（机械设计及理论专业论文）基于proe的平面盘形凸轮cad系统研究.pdf

硕 ：学位沦文 摘要 在当今经济全球化、市场竞争日趋激烈的时代，新产品的开发时间成为企业 能否在激烈的市场竞争中取胜的关键因素传统的产品设计过程中重复计算、重复 建模等工作量很大，一直困扰着产品开发人员，严重影响了产品的设计质量和效 率。这种现象在凸轮的设计中尤为突显。 针对目前在绘图软件中创建平面盘形凸轮廓线的过程繁琐且不易创建、设计 平面盘形凸轮所需参数多且多数在三维模型上不可见凸轮c a d 系统没有商品化的 问题，本课题利用p r o e n g i n e e r 提供的二次开发工具包一一p r o t 0 0 l k i t ，在 v i s u a lc + + 6 0 集成开发环境中，结合数据库管理技术开发了一个符合用户需求的 平面盘形凸轮c a d 系统。该系统能够在用户输入凸轮基本参数后，自动生成凸轮 的三维模型，并将凸轮机构的基本参数保存在由a c c e s s 开发的数据库中。该系统 大大提高了产品的设计效率和设计质量。 本论文的主要研究内容有： 1 建立凸轮模板库：以基于特征的参数化设计方法，在p r o e 环境下建立凸 轮模板库，以备p r o t o o l k i t 应用程序调用。提出了一种创建凸轮廓线的新方法。 该方法免去了人工计算凸轮廓线参数方程的繁琐过程，在p r o e n g i n e e r 参数方 程的基础上直接生成凸轮廓线。 2 p r o e 二次开发及接口技术的研究及应用。 3 p r o e 与m i c r o s o f ta c c e s s 的接口技术研究：在v i s u a l c + + 6 o 开发环境中， 采用o d b c 作为数据访问接口和面向对象的数据库编程技术，创建凸轮基本参数 库并对该数据库进行添加、修改、删除等操作，实现p r o e 用户对m i c r o s o f l 【a c c e s s 数据库的访问，以集中管理好凸轮的各种数据。在此基础上可以实现凸轮设计的 并行工程。 4 系统程序设计及界面设计：利用v c + + 6 o 和p r o m o l k i t 开发工具编写 系统接口应用程序，开发系统的用户界面，编写p r o t o o l k i t 应用程序源代码。 5 凸轮三维实体模型自动生成模块。根据用户输入的n 轮基本参数，检索凸 轮模板库中相应的凸轮三维模型样板，自动生成满足用户设计需求的凸轮三维实 体模型。 6 凸轮基本参数自诊断模块：对于用户输入的凸轮参数，该模块进行诊断并 给出提示信息，最终使用户确定出符合压力角和曲率半径要求的凸轮基本参数。 7 研究各个模块之间的通信技术。 关键词：盘形凸轮，二次开发，参数化设计，数据库，p r o t 0 0 l k i t 。 幕于p r o 厄的平面街形【n 轮c a d 系统研究 a bs t r a c t i n t o d a y s e c o n o m i c g l o b a l i z a t i o n ， t h em a r k e t i n c r e a s i n g l y c o m p e t i t i v ee r a ， n e wp r o d u c t d e v e l o p m e n t t i m ec a nb e c o m ef l e r c e c o m p e t i t i o ni nt h em a r k e tak e yf l a c t o rt ow i n t h et r a d i t i o n a lp r o d u c t d e s i g np r o c e s so fd o u b l ec o u n t i n g ， s u c ha s r e p e a t e dh e a v yw o r k l o a d m o d e l i n gh a v eb e e nt r o u b l e db yt h ep r o d u c td e v e l o p m e n ts t a f f ，as e r i o u s i m p a c to np r o d u c td e s i g nq u a l i t ya n de m c i e n c y t h i sp h e n o m e n o ni s p a r t i c u l a r l yt h ed e s i g no fc a mh i g h l i g h t s i nv i e wo ft h ec u ”e n tm a p p i n gs o f t w a r et oc r e a t ean a td i s c s h a p e d c