机械工程毕业论文 基于三维软件系统圆柱分度凸轮机构的CADCAMCAE.pdf

法压科技大学 论文题目： 基于三维软件系统圆柱分度凸轮机构的c 仰c a m c a e 学科门类：工学 一级学科：机械工程 培养单位：机电工程学院 硕士生：李蕾 导师：葛正浩教授 2 0 1 4 年5 月 c a d c a m c a eo ft h e c y l i n d r i c a li n d e x i n gc a mt 垤e c h a n i s m b a s e do nt h e3 ds o f t ，a r es y s t e m at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n a i n e e r i n as c i e n c e b y l e il i s u p e r v i s o r ：p r o f z h e n g h a og e m a y 2 0 1 4 基于三维软件系统圆柱分度凸轮机构的 c 陋沁隧圮随 摘要 圆柱分度凸轮机构是机械工业中常见的运动机构，由于它设计上限制较 少，可以方便地实现从动件的各种运动规律，且结构简单紧凑，分度范围大， 分度精度高，承载能力大，所以被广泛应用于各种自动机械，仪表及自动控 制装置中。现有的圆柱分度凸轮机构的c a d c a m 软件存在着不同的缺陷和 不足并有待完善。本文在阐述其工作原理、设计方法、运动形式以及结构形 式的基础上，以p r o e n g i n e e r 为三维参数化设计软件，应用v i s u a lb a s i c6 0 编 程软件对其进行二次开发，以a u t o m a t i o ng a t e w a y 为接口软件实现圆柱分 度凸轮机构c a d c a m 系统的开发。实现了圆柱分度凸轮从模型设计，加工 制造到动力学分析的流程。本文主要研究以下几个方面： 广泛阅读了圆柱分度凸轮机构的相关文献，从圆柱分度凸轮机构的三维 设计建模及其参数化、机构动态仿真分析以及圆柱分度凸轮的加工制造等方 面概述了近几十年来圆柱分度凸轮机构的研究现状。 对圆柱分度凸轮机构类型及特点、从动件运动规律及其选用原则、圆柱 分度凸轮的基本参数进行了介绍，重点对滚子位置角进行了分析说明。根据 前人的研究成果，对圆柱分度凸轮廓面方程，压力角以及曲率的计算进行了 更加深入的研究，奠定了圆柱分度凸轮机构c a d 系统的理论基础。 研究了圆柱分度凸轮的两种参数化建模方法及其特点，详细的介绍了机 构的参数化思路，实现了圆柱分度凸轮和分度盘零件的参数化，以及机构装 配体的参数化，为后续建立不同类型、不同运动规律的参数化的凸轮分度装 置模型奠定了良好的基础。 介绍了开发系统所用工具p r o e n g i n e e r 、a u t o m a t i o ng a t e w a y 、v i s u a l b a s i c6 0 的技术特点，确立了软件系统的框架，在前述圆柱分度凸轮机构理 论研究的基础上，实现了圆柱分度凸轮机构c a d c a m 软件的开发。详细 介绍了软件的主要功能模块，结合系统的应用实例，阐述了软件的操作流程 以及注意事项，对用户使用本软件具有指导意义。 最终，将p r o e n g i n e e r 中建立好的圆柱分度凸轮机构的三维模型，导入 机械系统动力学分析软件a d a m s 中，对其进行动态仿真分析，输出分度 盘角位移、角速度、角加速度曲线以及碰撞力、碰撞力矩的曲线，并将其与 理论数据曲线进行对比，验证设计的正确性。 关键词：圆柱分度凸轮机构，c a d c 删a e ，参数化设计，动态仿真 c a d c a m c a eo ft h e c y l i n d r i c a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s mb a s e d o nt h e3 ds o f t w a r es y s t e m a b s t r a c t t h ec y l i n d r i c a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s mi sak i n do fi n t e r m i t t e n tm o t i o n m e c h a n i s mi nt h em e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，d u et oi t sl e s sr e s t r i c t i v e d e s i g n ， a c h i e v e m e n to ft h ev 撕o u sm o v