4009沟槽凸轮机构的设计和运动仿真【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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4009沟槽凸轮机构的设计和运动仿真【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,沟槽,凸轮,机构,设计,以及,运动,仿真,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩
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原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本论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法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 胡 裕 2 年 5 月 20 日 版权使用授权书 本人完全了解四川省社会科学院研究生学院关于收集、保存和使用学位论文的规定，即：按照 学院 要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学院 有权保存学位论文的印刷本和电子版本，并提供阅览服务； 学院 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名： 毕业设计（论文）开题报告 题目 沟槽凸轮机构的设计和运动仿真 专业名称 机械设计制造及其自动化 班级学号 学号姓名 指导老师 填 表 日 期 年 3 月 25 日 说 明 开题报告应结合自己课题而作，一般包括： 课题依据及课题的意义、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）、研究内容及实验方案、目标、主要特色及工作进度、参考文献等内容。 以下填写内容 各专业 可根据具体情况适当 修改 。 但每个专业填写内容应保持一致。 一、课题研究背景及国内外研究动态 凸轮机构广泛用于各种自动机中。自三十年代以来，人们就在不断的研究它，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，目前低、中速凸轮机构的研究在各方面已经相当完善，成熟。现在，人们研究工作的重点已经转向高速凸轮机构及其动力学特性方面。近五十年 代，由于计算机技术和各种数值计算法的发展，使得很多方面的研究得以深入。 在欧美各国，学者们为凸轮机构的研究做出了巨大的贡献。早在三十年代，写了一本系统介绍凸轮设计的著作，当时的工作主要集中在低速凸轮机构，而且主要是分析运动规律。到了四十年代，人们开始对配气凸轮机构的振动进行深入研究，并从经验设计到有理论根据的运动学和动力学分析。四十年代末，人已经注意到从动件的刚度对凸轮机构动力学响应有明显的影响。五十年代初， 先对凸轮机构进行实验研究。后来 不少学者采用多种仪器，对高速凸轮的动力学响应进行测量，并获得了许多重要的成果。随着计算机的发展，凸轮机构的 得巨大成功，凸轮机构的研究从经验设计到优化设计，从单纯的运动分析到动力学分析，从手工加工到 发展阶段。仅八 ,九十年代，就有 人先后发表了有关凸轮机构优化设计方面的论文，而 人先后发表了有关凸轮振动、动态响应等动力学方面的论文。在高速凸轮机构的研究方面，欧美各国也取得了巨大的成就。 其著作中对高速凸轮机构采用的多项式运动规律有较详细的论述，而 .时， 人对高速凸轮机构的动力学问题在进行研究。德国、英国在高速凸轮机构的研究方面又有了新的突破 ，对凸轮机构采用了谐分析、谐综合等分析设计方法，使得高速凸轮机构的动力学性能有了很大的改善。欧美各国的学者还特别注重研究文献的搜集， 其专著 中几乎列出了 1984 年以前的、有记载的、可以找到的所有的文献资料，共 1817 篇。 日本也特别重视凸轮机构的研究，日本学者在凸轮技术发展上所做的工作主要有： 1、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。 2、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。 3、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。 4、加强凸轮机构的标准化，发展成批生产的标准。 5、发展凸轮机构的 统。 我国对凸轮机构的应用和研究已有多年历史，目前仍在继续扩展和深入。