入l j 、0 机械 圳姓分，芟凸轮t il f 4 , 1 殷jcc a d 糸统 设备中，引起了桐父，、j ：者的关注，”始对其从理论上进行研究和分 ! i _ q 9 0 年代 初中国x , j 段类，二：品试制成功，并丌始小批节生产。 红：一i i t k t4 0i 叫，i f l r o l _ l c s 手m i t c h e l l 分别通过理沦分析和实验研究发现：竹 鬲速f 等加速等减速运动规律使从动件发“i 剧烈振动，它是一种动力响j 、i 很差的逛动 舰律，从此揭 了凸轮机构动力学5 ) t 究晌序幕。文献 8 、f 9 】从凸轮运动规律设计、 动力学模型、动力相应求解、动力学综合等力而进行了系统的研究。 白分度r r l | 轮机构在t 程t j 得到i 遁用以来，探索适合各种_ 上况的运动规律一南是分 度凸轮机构讨的核心问题。文献 1 、f 7 运嗣了无囚次化法埘凸轮的运动规律进行 了详细的沦述。文献f 4 1 提出了，通用刚歇运动规律及跃度连续疗勺通用简谐梯形组合运 动规律，其研究内容为分度凸轮曲线的设讣提出了广阔的空间t i ，同时也为适用尚、中 速不同工况下分度凸轮卅1 线的设汁奠定了基础。动力学模型是机械系统动力学研究的 关键，动力学模型建立的精确与否，存很大程度上影响着机构输出特性与工程实际的 符合程度，同时它也是机械系统进行动力学分析与综合的珲论基础。随着机械产品发 计的要求h 益提高，要求对凸轮机构的动力学进行研究。对于圆托分度凸轮机构而言， 动力学建模研究不多，大部分文献建赢的是单自由度线性或非线性动力学模型 i o q a 。 对网柱分度凸轮机构的动力学分析的就更少了。 凸轮廓形直接影响着分度机构的运动学和动力学特性【67 j 。s t o d d a r t 提出的多项 式动力凸轮曲线为凸轮曲线的设订提供了新的发展方向，这类曲线虽能保持高阶导数 的连续性，但在较大的运转范围内动力响应较差，吲而不能被广泛应用。 我国的学者对分度凸轮进行了深入的研究。文献 1 3 _ 15 】以空间啮合原理为基 础，利用矢量矩阵变换方法，推导出的同柱分度凸轮的廓面方程，此方程可求出考虑 各种1 况的凸轮廓而坐标值，并为圆柱分度n 轮的设计、加：_ 提供了理论依据。文献 【1 6 1 导m 了圆柱分度n 轮机构的压力角函数公式，基网半径和结构尺寸的求解式，给 了计算实例，可用于确定结构尺寸和校验压力角值。凸轮机构的制造精度对输出精 度的影响很大，文献1 7 l 运用误差影响系数方法分析了圆柱分度凸轮机构各个结构尺 寸火小及其尺、j 误差对分度精度的影响，为设计圆柱分度凸轮机构的基木结构尺寸及 尺寸精度提供了依据= 在优化发训方面，a n g e l e s | | 8j 以凸轮廓线作为目标函数，进行无约束优化设汁。 这种无约束优化设计会使得凸轮与滚了问的接触应力超过允许值，从而导致凸轮曲率 的小连续性。文献1 9 以凸轮曲率作为约束条件进行优化没计，解决了陔类廓线设计 讲i 订人学坝i 字位论，( m 率不连续的问题。文献 7 为使机构的结构紧凑，在满足强度要求的条件f ，以1 小 积最小或重量最轻为i = = = | 标函数进行仞步的探讨。文献 2 0 l 、2 1 1 从减小1 轮与滚j 的摩擦、磨损出发，以接触应力为 二i 标函数对机构的优化发i li 叫题进行了分析与研究， 文献2 2 1 提出采用离散优化方法，运用住设汁空问内的直接离散搜索技术，以及在单 位邻域的插点技术和收敛准则建妒优化发计数学模型，使得优化结果的司靠性和i 优化 效率何了很大n 自提高。