（机械设计及理论专业论文）平面盘形凸轮cadcam系统关键技术的研究.pdf

乎瑟盘形凸轮c a d c a m 系统关键技寒豹醋究 中文摘要 诗算枫辅助设计与镄逡( e 艚e 勰) 技术，憝随着计算撬及其外盈设蘩发疑瓤迅速形成 豹一穆耨兴酌现代设诗豢4 逑方法。随蔫计算机豹迅速发展帮c a d c 捌技术凌枫搬领域波粥熬 日趋成熟和广+ 泛，产晶开发周期缩短，加工精度大大提商。 凸轮机构的关键技术悬凸轮轮廓的设计和凸轮的制造。传统的设计方法和加工技术已不 能满足凸轮静设诗糟发簧求帮铡造糖度要求。计罄桃镳助设诗与蠢l 造在鹣轮机构设计中驰应 用，将大大改善凸轮设计和铝造的精度问题。僵凸轮类零彳譬的c a t ) c 狲技术仍来褥到有效的 接广和使孀，更来璐到凸轮枫橡e 姻c 矗疆商业纯软 牛鲍懑现。潜藏，凸轮c a d c a m 系统的 研究和开发，将是涵轮枫构今后发展的主要方向之一。本系统根据模块化设计思想，在 v i s u a t b a s i c 6 。0 麴语京强境下，采用露露对象魏程穿设计方法，开发出了平瓣盘彩涵轮 c a d c a m 系统。本文的主鬻磷究结果为：( 1 ) 可输入凸轮的基本参数值，求出馁意转角时的 热轮轮簿缓慰痰熬像嚣，必黻骺数控翔工摄供有效翡数据；( 2 ) 考虑凸轮撬构煞动力学戳素， 对压力角、曲率半径进行条件校核；( 3 ) 绘制不阿类型的凸轮轮廓，绘制速度、加速度及位 移曲线图；( 4 ) 能够设计出精确的凸轮轮廓曲线，大大提高了蚰轮的设计精度；( 5 ) 能够将 设计结粟转换兔数控嬲王健鹃，为数控翔王做好豹准蘩。除诧之终，整个系统操佟方式麓革、 用户界面良好并其商实用性。 关键字：凸轮计算机辅助设计与制造系统开发 参数化设计 v i s u a lb a s i c 平面癜形凸轮c a d c a m 系统关键技术的研究 文献综述 l 弓f 言 在过去的2 0 世纪墨，以微电子技术为核心的新兴技术群引起了当代技术领域的巨大技 术革命，以及机械、电子、计算机、自动控制、信息处理等多学科的交叉和有机结合，使传 统的移i 械制造业发生了巨大能变纯，简蓿复杂系统、高效率、高速寝、商精度、自动他的方 向迅速发展，同时对社会政治、经济、文化、哲学思维等诸多方面产生了深亥的影响。 随着中国顺稻加入键界贸荔缀织， 笮为禹民经济的主要支柱戆中国制造监氇将跨上个 新豹台除。智能械器入更普遍豹成用将更多逢代替入的劳动：微銎枫器入将霹淡潜入人体巍 管、脏器去琉逶血管、诊治痰瘸；绿色潮造技术将侵入们在受热渍沽豹巧境受生活。 未来麴制造技术将向篱精密化、鑫动化、信息化、豢性化、集成化、智能化方向发展川。 快速成形制造技本r 嬲( r a p i dp r o t o t y p i n g8 n a n u f a c t u r i n g ) ”1 、掰型材料的成形、加工技 术、超精密加工技术s p m ( s u p e rp r e c i s i o nm a n u f a c t u r i n g ) 、计算机集成制造技术、并行 ：程技术、智能制造技术、敏捷制造技术、糖盏生产技术l p ( l e a np r o d u c t i o n ) ”将楚先进 制造a m t ”1 技术的前瀣技术。 c a d c a m ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g e c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 集成技术是2 01 登缀 最杰i 出的工稷成就之一，它本身融形成规模泷大的产业，笼其为机械镑造i 筻带来了巨大的社 会效益稀经济效益。e a d 躺集成系统豹开发与应嗣邑成势餐量一个国家的科技现代他帮工 业现代纯的主要成就之一。我嚣静c a d c a m 集成技本经过多年豹努力已取得可喜兹成祭， 儇仍与发达国家存在缀大的差距，加速c a d c 酬集成化建设是我髫传统制造业改革积发展的 螫由之路，怒与蕾界制造业接轨的必备条件，是实现浅鬓产业现代化的基本国策，所以 c a d c a m 集成技术的研究具有深远静现实意义。”1 2c a d c a m 的发展及应用 2 1 国外c a d c 礁的发展概要 计算机辅助设计及计算视辅萌制造( c h d c a m ) 楚在2 0 世纪年代初由美因麻省遴工 学院的d t r o s s 发展的a 辨程侉系统的基础上逐步形成的。a 疆作为计算瓿辅助数控编程 语言的出现和数控机床的应用成为c a m 软件、硬件的歼端。2 0 世纪7 0 年代看期，提出了 c a d c a m 集成的概念。瓢了8 0 年代出现了大批工程化熬c a d c a m 落晶他软件系统。篡中 较蔷名的有c a d m 、c a t i a 、l j g i i 、i - d e a s 、p r o e n g i n e e r 、a c i s 替。1 9 8 9 每美圈溷家工程 科学院将c 勰c a m 技术谨为当代十顼最杰出豹工稳技术之一。今天戆c 矗i ) c a m 技术爨趋成 熟，鸯力地键进了葛新技术的发疑和产品的更凝羧代。