a mp r o f i l eo ft h ep r o c e s sc u m b e r s o m ea n dd i f f i c u l tt oc r e a t e ，d e s i g nf l a t p l a t ec a ma n dt h em a j o r i t yo ft h en e c e s s a r ym u l t i p a r a m e t e rm o d e li nt h e t h r e e d i m e n s i o n a lc a dc a ms y s t e mi sn o tv i s i b l et h e i s s u ei sn o t c o m m e r c i a l i z a t i o n ，t h es u b je c to ft h eu s eo fp r o e n g i n e e rt op r o v i d e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tk i tp r o t 0 0 l k i t ， i nv i s u a lc+ 6 o i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ， t h ec o m b i n a t i o no f d a t a b a s e m a n a g e m e n tt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ti nl i n ew i t hu s e rn e e d saf l a tp l a t e c a mc a ds y s t e m t h es y s t e mc a nb ee n t e r e d b yt h e u s e rt h eb a s i c p a r a m e t e r so ft h ec a m ， t h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e lo ft h ec a ma n dc a mm e c h a n i s mt op r e s e r v et h eb a s i cp a r a m e t e r so f d e v e l o p m e n tb yt h ea c c e s sd a t a b a s e t h es y s t e mg r e a t l ye n h a n c e dt h e e 筒c i e n c yo fp r o d u c td e s i g na n dd e s i g nq u a l i t y i nt h i sp a p e r ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf 6 l l o w s ： 1 t h ee s t a b l i s h m e n to fc a mt e m p l a t e l i b r a r y ： af e a t u r e - b a s e d p a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o d s ，i np r o e n g i n e e re n v i r o n m e n tt oe s t a b l i s h c a mt e m p l a t el i b r a r y ，f o rp r o t o o l k i ta p p l i c a t i o nc a l l s ac o n v e x c o n t o u rt oc r e a t et h en e wm e t h o d t h i sm e t h o de l i m i n a t e st h em a n u a l c a l c u l a t i o no fc o n v e xc o n t o u ro ft h ec u m b e r s o m ep r o c e s so fp a r a m e t r i c e q u a t i o ni np r o e n g i n e e rp a r a m e t r i ce q u a t i o nb a s e do nt h ed i r e c t g e n e r a t i o no fc o n v e xc o n t o u r 2 p r o e n g i n e e rs e c o n d a r yd e v e l o p m e n