文献 2 3 1 以接触席力为最小优化目标，讨论了网锥滚子例拄分 度l 马轮设计的影响因素，建立了网锥滚子剧什分度凸轮优化发训f | 勺模型，选择r 优化 方法，并通过优化实例i j t 4 a f 了同标函数的选择，约束函数的建立， 1 3 分度凸轮机构c a d 研究进展 从1 9 2 1 年f d f u n n a n 发表专著列凸轮设计进行系统介绍以来”人们对i ”l 轮及 圆柱凸轮的研究已经非常深入并取得了丰硕成果。随着计算机和信息技术的发展，圆 柱分度凸轮机构的研究经历了从经验设计到优化殴计，从干纯的运动分析到动力学研 究，从手_ l i 加j 至l jc a m 等发展阶段，仪：十世纪八九十年代，就宵，l a n k o v i cm j 2 “ c h c s h a n k o v 2 ”，等人先后发表了关j 二冈柱凸轮机构优化设计的论文而t l d r e n s e r 2 q 等人先后发表了有关圆柱凸轮振动，动态响应等动力学性能方面的论文。 在高速圆柱凸轮机构的研究方山，有的学肯对高速圆柱 轮机构采用的多项式运 动规律进行研究。m c h e w 2 ”，y s u t f l u s o y 2 8 1 等人对高速圆柱凸轮机构的动力学问题 进行了研究。最近，德国、英国在高速圆柱rb 轮机构的研究方面又有了新的突破，对 圆柱凸轮机构的研究采用了谐综合等分析设计方法，存基础理论如从动件运动规律、 儿何学、运动学等方面也取得r 很人进展，使得高速圆柱凸轮机构的动力学性能有很 大改善。 随着自动化生产线、自动加i ：机械的发展，对分度凸轮机构的设计、加工及应_ | 二| 方面的要求越来越高，于是，众多学者将计算机c a d c a m 技术广泛应用到分度凸 轮机构的设计、加r 方面。文献f 2 9 提山了住a u t o c a d 卜网柱凸轮设计t 软件，将由 凸轮帅线方程计算出的凸轮曲线点坐标用绘图功能显示出来。在微机上输入所需的参 数后，就可显示出凸轮零件图、分度盘零什幽及装配立体图和输出曲线数据表等。 文献 3 0 结合分度凸轮机构的设汁过程，将专家技术与传统c a d 技术牛日结合， 建立了分度l l 、轮机构智能c a d 系统站构模掣，并编制稃序。爻现了集专琢系统技术、 数值计算、汁算机绘图为一体的集成发训环境。从文献【3 1 h 3 7 刑以羁山我围学者刘 弧面分度凸轮c a d 系统的研究已经比较深入，并且开始根据参数化和可视化的虚拟 圳牲分，复p l f 轮机掬，监儿c a d 系统 设计技术思想，构建j 7 弧【_ l 分度凸轮机构c a d 系统的总体框架。基于p r o e n g i n e e r 大型c a d 软f l ，l 、州】v c + + 干f ip r o t o o i k i t 或o p e n g l 对其进行j ，：次丌发，建立 了弧面分度f 轮机构的参数化发汁、造型利延动仿真，以及包岔f n ? 轮压力角、诱导主 曲率和洪筹分析等内容的发汁系统而闻柱分度凸轮机构的c a d 系统研究相对滞后， 文献 15 介绍了a u t o c a d 、采用模块化设计的刨柱r l | 轮机构的绘图软f t ：，适合j 二不 同滚子形式、不同旋向、不j 刊转向、不j j 运动规律的圆拉凸轮发计：文献 2 9 】基于 y a u t o c a d 软件内嵌的v b a 丌发t 具，丌发了网柱凸轮的三维c a d 软件，该三维 c a d 软件实现m 日托凸轮的_ 二维参数化建模，并且基于旧轴联动数控铣床x k 7 1 4 1 ， 自动生成了网柱i ：t i 轮的数控程序，从而解决7 圆柱凸轮数控编程团难的问题，大大提 高了圆柱凸轮系列f l - 品的生产效率。 