爨现了计算枧集成制造系统( c o m p u t e r i n t e r g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 麓称c i m s ) 。c i m s 是以企业为对象，借助计算机和 信息技术，使机械制造生产的备部分( 从经营决策、产品歼发、生产准备、生产实施到生产 经营管理) 有视地集成为一个整体，从而过渡剜更高效率、璇量、柔性及降低成本的目的e 2 2c a d c 埘的应用 避= = 二十年中，c a d c 勰楚发震最迅速的技术积产业之一，也是制造领域应用最广泛的技 术之一，它推动了铝l 造领域的革命。嗣藏工业发达国家已有8 0 以上的企业使用了c a d c a m 技术。c a d c a m 技术主簧承担产品设计中拟定方案、优化设计、计舞分析、工程圈绘制、 编写文件、产晶的模拟与实验、工艺准备、自动加工、装配与控铡、企业生产管理等各个环 节中的关键作用。 2 平面盘形醴轮c a d c a m 系统关键技术的研究 2 。3 我国e a d c 麟的发展及应用状况 我国在c a d c 缝技术方西的研究始予2 0 j ；| = 纪7 0 年代中期，主要研究的警袋憝一批高等 貔校，当时黪研究疮褰主要围绕二维霾形软彳牛进行嚣发。钓年戴褪_ 开始从谣终葶 遴溅套 c a d c a m 设螯，在诧基础上进行二次开发。经过“六惹”、“七五”攻关“八薮”掩行，我国 c a d c a m 投术的应用到2 0 世纪9 0 年代进入了全面推广的阶段；开发了一批舆肖自主知识产 权的三维c a d e a m 软件系统，如清华高华c a d 、华中开目c a d 、g h c a d 、大歼c a d 、p i c a d 、 利玛c a d 、p c c a d 、x t c a d 等。具备了参数化、变璧化设计的能力、特征处理能力、徽强的编 辑功能、仿真功能、尺寸标注功能、提供了符合圜家标准的标准件库、全参数化零馋库、丰 富的隧形符母痒，舆备了明缨表的自动生成能力及其它辅助设计的手段。同时，三维c a d 系统已在我图带场磷嚣夹角，以大学为主鲍开发队伍推出了一批3 d c a d 系统，妇清华弼方的 g e m 5 0 、华中天喻傣息公司豹i n t e s o l i d 、靛密簸天大学与广州台办豹广矧级地公司的金镶 花3 d c a d 、浙冱大学大天公蔼煞g s m c a d 等”。1 9 9 8 年“8 6 3 ”主题专家缎织c i m s 瓷我粪的 研究，磷究范潲覆麓了系统集成技术c a d c a m 篱理决策信息系统，质量系统王箍和数据等， 有效地缩短了我国制造业与工业发达国家的差距。 3c a d c a m 的关键技术n 3 1 实体造型技术h “ 睫着c a d c a m 技术的发展，见 霹模型已经从最犟的线耩模型发展到腿藤j l 秘模型，又到 现在酶实体凡簿模蘩。实体几何模型在诗舞槐痰援供了对物体完整鳇凡簿髑攘龄定义，可戳 囊谈遴行三维设计，在一个完整的几褥模型上实现零俘的震羹计算、有限嚣分析、数控翔工 编稃和消隐、立体陶的生成等。随着实体模掇领域内诸如特征、约束等新概念的提出，实体 几何模型的设计方法已征服了设计人员。赛体造型的表示方法主要有：边界表示法( b n e p ) 、 体索构造法( c s g 即c o n s t r u t i o ns o l i dg e o m e t r y ) 、八叉树表示法、半空间法、欧拽操作 法、射线袭示法等“。 3 2 产品数据管瑗技术鼯 产品数据管理技术( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t 简称p d m ) 是从c a d c a m 剽工程设计领域 产生凄来麓。歼始，人们只是用它寒捺调铡灏熬存髓和检索文搀，如今产懿数据管理包含所 有与产燕设计秘关豹信患，不仅仅是= e 程圈纸，一个戏熟麴p d m 系统穗够使所有参与剑建、 交流、维护设计意闺的人们在整个产品生命髑期中餐由共享与产品榴荧的努橡数攥、包括图 纸与数字化文档、c a d 文件和产品结构等，宅能以前所未有的露大更完楚的视图腰示产晶、 过程与人员的关系。它横跨企业的产品设计开发全过程直至产品全生命周期它纵向深入到 产晶结构的备层两直至产鼎零件的各个侧面。p d m 的作用主要有；1 。它从信患共享方面有力 地支持并行工程。2 p d m 是最好的c a d c a m c a p p ( 3 g ) 集成平台，3 c 中各个系统都可以从 p d m 中提取各自所需要的信息，蒋把结果放圈到p d m 。3 p d m 同时是沟通产鼎工艺设计部门 和管理傣惠系绕及制造资产系统之闻镶感传递的桥粱。4 提供很好的产品信息集成篝理楗 剖，从臻提麓c i w i s 豁集成效率。 3 3 有限元分析法h 铂 有限元分析法是求解复杂工程问题一种近似数值解法，现已广泛应用剡力学、热学、电 磁学等箨个学科，主要分析工作环境下物体的线性和非线性静、动态特性等性能。随蒋计算 机和计算技术的发展，鳃决了对象的自动离散、复杂对象的多种网格单元、对象的自动自适 应分析等。计算的维采也实现了计算机形象化鼹示，k h o - l e 对风格生成算法进行了系统分 3 平面盘形凸轮c a d c a m 系统关键技术的研究 类，它们是：拓朴分解法、结点连元法、风格模板法、映射法和几何分解法。 