e m e n tr u l e so ft h ef o l l o w e r , i t s s i m p l ea n d c o m p a c t 蛐r l l 咖，l a r g er a n g eo fi n d e x i n g ，h i g ha c c u r a c y o fi n d e x i n g ，l a r g e c a r r y i n gc a p a c i t y , i t i s w i d e l y u s e di na v a r i e t y o fa u t o m a t i cm a c h i n e s ， i n s t r u m e n t a t i o n sa n da u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c e s n o wt h ed e v e l o p e dc a d c a m s o f t w a r eo fc y l i n d r i c a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s me x i s t ss o m ed i f f e r e n td e f e c t s a n dd e f i c i e n c i e s ，w h i c hn e e d st ob ei m p r o v e d b yu s i n gt h ev i s u a lb a s i c6 0a s t h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n da u t o m a t i o ng a t e 峻ya st h ei n t e r f a c es o f t w a r e t oc o n d u c tp r o e n g i n e e r ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 1 1 1 i st h e s i sa c h i e v e st h e d e v e l o p m e n to ft h ec a d c a ms y s t e mf o rt h ec y l i n d r i c a li n d e x i n gc a m m e c h a n i s mb a s e do ne l a b o r a t i n gi t sw o r k i n gp r i n c i p l e ，d e s i g nm e t h o d ，m o t i o n f o r ma n d 蛐m c t u 心f o r m t h i st h e s i sa c h i e v e st h e p r o c e d u r e o fm o d e l d e s i g n ，m a n u f a c t u r i n g ，d y n a m i ca n a l y s i sf o rc y l i n d r i c a li n d e x i n gc a m m st h e s i s s t u d i e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： b ye x t e n s i v er e a d i n gt h er e l e v a n tl i t e r a t u r eo ft h ec y l i n d r i c a li n d e x i n gc a m m e c h a n i s m ，硼：1 i st h e s i sh a ss u m m a r i z e dt h er e s e a r c hs t a t u so ft h ec y l i n d r i c a l i n d e x i n g c a mm e c h a n i s mi nr e c e n t d e c a d e s ，f r o m t h e a s p e c t s o f t h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g nm o d e l i n ga n di t sp a r a m e t e r i z a t i o n ，d y n a m i cs i m u l a t i o n a n a l y s i s ，p r o c e s s i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，a