毕业设计盘形凸轮轮廓曲线的设计.doc

湖北理工学院毕业设计 0 目目 录录 摘要摘要 1 1 1 1 绪论绪论 3 3 1 1 凸轮机构概述 3 1 2 凸轮机构课题研究背景及意义 3 1 3 凸轮机构国内外发展及研究状况 5 2 2 盘形凸轮轮廓曲线的设计盘形凸轮轮廓曲线的设计 8 8 2 1 反转法概念 8 2 2 反转法的原理 8 2 3 对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构轮廓曲线的设计 8 2 4 对心直动滚子从动件盘形凸轮机构轮廓曲线的设计 10 2 6 对心直动平底从动件盘形凸轮机构轮廓曲线的设计 11 2 7 偏置尖顶直动从动件盘形凸轮机构 11 2 8 摆动从动件盘形凸轮机构 12 3 3 盘形凸轮轮廓曲线的参数化设计盘形凸轮轮廓曲线的参数化设计 1313 3 1 盘形凸轮基圆半径的确定 13 3 2 确定摆动从动件盘形凸轮基圆半径的方法 13 3 3 凸轮轮廓曲线的数学模型 14 3 4 盘形凸轮轮廓曲线的计算 16 3 5 轮廓面方程的建立 16 3 6 平面盘形凸轮系统的开发 17 总结与展望总结与展望 1818 致谢致谢 1919 参考文献参考文献 2020 湖北理工学院毕业设计 1 盘形凸轮轮廓曲线的设计盘形凸轮轮廓曲线的设计 摘要摘要 本文分析了反转法的基本原理 图解法的方法和步骤 阐述了几种盘形凸轮轮廓 曲线的设计方法 并配以图形来解析 在现实生活中我们经常可以见得到凸轮机构 在各种 机械 特别是自动机和自动装置 广泛采用各种形式的凸轮机构 凸轮机构常用与内燃机的 装配机构 自动机场的进刀机构以及各种自动装置中 凸轮机构的有点在于要适当的设计 出凸轮轮廓曲线 就可以使推杆得到各种预期的运动规律 而其响应快速 机构简单紧凑 这些优点使得它不能被数控 电控设备完全代替 随着现代机械的发展和计算机辅助设计 和制造获得了普遍应用 凸轮机构的设计和加工的速度和质量越来越高 凸轮运动速度也 越来越高 这就为凸轮机构更广泛的应用创造了条件 关键词关键词 反转法 凸轮 轮廓曲线 湖北理工学院毕业设计 2 design of cam profile curve abstract in real life we can often see cam particularly automata and robotics widely used in various forms of cam can is commonly used for internal combustion engine valvetrain automatic feed mechanism of machine tools as well as variety of robotic advantage is as long as the appropriate design of cam motion of the push rod can be expected and its fast response institutions simple and compact these advantages make it cannot be nc electrical control equipment and completely replaced as modern machinery is increasingly informed the development and application of computer aided design and manufacturing was general cam design and machining speed and quality become higher and higher cam movement speed is geeting higher and higher which created the conditions for a wider application of cam this design is intended to complete the base circle radius r 500mm maximum lift and follower h 30mm push way motion angle 120 far angle of repose 60 return angle 120 and near of angle of repose 60 follower pushing motion law of cheng yi speed increase return to sine acceleration motion law of downward bias follower disc cam mechanism with roller follower of the designs key words reversal process disc cam profile curve 湖北理工学院毕业设计 3 1 1 绪论绪论 1 1 凸轮机构概述凸轮机构概述 