近年来已经取得一定成就，但与先进国家相比我国对凸轮机构的研究和应用还存在一定的差距，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。 虽然已经有很多学者对凸轮机构的研究做了相当多的工作，但在各研究方向仍有许多可以进行的地方。例如，从设计的角度考虑，大致有以下几点： 1、在从动件运动规律的研究方面，除了 继续寻找更好的运动规律外，还要研究有效的分析方法。 2、在几何学和运动学的研究方面。要综合考虑各种凸轮机构，尽可能导出普遍使用的计算公式。 3、发展通用而有效的 统。 4、引入专家系统或人工智能 统。5、动力学的深化及研究成果的进一步实用化。 6、加强对凸轮机构的运动学特性好热动力学特性的计算机模拟，以提高设计质量和缩短产品研制周期。 7、研究 8、凸轮机构作为引导机构的研究和应用。 随着社会的发展科技的进步，人们对各种机械在速度、效率、寿命、噪声和可靠性等方面要求的日益提高，因此也 就对凸轮机构的各种性能有更高的要求。为适应这种发展形势，凸轮机构必须具有特性优良的凸轮曲线和高速、高精度性能。我们的研究也正是为次而努力。 二、沟槽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 : l)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。 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。凸轮曲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。在设计凸轮机构基木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。 从动件运动规律可分为基本运动规律和组合运动规律。基木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。 动件常用的基本运动规律 几种常见的基木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。 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。因此在选择或设计运动规律时，必须根据使用场合、工作条件等分清卞次，综合考虑。下面是一些常用运动规律的适用场合 : l)等速运动规律在很多情况下能满足凸轮机构推程的工作要求，但是在从动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一停运动时，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。 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。沟槽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。 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。由计算公式可知压力角和基圆半径两者是互相制约的，在一般情况下，为了保证设计的凸轮机构既有较好的传力特性又具有较紧凑的尺寸，设计时两者应同时考虑 。为了保证凸轮机构顺利工作，规定了压力角的许用值的前提下，选取尽可能小的基圆半径。 槽凸轮的曲率半径 移动滚子从动件盘形凸轮的曲率半径。当凸轮廓线为内凹廓线时，实际廓线的曲率半径 论廓线的曲率半径 p、滚子半径 r 三者之间有如下的关系 :而当凸轮廓线为外凸廓线时，实际廓线的曲率半径 论廓线的曲率半径 p、滚子半径 r 三者之间的关系是 :Pa= p=r 时，则 ，即实际廓线将出现尖点，由于尖点处极易磨损，故不能实用 ;若 pr，则 P0，这时实际廓线将出现交叉，当进行加工时，交点以外的部 分将被刀具切去，使凸轮廓线产生过度切割，致使从动件不能准确地实现预期的运动规律，这种现象称为运动失真。实际凸轮时应保证凸轮实际廓线的最小曲率半径不小于某一许用值。为了避免凸轮实际廓线产生过度切割，有两种途径 :一是减小滚子半径 ;二是增大基圆半径。 轮轮廓的设计 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计算的方法描点，拟合轮廓。作图法虽简便易行，但其效率低，绘出的凸轮 轮廓不够准确。所谓用解析法设计轮廓线，就是根据人们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，并精确地计算一出轮廓线上各点的坐标值。解析法绘出的凸轮轮廓误差相对较小，但计算量大。