n ds oo n b yi n t r o d u c i n gt h et y p e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec y l i n d r i c a li n d e x i n gc a m m e c h a n i s m ，f o l l o w e rm o t i o na n di t ss e l e c t i o np r i n c i p l e s ，t h eb a s i cp a r a m e t e r so f c y l i n d r i c a li n d e x i n gc a m ，p u t t i n gf o r w a r daf o c u s e de x p l a i n a t i o no nt h er o l l e r p o s i t i o na n g l e ，c o n d u c t i n gd e e p e rr e s e a r c h e so nt h ec a l c u l a t i o no fc y l i n d r i c a l i n d e x i n gc a mp r o f i l ee q u a t i o n ，p r e s s u r ea n g l ea n dc u r v a t u r e ，眦st h e s i sh a sl a i d t h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no ft h ec a d s y s t e m sf o rt h ec y l i n d r i c a li n d e x i n gc a m i i i m e c h a n i s m 。 b ys t u d y i n g t w ok i n d so f p a r a m e t r i cm o d e l i n gm e t h o d s a n di t s c h a r a c t e r i s t i c sa b o u tt h ec y l i n d r i c a l i n d e x i n gc a mm e c h a m s m ，i n t r o d u c i n gt h e p a r a m e t r i ct h i n k i n go ft h em e c h a n i s m j 砀i st h e s i s h a sa c h i e v e dt h e p a r a m e t e r i z a t i o no ft h ec y l i n d r i c a li n d e x i n gc a ma n di t si n d e x i n gp l a t e ，a sw e l la s t h ep a r a m e t e r i z a t i o no ft h ec y l i n d r i c a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s m 1 1 1 i st h e s i sh a s l a i dag o o df o u n d a t i o no ft h e s u b s e q u e n te s t a b l i s h m e n to ft h ep a r a m e t r i c m o d e l i n go ft h ec y l i n d r i c a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s m ，w h i c hh a sd i f f e r e n tt y p e s a n dm o t i o nl a w s b yi n t r o d u c i n gt h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fp r o e n g i n e e r , a u t o m a t i o n g 感a n dv i s u a lb a s i c6 0u s e dt od e v e l o pt h es y s t e m ，e s t a b l i s h i n ga 觑哑e w o r kf o rt 1 1 es o f t w a r es y s t e m ，t h i st h e s i sh a sa c h i e v e dt h ed e v e l o p m e n to f t