ta n di n t e r f a c et e c h n o l o g y r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n 3 p r o e n g i n e e ri n t e r f a c ew i t ht h em i c r o s o f j ca c c e s st e c h n o l o g y ： i l 硕 学位论文 i nt h ev i s u a l c + + 6 od e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，u s i n go d b c a sad a t a a c c e s si n t e r f a c ea n do b je c t 。o r i e n t e dd a t a b a s ep r o g r a m m i n g t e c h n i q u e s ，t o c r e a t et h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h ec a ma n dt h ed a t a b a s el i b r a r vt o a d d m o d i f y ，d e l e t eo p e r a t i o n ，t h ea c h i e v e m e n to fp r o e n g i n e e ru s e r so fm o d l t y ，d e i e t eo p e r a t l o n ，t h ea c h i e v e m e n to fp r o e n g i n f f r1 l s e r ro f m i c r o s o f ta c c e s sd a t a b a s ei no r d e rt o c o n c e n t r a t eo nm a n a g i n gt h e v a r i o u sd a t ac a m o nt h i sb a s i sc a nb ea c h i e v e dc o n c u r r e n te n g i n e e r i n g c a m d e s i g n 4 s y s t e mp r o g r a m m i n ga n di n t e r f a c ed e s i g n ：t h eu s eo fv c + + 6 o a n dp r o t 0 0 l k i tt o p r e p a r es y s t e mi n t e r f a c ed e v e l o p m e n tt o o l s ， a p p l i c a t i o n s ，u s e ri n t e r f a c ed e v e l o p m e n ts y s t e m ，t h ep r e p a r a t i o no fp r o t o o l k i t a p p l i c a t i o ns o u r c ec o d e 5 t h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lc a mm o d u l ea u t o m a t i c a l l v u s e r i n p u ti na c c o r d a n c ew i t ht h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h ec a m ，r e t r i e v et h e c o ”e s p o n d i n gt e m p l a t el i b r a r yc a mc a mm o d e lt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l g e n e r a t e da u t o m a t i c a l l yt om e e tt h en e e d so fu s e r so ft h r e e d i m e n s i o n a l s o l i dm o d e lo ft h ec a m 6 s e l f - d i a g n o s i so ft h eb a s i cp a r a m e t e r so fc a mm o d u l e s ：t h eu s e r i n p u tp a r a m e t e r so ft h ec a m ，t h ed i a g n o