基于Pro／E的分度凸轮机构CAD系统与实现

文章编号 :1671 - 3559(2007) 01 - 0090 - 03收稿日期 :2006 - 07 - 13基金项目 :山东省自然科学基金 ( ;济南大学博士基金 (者简介 :房丽娜 (1981 - ) ,女 ,山东济南人 ,硕士生 ;郭培全(1963 - ) ,男 ,山东临邑人 ,教授 ,博士 ,硕士生导师。基于 E 的分度凸轮机构 统与实现房丽娜 ,郭培全(济南大学 机械工程学院 ,山东 济南 250022)摘 要 :凸轮机构特别是分度凸轮机构在现代工业生产中发挥了重要作用。开发和应用分度凸轮机构专用的 统可以提高产品设计效率 ,缩短开发周期。根据模块化思想 ,规划出了基于制造的分度凸轮机构 统的结构框架。将该 统划分为设计要求初始化、运动学分析、动力学分析与仿真、评价体系、改进与优化、结果输出等 6 个主要模块。在此基础上 ,提出以 E 为平台 ,以 0 和 开发工具的系统实现方法。关键词 :分度凸轮机构 ;统 ;E;二次开发中图分类号 :献标识码 :高生产率以适应市场的发展变化 1 。上世纪 80 年代制造业开始引进计算机辅助绘图 (,计算机辅助制造 (,计算机辅助设计 (2 。近 30 年来 术迅速发展为一门高新技术 ,它的成功推动了几乎一切领域的设计革命。其发展和应用水平已经成为衡量一个国家科技现代化和工业化的重要标志之一 3 - 4 。 初的定义就是计算机辅助设计和绘图 ,随着计算机的广泛应用 ,概念也得以推广 ,它除了通常所说的计算机辅助设计与绘图外 ,还包括计算机辅助工程分析 (、计算机辅助工艺规划 (、计算机辅助 制 造 ( 和 产 品 数 据 及 图 档 管 理(5 - 9 。间歇分度凸轮机构与传统间歇机构相比具有分度精度高、适应速度范围大等优点 ,在机械、造纸、轻工等行业得到了广泛应用 10 。分度凸轮机构的应用场合不同 ,其参数不同 ,参数的频繁变化 ,决定了分度凸轮机构的单件小批量的性质 ,采用 术能够提高设计质量 ,缩短设计、制造周期。通用的统只是将原来重复的手工劳动由计算机来完成 ,没有建立产品动力学模型 ,也没有对所设计的分度凸轮机构动态性能的预测。因此开发完善的基于制造的分度凸轮机构 统具有十分重要的现实意义 11 - 16 。本文中分析了一般的 统的模块划分以及各个模块的功能。根据模块化和可视化设计思想 ,构建了分度凸轮机构 统的总体框架。提出了以 E 为支撑软件 ,以 0 和 开发分度凸轮机构 统的系统实现方法。1 系统框架术应该贯穿于产品的整个生命周期 ,即从市场分析确定设计对象的功能、提出设计要求并对方案进行论证 ,到总体设计、结构设计并试制样机 ,进而试验、修改、完善 ,最后到使用、维修、报废乃至废品的处理。一般认为 功能可以归纳为 :几何建模、工程分析、自动绘图 3 方面。而实现这些功能的一个完备 统应由科学计算、图形系统和工程数据库等组成。科学计算包括有限元分析、可靠性分析、动态分析、优化设计以及产品的常规计算分析等内容 ;图形系统的任务是用于包括几何造型、自动绘图、动态仿真等设计过程 ;工程数据库是对设计过程中所需使用或产生的数据、图形、文档等信息进行存储和管理。根据分度凸轮机构的设计过程和最终设计结果直观性的要求 ,该 统的开发应该主要考虑 3方面的问题 :产品的可制造性、系统模块化的实现和系统可视化的实现。提高产品的可制造性可以降低生产成本 ,能更大限度的提高产品的开发效率及一次成功率。采用模块化设计思想 ,可大大提高软件质量和开发效率 ,因此根据分度凸轮机构的设计特点和模块化设计思想 ,将该 统划分为设计要第 21 卷第 1 期2007 年 1 月济南大学学报 (自然科学版 )F F J & 21 12007求初始化、运动学分析、动力学分析与仿真、评价体系、改进与优化、结果输出 6 个主要模块 ,分别编制程序实现。系统可视化设计主要是用户交互界面的可视化和计算数据的可视化。用户界面的可视化 ,是利用可视化软件开发工具 0 和 现的 ,只须将菜单、对话框等界面对象与设计的统联系起来 ,并定义它们的属性、事件即可。我们就可以在启动 统。计算数据的可视化 ,主要是将凸轮廓面设计数据、压力角、曲率分析数据等以二维或三维图形的方式显示在计算机屏幕上 ,方便设计者观察、理解和处理设计过程。系统信息流程如图 1 所示。图 1 系统信息流程图2 系统各组成模块的功能系统的开发过程就是用户界面设计和实现系统功能程序代码的编制过程。由于在系统的主界面中要控制分度凸轮机构的设计与分析步骤 ,有较多的模块需要使用 ,因此采用单文档 / 视图结构的应用程序基本框架 ,利用其中的菜单资源进行操作过程的控制。首先使用 0 和 于 E 平台构建面向对象的参数 话框。