h ec a d c 蝴s o f t w a r ef o rc y l i n d r i c a li n d e x i n gc a m m e c h a n i s m b a s e do nt h e t h e o r e t i c a ls t u d yo ft h ec y l i n d r i c a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s m t h e n 1 1 1 i st h e s i s h a si n t r o d u c e dm a i nm o d u l e so ft h es o f t w a r es y s t e md e t a i l e d l y , a n dd e s c r i b e dt h e o p e r a t i o np r o c e d u r e sa n dp r e c a u t i o n so ft h es o f t w a r ec o m b i n e dw i t ha p p l i c a t i o n e x a m p l e s ，w h i c hh a sd i r e c t i v es i g n i f i c a n c ef o ru s e r so f t h i ss o f t w a r e e v e n t u a l l y , t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ec y l i n d r i c a li n d e x i n gc a m m e c h a n i s m ，w h i c hi sc r e a t e di np r o e n g m e e r , l si m p o r t e di n t oa d a m st oc a r r y o nt h ed y n a m i cs i m u l a t i o n a n a l y s i s a tl a s t ，t h i st h e s i sh a so u t p u t e di n d e x i n g p l a t e sa n g u l a rd i s p l a c e m e n t c u r v e ，a n g u l a rv e l o c i t yc u r v e ，a c c e l e r a t i o n c u r v e ，i m p a c tf o r c ec u r v ea n dt h ec o l l i s i o nt o r q u ec u r v e ，a n dc o m p a r i s e dw i t ht h e t h e o r e t i c a lc u r v et ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h ed e s i g n k e yw o r d s ：c y l i n d r i c a l i n d e x i n g c a m m e c h a n i s m ，c a d c a m c a e ， p a r a m e t r i cd e s i g n ，d y n a m i cs i m u l a t i o n i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 1 绪论：1 1 1 选题目的及意义1 1 2 国内外研究动态和水平2 1 2 1 圆柱分度凸轮机构参数化设计的研究2 1 2 2 圆柱分度凸轮加工制造的研究2 1 2 3 圆柱分度凸轮机构c a d c a m 系统的研究3 1 2 4 圆柱分度凸轮机构动态仿真分析的研究4 1 3 课题的主要研究内容5 1 4 本章小结5 2 圆柱分度凸轮机构设计基础7 2 1 圆柱分度凸轮机构的类型及特点7 2 2 从动件的运动规律7 2 2 1 凸轮曲线的无量纲化7 2 2 2 凸轮曲线的特性值8 2 2 3 运动规律选用原则9 2 2 4 常用的运动规律。9 2 3 圆柱分度凸轮机构的基本参数9 2 3 1 圆柱分度凸轮机构的主要运动参数9 2 3 2 圆柱分度凸轮机构的主要几何尺寸1 3 2 4 圆柱分度凸轮的廓面方程1 4 2 5 关于滚子位置角的说明1 5 2 6 压力角分析15 2 7 圆柱分度凸轮的曲率分析1 6 2 8 圆柱分度凸轮的加工模型1 8 2 9 本章小结19 3 基于p r o e 的圆柱分度凸轮机构的参数化建模2 1 3 1 参数化思路2 l 3 2 圆柱分度凸轮的建模方法2 1 3 2 1 圆柱分度凸轮机构的设计条件2 1 3 2 2 等距曲面法2 1 3 2 3 “点一线一面 法2 4 3 3 圆柱分度凸轮机构的参数化2 5 3 3 1 圆柱分度凸轮的参数化2 5 3 3 2 分度盘的参数化2 6 3 3 3 机构的参数化2 7 3 4 本章小结。