s t i cm o d u l ea n dg i v e sam e s s a g e ， a l 】du j t j 】1 1 a t e l ya l l o wu s e r st od e t e r m i n ec o n s i s t e n tw j t ht h ep r e s s u r ea n g j e a n dc u r v a t u r er a d i u so ft h er e q u i r e m e n t so ft h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h e c a m 7 s t u d y b e t w e e nt h ev a r i o u sm o d u l e so ft h e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s k e yw o r d s ：p l a n a rd i s cc a m ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，p a r a m e t r i c d e s i g n ，d a t a b a s e ，p r o t o o l k i t 1 i i 基于p r 0 肥的甲而蕊形一l 轮c a d 系统研究 插图索引 图2 1 偏值移动滚子从动件盘形凸轮机构1 2 图2 2 移动平底从动件盘形凸轮机构1 3 图2 3 摆动滚子从动件盘形凸轮机构1 4 图3 1 参数化c a d 系统开发示意图1 6 图3 2 自诊断模块流程图2 2 图3 3 平面盘形凸轮c a d 系统结构2 3 图4 1 数据通信流程图2 4 图4 2 数据库、d b m s 及数据库应用程序三者的关系2 9 图5 1 设定的凸轮参数3 7 图5 2 凸轮第一段实际廓线3 8 图5 3 凸轮第二段实际廓线3 8 图5 4 凸轮第三段实际廓线3 8 图5 5 凸轮第四段实际廓线3 9 图5 6 凸轮的整个实际廓线3 9 图5 7 凸轮三维模型( a l = 4 0 0 ) 3 9 图5 8 凸轮三维模型( a 1 = 5 0 0 ) 3 9 图5 9 “t u l u n ”数据库中的字段4 0 图5 1 0 【0 d b c 数据源管理器】对话框4 l 图5 1 1 选择数据源4 l 图5 1 2 注册的“t u l u n ”数据源4 2 j 蛩5 13m f ca p p w iz a r d ( d l1 ) 4 2 图5 1 4 选择d l l 的类型4 3 图5 1 5 在p r o e 主界面上添加的菜单一4 4 图5 1 6 插入“图像控件”控件4 6 图5 1 7 “图像控件”控件属性4 6 图5 1 8 色彩失真的 轮模型位图4 6 图5 1 9 不失真的凸轮模型位图4 7 图5 2 0 创建凸轮参数输入对话框4 7 图5 2 l 参数输入对话框4 7 图5 2 2 选择凸轮类型组合框一4 8 图5 2 3 选择左右偏置组合框4 8 图5 2 4 选择从动件运动类型组合框4 8 图5 2 6 校核提示信息对话框4 8 i v 硕f ：学伊论文 图5 2 7 从动件运动特性提示信息4 9 图5 2 5 摆动从动件盘形凸轮参数输入对话框4 9 图5 2 8c 1 a s s w i z a r d 对话框中设置的变量5 0 图5 2 9 仓u 建类c r e c o r d s e 5 2 图5 3 0 注册“t u l u n ”数据库5 2 图5 3 1 选择t u l u n 数据库中的表1 5 2 图5 3 2 添加系统消息响应函数5 4 图5 3 3 设置p r o t o o l k i t 的头文件路径5 6 图5 3 4 设置p r o t o o l k i t 的库文件路径5 6 图5 3 50 d b c 游标库、o d b c 驱动程序与o d b c 驱动程序管理器之间的关系5 8 图5 3 6 手动启动应用程序5 8 图6 1 参数输入状态6 0 图6 2 用本系统生成的凸轮模型6 l 图6 3a d a m s 界面中的凸轮机构6 2 图6 4 凸轮位移曲线6 2 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：乏事- f 彳勿日期：知d 7 r 年多月 二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并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 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：b 0 7 年多月z 日 日期：呷年厂月二日 硕f 学位论文 第1 章绪论 1 1 本文研究的背景 1 1 1 我国凸轮机构的研究现状 凸轮机构是典型的常用机构之一。