2. 1 设计参数输入模块该模块用于基本运动参数和结构参数的输入 ,选择凸轮廓线旋向 ,设置凸轮结构形式为凸脊型或沟槽型。输入的数据或选择设置都以成员变量的形式存在于参数输入类中 ,统根据这些参数就可以设计得到分度凸轮机构的各个部件 ,并绘制三维实体图形。后续的机构分析与优化都是以此为基础进行的。2. 2 运动学分析模块运动学分析是在机构的三维实体图形完成以后进行的 ,运动学分析主要包括运动过程仿真、压力角分析和曲率分析 3 部分内容。利用运动仿真 ,可以检查设计结果 ,查看机构在运动过程中是否会发生干涉 ;利用压力角分析 ,可得到凸轮廓面上从动滚子任意啮合位置处每一点的压力角数据 ,并得到相应的压力角曲线 ;利用曲率分析 ,可得到凸轮廓面上从动滚子任意啮合位置处每一点的主曲率数据和综合曲率数据 ,并得到相应的曲率线图。机构的运动分析和仿真用 E 自带的 专门用来处理组件之间的运动仿真 ,它主要是通过在装配时利用 存在相对运动的组件设置适当联结关系 ,然后给主动件施加一定的驱动器来实现的。另外 ,在 可以进一步就设计中某一组件的某一运动参数进行分析。可以实现分度凸轮的压力角计算、两类界限线方程和诱导主曲率计算 ,以及进行加工和分度误差分析等。2. 3 动力学分析模块随着运动速度的提高 , 分度凸轮机构的惯性负载及由其产生的附加动载荷 ,将引起整个系统的振动 ,并影响其分度定位精度 ,严重的将引起机械的加速磨损甚至整机破坏。实验表明 ,在高速运动的凸轮机构中 ,附加惯性负载将引起从动轮加速度的急剧增加 ,而且在工作静止段存在残余振动。所以凸轮机构在满足运动学要求后首先面临的问题就是其动态特性的分析计算及其优劣的评价。但是 ,在现行的分度凸轮设计中 ,多以静力学设计为主 ,即不考虑机构的动力学特性 ,只是引入一定的安全系数 ,作为对惯性负载的补偿。显然 ,这只是一种近似的方法 ,而非优化的设计方法。机构的动态响应具有很强的非线性 ,凸轮与滚子之间的间隙 ,转速、分度盘的转动惯量和动程角的改变都会引起动态响应的急剧变化。所以在建立动力学模型时就要考虑到这些因素。当然也不可能考虑实际生产中所有的影响因素 ,这就要对影响因素进行简化 ,组成多体变形系统 ,建立具有当量刚度系数、当量阻尼的简单系统 ,然后进行求解。2. 4 其他模块评价模块 建立对机构运动学特性和动力学特19第 1 期房丽娜 ,等 :基于 统与实现性评价的标准并计算运动学动力学的特性值。判断机构的运动规律是否符合要求 ,分度精度及残余振动是否在要求的误差范围之内 ,如果符合要求 ,我们的工作就完成了 ;如果不符合要求 ,就要把数据输入到改进与优化模块对参数进行修改 ,重新计算。改进与优化模块 对评价结果不符合要求的产品的相关数据进行修改 ,并把结果反馈给设计模块 ,重新设计计算。结果输出模块 将机构设计计算及分析的最终结果 ,如凸轮廓面设计数据、压力角、曲率分析数据等以二维、三维图形的方式显示 ,方便设计者观察、理解设计过程。3 结束语开发分度凸轮机构专用的 统是近几年来分度凸轮机构研究领域的热点和发展方向。文中对分度凸轮机构 统实现进行了初步的探讨 ,采用模块化思想和面向对象的程序设计方法 ,以以 0 和 开发工具 ,开发基于制造的分度凸轮机构 统 ,达到产品设计、分析、制造过程的真正统一 ,实现并行设计。期望可以提高分度凸轮机构的设计效率和准确性 ,缩短开发周期。参考文献 :1 X W Q a J . 2004(20) :101 - 109.2 ,J . 1998(76) :8 - 11.3 成 凯 ,马 彪 ,郑慕侨 . 机械 件的发展现状和应用 J 2001 ,4(8) :88 - 91.4 I of a AM J . 4) :55 - 68.5 彭嵩 . 术应用状况与发展趋势浅析 J 2005 ,33 (2) :90 - 92.6 黄继明 . 术在机械产品设计中的应用现状及对策 J 2004 ,17(6) :12 - 15.7 in 1st P . 2000 ,12.8 宁汝新 ,赵汝嘉 . 术 M 机械工业出版社 ,1999.9 尹建伟 ,董金祥 ,李广安 . 圆锥滚子圆柱分度凸轮机构优化设计J 1999 (9) :22 - 25.10 郭培全 ,黄传真 . 圆柱分度凸轮的数控加工及理论制造误差分析 J 2002 ,21(11) :83 - 86.11 龙村 ,张高峰 . 基于 件的圆柱凸轮 J 2004 (6) :45 - 46.12 张佩勤 ,谭颖 ,王连荣 . 圆柱分度凸轮机构的计算机辅助设计 J 1997 ,16(4) :6 - 11.13 张嘉钰 . 交互式凸轮机构 统的开发 J 2004(3) :49 - 52.14 张淳 ,付铁 ,刘昌祺 . 平