研究圆柱分度1 1 轮机构c a d 系统的同时，人们也在关注网柱分度机构c a m 的 发展。文献 3 4 用v c + + 编制了计算共轭凸轮理论廓线的稃膨，求廓线坐标时通 过对a u t o c a d 进行二次丌发，利用a u t o l i s p 语言提取坐标数据，丌发了相应的菜单 及其对话框，提出了j ” 轮廓线的圆弧荠补，丌发了相应的计算程序及自动生成n c 代 码的程序。文献 3 8 1 1 3 9 1 介绍了圆柱分度 轮的数控加工i2 艺及数控系统，用独特的 二三轴联动插3 1 、算法- u 以存通常的数控铣床上实现圆柱分度凸轮及其它空问凸轮的加 工。采用这种方法加r 圆柱分度凸轮，编程简便，加工精度高，廓面曲线光滑，各 项技术指标均满足技术要求。文献 4 0 h 4 2 介绍了两轴联动数控加l ：圆柱分度凸轮的 编程坐标换算方法，导出了两轴联动加工的理论制造误差计算公式，结合实例进行了 误差分析，对圆柱分度凸轮廓形的数控加t 具有指导意义。文献 4 3 以增加了脉冲转 盘的两坐标联动数控铣床和p c 机作为圆柱凸轮加i 的硬件环境，采用三轴变两轴的 展成法加工方案及p r o e n g i n e e r 软件包，探讨了c a d c a m 一体化技术在圆柱凸 轮加工中的应用。 目前我困吲柱分度凸轮c a d 系统还不够完善，如在系统中没有进行凸轮机构的 优化设计、动力学分析、加2 仿真等，与几本、德国、荚崮等西方围家斗h 比还有很大 的差距。因此，丌发研制出圆柱分度凸轮机构的c a d c a m 系统，完善凸轮的设计、 数掘处理和控制加工，提高凸轮机构的设计与制造精度、缩短i 殳训周期和提高产品质 晕等均具自特别重要的意义。而目有利于圆_ ：分度凸轮机构在我困的广泛应用，缩短 我幽与 廿界水平的筹距。 从总体上看，可以看出我国的分度凸轮机构的c a d 系统已基本建寸，对于c a d 济南人学坝l 学位i _ ：史 系统叶1 的一些模块l _ ! i 经比较成熟。但是，c a d 系统整体内棒辽不够成熟、完葺，毒三 要存在以f 灿j 题： f 1 ) 现有的c a d 软件火矧对分度1 1 1 i 轮机构设计整体过筒- 1 某 部分，存往 定的局限阽。周内目i 已经，有的凸轮砹“软件，4 - ：要集叶 扫：凸轮轮廓、厂氏力角、曲率 半径的汁算上，而较少涉及其它方向，系统性、实用性较著。 ( 2 ) 参数化实体建模不完善。有人以a u t o c a d 、m d t 60 为软件平台，埘凸轮机 构进行砹汁汁算，并利用曲线拟合生成一i 轮的轮廓，进而生成凸轮的二维模型。但是 这样得到的三维模刑只有：维外观而并j l | i = 灾休，它是通过点i h 闭龠曲线填充而得到的 。、轮包络面。 ( 3 ) 没柏进行优化设训，虽然在凸轮的曲面、结构参数和运动参数的方而已经取 得一些进般，但是在分度机构的c a d 软件巾还没有体现出来。 f 4 ) 现有的网柱分度n 轮机构的c a d 软件实质卜只是绘图软件，有的c a d 软件 具有运动学仿真功能，无动力! 学分析功能，也无法对机构性能进行评价。 1 4 课题的提出和研究内容 传统问歇机构( 例如：棘轮机构、槽轮机构、星轮机构、0 ：完全齿轮机构、连杆 间歇机构) 分度精度不而、性能差、只能片j 于低速，已无法满足现代工业高精度、蕈 载茼、高效率的要求，需要研究、创新能够满足现代工业要求的新型间歇传动机构， 市场需求为分度凸轮机构的研究与应用提供了广阔的发展空问。凸轮分度机构通过滚 子与凸轮的啮合，将凸轮的连续转动转化为从动件的间歇运动，从动件的运动舰律可 以按照动力学原理设计，因此该类机构具有良好的动态特性。