凸轮机构是能使从动件按照给定的运动规 律运动的高副机构，可以实现任意给定的位移、速度、加速度等运动规律，而且 与其它机构配合可以实现复杂的运动要求。工程中，几乎所有简单的、复杂的重 复性机械动作都可由凸轮机构或者包括凸轮机构的组合机构来实现。又由于凸轮 机构具有平稳性好，重复精度高，运动特性良好，机构的构件少，体积小，刚性 大，周期控制简单，可靠性好，寿命长等优点，因而是现代工业生产设备中不可 缺少的机构之一，被广泛用于各种自动机中【。例如，自动包装机、自动成型机、 自动装配机、自动机床、纺织机械、农用机械、印刷机械加工中心环刀机构、高 速压力机械等。 我国以前对n 轮机构深入系统地研究较少，仅在内燃机配气凸轮机构有较深 入研究。1 9 9 0 年以来，有关凸轮机构的应用研究取得了一大批成果，许多己应用 于生产。陕西科技大学完成的( 高速高精度间歇转位凸轮分度机构c a d c a m ) ， 1 9 9 5 年获陕西省科技进步二等奖：开发的“凸轮分度机构传动装置 获中国轻工总 会优秀新产品一等奖；加工弧面凸轮的“x k 5 0 0 1 双回转坐标数控铣床”获实用新 型专利。天津大学关于分度凸轮机构的研究，得到了国家自然科学基金的支持；研 究开发的两片式平行分度凸轮机构达到了国内领先水平。此外，上海交通大学、 大连轻工业学院、合肥工业大学和山东大学( 山东工业大学) 等在理论应用研究方面 都取得了很多具有国际或国内先进水平的科研成果。 尽管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取得了很多科研成果。但是， 与先进国家相比，我国对凸轮机构的设计和制造上都还存在较大的差距，尤其在 制造方面。在国外核心技术也只是集中在少数的几家公司和科研机构中，而且由 于技术保密等因素，具有一定参考价值的相关资料很少公开发表。这样就在无形 中制约着我国 轮机构设计和制造水平的提高，造成高速、高精度的凸轮机构必 须依赖进口的被动局面。 基于p r 0 e 的平面盘形【“1 轮c a d 系统研究 1 1 2 我国凸轮机构c a d c a m 的研究现状 我国凸轮机构运动学的理论研究己经达到了较高的水平，为凸轮机构设计奠 定了坚实的理论基础。当今，凸轮机构设计己广泛采用解析法并借助于计算机来 完成，数控机床用于凸轮加工也有很长的历史。我国发表的凸轮机构c a d c a m 方面的文献较多。但这些凸轮的c a d c a m 系统核心技术仅被某些企业所有，并 未在市场上以商品软件的形式出现。迄今为止我国凸轮机构c a d c a m 技术仍未 得到有效的推广应用。另外，由于凸轮专用软件开发更新的速度慢，远远跟不上 当今计算机软、硬件的发展速度，使得现有凸轮机构c a d c a m 软件己大为落后， 不能完全适应广大设计人员的要求。 1 1 3 国外凸轮机构及其c a d c a m 的研究现状 自上世纪三十年代以来，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。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。美国、日本等国家的一些凸轮制造企业 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。 1 1 4 我国平面盘形凸轮c a d 系统存在的问题 通过调研以及查阅大量文献资料，我国现有的平面盘形凸轮c a d 系统存在如 下问题： 1 ) 多数是在a u t o c a d 基础上进行二次开发而成的，不具有三维建模功能。 2 ) 没有商品化的凸轮c a d 系统出现。 3 ) 现有的基于p r o e n g i n e e r 的凸轮c a d 系统中，融入先进的数据库管理 技术的还没有。丰要原因是由于p r o t o o l k i t 开发界面的功能很弱，而且根本没 有连接数据库的功能。 4 1 由于凸轮专用软件开发更新的速度慢，远远跟不上当今计算机硬件的发展 石负f 掌位f 仑文 速度，使得现有的平面凸轮机构c a d 应用软件已大为落后，不能适应实际生产的 需要。 5 1 集成化、智能化和网络化很不完善。 1 2 本文选题的背景 1 2 1 平面盘形凸轮三维模型的建立相当复杂 平面盘形凸轮在结构上比较简单，但实际上凸轮机构设计是一个多层次、多 因素的复杂过程，对设计人员的要求比较高。主要原因在于凸轮实际廓线要精确 满足从动件的运动要求。 实现从动件运动规律主要依赖于凸轮轮廓曲线形状，因而轮廓曲线设计是凸 轮机构设计中的重要环节。