目前精确设计凸轮轮廓的方法有包络法、速度瞬心法、等距曲面法等等 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。在滚子从动件盘形凸轮机构中，凸轮的实际廓线是以理论廓线上各点为圆心、作一系列滚子圆，然后作该圆族的包络线得到的。因此， 实际廓线与理论廓线在法线方向处处等距，该距离均等于滚子半径。 用 系统对沟槽凸轮机构运动进行模拟仿真 在 E 中，我们可以通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来，以实现机构的运动仿真。而机构又是由构件组合而成的，其中每个构件都是以一定的方式至少与另一个构件相连接，这种连接既使两个构件直接接触，又使两个构件产生一定的相对运动。创建机构的过程与零件装配的过程极为相似。与其他的软件相比较，用 做运动仿真的主要特点如下 : 1. )运动输入 运动输入 (赋给运动副 控制运动的运动副参数。当创建或编辑调用一个运动副时，就会弹出运动驱动对话框。使用者可以根据需要选择无运动驱动、运动函数、恒定运动、简谐运动驱动以及关节运动驱动等 5 种可能的运动驱动中的一种。 2. )关节运动分析 当使用者只需要了解某一关节的运动情况时，可以选择分析工具条中的关节运动分析图标，并输入步长和步数进行分析。 3. )静力学分析 静力学分析 (模型移动到平衡位置，并输入运动副上的反作用力。当选择静力学分析后，时间和步数的输入项将不可选。 4. )机构运动学 /机构动力学分 析 机构运动学 /机构动力学分析 (幻 输入的时间和步数进行仿真分析。时间值代表运动分析模型所分析的时间段内的时间，步数值代表在此时间段内分几个瞬态位置进行分析或显示。 5. )设计位置和装配位置 模型的装配位置可能不同于模型的设计位置。装配位置与设计位置的区别是 :装配位置是在装配机构时产生的，与使用者装配时所选取的配合面有关 ;而设计位置是使用者在运动仿真前人为设置的，使用者可以根据需要进行设定或者调节设计位置。 6. )多种形式输出 动仿真的结果可以 以多种格式进行输出，这些形式主要有 及 。 7. )预测工程和工程判断准则 运动分析模块是用于预测工程的应用软件。就是说，在许多情况下，在机构进行生产前或者说在机构真正生产出来前，用该软件预测机构的运动特性，即它类似于有限元分析 P(限元分析模块 )和注塑流动分析 (料零件分析顾问模块 )。这些预测都是基于非常复杂的数学理论以及公认的物理和工程原理。 三、研究内容及实验方案： 研究内容 :1、沟槽凸轮设计 2、沟槽凸轮机构的零部件的实体建模 3、沟槽凸轮机构的运动仿真 实验方案 :过从动件运动规律的选取和通过确定凸轮的压力角和基圆半径、偏距以及滚子半径 ,从而确定凸轮的轮廓设计。 2凸轮机构的实体建模与装配的设计的初步方案：通过 软件的了解和零部件的实体建模的分析，从而确定装配模型的设计。 3凸轮机构的运动仿真的设计的初步的设计方案：通过计算机仿真的概述了解以及 运动仿真简介的分析，从而确定凸轮机构的运动仿真的设计。 四、目标、主要特色及工作进度 工作进度 ： 1. 开题报 告、查阅资料、外文翻译（ 6000 字符 ) 3 周 2. 凸轮机构设计 3 周 3. 凸轮机构的实体建模与装配 4 周 4. 凸轮机构的运动仿真 4 周 5. 撰写毕业论文 3 周 6. 答辩准备及毕业答辩 1 周 五、参考文献 1 of of 1 995 1995, 1092 1100 2 of 1993 3 石永刚，徐振华凸轮机构，上海：上海科学技术出版社 . 4 申永胜机械原理教程，北京：清华大学出版社 5 石永刚凸轮设计与应用创新，北京：机械工业出版社 . 6 刘会英，杨志强，张勤明机械原理，北京：机械工业出版 社 7 袁剑雄，李晨霞，潘承怡 京：机械工业出版社 . 8 刘昌祺，牧野洋（日），曹西京 京：机械工业出版社 . 9 谭雪松，张青，赖春林机械工程师 文版 机械设计，北京：人民邮电出版社 . 10 葛正浩，杨芙莲 机构设计与运动仿真，北京：化学工业出版社 . 设计仿真缺失了 毕业设计（论文）任务书 I、毕业设计 (论文 )题目： 沟槽凸轮机构的设计和运动仿真 业设计 (论文 )使用的原始资料 (数据 )及设计技术要求： 设计技术要求： 业设计 (论文 )工作内容及完成时间： 1. 开题报告、查阅资料、外文翻译（ 6000 字符 ) 第 1 周第 3 周 2. 凸轮机构设计 第 4 周第 6 周 3. 凸轮机构的实体建模与装配 第 7 周第 10 周 4. 凸轮机构的运动仿真 第 11 周第 13 周 5. 撰写毕业论文 第 14 周第 16 周 6. 答辩准备及毕业答辩 第 17 周 、主 要参考资料： 1 石永刚凸轮设计与应用创新，北京：机械工业出版社 . 