2 8 4 圆柱分度凸轮机构的c a d c a m 系统的开发2 9 4 1 系统开发工具介绍2 9 4 i 1p r o f e n g i n e e r 的技术特点2 9 4 1 2v i s u a lb a s i c 的技术特点一3 0 4 1 3a u t o m a t i o ng a t e w a y 的技术特点3 0 4 2 圆柱分度凸轮机构c a d c a m 系统框架3 0 4 3 圆柱分度凸轮机构系统主要功能模块3 2 4 3 1 基本参数输入模块3 2 4 3 2 运动规律输入模块3 2 4 3 3 凸轮建模设计模块3 3 4 3 4 加工数据输出模块3 6 4 4 圆柱分度凸轮机构c a d c a m 软件应用实例3 7 4 4 1 选用修正正弦基本运动规律的圆柱分度凸轮机构的设计3 7 4 4 2 选用“有量纲数据输入 方式输入运动规律的圆柱分度凸轮机构的设计4 2 4 5 本章小结4 5 5 圆柱分度凸轮机构的动态仿真分析4 7 5 1 导入c a d 模型4 7 5 2 虚拟样机建立4 8 5 2 1 设置工作环境4 8 5 2 2 编辑构件质量信息4 9 5 2 3 添加约束4 9 5 2 4 施加载荷5 0 5 2 5 添加驱动51 5 - 3 虚拟样机动态仿真5 2 5 4 本章小结5 6 6 结论与展望5 7 i i 致 射一5 9 参考文献6 1 附录6 7 攻读学位期间发表的学术论文目录7 1 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明7 3 i i i i v 基于三维软件系统圆柱分度凸轮机构的c a d c a m c a e 1 绪论 1 1 选题目的及意义 圆柱分度凸轮机构因其良好的机械性能被广泛应用于各种自动机械，仪表及自动控 制装置中。现代工业技术的突飞猛进，要求圆柱分度凸轮装置的设计、分析和制造，更 快速，更精确，更便捷。而计算机技术的飞速发展，计算机集成制造，虚拟制造等先进 技术的融入，使我们可以利用计算机进行圆柱分度凸轮机构的设计和制造。 圆柱分度凸轮机构传统的设计通常需要经过复杂的过程 i , 2 1 ：选择分度盘的运动规律， 机构结构设计计算，确定机构几何尺寸和运动参数、凸轮工作曲面设计、动力学设计、 主要零部件材料与技术要求的确定、绘制全套零件图和装配图。整个设计过程繁琐复杂、 设计周期长、出错率高，不利于产品的推广和更新换代。因此需要我们开发针对圆柱分 度凸轮机构的c a d c a m 应用程序，提高用户的产品设计制造效率，缩短其开发周期， 降低生产成本。 高校学者和厂家在圆柱分度凸轮的c a d 或c a d c a m 软件的开发领域做过不少尝 试，但没有开发出完善的设计制造系统。这些软件只针对圆柱分度凸轮的c a d 系统或 c a d c a m 系统，没有将分度盘和机构的c a d 系统融合进c a d c a m 软件中，并且得到 的圆柱分度凸轮模型廓面的精度有待考证，输出的数控加工程序多数不能直接应用于实 际生产中，这些不足是我们今后研究解决的重点。 基于面向对象的设计思想，开发专用的圆柱分度凸轮机构的c a d c a m c a e 系统， 设计者只需根据良好的人机交互界面就可以完成圆柱分度凸轮机构的设计、制造、分析， 从而大大提高设计效率，缩短产品开发周期，提高产品加工精度。 圆柱分度凸轮是圆柱分度凸轮机构的关键组成部分，圆柱分度凸轮的工作曲面是不 可展的复杂空间曲面。通过基于三维软件系统的圆柱分度凸轮机构的c a d c a m c a e 系 统，在c a d 软件的人机交互界面，输入装置的基本参数，如圆柱分度凸轮类型和旋向、 运动参数、结构参数等，就可以得到参数化的三维装配模型，对装配后的模型进行运动 仿真，就能在实际加工之前发现设计错误、预测产品缺陷。通过圆柱分度凸轮机构的c a d 软件确定了机构的参数和结构、以及进行了干涉分析之后，可以通过c a m 模块，结合圆 柱分度凸轮的廓面信息，以及刀具安装位置、刀具尺寸、进给量等加工信息，根据圆柱 分度凸轮的加工原理，编辑程序输出刀具位置数据，然后将加工刀位数据进行后置处理 用于数控机床的加工。最后，应用机械系统动力学分析软件a d a m s 对本系统设计的， 圆柱分度凸轮装置的虚拟样机，进行动态仿真分析，输出机构的速度，加速度，位移曲 线以及力与力矩曲线，同时对仿真参数的设置进行讨论，得到装置的动力学性能。 