凸轮机构设计的主要任务便是凸轮轮廓曲线的设计。 传统的凸轮轮廓设计方法通常采用作图法或解析法。作图法虽简便易行，但其效 率低，绘出的凸轮轮廓误差大。 所谓用解析法设计凸轮廓线，就是根据工作所要求的从动件的运动规律和已 知的机构参数，求出凸轮廓线的方程式，并精确地计算出凸轮廓线上各点的坐标 值来拟合凸轮轮廓。解析法绘出的凸轮轮廓误差相对较小，但计算量大。目前精 确设计 轮轮廓的方法有包络法、速度瞬心法、等距曲面法、共扼曲面法和相对 速度法等等包络法利用n 轮和从动件的几何关系导出接触点的轨迹方程；速度瞬 心法利用凸轮和从动件瞬时速度中心确定凸轮和从动件在某一瞬时接触点的位 置。 然而要在现有的三维软件上创建出凸轮实际廓线，还面临着如下的问题： 1 ) 利用解析法得到的凸轮廓线方程式中包含有从动件的位移，该位移是个随时 间变化的变量。因此要得到凸轮的廓线参数方程，需要联立从动件的运动参数方 程和所得的凸轮廓线参数方程来求解出，其过程繁琐复杂。 2 ) 参数校核的计算量大。 3 ) 现有的建模方法过程繁琐，设计人员不易掌握，耗时费力。 1 2 2 设计平面盘形凸轮所需参数多且多数参数在其三维模型上不可见 要设计出一个平面盘形凸轮所需的参数及状态信息是比较多的。其设计参数 及状态信息如下： a 1 一推程角第一段； a 2 一推程角第二段； a 3 一远休止角； a 4 一回程角第一段； 琏 + p r o e 的、f 面盈形凸轮c a d 系统研究 a 5 一回程角第二段； r b 一基圆半径； e 一偏距； r 0 一滚子半径； s 1 一从动件位移； h 一升程； f 一凸轮厚度； 左偏置或右偏置； 从动件运动类型； 凸轮类型； 而在p r o e 中，这么多的参数信息只有凸轮厚度可以在其三维模型上显示出 来，其余的均不可显示。 根据各种从动件系统设计出能实现预定运动规律的凸轮轮廓参数，是凸轮机 构运动学分析比较困难的一个课题。而在企业中，产品的开发换代均是充分利用 已有的知识积累和经验，在现有的产品基础上进行再优化，凸轮的设计更不例外。 但问题是当设计人员打开已有的凸轮模型时，其基本参数信息几乎都不可见，这 时设计人员无法知道该凸轮模型的参数基本信息，故无法利用现有的凸轮模型来 进行再优化。这样就白白浪费了设计人员的知识积累和经验。 鉴于以上原因，本课题拟开发出一个平面盘形凸轮c a d 系统，来解决凸轮设 计过程中的实际问题。 1 3 本文的主要研究内容 鉴于1 2 节所述及其我国在平面盘形凸轮c a d 系统方面的开发现状，本课题 拟利用p r o t o o l k i t 二次开发工具，并融入先进的数据库管理技术，开发出一个 符合用户需求的具有实用性的平面盘形凸轮c a d 系统，使基于p r o e 的凸轮参数 化c a d 系统的功能更完善，数据库的管理更有效。 本课题在深入研究参数化设计思想及方法的基础上，以 轮参数化设计为基 础，着重研究了基于p r o e 的平面盘形凸轮c a d 系统总体结构的建立、相关的p r o e 二次开发技术、系统之间信息传递技术、数据库接口技术。并详细介绍了该系统 的研究开发和实施过程。本文的主要研究内容如下： 1 ) 系统总体分析和设计：选择开发工具及运行环境，提出系统总体设计方案。 2 ) 建立凸轮模板库：以基于特征的参数化设计方法，在p r o e 环境下建立凸 轮模板库，以备p r o t 0 0 l k i t 应用程序调用。 3 ) pr o e 二次开发及接口技术的研究及应用。 4 ) pr o e 与m i c r o s o f ta c c e s s 的接口技术研究：在v i s u a l c + + 6 o 开发环境中， 4 硕j 节位论文 采用o d b c 作为数据访问接口和面向对象的数据库编程技术，创建凸轮基本参数 库并对该数据库进行添加、修改、删除等操作。实现p r o e 用户对m i c r o s o f ta c c e s s 数据库的访问，以集中管理好凸轮的各种数据。 5 ) 将凸轮数据库设置为共享文件，利用m f c 的d y n a s e t ( 动态集) 来实现凸 轮设计的并行工程。 6 ) 系统程序设计及界面设计：利用v c + + 6 o 和p r o m o l k i t 开发工具编写 系统接口应用程序，开发系统的用户界面，编写p r o t o o l k i t 应用程序源代码。 7 ) 凸轮三维实体模型自动生成模块。根据用户输入的凸轮基本参数，检索凸 轮模板库中相应的凸轮三维模型样板，自动生成满足用户设计需求的凸轮三维实 体模型。 8 ) 凸轮基本参数自诊断模块：对于用户输入的凸轮参数，该模块进行诊断并 给出提示信息，最终使用户确定出符合压力角和曲率半径要求的凸轮基本参数。 