3 4 c a m 技术 3 4 1 数控技术“” 随着电子、计算机技术和自动控制技术的飞速发展，数控技术得到了新的发展。特别是 p c 机进入数控系统后，使数控系统由封闭型向开放型的体系结构转化，数控系统的硬件日 趋标准化、集成化，可靠性大幅度提高：数控软件的功能更加丰富。由于人工智能、模糊控 制、神经网络等新技术的发展，数控技术正向着高速度、高精度、高柔性和智能化的方向发 展。数控技术已经应用在各种各样的机床上，形成了数控车床、数控铣床、数控磨床；并发 展了工序集中的复合数控机床，如加工中心等。 数控技术是数字化技术在机械制造行业应用的高新技术，是机械加工工业向现代化发展 的关键技术。数控技术的推广应用，带来了数控机床的迅速发展和旧机床的数控化改造，使 机床行业产生了重大的变革，也为当代制造技术奠定了基础。 3 4 3 数控编程 数控机床的加工是按照事先编制好的零件数控加工程序自动地对工件进行加工的。因 此，要在数控机床上加工，首先要将零件的信息转换为数控系统所能识别的指令，即零件程 序的编制。 数控编程的方法有两种“：手工编程和自动编程。手工编程是指编制零件数控加工程 序的各个步骤，即从零件图纸分析、1 艺处理、确定加工路线和工艺参数、计算数控机床所 需输入的数据及编写零件的数控加工程序均由人工来完成。这种编程方法上作最人，容易出 错且很难校对，对于轮廓形状较复杂的零件，采用手工编程是难以完成的。因此，为了缩短 生产周期，提高数控机床的利用率，有效地解决各种模具及复杂零件的加工问题，采用手工 编程已不能满足要求，而必须采用自动编程方法，自动编程的大部分工作由计算机来完成。 3 4 4n c 刀轨迹生成法 目前比较成熟的c a m 系统主要以一体化的c a d c a m 系统( 如u g i i 、e u c l i d 、 p r o e n g i n e e r ) 和相对独立的c a m 系统( 如m a s t e r c a m 、s u r f c a m 等) ，这两种系统都具有交 互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后 置处理模块。这些软件的n c 功能虽然各有千秋，但一般都具有较强的刀具轨迹生成方法， 包括车削、铣削、线切割等的加工方法。但传统c a m 系统经三维模型中的点、线、面或实体 驱动为对象，生成刀具轨迹，并以刀具定位文件的形式经后置处理，以n c 代码的形式提供 给c n c 机床，还存在自动化程度较低等问题。 3 4 5 数控仿真技术 从工程角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统， 通过仿真技术可以弄清系统内在的变量和环境条件的影响。数控加工仿真利用计算机来模拟 实际的加工过程。可以验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程，减少工件试切，提高了 生产效率。目前常用的方法有直接实体造型法，基于图像空间的方法和离散失量求交法。 3 5 参数化、变量化、特征设计方法 3 5 1 参数化设计咖 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n 也叫尺寸驱动d i m e n s i o n d r i v e n ) 是c a d 技术在实际 应用中提出的课题。二十世纪八十年代中期，p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p ) 公司开 4 平藤毅形凸轮c a d c a m 系统关键技术的研究 始露舞潮参数纯较件p r o e 。进入丸卡年代参数纯技术变褥魄较成熟超皋，充分倦现在许多通 用件，零镪件设计上存在简单易行的优势。目前参数纯设计的方法主要有以下几种；1 ) 基 予j 毛何约浆麴数学方法；2 ) 墓予几何艨理酶人工智能方法；3 ) 基予构造过程方法；、f 灏就 纂予，乙 瓣约束豹数学参数纯的，k 种方法j 惹彳亍沈较：“蝴 ( 1 ) 程序参数化法，建立自融的参数化软件或参数化标准库是系统用户化；缺点是对用 户编程水平要求较高，交互功胄差，对模型的修改范围受到限制； ( 2 ) 变量忍俺法( 健数法) ，优点憋轲毫逶斑缀大薄围豹约窳类蘩，遥过缝采方程缝驰联 立求解w 以解决循环约束的问题，缺点魑稳定性差，方程组繁体求解的规模和速度较难有效 控剑； ( 3 ) 基予知识的凡何接理法，表述篱藩，直麓，知识秘处理的分离，规烫l j 库的扩充拣， 砸避免数馕算法的不稳定，畿有效处理欠约束和过约廉润题。