凸轮机构一般是由凸轮 从动件和机架三个构件组成的高副机构 凸轮通常作连续 等速转动 从动件根据使用要求设计使它获得一定规律的运动 凸轮机构能实现复杂的 运动要求 广泛用于各种自动化和半自动化机械装置中 凸轮机构通常由两部份动件组成 即凸轮与从动子 follower 两者均固定于座架 上 凸轮装置是相当多变化的 故几乎所有任意动作均可经由此一机构产生 凸轮可以定义为一个具有曲面或曲槽之机件 利用其摆动或回转 可以使另一组件 从动子提供预先设定的运动 从动子之路径大部限制在一个滑槽内 以获得往覆运动 在其回复的行程中 有时依靠其本身之重量 但有些机构为获得确切的动作 常以弹簧 作为回复之力 有些则利用导槽 使其在特定的路径上运动 低副机构一般只能近似地实 现给定运动规律 而且设计较为复杂 当从动件的位移 速度和加速度必须严格地按照 预定规律变化 尤其当原动件作连续运动而从动件必须作间歇运动时 则以采用凸轮机 构最为简便 凸轮机构由凸轮 从动件或从动件系统和机架组成 凸轮通过直接接触将 预定的运动传给从动件 凸轮机构具有结构简单 可以准确实现要求的运动规律等优点 只要适当地设计凸轮的轮廓曲线 就可以使推杆得到各种预期的运动规律 在各种机械 特别是自动机械和自动控制 装置中 广泛地应用着各种形式的凸轮机构 凸轮机构之所以能在各种自动机械中获得 广泛的应用 是因为它兼有传动 导引及控制机构的各种功能 当凸轮机构用于传动机 构时 可以产生复杂的运动规律 包括变速范围较大的非等速运动 以及暂时停留或各 种步进运动 凸轮机构也适宜于用作导引机构 使工作部件产生复杂的轨迹或平面运动 当凸轮机构用作控制机构时 可以控制执行机构的自动工作循环 因此凸轮机构的设计 和制造方法对现代制造业具有重要的意义 凸轮机构主要作用是使从动杆按照工作要求完成各种复杂的运动 包括直线运动 摆动 等速运动和不等速运动 1 凸轮机构的优点 只需设计适当的凸轮轮廓 便可使从动件得到任意的预期运动 而且结构简单 紧凑 设计方便 因此在自动机床 轻工机械 纺织机械 印刷机械 食品机械 包装机械和 机电一体化产品中得到广泛应用 2 凸轮机构的缺点 a 凸轮与从动件间为点或线接触 易磨损 只宜用于传力不大的场合 b 凸轮轮廓精度要求较高 需用数控机床进行加工 3 从动件的行程不能过大 否则会使凸轮变得笨重 1 2 凸轮机构课题研究背景及意义凸轮机构课题研究背景及意义 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 60 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 同时 欧美各国学者对高速凸轮的研究振动 动态响应等方 面的论文 湖北理工学院毕业设计 4 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 cad cam 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 的产品开发中日本也特别重视凸轮机构的研究 有很多从事凸轮机构研究的专家 早期 有小才川介 中开英一等 现在有牧野洋 西冈雅夫 筱原茂之等 还有许多专门生产 凸轮机构的公司 如大家公司 三共制作所 协和凸轮公司等 日本经常举行讨论凸轮 机构的学术会议 在有关的国际性刊物上也经常看到日本在凸轮机构研究方面的论文 日本近期在凸轮技术的发展上所做的工作主要有 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 加强了凸轮机构动力学和振动方面 的研究 提高了机构的速度 发展了高速凸轮 他们已经生产出分度数每分钟 8000 次的 分度凸轮机构 研制新的凸轮加工设备 以适应新开发的产品 实现了凸轮机构的小型化 和大型化 已经设计生产出了世界上最小和最大的蜗杆凸轮机构 中心距前者为 28mm 后 者为 80mm 加强凸轮机构的标准化 发展成批生产的标准凸轮机构 发展凸轮机构的 cad cam 系统日本学者特别注重将各方面的研究成果应用到实际的产品开发中去 如他们 充分地认识到凸轮机构作为控制机构具有高速下的稳定性 优良的再现性 良好的运动 特性和可靠性 易于实现同步控制 刚度高等优越性 因而十分重视将凸轮机构与电子 技术相结合 在控制机构上作广泛的研究 从而拓宽了凸轮机构的用途 早期的工程技术人员大多采用作图法绘制凸轮轮廓 这种方法的效率低 精度差 很难精确地得到压力角和曲率半径等设计参数 在 cad 二维设计阶段 cad 的作用仅仅是 使工程人员得以摆脱烦琐 精度低的手工绘图 可重复利用已有的设计方案 而如今的 cad 三维设计与 cam 集成化 使工程人员可以从三维建模开始 进行产品构思设计和制图 实现了设计数据直接传输到生产的过程 大大简化了手工工作环节 由于计算机技术和 各种数值计算的发展 使得很多方面的研究得以深入 利用参数化技术三维 cad 可以绘 制精确的凸轮 参数化设计具有造型精确 造型速度快 避免了手工取点造型的复杂过 程 完成三维实体模型可以不断的修改的特点 由于电子技术的发展 现在某些设备的 控制元件可以采用电子元器件 