9 ) 研究各个模块之间的通信技术。 1 0 ) 进行实现系统实例与测试。 1 4 课题意义 本课题的意义在于以下几点： 1 ) 解除了设计人员的繁琐劳动，节省了大量的人力和物力 由于本系统不需要人工计算凸轮参数方程、不需要人工校核参数，只需设计 人员输入凸轮的基本参数，就可以自动进行参数的校核、凸轮三维模型的生成。 所以解除了设计人员的繁琐劳动，节省了大量的人力和物力。 2 ) 凸轮参数等基本信息的有效保存，更有利于凸轮的优化设计 由于在本系统中，凸轮的参数等基本信息可直接保存在凸轮数据库中，并可 对凸轮数据库中的参数信息进行随即修改、查询等操作。所以在凸轮的设计过程 中，可以充分利用已有的知识和经验，更有利于对现有的凸轮进行再优化设计。 3 ) 在凸轮的设计过程中，实现了并行工程 如果将凸轮数据库设置为共享文件，那么只要安装了本系统的用户，在本公 司的局域网上均可对凸轮数据库随时进行修改、查询、添加数据等操作。由此， 在凸轮的设计过程中，便可实现并行作业，分工合作，这将极大地提高凸轮的设 计效率。 1 5 本章小结 本章介绍了与课题相关的国内外研究现状，其中包括凸轮设计技术、凸轮c a d 技术。接着综述了论文选题的背景、本论文的主要研究内容和课题意义。 基于p r ( ) 厄的平而盘形【丌】轮c a d 系统研究 第2 章平面盘形凸轮机构设计与分析 为满足凸轮机构的输出件提出的运动要求、动力要求等，凸轮机构的设计大 致可分为以下三步： 1 ) 从动件运动规律的设计。 2 ) 凸轮机构基本尺寸的设计。 3 ) 凸轮机构轮廓曲线的设计。 2 1 从动件运动规律的设计 运动规律设计包括对所设计的凸轮机构输出件的运动提出的所有给定要求。 例如，推程、回程运动角、远休止角、近休止角、行程以及推程、回程的运动规 律曲线形状，都属于运动规律设计。所谓凸轮曲线并不是凸轮轮廓的形状曲线， 而是凸轮驱动从动件的运动曲线。研究凸轮曲线的目的在于用最短时间、最圆滑、 无振动、耗能少的方式来驱动从动件。凸轮趋线特性优良与否直接影响凸轮机构 的精度、效率和寿命。 从动件的运动情况，是由凸轮轮廓曲线的形状决定的。一定轮廓曲线形状的 凸轮，能够使从动件产生一定规律的运动；反过来，实现从动件不同的运动规律， 要求凸轮具有不同现状的轮廓曲线，即凸轮的轮廓曲线与从动件所实现的运动规 律之间存在着确定的依从关系。因此，凸轮机构设计的关键一步，是根据工作要 求和使用场合，选择或设计从动件的运动规律。在设计凸轮机构基本尺寸和凸轮 轮廓之前，必须根据凸轮机构的工作性能要求选择从动件的运动规律方程式，选 择不同的从动件运动规律将直接影响凸轮机构的基本尺寸设计、轮廓设计及凸轮 机构的运动性能等1 2 j 。 从动件运动规律可分为基本运动规律和组合运动规律。基本运动规律包括简 单多项式运动规律和三角函数运动规律，组合运动规律是由数种基木运动规律进 行拼接而成。 2 1 1 从动件常用的基本运动规律 几种常见的基本运动规律有三角函数运动规律( 简谐运动规律、摆线运动规律 及双谐运动规律等) ；简单多项式运动规律；等速运动规律( 一次项运动规律) 、等加等 减速运动规律( 二次项运动规律) 等。如表2 1 所示。 6 硕l j 学何论文 表2 1从动件常用运动规律 运动方程式 运动规律推程( 0 9 西) 回程( 0 缈) 办 s 叫1 _ 争 j = = 伊 等速运动( 直 线运动) 办 办 u = 国v = 一一国 口= 0 口= o 等加速段( o 缈詈)等减速段( o 娜等 s = 2 一妒一一等伊2 2 4 矗4 1 2 6 ， 。矿缈“矿 4 办国24 办口2 口2 百f 口= 一 2 等加速等减速 ，= 0_ ，= 0 运动( 抛物线 运动) 等减速段( 妒)等加速段( 要矽i ) s ：厅一兰( 巾一矿) z s ：矿【m 矿矿) 。、 v2 矿( 一伊，) v = 一叫一够 “、 。7 4 厶24 厅2 口= 一_ = f 一 口= 西2“ j = q，= 0 s = 争c o s c 和，s = 争c o s ( 昙纠】 简谐运动( 余 y = 一s l n l 一p )v = 一一s l n i a 伊l 2 、2 、一7 弦加速度运 口= ：一c o s i 一p 口= 一_ c o s l 一p i 2 巾2、2 “、 动) ，= 一一s l n i 一 ，2 面r 昙1 n ( 面纠 j 2 3 飞r 7 7 基fp r 0 f 的甲面盘7 髟【“】轮c a d 系统研究 续表2 1 运动规律运动方程式 推程回程 鳓一2 万i n 、。