优良的动态特性使分度 凸轮机构在工业自动机械中得到了广泛的应用，特别是c n c 机床的“泛应用，使得 凸轮廓形的加工效率利精度大幅度提高，制造成本明显降低。分度凸轮机构的性能和 价格优势决定了其巨大的需求潜力和市场前景，2 0 世纪8 0 年代后期，分度凸轮机构 开始作为独立的传动装置进入市场，2 0 0 2 年存中困大陆的销售额超过了亿元。对充 满市场活力的机械产品分度凸轮机构进行研究，综合成用先进的设计原理、计算 机技术、控制技术，提刊设计与制造水平，具有不言而喻的实际意义耵l 应用价值。 在甲行分度f n l 轮机构、弧面分度凸轮机构、圆柱分度凸轮机十勾t 类分度i ”i 轮机构 嘻】，网柱分度1 1 轮机构的结陶简单，分度范围大，能实现大分度f 八分度到六 分皮j 输出，在分度凸轮机构的应州巾 与有小可替代的位置。圆柱分皮凸轮帆构的j 衄用场合 不同，其参数不恻，参数的频繁变化，决定了其制造的单件小批量性质，所以，适应 h 拄分_ l 蔓凸轮机掬投i c a d 系统 单件生，、2 的譬j 化c a d 系统，能够存崮枉分度凸轮机构的制造中技挥优势，能够确 效地缩短供货刷期、提高设计和制造水i l i 。 分度n 轮机构的c a d 系统足针对特殊，、品的系统，由于用j i p 妒业软件丌发 向没有在该领域投入精力，只有部分商校的研究人员刈单元技术进仃研究，没有形成 完整的c a d 系统，冈此对圆忭分度凸轮机构c a d 系统进行研究具_ 囱充分的必要 性和重要的现实意义。 圜柱分度n 轮机构及其c a d 系统的 二要内容包丰舌： 1 、圆柱分度凸轮机构研究 ( i ) 建立圆柱分皮凸轮廓形通用方程。 ( 2 ) 进行圆柱分度凸轮机构理i ：仑研究 分析不同运动规律的速度，加速度和跃度的特性； 建守机构的压力角方程，并进行压力角分析： 建立圆杠分度凸轮机构动力学模型，进行动力学求解，并进行动力学实例分 析： 2 、圆柱分度凸轮机构c a d 系统研究 ( 1 ) 完成圆柱分度r l l 轮机构c a d 系统框架与模块丌发，初实现系统的各种功能： 使用v i s u a l c + + 基于p r o e n g i n e e r 平台构建面向对象的参数c a d 对话框： 实现圆柱分度凸轮廓形的参数化建模； 实现机构的自动装配。， ( 2 ) 完成圆柱分度凸轮机构c a d 系统软件的编译与渊试。 济南，( 掌坝i 。学位论止 第二章分度机构基础理论研究 在工、k ! i 产中，为了提高生产率或满足某些t 艺规范的要求，很多1 1 i ! _ f 需要机 器或执行部件作剧埘件停歇的单方向运动，以进行加1 、转位、分度、进给、换向等 系列工艺规范的操作。多工位自动机械和白动线，一股都是做这种彤，的运动。为 了实现这种形式的运动，n = i j 歇机构应运而生。制r j 歇机构又称为分度机构或步进机构， 主要用j 二实现分度运动，一般用来传递运动和动力。 2 ，l 实现分度的途径 实现问歇机构j 刮期性的转位和步进分度动作的途径有很多。自动机械和各种生产 线上常用的间歇运动机构有：棘轮机构、槽轮机构、星轮机构、不完全齿轮机构、连 杆问歇机构、齿轮连杆间歇机构、带挠性的| l u j 歇机构、其它组合式间歇机构、凸轮式 问歇机构等陋】。 棘轮棘爪机构是一种最为原始、现在还常见的问歇机构雎j ”。这种机构丰要由 棘轮、棘爪和机架组成，它把主动杆的摆动变成了棘轮的单向i n 歇运动。它突出的优 点是机构简单，但它传递的动力小，传动的甲稳性不好，一般适用于转速低、转角不 夫的场合。 