但他们一般只能传递较小的功率 而凸轮机构却能在实 现控制功能的同时传递较大的功率 因此 凸轮机构在生产中具有无可替代的优越性 尤其在高速度 高精度传动与分度机构及引导机构中 更有突出的优点 可以说 对凸 轮机构的进一步研究 特别是对高速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 现代三维 cad 已经辐射到对整个制造企业生产 管理进行全 方位的辅助 对制造业的发展具有深远的影响 凸轮机构动力学深入研究 从动件运动 规律选择 动力学模型建立 动力响应求解和动力综合方法等研究均有不少成果 微机进入我国已有多年 计算机技术在我国已经得到很大的发展 计算机具有强大 的数值计算 逻辑判断和图形绘制功能 在有关软件的支撑下 可以完成凸轮机构设计 的各个环节 利用计算机进行凸轮机构设计 不仅可以大大提高设计速度 设计精度和 设计自动化程度 而且可以采用动态仿真技术和三维造型技术 模拟凸轮机构的工作情 况 甚至可由设计数据形成数控加工程序 直接传输给制造系统 实现计算机辅助设计 cad 和计算机辅助制造 cam 一体化 从而提高产品质量 缩短产品更新换代周期 使用参数化设计 可以使凸轮机构的设计能够快速进行 只要由设计者输入或者选 择相关的参数 就能够自动的得到有关数据 例如 位移 速度 加速度与转角之间的 关系 凸轮廓线的设计 从动件的运动是否失真 以及在整个过程中压力角是否超过许 用压力角 运动仿真等 平面与空间连杆机构振动力的完全平衡方法和振动力与振动力矩完全平衡方法在理 论上已有较好的解决 湖北理工学院毕业设计 5 考虑构件弹性的弹性连杆机构动力分析与综合的研究已越来越深入 考虑运动副间 隙的连杆机构动力分析及运动稳定性研究取得进展 同时考虑构件弹性和运动副间隙甚 至弹流状态的动力分析已有初步研究成果 包含变质量构件机构的动力学也已引起关注 并有初步研究 它对机械工程的进步起着重要的推动作用 1 3 凸轮机构国内外发展及研究状况凸轮机构国内外发展及研究状况 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 我国对凸轮机构的设计和制造上都还存在较大的差距 尤其在制造方面 国外也只是集 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 国凸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 我国凸轮机构研究的总体情况 我国对凸轮机构的应用和研究已有多年的历史 目前仍在继续扩展和深入 1983 年全 国第三届机构学学术讨论会上关于凸轮机构的论文只有 8 篇 涉及设计 运动规律 分析 廓线的综合等四个研究方向 到了 1988 年第六届会议 已有凸轮机构方面的论文 20 篇 增加了动力学 振动 优化设计等研究方向 而 1990 年第七届会议 凸轮机构方面又增 加了 cad cam 误差分析等研究方向 近几年 对凸轮分度机构方面的研究也不断深入 并 发表了一系列论文对凸轮机构的共扼曲面原理山 专家系统等方面也有了相当的研究 现在凸轮机构已经在包装机械 食品机械 纺织机械 交通运输机械 动力机械 印刷 机械等领域得到广泛的应用 但是 与先进国家相比 我国对凸轮机构的研究和应用还存 在较在的差距 尤其是在对振动的研究 凸轮机构的加工及产品开发等方面 随着 cad cam 技术在机械领域应用的日趋成熟和广泛 在国内也出现了一些研究凸 轮机构 cad cam 系统的文献也有新的突破 许多学者发表了关于凸轮机构的优化设计 凸轮 采用面向对象的参数化程序设计方法 设计出了主要包括工作机构运动循环图和 运动规律设计 从动件系统设计 凸轮机构的运动学分析 条件校核 结构设计以及结 果 输出等内容的平面凸轮的 cad 软件 实现了凸轮的计算机辅助设计 文献 则是在凸 轮机构 cad 系统的基础上研究针对某种凸轮机构的 cad cam 系统 实现了凸轮设计 凸轮数控加工一体化 进一步提高了凸轮 cad cam 技术的实用性 但这些凸轮的 cad cam 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 cad 技术是先进制造技术的重要组成部分 利用 cad 技术可以起到提高企业的设计效 率 优化设计方案 减轻技术人员的劳动强度 缩短设计周期 加强设计的标准化等作 用 本文在研究基于特征的三维 cad 理论的基础上 开发出一个扩充性 开放性 复用 性和维护性良好的 cad 软件系统 并在 cad 技术理论和 cad 软件体系结构上 做出了许 多具有重要意义的工作 本课题利用了基于 windows 平台开发的 visual basic 语言来进 行凸轮的参数化设计 程序的目的就是在 visual basic 中输入凸轮的有关参数 由 solidworks 2005 来自动生成凸轮实体 程序提供了良好的输入界面 操作简单 方便 与以往的手工凸轮设计相比较 参数化的设计方法具有效率高 凸轮轮廓精度高 设计 时间短等特点 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 