2 石永刚，徐振华凸轮机构，上海：上海科学技术出版社 . 3 刘昌祺，牧野洋（日），曹西京 京：机械工业出版社 4谭雪松，张青，赖春林机械工程师 文版 机械设计，北京：人民邮电出版社 . 5葛正浩，杨芙莲 机构设计与运动仿真，北京：化学工业出版社 . 6 of of 1 995 1995, 1092 1100 7 of 1993 航空与机械工程 学院 机械设计制造及其自动化 专业类 班 学生（签名）： 填写日期： 年 01 月 03 日 指导教师（签名）： 助理指导教师 (并指出所负责的部分 )： 机械制造工程 系（室）主任（签名）：姚坤弟 附注 :任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。 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。针对这一问题，本课题利用 软件中的运动仿真模块对凸轮机构运动进行模拟仿真。 本论文的主要研究内容有： 1、沟槽凸轮设计 2、沟槽凸轮机构的零部件的实体建模 3、沟槽凸轮机构的运动仿真 关键词 ：沟槽凸轮 实体建模 运动仿真 n of a to in of as a on is on of of E on In as 1. . of 3. of 录 绪 论 . 1 文研究的背景 . 1 国凸轮机构的研究现状 . 1 国凸轮机构 . 1 外凸轮机构及其 . 2 国凸轮 . 2 文研究的主要内容 . 2 文意义 . 3 章小结 . 3 2 凸轮机构设计分析 . 4 动件运动规律的选取 . 4 动件常用的基本运动规律 . 4 动件运动规律的选取原则 . 4 轮机构基本尺寸的设计 . 5 轮机构压力角和基圆半径 . 5 轮机构的偏距 . 6 轮滚子半径 . 6 轮轮廓设计 . 7 构简介 . 8 章小结 . 9 3 凸轮机构的实体建模与装配 . 10 软件简介 . 10 部件的实体建模 . 10 配原理简介与装配模型的建立 . 12 仿真装配原理介绍 . 12 配模型建立 . 14 章小结 . 17 4 凸轮机构的运动仿真 . 18 算机仿真概述 . 18 算机仿真的基本概念及特点 . 18 算机仿真技术在制造业中的应用 . 18 运动仿真简介 . 19 运动仿真的特点 . 19 运动仿真的基本术语 . 20 运动仿真的步骤 . 21 轮机构的运动仿真 . 21 置机构环境 . 21 析 . 25 章小结 . 29 结 论 . 30 致 谢 . 31 参考文献 . 32 1 绪 论 文研究的背景 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 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“ 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。 国凸轮机构 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面的文献较多。但这些凸轮的 统核心技术仅被某些 2 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，使得现有凸轮机构件己大为落后，不能完全适应广大设计人员的要求。 外凸轮机构及其 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。 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，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。日木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 统。美国、日木等国家的一些凸轮制造企业开发了供木企业使用的凸轮 统，有的还形成了商业化软件，如日木 司开发的 统等。 国凸轮 统存在的问题 通过调研以及查阅大量文献资料，我国现有的凸轮 统存在如下问题： (1)多数是在 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 统出现； (3)现有的基于 凸轮 统中 ，融入先进的数据库管理技术的还没有主要原因是由于 发界面的功能很弱，而且根木没有连接数据库的功能； (4)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速度，使得现有的平面凸轮机构 用软件已大为落后，不能适应实际生产的需要； (5)集成化、智能化和网络化很不完善。 文研究的主要内容 本文研究的主要内容是关于沟槽凸轮机构的运动仿真。