槽轮机构主要分为外接式和内接式两种。内接式q j 槽轮的转向与主动拨盘的转向 相同，而外接式则相反。槽轮机构实现了连续的刚转运动与单l 旬间歇运动之间的转换， 与棘轮机构相比，传动效率高，传动较平稳，但是它的缺点是从动件的转角固定，机 构运动过程巾存在柔性冲击，从动件角加速度的变化幅度人。这种机构多用于转速不 高，要求f 叫歇转过一定角度的传动装置中。 不完全齿轮机构是由普通渐丌线齿轮演变而来，由于轮齿不布满圆周而得名。这 种机构根据啮合方式可以分为外啮合和内啮合两种。与其他间歇机构相比，它的优点 是结构简单，加工制造方便，从动轮一次转过的角度不受机构结构的限制。它的缺点 是从动盘丌始转动和结束转动时的角速度有突变，动力性能较差，只适用于低速或轻 载的场合。 凸轮式叫歇机构l i i i i 轮、分度盘和机架组成分度盘【二固定有均匀分胡j ? ? 干滚了 凸轮廓 眵与滚子啮合从而推动分度盘运动。设i 十可以事先按照h 体工作要求确定转 蕊转位的运动规律，然后以此依掘设计凸轮轮廓曲线。这种机构最突出的优点是运转 可靠，传动平稳，适应高速度运转，其动载荷、冲击和噪音都较小。其次，这种机构 嗣柱分鹱凸轮柑i 构及7l c a d 系统 是儿何封闭tf ；，不需要附加定化装置。 综合比较几种分度方式，可以看出i n i 轮间歇机构传统的问撤机构相比有如下优 点2 “i ：( 1 ) j 动甲稳，适n 葡速分度，每分钟分度次数i 叮达几t ii 欠鞋仝超t 次( 国外 有用到两一欠的) ：( 2 ) 分度准确，分度精度_ 石 达1 0 ”( 一般3 0 ) ；( 3 ) 2 | 构简单、紧 汝，分度盘的转位、刹车、定位全由凸轮控制实现，小需另x ；j , d m i ：, l 车和定位装置；( 4 ) 传递转矩大。 2 2 分度凸轮机构 随符秽k # , a u l 2 _ q k = 1 动化程度的提高，对削歇机构性能的要求也越来越高，传统i 训歇 机构已经无法满足高速度、商精度的要求。由于具有良好运动性能、高速、高精度特 性，凸轮式间歇机构成为问歇机构应剧和发展的主要方向。常用的分度凸轮机构按照 输入轴、输出轴及滚子与凸轮的啮合特点，可分为平行分度凸轮机构、圆柱分度凸轮 机构和而分度凸轮机构三种类型2 5 1 。 平行分度凸轮机构如图2 - 1 所示，分度凸轮机构中一组半丽共轭凸轮为主动件 进行连续匀速转动输入，凸轮共轭曲面与从动盘上各层滚子依次相啮合，米实现输出 轴的分度运动与定位的，从而将连续的同转运动转变为川i i 歇运动输出。其特点是输入 轴与输出轴平行，属于芪轭凸轮机构，r j - 通过调整中心距来调整传动问l i 隙；通常在水 平状态安装使用。广泛应用j 二各种翻转机构和摇摆机构。 图2 1 平行分度r _ 轮机 弧面凸轮分度机构图2 - 2 描述j 弧面分度l n i 轮机构的结构。由安装在输入轴上 的弧面r r l | 轮和安装在输出轴q 从动盘两大部分组成，从动盘卜沿径向旱辐射状均匀 = | 4 f f i j 一定数同的滚子：输入轴带动凸轮匀遮转动，fr l | 轮与从动滚f 间作尤1 1 h 隙啮合运 刮。 图2 2 弧面分度凸轮机构 圆柱凸轮分度机构圆柱凸轮分度机陶的结构如图2 3 所示。1 。j 弧面分度i 马轮机 构不同，滚_ 沿轴向均匀分布丁分度盘端面，i i i i 轮廓形与滚子依次相啮合来推动从动 盘作分度运动与定位，从而将连续的网转运动转变为川歇运动输山。其特点是输入轴 与输出轴呈窄问乖直交叉，通常输m 轴垂直向上安装使1 | 二 j ，广泛应用于各种大型或重 型自动机上作间歇分度运动。 