湖北理工学院毕业设计 6 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 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 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 我国以前对凸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 1990 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 cad cam 1995 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 xk5001 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凸轮机构设计和制造 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 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 60 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 同时 欧美各国学者对高速凸轮的研究振动 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 cad cam 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 湖北理工学院毕业设计 7 的产品开发中日本也特别重视凸轮机构的研究 有很多从事凸轮机构研究的专家 早期 有小才川介 中开英一等 现在有牧野洋 西冈雅夫 筱原茂之等 还有许多专门生产凸 轮机构的公司 如大家公司 三共制作所 协和凸轮公司等 日本经常举行讨论凸轮机 构的学术会议 在有关的国际性刊物上也经常看到日本在凸轮机构研究方面的论文 日 本近期在凸轮技术的发展上所做的工作主要有 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 加强了凸轮机构动力学和振动方面的研究 提高了机构的速度 发展了高速凸轮 他们已经生产出分度数每分钟 8000 次的分度凸轮 机构 研制新的凸轮加工设备 以适应新开发的产品 实现了凸轮机构的小型化和大型 化 已经设计生产出了世界上最小和最大的蜗杆凸轮机构 中心距前者为 28mm 后者为 80mm 加强凸轮机构的标准化 发展成批生产的标准凸轮机构 发展凸轮机构的 cad cam 系统日本学者特别注重将各方面的研究成果应用到实际的产品开发中去 如他们充分地 认识到凸轮机构作为控制机构具有高速下的稳定性 优良的再现性 良好的运动特性和 可靠性 易于实现同步控制 刚度高等优越性 因而十分重视将凸轮机构与电子技术相 结合 在控制机构上作广泛的研究 从而拓宽了凸轮机构的用途 湖北理工学院毕业设计 8 2 盘形凸轮轮廓曲线的设计盘形凸轮轮廓曲线的设计 2 12 1 反转法概念反转法概念 以直动凸轮为例 在设计的时候 通常假定凸轮固定 推杆绕凸轮旋转 并考察他 们的相对运动 而推杆相对于凸轮旋转的方向 假定的方向 与凸轮相对于机架的实际 旋转方向是相反的 故名 反转法 2 22 2 反转法的原理 反转法的原理 假想给整个凸轮机构加一公共角速度 不影响各构件之间的相对运动 此时 则 凸轮相对静止不动 推杆一方面随导轨以 绕凸轮轴心转动 另一方面又沿导轨作预期 的往复移动 推杆尖顶在这种复合运动中的运动轨迹即为凸轮轮廓曲线 图解法是根据反转法原理作出从动件推杆尖顶在反转运动中依次占据的各位置 然 后作出其高副元素所形成的曲线族 并作从动件高副元素所形成的曲线族的包络线 即 是所求的凸轮轮廓曲线 当给整个机构加一个共同的运动时 各构件的绝对运动发生了变化 但各构件的相对 运动却并不改变 各构件的相对尺寸亦不改变 因而 对转化后的机构进行设计的结果与 对原机构进行设计的结果是相同的 实现这种转化的方法就是机构倒置或反转法 反转 法的本质就是改变参考系 是许多机构的构型设计及机构运动学和动力学分析的一种基本 方法 其中 在凸轮机构中的应用最典型 凸轮机构的设计原理对于凸轮机构 如果根据 工作要求和结构条件选定了凸轮机构的形式 基本尺寸 推杆的运动规律和凸轮的转向 凸轮机构的设计就是凸轮轮廓曲线的设计了 凸轮轮廓曲线无论是采用解析法还是采用 作图法设计都采用 反转法 原理 给整个凸轮机构加一个与凸轮角速度等值反向的公 共角速度 使其绕轴心 o 转动 根据相对运动原理 这时凸轮与推杆的相对运动不变 但 凸轮静止不动 而推杆一方面随其导轨以 的角速度绕轴心 o 转动 同时又在导轨内作预 期的运动 推杆尖顶在这种复合运动中的轨迹就是所要求凸轮的廓线 反转法原理的 5 种应用 1 对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的轮廓曲线 