首先介绍了沟槽凸轮的设计，然后在 软件中实现其实体建模和装配，最后才对装配好的沟槽凸轮机构进行运动仿真，并对仿真结果 进行了分析。 3 文意义 对凸轮机构进行运动仿真，可以根据仿真结果以及碰撞干涉检查，对设计的零件进行结构等方面的修改，大大简化机构的设计开发过程，缩短开发周期，减少开发费用，同时提高产品质量。 章小结 首先本章对课题的研究背景进行了详细的介绍，然后又对本文的研究内容和本文意义进行介绍。 4 2 凸轮机构设计分析 动件运动规律的选取 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。凸轮曲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。在设计凸轮机构基木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。 动件常用的基本运动规律 几种常见的基木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。 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。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： (l)等速运动规律在很多情况下能满足凸轮机构推程的工作要求，但是在从动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 停 回 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 5 这种规律用于升 回 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 停 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 停 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。 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。沟槽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。 轮机构压力角和基圆半径 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 e 与凸轮压力角 有如下关系： =0 =220 s (2 1) 当凸轮逆时针转动、从动件偏于凸轮轴心左侧或当凸轮顺时针转动，从动件偏于凸轮轴心右侧时，压力角的计算公式： =220 s (2 2) 6 由计算公式可知压力角和基圆半径两者是互相制约的，在一般情况下，为了保证设计的凸轮机构既有较好的传力特性又具有较紧凑的尺寸，设计时两者应同时考虑。为了保证凸轮机构顺利工作，规定了压力 角的许用值 ，在使 前提下，选取尽可能小的基圆半径。推荐推程的许用压力角为：移动推杆 =30 0 38 0 ；当要求凸轮尺寸尽可能小时可取 =450 ；摆动推杆 =400 450 ；回程时，由于推杆通常受力较小而无自锁问题，故许用压力角可以取大一点，通常取 =700 800 。 在实际工作中，一般都是先根据具体情况预选一个凸轮的基圆半径，待凸轮轮廓曲线设计完成后，在检查其最大压力角是否满足 轮机构 的偏距 由式 (2 1)和式 (2 2)可看出，凸轮的转动方向和从动件的偏置方向不同，增大偏距。压力角的变化就不同。若推程压力角减小，则回程压力角将增大，即通过增加偏距来减小推程压力角，是以增大回程压力角为代价的。在设计凸轮机构时，如果压力角超过了许用值、而机械的结构空间又不允许增大基圆半径，则可通过选取从动件适当的偏置方向来获取较小的推程压力角。即在移动滚子从动件盘形凸轮机构的情况下，选择从动件偏置的主要目的是为了减小机构推程时的压力角。 从动件偏置方向选择的原则是：若凸轮逆时针回转，则应使从动件轴线偏于凸轮 轴心右侧；若凸轮顺时针回转，则应使从动件轴线偏于凸轮轴心左侧。 轮滚子半径 当凸轮廓线为内凹廓线时，实际廓线的曲率半径a、理论廓线的曲率半径 、滚子半径 者之间有如下的关系： a = +而当凸轮廓线为外凸廓线时，实际廓线的曲率半 径a、理论廓线的曲率半径 、滚子半径 者之间的关系是a= 当 =，则a=0，即实际廓线将出现尖点， 由于尖点处极易磨损，故不能实用；若 键选择“ “ “ 钩选“分别绘制测量图形（ 项，在“结果集（ 栏中选中图 4 15 所示。 然后单击该对话框中的 （图形）工具，系统弹出“图形工具（ 窗口，如图 4 16 所示，在该窗口中显示了凸轮机构从动件的位移曲线、速度曲线和加速度曲线。 