图2 - 3 圆柱分度凸轮机构 2 _ 3 运动规律研究 分度凸轮机构的常用运动规律j 一股的凸轮机构相比有两个主要的特点。首先， 分度凸轮机构的运动规律只有丁作行程而兀回程，即总是升一停型运动曲线。升程为 机构中从动盘的分度阶段，停程为从动盘的停歇阶段。其次，分度凸轮机构般存中、 高速情况下工作，所以在选择运动规律口寸应着重考虑其具有良好的动力学性能。现有 的很多资料，在分析运动规律时把运动参数无因次化。这样在圆柱分度凸轮机构的具 体应用中很不方便，因此，按照机构的实际运动情况分折不同的运动舰律。凸轮机构 。i 。应用的运动舰律很多如等速运动规律、等加速度运动规律、梯形运纠j 规律、变余弦 运动规律、多项，运动规律、盖特曼运动规律等等。最常川的有盖特曼科i 变余弦运动 网j | = _ ，度凸卓仑机构发c a d 系统 规律。 2 3 1 运动规律的特性值 评价芹种运动规律，常常按照一些与运动学和动力学有火的特性值【7 1 j 通过这些 特性值的比较，可以大体分析出l 54 机构选用这种运动规律州的运动或动力特r t ，甚 至j 以反映出工作行为、机构或寿命等方面的基本趋势。运砂枷律常用的特件值有最 大速度v 。最大加速度8 等。 ( 1 ) 最人速度、i 、 凸轮机构的压力角一股是随蓍速度的增大而增加。压力角过火，会导致磨损船剧， 效率下降，甚至会自锁咬死。为了减小压力角，应选用v 。较小的原则选用运动觇律。 此外，工作机构的速度越大，r 作机构的动量越大，当凶意外事敝需要紧急制动时， 工作机构的动量剧会转变成巨大的冲量。因此，从保证工作机构的安全角度看，也希 掣选取v 。较小的运动规傅。 ( 2 ) 最大加速度g 。 存高速n 轮机构中，与加速度成f 卜比的惯性力是载荷的主要组成部分。凼为惯性 力1 i 和转盘质量和加速度有关，所以转盘质量人时，应选用加速度较小的运动规律； 较火的惯性力不但使机构受力增加，构什之问磨损加剧，由于振动分量的存在，还导 致从动件振动加大，严重影晌工作精度；另外，s 。的值关系到作用在从动件与凸轮 之间的法向载荷。凸轮机构的强度以r l l 轮的接触强度和销轴的弯曲强度来计算，由_ _ j 任何一种应力都与法向载荷成j f 比，所以其结果是，机构的负荷能力取决丁法向载荷 的大d 、。s 。越小，许用应力也越小，极限速度也越小。高速运动的 轮机构，应当 选择s 。值小的运动规律。 2 3 2 常用的运动规律比较 凸轮机构中心用的各种基本运动规律都有各自的特点。应用最广泛的运动规律是 变余弦运动规律和盖特曼运动规律。以f 是以它们为例进行详细的分析比较。 f 1 ) 史余弦运动规律： 变余弦运动规律对应的角位移、埔速度、角加速度和跃度可表示为： = 兰f l c o s ( 兰竺) ) 妒， ( 2 - 1 ) 济南人学砸i 学位论文 、一兰二兰s m ( 一7 9 ( o t 1( 2 2 ) j ，妒l妒 f ：! ( 0 - c o s ( 兰竺) f 2 3 1 ，妒i妒1 其中：口为运动规律的角位移，为运动规律的角速度， 为运动规律的角力速 度。1 1 ，为分度数，c o 为输入转速，妒为动程角。 f 2 1 盖特曼1 3 运动规律： 盖特曼1 3 运动规律对应n q 角位移、角速度、角加速度和跃度可表示为 卢= 署旦3 2 ：rs i n c 等卜上9 6 ：ci n t 等， 妒1。垆1 妒j 妒i 1 5 ( o c o s ( 2 z c o t ) 1 6 妒l p l 生c 。s ( 6 z c o t ) 1 6 q l妒l s=婴si。nc等，+署slnl7,8cpl警， f = - i j + i j 妒ls 妒