2 偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构的轮廓曲线 3 对心直动滚子从动件盘形凸轮机构的轮廓曲线 4 偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构的轮廓曲线 5 对心直动平底从动件盘形凸轮机构的轮廓曲线 2 32 3 对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构轮廓曲线的设计对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构轮廓曲线的设计 要求 已知凸轮的基圆半径为 r0 凸轮沿逆时针方向等速回转 而推杆的运动规律 如图 2 1 所示 试设计该对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构的轮廓曲线 第一步 如图 2 1 所示 以 r0 为半径画基圆 确定从动件导路位置 导路与基圆交 点 b 为从动件初始位置 第二步 将位移线图的推程与回程运动角作若干等 分 第三步 从基圆 ob 开始 沿 方向将基圆按与位移线图对应的分点进行划分 得 分点 b1 b2 湖北理工学院毕业设计 9 第四步 自 o 点开始 过 b1 b2 点作射线 ob1 ob2 便成为导路反转后的位置 第五步 沿各射线 从基圆开始向外量取从动件位移量 即 b1c1 11 b2c2 22 得尖顶的反转位置 c1 c2 第六步 将 c1 c2 连接成光滑的曲线 便得到 所求的 凸轮轮廓曲线 试用反转法绘制一对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构的凸轮轮廓曲线 已知凸轮的基 圆半径为 r0 15mm 凸轮以等角速度沿逆时针方向回转 推杆的运动规律如图 2 1 所示 具体步骤 1 绘制并等分位移线图 fr 2 取与位移曲线相同的比例尺画基圆和从动件尖顶离轴心 o 最近时从动件的初始 位置 3 等分基圆得推杆在反转运动中导轨占据的各个位置 4 求推杆在复合运动中占据的位置 5 连线 6 校核凸轮机构的压力角 最大压力角可用诺谟图来确定 若不满足 max 增大基圆半径重新设计 曲线图 位移线图 图 2 1 对心直动顶尖曲线 位移图 图 2 1 所示 a 所示为一对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构 已知凸轮的基圆半径 r0 15 凸轮以等角速度 沿逆时针方向回转 推杆的运动规律如下表所示 表 2 1 推杆运动规律图 序号凸轮运动角推杆运动规律 1 0 至 120 度等速上升 h 16mm 2 120 至 180 度推杆在最高位置静止 3 180 至 270 度正弦加速下降 h 16mm 4 270 至 360 度推杆在最低位置静止 湖北理工学院毕业设计 10 2 42 4 对心直动滚子从动件盘形凸轮机构轮廓曲线的设计对心直动滚子从动件盘形凸轮机构轮廓曲线的设计 已知条件 凸轮的基圆半径为 r0 滚子半径 r 凸轮 沿逆时针方向等速回转 试设 计该对心直动滚子从动件盘形凸轮机构的轮廓曲线 第一步 将滚子中心假想为尖顶从动件的尖顶 第二步 按尖端推杆的设计方法作出轮廓曲线 0 这条曲线是反转过程中滚子中心 的运动轨迹 称为理论轮廓曲线 第三步 以理论轮廓线上各点为圆心 以滚子半径 r 为半径 作一系列圆 第四步 作此圆族的内包络线 即为该凸轮的实际轮廓曲线 仍采用上述的已知条件 只是在从动件的顶部加上一个半径为 rt的滚子 由于滚子 中心是从动件上的一个固定点 该点的运动就是从动件的运动 因此可把滚子中心作为 尖顶从动件的尖底 按设计尖底从动件凸轮轮廓的方法绘出凸轮轮廓曲线 称为凸轮 的理论轮廓曲线 与滚子直接接触的凸轮轮廓才是实际轮廓 而理论轮廓与实际轮廓的 法向距离恒为滚子半径 因此对心滚子直动从动件盘形凸轮机构的设计步骤为 1 先按上述绘出滚子中心 a 在推杆复合运动中依次占据的位置 1 2 2 然后以 1 2 为圆心 以滚子半径 rr 为半径 作一系列圆 再作此圆簇 的包络线 即为凸轮的轮廓曲线 3 校核凸轮机构的压力角 最大压力角可用诺谟图来确定 若不满足 max 增大基圆半径重新设计 理论轮廓与实际轮廓是等距曲线 所以理论轮廓的压力角就是实 际轮廓的压力角 4 校核轮廓的最小曲率半径滚子从动件凸轮的实际轮廓曲线 是以理论轮廓上各 点为圆心作一系列滚子圆的包络线而形成 滚子半径选择不当 则无法满足运动规律 1 内凹的凸轮轮廓曲线 a 实际轮廓 b 理论轮廓 理论轮廓曲率半径 实际轮廓曲率半径 t r 无论滚子半径大小如何 则总能作出实际轮廓曲线 2 外凸由于 ta r 所以 当时 实际轮廓可作出 ta r 0 a 若 实际轮廓出现尖点 易磨损 可能使用 若 则 t r 0 a t r 实际轮廓出现交叉 加工时 交叉部分被切除 出现运动失真 这一现象需 0 a 避免 综上所述 理论轮廓的最小曲率半径 即 为避免产生过度 t r min 0 min t r 切割 可从两方面入手 a rt下降 