图 4 16 从动件实际运动规律 28 从图 4 16 所示可知：凸轮是逆时针方向旋转，经回程到近程休止，再经推程到远程休止，如此循环运动。回程过程中位移逐渐减少，直到达到近程休止，近程休止内位移不变，推程过程中位移逐渐增大，直到达到远程休止，远程休止内位移不变。速度在回程过程中先减少后增大，在近程休止内速度不变，推程过程中速度先增大后减小，在远程休止内速度不变。加速 度在回程先减小后增大然后又减小，在推程过程中加速度先增大后减小然后有增大。由图形曲线可知从动件的实际运动规律和修正正弦规律一致。 在“测量结果（ 对话框中的“图形类型（ 栏中选择“测量与时间（ ，在“测量（ 栏中按着键选择“ “ 钩选“分别绘制测量图形（ 项，在“结果集（ 栏中选中 图 4 17 所示。 图 4 17 “测量结果”对话框 然后单击该对话框中的 （图形）工具，系统弹出“图形工具（ 窗口，如图 4 18 所示，在该窗口中显示了凸轮连杆机构执行端的向行程和速度。 图 4 18 执行端 Y 向位移和速度曲线 29 从图 4 18 可知：凸轮连杆机构执行端的 Y 向位移、速度曲线和从动件的位移、速度曲线一样。这说明此凸轮机构能够精确输出本文所要求的运动规律。 章小结 本章首先介绍了下计算机的仿真技术，然后较详细的介绍了 软件中的运动仿真模块，最后详细的介绍了凸轮机构的运动仿真过程，并对结果进行了分析。 30 结 论 经过几个多月的忙碌后，终于完成了本设计课题的各项任务。经过这次毕业设计，增强了我的自学能力和收集使用资料的能力，同时全面系统地巩固和总结大学四年来所学的专业知识。 通过这次毕业设计，我更好的把四年来所学的知识进行了综合、巩固，加深了对所学专业知识的理解，同时还接触了一些在原来知识基础上更为深层的知识。当然，也使我体味到设计工作是一项艰苦任务，必须具备吃苦耐劳的精神。总之，这次毕业设计使我受益匪浅，为我将来工作打好了良好 的基础。 在这次毕业设计的过程当中，我的指导老师一直给予的细心指导，还有其它老师和同学在提供帮助，在此表示衷心的感谢。 由于本人知识面较窄，加上时间比较仓促缺乏实践经验，设计中难免出现错误或不足之处，还望各位老师和同学批评指正，不胜感激。 31 致 谢 本文是在 指导 老师精心指导和大力支持下完成的。 指导 老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。 他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多 生活方面 的知识 。 另外，我还要特别感谢 其它 师对我论文写作的指导， 他们 为我完成这篇论文提供了巨大的帮助。感 谢 同学对我的无私帮助，使我得以顺利完成论 文。 最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢 。 32 参考文献 1 of of 1 995 1995, 1092 1100 2 of 1993 3 石永刚，徐振华凸轮机构，上海：上海科学技术出版社 . 4 申永胜机械原理教程，北京：清华大学出版社 5 石永刚凸轮设计与应用创新，北京：机械工业出版社 . 6 刘会英，杨志强，张勤明机械原理，北京：机械工业出版社 7 袁剑雄，李晨霞，潘承怡 京：机械工业出版社 . 8 刘昌祺，牧野洋（日），曹西京 京：机械工业出版社 . 9 谭雪松，张青，赖春林机械工程师 文版 机械设计，北京：人民邮电出版社 . 10 葛正浩，杨芙莲 机构设计与运动仿真，北京：化学工业出版社 . 毕业设计（论文）外文翻译 题目 机械设计理论 专业名称 机械设计制造及其自动化 班级学号 学号姓名 指导老师 填 表 日 期 年 3 月 25 日 机械设 计理论 机械设计是一门通过设计新产品或者改进老产品来满足人类需求的应用技术科学。它涉及工程技术的各个领域，主要研究产品的尺寸、形状和详细结构的基本构思，还要研究产品在制造、销售和使用等方面的问题。 进行各种机械设计工作的人员通常被称为设计人员或者机械设计工程师。机械设计是一项创造性的工作。设计工程师不仅在工作上要有创造性，还必须在机械制图、运动学、工程材料、材料力学和机械制造工艺学等方面具有深厚的基础知识。 如前所诉，机械设计的目的是生产能够满足人类需求的产品。发明、发现和科技知识本身并不一定能给人类带来 好处，只有当它们被应用在产品上才能产生效益。因而，应该认识到在一个特定的产品进行设计之前，必须先确定人们是否需要这种产品。 应当把机械设计看成是机械设计人员运用创造性的才能进行产品设计、系统分析和制定产品的制造工艺学的一个良机。掌握工程基础知识要比熟记一些数据和公式更为重要。仅仅使用数据和公式是不足以在一个好的设计中做出所需的全部决定的。