s = 叩詈西；2 万 例 r “ 摆线运动 v = - c o s 、v 一等【1 、 ( 正弦加速 度运动) 口= - _ 一s 1 n i 够l口= 一- s 1 n l 矿， 2、忙、 ，= 一c n s i 一田7 = 一一c n r 一田- j 3 、中别 j 3 、r 7 鳓【l o ( 詈) 3 _ 1 5 ( 争4 +鳓【1 _ 1 0 ( 导) 3 + 1 5 ( 詈) 4 _ 6 ( 和6 ( 争】 归警【3 0 ( 詈) 2 -忙一等 3 0 ( 争2 6 0 ( 詈) 3 + 3 0 ( 釉6 0 ( 昙) 3 + 3 0 ( 扣 3 4 5 次多 弘等【6 0 c 争口一等【6 0 ( 争一 项式运动 ( 五次多项 、m ( 7) 2 + 、7 4 1 8 0 ( 争2 + 1 2 0 ( 轴 式) ，= 等【6 0 确。( 詈)歹一等【6 0 _ 3 6 。( 导) + 3 6 0 ( 驷+ 3 6 0 ( 昙) 2 】 2 1 2 从动件运动规律的选取原则 从动件运动规律的选择或设计，涉及到许多因素。除了需要满足机械的具体 工作要求外，还应使凸轮机构具有良好的动力特性，同时又要考虑所设计的凸轮 廓线便于加工，这些因素又往往是互相制约的【3 】。因此在选择或设计运动规律时， 必须根据使用场合、工作条件等分清主次，综合考虑。下面是一些常用运动规律 的适用场合： 1 ) 等速运动规律在很多情况下能满足 轮机构推程的工作要求，但是在从动 8 坝1 宁何论文 件行程的开始和终止位置存在刚性冲击，是运动特性最差的曲线，所以等速运动 规律很少单独使用，且不适用于中、高速。 2 ) 等加速等减速运动规律的速度曲线连续，在所有曲线中其最大加速度值为 最小，但在从动件行程的开始、终止和由正加速度变为负加速度的中间位置，加 速度的有限值突变将导致柔性冲击，因而不能在中、高速场合使用。 3 ) 余弦加速度运动规律消除了行程中间位置的加速度突变，且易于计算和加 工，在中速时也能获得合理的从动件的运动。但当这种运动规律用于升一停一回 一停运动时，在行程的起始和终止位置因加速度突变而仍有柔性冲击。当这种规 律用于升一回一升型运动时，则加速度曲线连续，没有柔性冲击。 4 ) 正弦加速度运动规律用于升一停一回停运动时，从动件在行程的起始和 终止位置加速度无突变，因而无柔性冲击，有利于机构运转平稳。但它用于升一 回停运动时，在推程与回程的连接点处，跃度从有限的正值变为负值，因而加速 度曲线不连续。这种曲线要求机械加工的准确性高于其他曲线。正弦加速度运动 规律广泛用于中速凸轮机构，但不适于高速场合。汇总如表2 2 所示。 表2 2 从动件常用运动规律特性比较及适用场合 运动规律冲击特 v 懈( 砌)。( 砌2 2 )k ( 励3 m 3 )适用场 性 厶 口 等速 9 0 性1 o o 低速轻 ( 直线) 载 等加等减柔性 2 0 04 0 0 中速轻 速( 抛物载 线) 简谐柔性1 5 74 9 3 中速中 ( 余弦加载 速度) 摆线( 正无2 0 06 2 83 9 5高速轻 弦加速载 度) 3 4 5 次无 1 8 8 5 7 76 0 0高速中 多项式 载 ( 五次多 项式) 9 基于p r o ，e 的平而艇形l ”i 轮c a d 系统研究 2 2 凸轮机构基本尺寸的设计 凸轮机构的基本尺寸对凸轮机构的结构、传力性能都有重要的影响。凸轮机 构的基本参数选择的不恰当，则可能造成压力角过大或产生运动失真现象。凸轮 机构的基本尺寸之间互相影响、互相制约，所以如何合理地设计这些基本尺寸， 也是凸轮机构设计中要解决的重要问题。 凸轮机构基本尺寸的设计问题是在给定从动件运动规律和许用压力角的条件 下寻求一组适用的尺寸，从而使设计的凸轮机构性能佳、寿命长。盘形凸轮机构 主要设计参数有：基圆半径和偏距，滚子半径，摆杆长度等。为提高凸轮机构传力 效果，希望机构在推程中压力角尽量小。一般来讲，这些参数的选择，除应保证 使从动件能够准确地实现预期的运动规律外，还应当使机构具有良好的受力状况 和紧凑的尺寸。 2 2 1 凸轮机构压力角和基图半径 凸轮压力角是从动件运动( 速度) 方向与传动轴线方向之间的夹角。压力角是衡 量凸轮机构传力特性好坏的一个重要参数。从减小推力、避免自锁，使机构具有 良好的受力状况来看，压力角应越小越好。同时设计凸轮机构时，除了使机构具 有良好的受力状况外，还希望机构结构紧凑。在实现相同运动规律的情况下，基 圆半径越大，凸轮的尺寸也越大。因此，要获得轻便紧凑的凸轮机构，就应当使 基圆半径尽可能地小。而基圆半径吒及偏距p 与凸轮机构压力角口有如下关系： i 粤一pii 粤一pl 劬跖：垡翌：型坠( 2 1 ) t a n 跖= 二_ 一= = = = ； ( 2 1 ) s + s + 2 一口2 当凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心左侧或凸轮顺时针方向转动、 从动件偏于凸轮轴心右侧时，压力角的计算公式为 l 粤+ pi t a j l 彩： 型垒一 ( 2 2 ) t