b r0上升 min 湖北理工学院毕业设计 11 因此可规定一许用曲率半径即 s minmin sts r mm s 53 一旦给出 求出 即可求出滚子半径 rt最大值 s min 即 minst r 距线 论廓线的基圆半径 等凸轮的基圆半径 指理 凸轮的实际廓线接接触的凸轮廓线称为工作廓线 把与滚子直实际廓线 为凸轮的理论廓线在复合运动中的轨迹称理论廓线 把滚子中心 2 62 6 对心直动平底从动件盘形凸轮机构轮廓曲线的设计对心直动平底从动件盘形凸轮机构轮廓曲线的设计 已知条件 凸轮的基圆半径为 r0 凸轮沿逆时针方向等速回转 试设计该对心直动 平底从动件盘形凸轮机构的凸轮轮廓曲线 第一步 将推杆的导路中心线与推杆平底的 交点视为尖端推杆的尖点 第二步 按尖端推杆凸轮的设计方法 求出尖顶 反转后的一系列位置 c1 c2 第三步 过 c1 c2 作一系列代表推杆平底的直线 1 将推杆导路的中心线与推杆平底的交点 a 视为尖顶推杆的尖点 按前述的作图步 骤确定出点 a 在推杆作复合运动时依次占据的位置 1 2 2 然后再通过点 1 2 作一系列代表推杆平底的直线 3 而此直线簇的包络线即为凸轮的工作廓线 4 确定平底的长度 平底左右两侧的宽度 w 应分别大于左右两侧的运动点距离 lmax w lmax 5mm 2 72 7 偏置尖顶直动从动件盘形凸轮机构偏置尖顶直动从动件盘形凸轮机构 偏置尖顶直动从动件盘形凸轮机构的从动导路轴线不通过凸轮轴心 而是有一个偏 心距 已知 从动件运动规律 等角速度 偏距 e 基园半径 r0 要求 绘出凸轮轮廓曲线 设计步骤 以 r0为半径作基园 e 为半径作偏距园 过 k 点作从动件导路交 b0点 作位移线图 分成若干等份 等分偏距园 过 k1 k2 k5 作切线 交于基圆 c1 c2 c5 应用反转法 量取从动件在各切线对预置上的位移 由图中量取从动件位 s 移 得 b1 b2 即 c1b1 11 c2b2 z2 湖北理工学院毕业设计 12 将 b0 b1 连成光滑曲线 即为凸轮轮廓曲线 2 82 8 摆动从动件盘形凸轮机构摆动从动件盘形凸轮机构 已知 基圆半径 r0 中心距 a 摆杆长 l 从动件运动规律如图 2 2 所示 求 凸轮轮廓曲线设计步骤 图 2 2 偏置直动滚子曲图 以 r0为半径作基圆 以中心距为 a 作作摆杆长为 l 与基圆交点于 b0点 作从动件位移线图 并分成若干干等分 以中心矩 a 为半径 o 为原心作图 用反转法作位移线图对应等得点 a0 a1 a2 以 l 为半径 a1 a2 为原心作一系列圆弧 11d c 交于基圆 c1 c2 点 22d c 以 l 为半径作对应等分角 以 a1c1 a2c2 向外量取对应的 a1b1 a2b2 321 将点 b0 b1 b2 连成光滑曲线 发现从动杆与轮廓干涉 通常作成曲杆 避免干涉 或摆杆与凸轮轮廓不在一个平 面内仅靠头部伸出杆与轮廓接触 对于滚子和平底同样是画出理论轮廓曲线为参数至运动轨迹 作出一系列位置的包 络线即为实际轮廓曲线 o b 7 90 3 180 12 30 465980 60 5 4 3 2 1 6 max 8 7 湖北理工学院毕业设计 13 3 盘形凸轮轮廓曲线的参数化设计盘形凸轮轮廓曲线的参数化设计 3 13 1 盘形凸轮基圆半径的确定盘形凸轮基圆半径的确定 压力角不仅与机构的传力性能有关 而且与基圆大小有关 车床基圆半径也是凸轮 设计中的一个重要参数 它对车床凸轮机构的结构尺寸 体积质量 受力状况 工作性 能都有重要的影响 车床基圆半径的大小也直接影响压力角的大小 假设凸轮转过相同 的角度 a 从动件上升相同的位移 s 在大小不等的两个基圆上 显然基圆较小的其轮廓 曲线较陡 曲率大 压力角较大 基圆较大的其轮廓曲线较缓 压力角较小 压力角与基圆半径的关系还可通过理论推导得出 尖顶对心移动从动件盘形凸轮机 构处在推程的某一位置 显然 p z 为此位置时凸轮和从动件的速度瞬心 当运动规律 给定后 叫 v 和 s 均为已知 由公式知 基圆半径 选取得愈小 则压力角愈大 机构 传力性能愈差 甚至会发生自锁 基圆半径受三方面因素的制约 凸轮的结构型式的要求 要满足 a ltl 实际廓线的最小曲率半径 p rr 3 5 mm 一般在设计中 为兼顾受力状况和结构紧凑两方面的要求 通常可在压力角不超过许 用压力角的条件下 尽可能采用较小的基圆半径 工程实际中常采用试算法 即先根据凸轮的具体结构条件试选基圆半径 绘制凸 轮廓线后 检验压力角 直至满足 a a 试选时 对于制做成一体的凸轮轴 可取车 床凸轮基圆半径 n 略大于凸轮轴的半径 对于单独制造的凸轮 按经验公式 可取 h 18r rt 7 10 mm 其中 r 为安装轴的半径 竹为滚子半径 在平底移动从动件凸轮机构中 凸轮对从动件的法向作用力始终垂直于平底 压力角 恒等于零 从动件为倾斜平底时 压力角为定值 恒等于平底的倾斜角 因此 基圆半 径 与压力角无关 但当基圆半径过小时 也会发生 运动失真 现象 根据选定的基圆半径设计出凸轮的廓线后 如有必耍 可校验其实际的压力角 车床 若发现压力角的最大值超过了许用压力角 n 则应适当增大基圆半径或者修改从动件运 