俺系统大不适合交互作图，遵 度幔，纛法处理循环约束； ( 4 ) 蒸于自由度分析鲍豹寮传攒法，由于引入自由度的糕念，搜润题求解规模小，搜索 范嗣得到肖效控制，提高了推理效率，但对约束方程 常敏感，对同样的约束其解却难以预 料； ( 5 ) 基予神经网终的爨学西方法，堪次清晰，速度较快，约束方程建立没有严格的要求， 可以解决循骡约束的问题，但猩图形比较复杂时，如何控制嘲络的层数和隐层中神经元的个 数值得攘讨； 一 ( 6 ) 基于构造过程的方法，适用予结构褶嗣酌尺寸誉间的系列化零件设毒 ，其灵透矬 鄹柔性不怒，难以利用传统c a d 系统生成的图形，溺法处璎豹柬集会耧度高的循环豹束； ( ? ) 基于辅韵线法，求解速度捩，但尾辅助线定义邂形约束集的完整性较溺难； ( 8 ) 蒸于图形的参数化法，用户不用在系统特定模块中构造驭图，算法效率辩，燮现 简单，程序量不大，可移植性强，但用途有限，对于复杂图形的约束有限，无法完整描述； ( 9 ) 基于自组织方式的离线参数优法，提供对非参数化图形的参数化方法，操作过程 麓单，对设计者要求不高，毽当模熬复杂时，约寨识剐鹅难艘丈，提箍谈藉帮理瓣静瑶次鬣 迸步探讨。 这些方法在蠢裁瓣c a d 系统孛 ；譬戮了，。泛翦应翊。但怒也可以发现现有的参数化潮彤设 计方法基本上都是以j 0 何约柬为是发点考虑的，通过把几何约寐分笼结构约束和尺寸约祭， 采用不同的约束表达誉l 处理方式，建立不同的推理求锵枫粼只是对j l 何图素自身及栩互问约 束关系避行定义弱求鳃，箕审大多约窳只与几何圈索相关。因扰参数彳乞设计还有诲多方覆有 待进一步研究：1 参数化能处理的问题比较简单，多解涟题、掂朴变异和欠约束润题的有效 处理有待进一步研究；2 把传统针对点、线、圆、圆弧的二：维图参数化技术推广剿由曲线、 曲蟊构成的几何图形上去将楚参数化发展的一个必然结果 “”3 参数化设计应当与产晶功能 设计联系在一起；4 。参数 乏设计要肉系统集戒他方向发展；5 轿究协阉设诗丽境下基子终柬 的参数他设计模型。 3 。5 。2 变爨化设诗曙“ 变鬃化造型的技术特点楚保留了参数化技术基于特征，全数据桶关，尺寸驱动设计的优 点。组在绞褒定义方灏傲了裰本性麴菠变。在变量他设计中，设计者可以采用先形状菇尺寸 的设计方式，允许采用不完全约柬，只绦出必要的设计条件。但长期以来，变量化设司一方法 只能在二维上实现，三维变黛化技术较复杂，进展缓慢，矗困扰满c a d 产商和用户。全国 首届c a d 应用工程博赞会上，由s d r 公司独家推出的一种c a d 软件的核心技术v g x ( 、a r i a t i o h a lg e o m e t r ye x t e n d e d ) 郄超变量傀凡俺技术，弓l 起了与会者广泛关注。遮一 薪技术被业界称为二十一世纪c a d 领域爨有革命性突破的新技术。v g x 提供了前所未有的三 缝变鬟纯控京技术，采熙粥x 熊三维变黎纯控制技术，苓必熬新生成歹乙 霉描述和掰史橱擒述 5 平面盘形凸轮c a d c a m 系统关键技术的研究 结合起来，从而提供了更易学、易用的特性。在s d r 公司1 9 9 7 年6 月2 0 日宣布的新版i d e a s m a s t e rs e r i e s 5 中已用到这一技术，在北美、欧洲和亚太等地区引起了不小的冲击波，v g x 技术已初露锋芒。 3 5 3 基于特征设计的方法 利用已有的商品化系统，根据产品的功能形状预先定义一些可被加工的几何形体( 即特 征) ，在此形体上加入零件的工程信息，它包括形体本身的信息和形体之间相关联的信息， 形体( 或称作特征) 按参数化的方法进行设计，使得零件的几何信息与非几何信息的描述统 一在一个模型之中。非图形信息需要由软件开发者单独用外部文件或数据库记录，因为一般 的商品化c a d 系统不能管理这些几何的工程信息。这种方法被称为基于特征的设计。它的优 点在于可一次性输入零件的几何和非几何的工程信息。从更高的层次上进行产品设计。基于 特征的造裂方法是按照机械零件设计中经常用到的且能被通常加上方法所加工的一系列基 本几何体和复合几何体的集合，并且对这些几何体赋予功能和加工工艺属性，因此，它为产 品实现高效率、标准化、系列化提供了条件：从加工的角度讲，特征几何体对应着一定的加 工方法，使得加工工艺的确定很容易按照成组技术的原理来进行。所以，基于特征的设计方 法有助于简化c a p p 的决策逻辑，容易实现结构化、模块化的设计，减少了人为的错误，提 高了效率。缺点是需要对产品进行全面的分析，找出要加工的形状并进行预定义。”2 l 3 6 装配技术 装配模型的研究早在七十年代末开始的，主要的发展趋势是从图表达的拓朴结构向树表 达的层次结构发展，装配信息建模的核心问题是如何在计算机中表达和存储装配体组成部件 之间的关系。目前表示装配体信息的数据结构归纳起来可分为两类：1 直接存储各装配部件 之间的相互位置信息；2 存储各装配部件之间的配合、连接等装配信息，确定装配部件相互 位置的齐次变换矩阵是根据这些信息计算出来的。 3 7 曲面造型技术 曲面造型( s u r f a c em o d e l i n g ) 是计算机辅助几何设计( c o m p u t e r a i d e dg e o m e t r i cd e s i g n c a g d ) 和计算机图形学( c o m p u t e rg r a p h i c s ) 的一项重要内容。主要研究在计算研究的计 算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。它起源于汽车、飞机、船舶、叶 轮等外形放样工艺。由c o o n s 、b e z i e r 等大师于二十世纪六十年代奠定其理论基础”“。