陕西科技大学硕士学位论文 综上所述，随着计算机技术和工程应用技术的紧密结合，利用c a d c a m 技术，面 向用户，实现圆柱分度凸轮机构的模块化建模设计与加工制造，开发出专用的产品 c a d c a m 软件，可大大提高产品的设计质量，缩短产品的设计开发周期，提高了对市 场的快速响应能力。 1 2 国内外研究动态和水平 圆柱凸轮机构属于空间凸轮，设计计算繁琐，加工制造麻烦，利用计算机技术对圆 柱凸轮进行设计与制造，不仅可以精确的保证其运动规律，而且可以提高加工精度，并 且在缩短产品生产周期、降低成本方面有着极其重要的意义。 1 2 。1 圆柱分度凸轮机构参数化设计的研究 对大型的三维设计软件进行二次开发，形成专用的圆柱分度凸轮机构的c a d 系统， 首先要实现圆柱分度凸轮机构的参数化设计。 迄今为止，基于a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 、u g 等二维、三维造型软件，学者实现了 圆柱凸轮的参数化。如文献1 3 】推导了摆动从动件圆柱凸轮机构，在不同凸轮转向，不同 摆杆摆放位置情况下的凸轮廓面方程，并利用v b 程序语言，展示了廓线参数化的整个过 程。文献f t l 利用m a t l a b 语言编制圆柱凸轮曲线轮廓，然后运用s o l i de d g e = 三维参数化造 型功能的表曲线命令设计出了圆柱凸轮的三维实体模型。文献1 5 1 采用圆柱凸轮的图解法 设计原理，在p r o e 中应用二次投影成型法完成圆柱凸轮槽轮廓的参数化设计。文献嘲 介绍了s o l i dw o r k s 环境下，利用v b a 开发工具，实现圆柱凸轮三维参数化设计的方法与 步骤。文献【刀以直动滚子从动件圆柱凸轮为例介绍了基于u g 的圆柱凸轮参数化建模方法， 并通过运动仿真对建模结果进行分析验证。文献【8 l 以a u t o c a d 为平台，应用v b a ( v i s u a l b a s i cf o ra p p l i c a t i o n ) 语言编程，开发了滚子摆动从动件圆柱凸轮实体的参数化造型系 统。 这些研究大都集中在摆动或直动从动件圆柱凸轮的参数化设计，其凸轮的参数化方 法和思路具有一定的参考价值，但对于圆柱分度凸轮的参数化和圆柱分度凸轮机构整体 的参数化研究的较少。 常用的大型三维软件所提供的强大造型功能，使广大企业的产品设计由二维绘图， 进入三维造型设计应用阶段，设计人员可以很方便的对产品建立虚拟样机，进行装配仿 真，及时的发现干涉或者零件结构上的问题；而其提供的参数化工具，在实现产品的系 列化设计，标准化生产，集中化管理方面有着重要的作用。因此我们基于三维软件平台， 实现圆柱分度凸轮机构的参数化设计，进而开发出机构专用的c a d c a m 系统，有着重 要的意义。 1 2 2 圆柱分度凸轮加工制造的研究 圆柱分度凸轮的加工制造方法从原理上分，主要有以下两种：等价；b h - i - _ 1 9 1 和非等价 2 基于三维软件系统圆柱分度凸轮机构的c a d c a m c a e 加工。等价加工( 即范成法) ：加工中刀具的尺寸，和分度盘上均布的滚子的尺寸完全相 同，通过机床控制刀具和凸轮毛坯，使其模拟滚子和凸轮在实际工作中的运动，可以加 工出圆柱分度凸轮轮廓曲面。这种加工方法理论上可以加工出精确的凸轮廓面，但实际 生产中刀具存在磨损，因而存在着或多或少的加工误差，同时，采用这种加工方法，廓 面参数不同的凸轮要生产不同尺寸的刀具，大大增加了刀具的成本。在生产实际中，刀 具尺寸小于滚子尺寸的非等价加工方法使用更为广泛，常用的非等价加工方法如下： 两重包络法 i o l 指加工时刀具进行，公转中心为分度盘上的滚子的中心，自转中心为 刀具中心的行星式运动，与此同时，随着凸轮的旋转，使得刀具公转的中心一滚子中心 的运动符合所加工凸轮的运动规律，需要注意的是，刀具的半径尺寸小于滚子的半径尺 寸。 刀位补偿法 i l l 指在误差允许的条件下采用非等价的刀具通过给定不同时刻的刀位 补偿量和补偿方向进行刀位补偿，同时仍然模拟范成法进行凸轮廓面的加工。该方法本 身便存在理论误差，而且刀具尺寸值和滚子尺寸值相差越大则误差越大。 自由曲面法t ：，指对圆柱分度凸轮进行廓面计算与廓面加工修形时，将廓面当作空间 自由曲面，使用球头刀具或端面铣刀按所计算的凸轮廓面上的各个点的坐标进行加工。 该方法必须保证刀具半径值小于凸轮廓面的最小曲率半径，从而避免加工中的干涉；而 且由于采用逐点加工的方式且不考虑圆柱凸轮与加工刀具的包络性，因此加工效率和加 工精度都是较低的。 1 2 3 圆柱分度凸轮机构c a d c a m 系统的研究 计算机辅助设计和计算机辅助制造简称c a d c a m ，是指利用计算机为主要技术手 段来生成和利用各种数字信息和图形信息，来完成产品从概念设计到实际加工的一系列 活动。