动规律 重新进行设计 3 23 2 确定摆动从动件盘形凸轮基圆半径的方法确定摆动从动件盘形凸轮基圆半径的方法 确定直动从动件盘形凸轮基圆半径的简易方法推广至摆动从动件凸轮 根据机械原 理 摆动从动件盘形凸轮的压力角满足 式中 为摆动从动件摆角 为初始最小摆角 为凸轮转角 为压轮中心与摆杆摆动中心的距离 l 为摆杆器 为压力角 为许 用压力角 由于在设计凸轮之前基圆半径还未知 且工程中广泛采用改进型运动规律 一 个行程中包含几种曲线 很难由上式求最大压力角 我们将式 1 整理成 设函数显然 当 时确定直动从动件盘形凸轮基圆半径的简易方法推广至摆动从动件凸轮 根 据机械原理 摆动从动件盘形凸轮的压力角满足 1 atg a al d d tg 0 0 sin cos1 湖北理工学院毕业设计 14 式中 为摆动从动件摆角 为初始最小摆角 为凸轮转角 为压轮中心与摆 杆摆动中心的距离 l 为摆杆器 为压力角 为许用压力角 由于在设计凸轮之前基圆半径还未知 且工程中广泛采用改进型运动规律 一个行程 中包含几种曲线 很难由上式求最大压力角 我们将式 1 整理成 cos1cos 0 l d d aa cos1arccos 0 l d d 设函数 a a l d d ecos1arccos 0 显然 当 时 e emax 仿照 e 建立另一函数 cos1arccos 1 a l d d e 因为 max1maxmax1 eeeee 故 max11 ee maxmax1max1 eee 因此 只要求 e1 的最大值 e1max max10 e max10 e 和基圆半径 0 2 2 cos2 alalrb 3 33 3 凸轮轮廓曲线的数学模型凸轮轮廓曲线的数学模型 设计凸轮时 首先应根据工作要求确定从动件的运动规律 再按这一运动规律设计 凸轮轮廓线 对如图 3 1 所示的偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构 设凸轮以角速度 w1 顺时针旋转 推杆上下移动 凸轮基圆半径 rb 滚子半径 r0 偏距 e 以凸轮回转中心 为原点建立坐标系 湖北理工学院毕业设计 15 图 3 1 偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构 由反转法原理可画出图 3 1 移动从动件盘形凸轮机构初始位置和反转 角后机构 的某一位置 以凸轮回转中心为极点 滚子中心点 b 的极坐标 即凸轮理论轮廓的极 坐标 可表示为 2 2 2 2 0 ess 2 3 0 凸轮的实际轮廓线与理论廓线的对应点 具有公共的曲率中心和公共的法线 图中 b 点的理论廓线的法线 n n 与滚子的交点厂 i 就是轮廓上的对应点 因而厂 i 点的极坐标 即为凸轮实际廓线上一点的极坐标 可表示为 2 4 cos2 22 rr r 2 5 r 式中 d d d d ar tan sin sin arctan r r 和均取锐角 和按方向度量 由图可知 r 1 压力角 为了保证凸轮理论轮廓各点的曲率半径都大于滚子半径 从而保证实际轮廓线不出尖 点 拐点或交叉现象 要计算凸轮理论轮廓各点的曲率半径尺 2 5 22 2 2 2 1 2 2 2 dddd dd r 湖北理工学院毕业设计 16 3 43 4 盘形凸轮轮廓曲线的计算盘形凸轮轮廓曲线的计算 偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构 偏距 e 基圆半径 r0 和从动件运动规律 s s f 均 已给定 以凸轮回转中心为原点 从动件推程运动方向为 x 轴正向建立右手直角坐标系 为获得统一的计算公式 引入凸轮转向系数 h 和从动件偏置方向系数 d 并规定 当凸轮 转向为顺时针时 h 1 逆时针时 h 1 经过滚子中心的从动件导路线偏于 y 轴正侧时 d 1 偏于 y 轴负侧时 d 1 与 y 轴重合时 d 0 当凸轮自初始位置转过角 f 时 滚子中 心将自点 b0外移 s 到达 b s s0 de 根据反转法原理 将点 b 沿凸轮回转相反方向绕原 点转过角 f 即得凸轮理论轮廓曲线上的对应点 b 其坐标为 cossin sincos 0 0 essy essx 上式即为凸轮理论轮廓曲线的直角坐标参数方程 其中 22 00 ers 3 53 5 轮廓面方程的建立轮廓面方程的建立 如图 3 2 a 所示机构形式 其坐标系建立见图 3 2 b 所示 定义动坐标系 sf of xfyfzf 与分度盘固结 动坐标系 sc oc xcyczc 与凸轮固结 定义参考坐标 系 即定坐标系 s1 o1 x1y1z1 其 z 轴与分度盘 z 轴重合 称为分度盘参考坐标系 定坐标系 s2 o2 x2y2z2 的 z 轴与凸轮 z 轴重合 称为凸轮参考坐标系 凸轮以 2匀 速转动 按右手定则 其旋向为正 分度盘以变角速度 1转动 同样按右手定则 左旋 凸轮 1为正 右旋凸轮 1为负 起始位置 32 1 xxx 起始位置 321 xxx a b 图 3 2 轮廓面方程图 湖北理工学院毕业设计 17 3 63 6 平面盘形凸轮系统的开发平面盘形凸轮系统的开发 