经过 三十多年的发展，曲面造型现在已经形成了以有理b 样条曲面( r a t i o n a lb s p l i n es u r f a c e ) 参数化特征设计和隐式代数曲面( i m p l i c i ta l g e b r a i cs u r f a c e ) 表示这两类方法为主体， 以插值( i n t e r p o l a t i o n ) 、拟合( f i t t i n g ) 、逼近( a p p r o x i m a t i o n ) ”这三种手段为骨架的 几何理论体系。近几年，曲面造型得到了长足的发展，在研究领域，它的表示方法从传统的 研究曲面表示、曲面求交和曲面拼接，扩充到曲面变形、曲面重建、曲面简化、曲面转换和 曲面等距等。 4c a d c a m 发展趋势 4 1 集成化 从企业内部的信息集成和功能集成发展到过程( 以并行工程为例) 集成，并正在步入企业 问的集成阶段( 以敏捷制造为代表) “。 4 1 1 信息集成和功能集成 信息集成和功能集成是借助信息技术、管理技术、计算机技术、自动化技术实现集成， 6 平面盘形凸轮c a d c a m 系统关键技术的研究 在技术集成的同时强调管理与人的集成。 4 2 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r 简称c e ) 2 6 1 并行工程是目前国际上机械工程中重要的研究方向，引起各国工业界和学术界的高度重 视，发展极为迅速。并行工程是指产品开发过程及其相关过程( 包括制造过程和支持过程) 并行进行，是一体化设计的一种系统化工作方式，它要在设计产品的同时，同步地设计与产 品生命周期有关的过程，力求使产品开发者在设计阶段就考虑到产品全生命周期( 从概念形 成到产品报废) 中所有冈素。如制造工艺性、装配工艺性、经济性和市场需求等，使得所设 计的产品达到最优化”。并行工程的组织实施方式是通过人的集成改变传统的生产模式，由 所有职能部门相关人员组成并行协同小组，通过计算机环境自动设计并及时发现潜在的问题 并解决，避免传统模式带来的问题，从而得到正确的、优化的产品设计。采用并行技术可缩 短产品设计周期、降低成本，使产品更具有市场竞争力“8 j 。 4 3 敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 乜们 敏捷制造的概念是美国里海大学的i a e o c c a 研究所在“2 1 世纪制造业的发展策略”中 提出来的，它的主要内容有：1 其基本目标是把产品生产所需的所有资源人、资金和设 备( 包括企业内部的和分布在不同地点的合作企业) 通过计算机的通讯技术联系在一起进行 集中管理，实现它们优化利用。2 以虚拟公司的形式进行企业大联合，共同冒险，培养增强 竞争力3 利用重组设备和专家进行快速生产，适应当今世界市场多变的形式。它从适应变 化，驾驭未来的角度，不仅强调适应今天市场的挑战，更注重对未来市场的适应和占有，注 重对企业的驾驭这种随着市场变迁而不断自我调整的能力，因此，敏捷性是一个企业生存、 发展的更基本的要素。 4 4 数字化虚拟化 从产品的数字化设计开始，发展到产品全生命周期中各类活动、设备及实体数字化。在 数字化基础上，虚拟技术正在迅速发展，虚拟技术是以计算机支持的仿真技术为前提，对设 计、加工、装配等工艺统一建模，形成虚拟的环境1 、过程、产品以及企业。虚拟技术主要 包括虚拟现实( v r ) 应用、虚拟产品开发( v p d ) 和虚拟制造( ) 。 虚拟现实技术是在一个虚拟空间内把生产要素转化为虚拟产品或模拟功能的全部行为 ”，虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 似23 是建立在虚拟基础上的。它以制造技术和计算 机技术支持的系统建模技术仿真技术为基础，集现代制造工艺，计算机图形学、并行工程、 人工智能、人工现实技术和多媒体技术等多种高科技技术为一体，由多学科知识形成的一种 综合系统技术，在建立真实系统前用计算机及相关技术支撑的虚拟环境下，对产品制造及制 造系统进行评估，消除不合理因素。虚拟制造是并行工程、敏捷制造，精益生产的支撑技术， 对c a d c a m 的发展至关重要。 4 5 网络信息化b 3 1 信息技术发展迅速，就通讯技术而言，光导纤维通讯、卫星通讯、程控交换、智能终端 这样一些能量大、质量好、快速灵活、功能多样的通讯技术形成了反应灵敏、安全可靠的通 讯网。计算机技术和通讯技术的发展产生了计算机网络。，网络技术、计算机技术和运用实 现了信息技术共享，利用网络实现全球制造技术和地球背面加工技术，u p 币, j 用海底光缆或卫 星传递产品数据数控加工指令等达到实现异地设计昭“、异地生产，使加工生产分散i 网络化， 以适应柔性生产的需要。 4 6 柔性化 柔性制造阶段包括了计算机直接数控( d n c ) 、柔性制造单元( f m c ) 、柔性制造系统( f m s ) 、 7 平面盘形凸轮c a d c a m 系统关键技术的研究 柔性加工线( f m l ) 、柔性制造工厂( f m f ) 。最早的f m s 是1 9 6 7 年由英国m o l i n s 公司研制 的”s y s t e m2 4 ”，至今已有三十多年的历史，目前f m s 已在发达国家广泛应用。