c a d c a m 技术，随着计算机技术、电子技术和自动化技术的发展而不断成长， 2 0 世纪5 0 年代初中期，第一台数控铣床的面世，标志着c a m 技术的诞生，2 0 世纪6 0 年代 初，第一套计算机图形系统的研制成功，标志着c a d 技术的诞生，n 2 0 世纪9 0 年代， c a d c a m 技术的应用范围不断扩大，己经渗透到工程技术和人类生活的几乎所有领域， 并日益向纵深发展。c a d c a m 技术的发展已经在很大程度上影响了工业生产力的发展。 许多学者对凸轮机构c a d c a m 系统进行了深入研究，在2 0 世纪9 0 年代初期，西北 轻工业学院( 现更名为陕西科技大学) 彭国勋、刘昌祺、肖正杨和曹巨江等教授，承担 了国务院生产办特批的国家重点企业技术开发项目“高速高精度凸轮间隙分度机构 c a d c a m ”的研究任务，成功研制了平行分度、圆柱分度和弧面分度等凸轮的c a d c a m 软件嘲。文献嘲根据速度瞬心的概念，推导出滚子摆动从动件圆柱凸轮机构压力角的简单 关系式，提出了一种求解最小凸轮平均圆柱半径的c a d 动态图解法，介绍了在a u t o c a d 平台上自动设计的过程。文献 1 3 l 采用l a b v i e w 和m a t l a b 混合编程技术，实现以通用滚子 陕西科技大学硕士学位论文 直动从动件平面凸轮为对象的设计，开发具有运动仿真功能的人机界面软件。文献叫，根 据凸轮设计原理，利用v l i s p 编程环境编制了凸轮设计模块，利用a u t ol i s p 提供的一组 对a u t o c a d 当前图形数据库进行操作的函数，对凸轮轮廓进行扫描的方法生成了n c 代 码。文献 t l 介绍了空间凸轮机构轮廓曲面通用计算程序框图。文献圄中分析圆柱分度凸轮 机构c a d c a m 体化计算程序流程图，做好了c a d c a m 软件开发的前期准备工作，具 有借鉴价值。文献 1 5 1 提出采用v b 对圆柱凸轮机构c a d c a m 系统进行开发，并调用 s o l i d w o r k s 软件进行三维图形的生成。 文献【1 6 】采用面向对象的程序设计方法，利用v i s u a l b a s i c 语言，开发出了平面盘型凸 轮c a d c a m 系统，输出了盘型凸轮理论和实际轮廓线图及其n c 代码，但是没有得到盘 型凸轮及其机构三维模型，不便于用户使用。 文献【l 刀在研究弧面分度凸轮机构设计加工方法的基础上，利用v c + + 和p r o t o o l k i t 在 p r o e 平台上开发出c a d c a m 集成系统，实现了弧面分度凸轮的参数化设计和加工数据 的生成，但是没有实现机构装配的参数化。 文献 1 s l 利用v i s u a lc + + 和p r o t o o l k i t 对p r o e 进行二次开发，形成了圆柱分度凸轮 机构c a d 系统，没有实现c a d c a m 系统的集成。 文献1 1 9 1 利用v b 软件对s o l i d w o r k s 软件进行二次开发，根据布尔运算原理，以滚子摆 动从动件圆柱凸轮为例，实现了圆柱凸轮的设计建模以及c a d c a m 系统的开发，但是 没有实现转盘以及机构整体的参数化。 综上所述，已经开发出了较完整的凸轮机构c a d c a m 系统，能设计各种平面凸轮 及空间凸轮。但列举实体加工模拟结果的却很少，其实用效果有待工程实际验证。在圆 柱凸轮机构c a d 、c a m 技术方面，目前，已经有学者开发出c a d c a m 软件，但大多是 针对直动和摆动从动件圆柱凸轮的，对圆柱分度凸轮研究较少。或者所开发的圆柱分度 凸轮机构c a d 软件，不包括分度盘的参数化设计，没有实现机构的c a d ，需要用户进行 装配工作，不利于软件在实际中的应用。因而迄今为止我国凸轮机构c a d c a m c a e 技 术仍未得到有效的推广应用，更未见到有商品化的软件出现。因此基于三维软件系统的 圆柱分度凸轮机构的c 胱觥a e 是今后研究的重点。 1 2 4 圆柱分度凸轮机构动态仿真分析的研究 随着机械产品设计的要求日益提高，在完成了圆柱分度凸轮机构设计之后，需要对 凸轮机构进行动态仿真分析。在空间啮合原理的基础上，b a g c i ，c a m i l 等人 2 0 1 从凸轮机 构的振动、动态响应等方面对圆柱分度凸轮的动力学性能进行了研究；m c h e w _ 【2 u ， y s u n l u s o y t j 等人详细分析了圆柱分度凸轮机构运转速度较高时的动力学响应；王蕾， 岳晓宏等人矧将s o l i d w o r k s 建立的圆柱分度凸轮机构装配体，导入a d a m s 中，得到了机 构的角位移、角速度、角加速度曲线，其中凸轮廓面与滚子之间的分离接触关系是通过 4 基于三维软件系统圆柱分度凸轮机构的c a d c a m c a e 单边接触模型表示的；在共轭理论和齐次坐标变换的基础上，j h s i e h t u j 等人分析了分度 凸轮机构的运动学模型，并将分析的结果和实验数据进行对比。 