凸轮机构运动学的理论研究已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 凸轮机构设计已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 通用的凸轮机构 cad cam 系统也有报道 美 日等国的一些凸轮 制造企业也开发了供本企业使用的凸轮机构 cad cam 系统 有的还形成了商品化软件 如 日 suncall 公司开发的 hy mocam 系统等 我国发表的凸轮机构 cad cam 方面的文献较多 多为平板凸轮机构或空间分度凸轮机 构的 cad cam 系统 只能设计几种平面或空间凸轮机构 所能处理的从动件系统也只有简 单的几种 文献介绍了一个较完整的凸轮机构 cad 系统 能设计各种平面凸轮及空间凸轮 机构 还介绍了一个凸轮机 cad expert 系统 但迄今为止我国凸轮机 cad cam 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 另外 由于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 cad cam 软件已大为落后 不 能适应广大设计人员的要求 凸轮机构 cad cam 近期及以后的发展方向是开发通用有效的系统并引入专家系统或 人工智能型 cad cam 系统 计算机辅助设计与制造 cad cam 技术 是随着计算机及其外围设备发展而迅速形成 的一种新兴的现代设计制造方法 这一技术在机械领域的应用日趋成熟和广泛 从而使产 品开发周期缩短 加工精度大大提高 凸轮机构的关键技术是凸轮轮廓的设计和制造 传 统的设计方法和加工技术已不能满足现代高速精密凸轮的设计和制造要求 cad cam 技术 在凸轮机构设计中的应用 将大大改善凸轮设计和制造的精度问题 但目前凸轮类零件的 cad cam 技术仍未得到有效的推广和使用 尽管国内外在凸轮 cad cam 方面已做了较多的 研究 但现有的凸轮 cad cam 系统还存在一定的缺陷 因此凸轮 cad cam 系统的研究 开 发和完善 将是凸轮机构今后发展的主要方向之一 本系统基于 labview8 2 的开发平台 遵循凸轮从动件运动规律以及廓线的解析算法 采用软件提供的数学工具包以及模块化的 设计思想 开发出了平面盘形凸轮 cad cam 系统 系统可根据设计要求输入凸轮的基本参 数值 求出任意转角时凸轮所对应的位置 为以后数控加工提供有效的数据 考虑凸轮机构 的动力学因素 对凸轮压力角和曲率半径进行校核 十分方便地绘制不同类型的凸轮轮廓 给 出位移 速度 加速度和压力角曲线 可进行二维的精确运动仿真 直观快速地观察凸轮 设计输入数据的正确性 便捷地设计出精确的凸轮轮廓曲线 大大提高了凸轮的设计精度 同时系统具备 dxf 文件 nc 代码文件以及 dat 数据类型接口 实现了在 autocad 2005 和 ug nx4 中的实体造型以及仿真加工过程 实现了设计与制造过程的数据共享和无缝衔接 也从加工角度验证了设计结果的精确性和可行性 除此之外 采用了 html help workshop 编制了系统的帮助文件 操作简单 用户界面友好 最后 利用 labview 自带的远程面板 功能使软件系统可进行远程访问 为高校数字化远程教育提供了便利 本系统集平面盘形 凸轮的设计 仿真 制造和网络发布功能于一体 较好地实现了数据共享 提高了设计和 制造的工作效率 有效地降低了成本 具有较强的实用性 湖北理工学院毕业设计 18 总结与展望总结与展望 2013 年 4 月 我开始了我的毕业论文工作 经过几月的毕业论文终于结束了 我的 大学生活也将随之结束 在这短短的几个多月里 我付出了许多 也收获了许多 回想 起来还真有不少的体会 经过几个月的研究 我对自己也有了新的定位 那就是不能再把自己当做 小学生 了 干什么事情都要别人告诉我们该怎么做 我们是接受过高等教育的新时代的大学生 要 完成时代赋予我们的使命 抓住机遇迎接挑战 就要锻炼自己发现问题和解决问题的能 力 要养成主动学习的习惯 我认为这对我们以后的学习和工作是很重要的 毕业论文是对我大学三年所学基础知识的专业知识的一次全面检验 通过撰写论文 我觉得对自己的语言组织能力 表达能力 沟通交际能力 运用所学知识的能力 分析 问题并解决问题的能力都有所提高 也使我变的更加自信 成熟 团结 合作 谦虚 这三个词我的体会也比较深 做任何事包括做实验都不是孤立 的 不是你 闭门造车 而是一个需要和他人交往的过程 这就要求我们要团结 要有 合作精神 要注意和他人的沟通 要谦虚 不懂就问所谓 知之为知之 不知为不知 还要要感谢我的两位导师兰子奇老师和潘纹老师 他们在整个实验操作和论文的完 成及答辩中给了我极大的帮助和支持 他们一丝不苟的治学态度 清晰的思路和认真 负责 勤快的工作作风深深的影响并感染了我 使我铭记于心并将永远的学习 在此 谨向两位恩师致以我最衷心的感谢 刚拿到题目时 我对课题充满了新鲜感 在导师的 指导下我查阅了大量关于课题的文献 使我对课题的研究内容和国内外的研究进展有了 更多的了解 也使我对自己的课题产生了