f m s 是 d n c 的一种高级形式，它是利用计算机系统和物料辅送系统，把若干台设备联系起来，形成 没有固定的加工顺序和节拍，在加t 完一定批量的某种工件后，能在不停机高速的情况下， 自动地向另一种工件转换的自动化制造系统川。f m c 可视为一个规模较小的f m s ，正向廉价 及小型方向发展。f m l 是少品种非柔性自动线与多品种f 临之间的生产线，f m f 是多条f m s 连接起来配以自动化仓库，用计算机系统进行联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、 运送至发货的完整f m s ”。目前f m s 正向着规模小型化、简单化( f m c ) 及规模大型化、功 能复杂化( 即柔性制造车间) 两个方向发展”。 4 7 智能化 8 0 年代以来，人们提出了智能制造( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g 简称i m ) “的概念。 i m 的关键是将人工智能技术，如：专家系统e s ( e x p e r ts y s t e m ) 人工神经网络( a r t i f i c i a l n u r a ln e t w o r k ) 等，融进制造过程的各个环节，通过模拟专家的智能活动，去扩大、延伸 或部分地取代人类专家在制造环境中的脑力劳动，从而使系统在受到外界激励时能自动调节 其参数，以达到最佳状态“。智能制造技术的发展必将把集成制造技术推向更高级的阶段一 一智能制造阶段，有人预言，2 1 世纪的制造业将由两个“i ”来识别，即i n t e g r a t i o n ( 集成) 和i n t e l l i g e n t ( 智能) 。 5 凸轮的发展及c a d c a m 技术在凸轮机构中应用情况 5 1 目前凸轮机构的应用状况 在当今的机械行业中，凸轮的应用几乎遍布各个行业。例如轻工自动机械、自动包装机、 自动成型机、自动装配机、自动机床进刀机构、内燃机配气机构、上料机构、制动机构以及 印刷机、纺织机、插秧机、闹钟、各种电气开关中广泛应用“。凸轮机构以其设计方便、结 构简单紧凑、控制准确有效、性能稳定和适应性强等优点，与其它机构配合可以实现复杂的 运动要求，凸轮机构在高速度高精度传动和分度运动中具有无可替代的优越性等特点，难以 被其它机构所取代。 5 2 国内外凸轮的研究和发展概况 5 2 1 国外凸轮机构的研究情况 欧美国家有许多专家在凸轮机构的研究方面发表了文献。自三十年代以来，人们就开始 了对凸轮机构的研究，并且研究工作随着新技术、新方法的产生和应用在不断深化。弗尔曼 ( f d f u r m a n ) 所著的凸轮专著“”是早期系统介绍凸轮机构设计的著作之一。到4 0 年代 后，由于内燃机转速增加引起故障多，才开始对配气凸轮机构的振动有了深入的研究，并从 经验设计过渡到有理论根据的运动学和动力学的分析。1 9 5 0 年米切尔”“最先提出对凸轮机 构的实验研究，但并未得到满意的结论。后来不少学者采用多种仪表，包括高速摄影机”， 加速度分析仪“叫和动态应变仪“7 1 对凸轮机构进行测试与分析。6 0 年代后，对凸轮的研究逐 步成熟起来，出现了较完整的运动规律的设计，在梯萨尔的著作中就采用了多项式运动规律。 对凸轮机构的研究不断向纵深方向发展，开始对凸轮进行有限元分析”及非线性问题的研究 ”，同时，欧美各国学者对高速凸轮的研究也有新的突破，许多学者发表了关于凸轮机构的 优化设计、凸轮振动、动态响应等方面的论文。 日本在凸轮机构方面的研究也有巨大贡献。在机构设计方面，致力于寻求凸轮机构的精 确解和使凸轮曲线多样化，以适应新的要求。并加强了对凸轮机构动力学和振动方面的研究 8 平面盘形凸轮c a d c a i v l 系统关键技术的研究 和标准化研究，发展成批生产的标准凸轮机构，在此基础上进一步拓展凸轮机构c a d c a m 系统。日本学者们充分利用凸轮机构的特点，将研究成果很好地应用到实际的产品开发中。 5 2 2 我国凸轮机构的研究概况 我国对凸轮机构的应用和研究也有多年的历史，对凸轮机构的设计、运动规律、轮廓线、 动力学、优化设计等方面的研究都有相关的论文发表。但是，与先进国家相比，我国对凸轮 机构的研究和应用都还存在较大的差距。 5 3 目前凸轮机构的设计与制造技术情况 5 3 1 凸轮机构的设计 凸轮结构的关键技术是凸轮轮廓的设计和制造。对于凸轮机构的设计，目前在很人程度 上还沿用着传统的设计方式，传统的凸轮轮廓设计方法是作圈法，设计人员在选型方面较多 在依靠其个人的经验和意愿进行粗略选择，因而不可避免地存在一定的片面性和局限性；在 具体机构设计方面，仍然运用手工查取图表及经验公式进行计算校核再计算，直到 满足设计基本要求为i ：，这种方法数值计算量大，求解效率低，设计结果无挑选余地，因此 设计质量难以保证，尤其对于设计经验不多的设计人员，其难度更大。通过确定从动件的运 动规律，画出凸轮轮廓进行加工，这种方法不仅工作量大，而且精确度不高，随着c a d 技术 的应用，凸轮轮廓的设计已基本采用解析法，由计算机确定凸轮轮廓曲线。 经过1 0 0 多年来对凸轮机构的研究，已经从各种从动件的运动规律中总结出了各种从 动件的运动曲线，从从动件运动曲线设计凸轮轮廓唧1 。