通过对文献进行分析总结，发现学者们在圆柱分度凸轮机构的动力学研究方面已经 做过一些工作，但和其他两类空间分度凸轮机构的动力学研究相比，在动力学模型的建 立、仿真结果实用性、仿真参数的设置等方面，均存在着较大差距。 综上所述，对于圆柱分度凸轮机构的动力学的研究在未来仍将是一个重要的研究领 域和目标。而采用不同的动力学软件来模拟圆柱分度凸轮机构的运动，从而获得其仿真 数据，对改进凸轮的工作参数发挥着越来越重要的作用，然而如何提高仿真结果的可信 度也是一个值得研究的问题。 1 3 课题的主要研究内容 本课题以圆柱分度凸轮机构为研究对象，主要对圆柱分度凸轮机构的参数化设计、 圆柱分度凸轮机构c a d c a m c a e 进行研究，最后应用机械系统动力学分析软件a d a m s 对 本系统设计的圆柱分度凸轮机构模型进行动态仿真分析，验证设计的正确性。 主要内容如下： ( 1 ) 各种运动规律圆柱分度凸轮机构的参数化建模。基于p r o e 对圆柱分度凸轮进 行参数化建模，进而实现整个凸轮机构的参数化。 ( 2 ) 圆柱凸轮分度机构c a d c a m 系统的开发，以v i s u a lb a s i c6 0 为开发工具，基 于p r o e 设计圆柱分度凸轮机构c a d c a m 软件。实现运动规律设计选择、圆柱凸轮轮廓设 计、以及刀具n c 代码的生成等。 ( 3 ) 圆柱分度凸轮机构的动态仿真分析。应用机械系统动力学分析软件a d a m s 对 本系统设计的圆柱分度凸轮机构模型进行动态仿真分析，输出分度盘角位移、角速度和 角加速度曲线，并将其与理论数据曲线进行对比。 1 4 本章小结 本章从圆柱分度凸轮机构的参数化设计与装配、加工制造、c a d c a m 系统等方面 概述了近几十年来圆柱分度凸轮机构的的研究状况。 可以发现，关于圆柱分度凸轮机构的三维模型及其c a d 系统的建立己有阶段性成 果，正在进一步完善；为了实现圆柱分度凸轮机构从设计建模和加工制造的一体化，开 发实用完善的机构c a d c a m 软件是今后的研究重点。 由于圆柱分度凸轮机构在实际应用中具有无可替代的优越性，尤其在重载、 分度 数大的分度机构中有更突出的优点。可以说，对圆柱分度凸轮机构及其动力学问题的进 一步研究是长期持续并有重大意义的工作。 陕西科技大学硕士学位论文 6 基于三维软件系统圆柱分度凸轮机构的c a d c a m c a e 2 圆柱分度凸轮机构设计基础 2 1 圆柱分度凸轮机构的类型及特点 圆柱分度凸轮装置由凸轮廓面与滚子啮合，将凸轮的连续或周期性的旋转运动变为 从动件的间歇转动，实现分度运动。设计圆柱分度凸轮装置之前，需要根据安装空间、 功能要求、工作功率等选择合适的机构类型。按照拘束形态一般分为两种类型：凸脊型 和沟槽型。如图2 1 ( a ) 所示，该圆柱凸轮结构型式具有三个凸轮槽，靠凸脊实现停歇段 的定位，即凸脊型；如图2 1 ( b ) 所示，该结构型式只有两个凸轮槽，靠凸轮槽实现停歇 定位，即沟槽型。脊定位圆柱分度凸轮机构型式的传动性能优于槽定位型式m 。圆柱凸 轮的分度段轮廓也有左旋、右旋与单头、多头之分。 ( a ) ( b ) 图2 - 1 凸脊型和沟槽型 f i 9 2 - 1t h ec o n v e x 帅ea n dt h eg r o o v e dt ) r p e 圆柱分度凸轮装置一般用于中低速场合，具有以下优点：分度范围大，分度数较多 时，该机构的优点明显；机构结构简单，刚性好，承载能力大，适用于大转矩的间歇运 动场合；该机构的从动盘的运动规律可以任意选取因此可以得到良好的运动特性和动 力特性，振动、冲击、噪音比较小。特别是当滚子为锥形时，可消除滚子与凸轮廓面接 触时的侧隙，实现准确定位；且制造成本较低，分度精度高。由于这些特点，使其广泛 应用在轻工、电子、医药等自动化设备中。 2 2 从动件的运动规律 2 2 1 凸轮曲线的无量纲化 为了实现从动件运动规律的统一化，标准化，需要将凸轮曲线进行无量纲化。用无 量纲表示凸轮曲线，两者关系如式2 1 所示。其中s 、以彳、凡 q 分别为对应于位 移s 、速度1 ，、加速度a 、时间f 、跃度，和跳度g 的无量纲位移、无量纲速度、无量纲 加速度、无量纲时间、无量纲跃度和无量纲跳度。 陕西科技大学硕士学位论文 丁：三 “ s ：兰 h y ：堕：叠v ( 2 - 1 ) 式中：