另一方面，应该认真精确的进行所有运算。例如，即使将一个小数点的位置放错，也会使正确的设计变成错误的。 一个好的设计人员应该勇于提出新的想法，而且愿意承担一定的风险，当新的方 法不适用时，就使用原来的方法。因此，设计人员必须要有耐心，因为 所花费的时间和努力并不能保证带来成功。一个全新的设计，要求屏弃许多陈旧的，为人们所熟知的方法。由于许多人墨守成规，这样做并不是一件容易的事。一位机械设计师应该不断地探索改进现有的产品的方法，在此过程中应该认真选择原有的、经过验证的设计原理，将其与未经过验证的新观念结合起来。 新设计本身会有许多缺陷和未能预料的问题发生，只有当这些缺陷和问题被解决之后，才能体现出新产品的优越性。因此，一个性能优越的产品诞生的同时，也伴随着较高的风险。应该强调的是， 如果设计本身不要求采用全新的方法，就没有必要仅仅为了变革的目的而采用新方法。 在设计的初始阶段，应该允许设计人员充分发挥创造性，不受各种约束。即使产生了许多不切实际的想法，也会在设计的早期，即绘制图纸之前被改正掉。只有这样，才不致于堵塞创新的思路。通常，要提出几套设计方案，然后加以比较。很有可能在最后选定的方案中，采用了某些未被接受的方案中的一些想法。 心理学家经常谈论如何使人们适应他们所操作的机器。设计人员的基本职责是努力使机器来适应人们。这并不是一项容易的工作，因为实际上并不存在着一个对所有人来说都是 最优的操作范围和操作过程。 另一个重要问题，设计工程师必须能够同其他有关人员进行交流和磋商。在开始阶段，设计人员必须就初步设计同管理人员进行交流和磋商，并得到批准。这一般是通过口头讨论，草图和文字材料进行的。为了进行有效的交流 ，需要解决下列问题： （ 1） 所设计的这个产品是否真正为人们所需要？ （ 2） 此产品与其他公司的现有同类产品相比有无竞争能力？ （ 3） 生产这种产品是否经济？ （ 4） 产品的维修是否方便？ （ 5） 产品有无销路？是否可以盈利？ 只有时间能对上述问题给出正确答案。但是， 产品的设计、 制造和销售只能在对上述问题的初步肯定答案的基础上进行。设计工程师还应该通过零件图和装配图，与制造部门一起对最终设计方案进行磋商。 通常 ，在制造过程中会出现某个问题。可能会要求对某个零件尺寸或公差作一些更改，使零件的生产变得容易。但是，工程上的更改必须要经过设计人员批准，以保证不会损伤产品的功能。有时，在产品的装配时或者装箱外运前的试验中才发现设计中的某种缺陷。这些事例恰好说明了设计是一个动态过程。总是存在着更好的方法来完成设计工作，设计人员应该不断努力，寻找这些更好的方法。 近些年来，工程材料的选择已经显 得重要。此外，选择过程应该是一个对材料的连续不断的重新评价过程。新材料不断出现，而一些原有的材料的能够获得的数量可能会减少。环境污染、材料的回收利用、工人的健康及安全等方面经常会对材料选择附加新的限制条件。为了减轻重量或者节约能源，可能会要求使用不同的材料。来自国内和国际竞争、对产品维修保养方便性要求的提高和顾客的反馈等方面的压力，都会促使人们对材料进行重新评价。由于材料选用不当造成的产品责任诉讼，已经产生了深刻的影响。此外，材料与材料加工之间的相互依赖关系已经被人们认识得更清楚。因此，为了能在合理的成本和 确保质量的前提下获得满意的结果，设计工程师的制造工程师都必须认真仔细地选择、确定和使用材料。 制造任何产品的第一步工作都是设计。设计通常可以分为几个明确的阶段：（ a）初步设计；（ b）功能设计；（ c）生产设计。在初步设计阶段，设计者着重考虑产品应该具有的功能。通常要设想和考虑几个方案，然后决定这种思想是否可行；如果可行，则应该对其中一个或几个方案作进一步的改进。在此阶段，关于材料选择唯一要考虑的问题是：是否有性能符合要求的材料可供选择；如果没有的话，是否有较大的把握在成本和时间都允许的限度内研制出一种新材料。 在功能设计和工程设计阶段，要做出一个切实可行的设计。在这个阶段要绘制出相当完整的图纸，选择并确定各种零件的材料。通常要制造出样机或者实物模型，并对其进行试验，评价产品的功能、可靠性、外观和维修保养性等。虽然这种试验可能会表明，在产品进入到生产阶段之前，应该更换某些材料，但是，绝对不能将这一点作为不认真选择材料的借口。应该结合产品的功能，认真仔细地考虑产品的外观、成本和可靠性。一个很有成就的公司在制造所有的样机时，所选用的材料应该和其生产中使用的材料相同，并尽可能使用同样的制造技术。这样对公司是很有好处的。 功能完备的样机如果不能根据预期的销售量经济地制造出来，或者是样机与正式生产的装置在质量和可靠性方面有很大不同，则这种样机就没有多大的价值。设计工程师最好能在这一阶段完全完成材料的分析
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