这些被总结出来并能从有关资料或手 册中查出的曲线，称为“通用凸轮曲线”。这种曲线有几百种，较常用的有二十几种，如： 摆线曲线、改进梯形曲线、改进等速曲线等，一般无特殊要求的情况下，可以使用通用凸轮 曲线。 当然，通用凸轮曲线并不能完全地适用于所有的凸轮机构，比如不能满足一些特殊机 构的要求，因此，有不少学者采用各种不同的方法对不同从动件类型的凸轮进行了结构优化 设计。如在文献 5 1 中，采用非对称n 次谐波凸轮机构提高高速车用发动机中配气机构的 运动平稳性。在文献 5 2 中，将权空间法和约束变尺度( w h p ) 法相结合，用于弧面分度凸 轮机构的参数优化设计中，并得到了较好的优化效果。在文献 5 3 中，应用九阶多项式表达 凸轮的外形曲线，根据实际设计要求，用优化方法确定该多项式的系数及凸轮机构的机构参 数。从而完成对盘式凸轮的优化和动态设计。在文献 5 4 中，设计移动从动件平面凸轮机构 时，除正确选定从动件运动规律外，还须确定机构的基本尺寸，包括基圆半径、滚子半径、 偏距及凸轮厚度等。基本尺寸的确定直接影响机构尺寸大小及受力条件的好坏。因为基本尺 寸参数确定后，凸轮机构的最大压力角便确定了。从避免自锁的观点来看，最大压力角应越 小越好，而且最大压力角越小，沿凸轮轮廓线的法线的最大推力和沿导路的磨擦力就越小， 这不但能提高机构的效率，还能使凸轮最大接触应力及凸轮轴的最大弯曲应力减小。在文献 5 5 中，讨论了如何在满足凸轮工作条件下选择基本尺寸，使体积和最大压力角均达到最小 这一双目标优化设计。 为了进一步改善凸轮的运动特性，也由于工程设计中遇到的问题的多样化，设计者常 常不能现成地选用某个运动规律，也有不少学者采用了不同的方法构造凸轮机构从动件运动 规律，结果使设计者借助于计算机屏幕图显示可对运动规律作交互式的直观调控，以获得具 有不同特性值的运动曲线，满足不同的要求。如 5 6 中采用b e z i e r 曲线设计分度机构从动 件运动规律。b e z i e r 曲线的形状与曲线的控制顶点密切相关并受其制约。通过改变控制顶 点可以改变b e z i e r 曲线的速度、加速度和跃度曲线的形状和峰值。避免采用修正正弦和修 正梯形曲线来设计分度凸轮带来运动规律的跃度在端点处不连续、即跃度趋于无穷大等的不 9 平面盘形凸轮c a d c a m 系统关键技术的研究 足之处。文献 5 7 中，用b 样条曲线逼近从动件常用运动规律，或现实给定轨迹，通过交 互界面提供数据及图线，设计者可以直观、有效的对曲线直接进行操作，微量移动位移，使 最大加速度、最大跃度降低，以及使加速度曲线光滑，从而多目标优化从动件的动力特性。 此处由丁可以预先设定b 样条曲线端点二阶导数为零，故用b 样条曲线逼近位移可获得具 有良好端点特性及中点特性的加速度和跃度曲线，而无需拼接图形即可获得较好的动力特 性。在文献 5 8 中，首先采用五次b 样条函数构造出满足给定边界条件的凸轮曲线，然后 通过计算机调整凸轮加速度曲线参数，使之具有给定的加速度特性，从而使凸轮曲线的设计 变得简单、直观。 5 3 2 凸轮机构的制造技术 传统的凸轮的加工方法中被应用得最成功的是仿形靠模成形的加工方法，实质上也是凸 轮型面的加工方法。这种加工方法需要被仿形的“原型件”，即靠模或样板凸轮，靠模制造 费用高，加工精度受到靠模精度的限制，不能适应单件、小批量以及新产品开发的需要。随 着数控技术的发展，数控装置可靠性大大的提高，售价大幅度下降，目前已基本采用数控加 工。随着计算机技术的发展，c a d 及c a m 技术已得到了很大的发展，在虚拟技术、加工仿真 等技术的基础上，提出了数控凸轮。”1 。数控凸轮是一种虚拟的凸轮机构，用数控的方法精密 的模拟凸轮的理论t 作曲线，从而完成相应的机械运动，数控凸轮的执行部件一般采用步进 电动机，控制单元可采用成本底的单片机，根据凸轮的运动规律进行编程，使步进电机完成 相应的动作，由于采用了机电一体化及数控技术，因而具有无可比拟的优点。由于不存在现 实的凸轮，各种机械运动可谐调工作在最理想的状态，作用力方向与运动方向一致，因而也 就不存在压力角的问题，使效率大大提高。采用计算机控制，运动的轨迹、速度及加速度可 随意控制，如要改变运动规律，只需改变相应的控制数据。在特殊的情况下，甚至可以根据 当前被加工物体的运动规律来修改数控凸轮的运动轨迹。例如数控切纸机的切刀控制，就可 以根据加工纸张的长度来调整切刀的运动规律，从而提高生产效率。另外，由于执行机构采 用了步进电机驱动，不但能传递较大的动力，而且运动的传递简化，使整个机器的结构变得 简洁。 5 4 凸轮的动力学研究 传统的分析与设计方法是把系统简化为多刚体的联接，其理论基础为刚体动动学，然而 事实上凸轮本身是有弹性变形的，从从动件到凸轮机构的中介环节( 杆机构，滚子等) 也都 是可变形的，它们的动力响应都将影响到系统的工作性能。随着对凸轮加工精度要求的进一 步提高，广泛采用计算机辅助设计和最优化设计，在整体设计时不仅考虑凸轮的运动学而且 考虑凸轮的动力学，即在设计时除了考虑运动轨迹、速度、加速度、压力角、基圆尺寸等因 素外，还要对其受力情况、应力状态、材质、热处理、寿命、磨损状况、润滑油的采用等进 行全面的分析评估。近2 0 年来研究者已注意到凸轮机构的弹性动力学问题”，并把动力分 析引入凸轮机构的设计中”“1 。关于凸轮机构的研究远不如齿轮机构、平面连杆机构那样 充分与成熟，凸轮设计的方法与原理2 0 多年来基本上没有变化。但在高速度、高精度传动 中凸轮机构有突出的优点，要充分发挥凸轮机构的优越性，其动力学问题是必须考虑的。 5 4 1 可变形多体动力学 ， 凸轮机构动力学的代表作是k o s t e r 的凸轮振动学，基本思想是将系统简化集中到几 个等效点，然后用弹簧联接，构成多自由度系统，用拉格朗日方程求解。这一方法在以后的 文献中长期被沿用”，很早以前有人就试图把这一分析方法用之于凸轮设计”“，经过2 0 几 年又有类似的文章出现”3 删，但仍然是将系统简化为集中质量与设定的弹簧，并没有如实地 描述系统的实际结构与动力特性，因此只能认为是初级的定性阶段。 1 0 兰璧叁翌璺燕鱼燮垒坚至鉴羞整垫查箜翌塞 逐年来凸轮机构动力学中出缆了许多佳作，更新了k o s t e r 的模式，采用了多体系统动 力学及有限元方法，例懿，a 。c a r d o n a 等盼系列文章，不过有关热姥规褐黥论文大多仍然是 限于平弱阁题的研究。 5 4 2 弹性接触问题 从8 0 年代中期前，平面摩擦的接触问题的理论研究已- 较成熟，8 0 年代后期以来有摩擦 的三维动力接触阎题的研究取褥了突破性的进展拈“。 s 4 。3 概率分柝法 凸轮机构中引起误差的因素很多，如制造装配误差、变形、磨损，间隙以及内部阻尼等。 用概率分析寒研究各种误差的影螭怒搬艰巨魄，可以查到的文献中只套不多的凡篇，在 0 5 1 孛只越单地提到，文献 钓】魄较详镪地论述了轮廓误菱及弹性变形阏题，该书主要斑容淹建 隧枫瀚数描述轮廓曲线，餍正态分布，方差及相关函数和概念与辣法修正误差。书中采壤统 计方法，即运用随机过程中谱密度处理系统中输入与输出的关系。作为统计分析的原始资料， 轮廓测掇是不可缺少的，在求相关函数时为了避免与精密样板凸轮比较，书中采用平均相关 函数的概念，通过比较两个常规凸轮米获褥。这本书出版年代较早，健仍然有参考价值，避 年黪露关掰作很少觅到。 5 5 凸轮机构c a w c a m 技术的研究及应用状况 。 随着c a d c a m 技术在机械领域疲瘸的匿趋成熟和广泛，并孳| 入了弗行：【程思想，使桃械 设诗、枫械巷造数字化、一体纯、敏捷健，产暴露发爝期缡短，麴工糖度大大提袁。当然凸 轮类零件c a d 系统和c a m 系统得到了缀多的研究； l l 舞发，也发表了徽多豹学术论文。 国外许多学者对凸轮c a d c 删系统进行了研究，英国、日本等国家的一些凸轮制造企业 也开发了供本企业使用的凸轮c a d c a m 系统，有的还形成了商业化软件，如日本s u n c a l l 公 司开发的h ym o c a m 系统等。 在国肉氇出现了一塑研究凸轮概构c a d c k 醚系统豹文献，始文献 6 7 6 8 ，采麓掰肉对 象的参数仡箨序设计方浚，漫计出了主要苞括工作枫构运动循环鞠和运动规律设计、从动俘 系统设计、凸轮机构的运动学分祈、条件校核、结构设计以及续聚输出等内容的平面凸轮的 c a d 软件，实现了凸轮的计算机辅助设计。文献 6 9 7 1 ，则是在爆轮极构c a d 系统的基础 上磊努究锋对某种凸轮概褥豹c a 葑c a m 系统，实现了凸轮设计、为轮数攘热工一体纯，邋步 提赢了凸轮c a w c a m 技零的实用性。假这些凸轮c a d c a m 系统核心技术仅被某些企邋所有， 并未在市场上以商品软件的形式出现。 5 6 凸轮机构有待进一步研究和发展的方向h 纠 爨然已有缀多学者对鹣轮极构的醭究傲了相当多的王作，但在备研究方向仍有许多可继 续遴行的工俸，共有一些硬究工作有特开发，从设计角度考虑，大致有数下几点： ( 1 )在从动件运动规律的研究方谳，除了继续寻找更好的运动规律外，要研究有效的分 椐方法。 ( 2 )在，l 转学和运动学豹研究方西，要综合考虑各秘凸轮枕梅，尽霹麓导出普通适用的 计算公式。 ( 3 )开发通用而有效的c a d 系统，对比较完善豹c a d 系统的研究，在近十几年才开始， 且很不完善。 ( 4 )引入专家系统或人工智能c a d 系统。由于凸轮机构不是标准机构，种类多，应用j 。， 麴之许多已有鳇知识不能公式化，所以应用善邂的c a d 系统，寄时效果并不缀理想。 舞粟雩l 入专家系统，嬲可以获褥较为理想豹缭果。 平磁鑫形凸轮c a d c a m 系统关键技术的磷究 ( 5 ) 动力学研究豹深能及磷究成巢舱进步实粥倪。国予动力学游题本身斡复杂瞧，孽 数戮究主要集中予羝、巾速凸轮撬鞫，对高速热轮撬牵媳动力学骚究还不够深入， 完善。所以，人锏对这些研究成巢的可靠性存在怀疑，这些成果的应用浅不，“滋。 ( 6 ) 加强对机构的运动学特性和动力学特性的计算机模拟，以提高设计质量和缩短产龋 研制周期。 ( 7 )研究凸轮机构的c a d c a m 的一体化。 ( 8 凸轮橇擒豫为弓| 导机构於磺究和应溪。 5 。7 课蹶的提出及意义 在5 。5 节申，已对目蘸篷轮e 如e 删的蕊究状况傲了麓要的介缨，馔迄今炎止我潮的国 轮c a d c a m 技术仍未缮戮宥效的雄广。链瑁，燹未冕戮莨鼗偬软髂的蹬蠛。贯拜，舀子较传羿 发更新的速度慢，运远