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欢迎各位老师指导 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机制 051班 导 师：姚明印 学 生：胡鹏法 目 录 第一章 绪论 第二章 机构的理论设计 第三章 机构的计算机辅助设计 第四章 机构的运动仿真 致 谢 第一章 绪论 在现代生产领域中，很多都要求其机器设备能实现某种预期的轨迹，比如在馒头生产线上，其馒头的堆放要走如下图所示的轨迹 这样就需要该堆放机构能实现这样的轨迹。由此看来，对这类机构的研究是有现实意义的。 本课题的设计内容 第二章 机构的理论设计 已知参数 直动从动件凸轮的基圆半径为 60； 直动从动件凸轮的偏心距为 20； 摆动从动件凸轮的基圆半径为 50； 摆杆长度为 400； 摆杆上段长度为 200。 顶杆位移与摆杆转角的变化规律 如图所示，依据机构运动时所满足的几何关系，可得出顶杆位移与摆杆转角的变化规律： 摆杆转角 其中 i=0,1,2， ， n 顶杆位移 其中 i=0,1,2， ， n )1c o s( 直动从动件凸轮理论廓线的参数计算公式 参看下图计算得直动从动件凸轮理论廓线的向径以 及向径极角 的计算公式如下 ： )(c o 221 2)(s r c s i n 1在整条轨迹上取 36个等分点，也即i=36。计算得直动从动件凸轮理论廓线上 36个离散点的参数如表 序 号 向径 极角 序号 向径 极角 01 19 02 20 03 21 04 22 05 23 06 24 07 25 08 26 09 27 10 28 11 29 12 30 13 31 14 32 15 33 16 34 17 35 18 36 直动从动件的理论廓线 在 描点法可以画出直动从动件的理论廓线，如图： 同理，可以得到摆动从动件的理论廓线，如图所示： 第三章 机构的计算机辅助设计 机构实体的装配图 装配体的爆炸图 凸轮的实体设计 选择凸轮的从动件为滚子从动件。严格按照滚子半径的选择原则，选取滚子的半径为 10。则在 直动从动件凸轮的实际廓线如下图： 将在 成凸轮的实体。设计结果如图 ： 摆动从动件凸轮的实体设计 同理，可以生成摆动从动件凸轮的实体。结构如图： 顶杆的实体设计 顶杆需在滑道上滑动，因此其结构形式应与滑到对应，并且其上还需安装销轴和滚子。设计结果如图： 摆杆的设计 当摆杆采用直杆的形式时，机构运动将发生摆杆与摆动从动件凸轮的运动干涉。为了避免该情况，将摆动杆设计成非直杆形式，其实体如图： 座板的实体设计 座板是支撑整个机构的零件，其上需要安装轴承和后支架，它们之间的联接均为螺栓联接。设计结果如图： 后支撑板的实体设计 后支撑板是安装导轨的零件，同时还需用螺栓固定于座板上。设计结果如图： 滑道的设计 导轨采用简单的滑道截面为方形的形式，并且由两滑道附件和后支撑板组合而成。滑道附件的设计结果如图 ： 第三章 机构实体的运动仿真 为了验证设计的正确性，对该机构的实体进行运动仿真。 非常感谢各位老师和同学在百忙之中听取我的答辩 江西农业大学毕业 设计 (论文 )任务书 设计（论文） 课题名称 圆形轨迹 直、摆组合凸轮机构设计 学生姓名 胡鹏法 院（系） 工学院 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 姚明印 职 称 讲师 学 历 博士 毕业设计（论文）要求： 要求学生 熟练掌握机械制图的基本知识，包括：零件图的标注与绘制、装配 图的标注与绘制 等 。 能熟练应用 图， 并 对机械原理、机械设计有较深入的理解和认识。 能独立查找机械设计手册中相关绘图标准和规定，并能独立按要求绘制机械图。 能用 设计进行动态和运动仿真。 毕业设计（论文）内容与技术参数： 要求 通过直、摆组合凸轮机构实现圆形轨迹曲线，理论设计基础已经在 础上实现。具体的参数已经在设计中给出。由已知参数设计各构件，采用 毕业设计（论文）工作计划： 料收集，确定设计方案 绘制机械图 整理资料，准备答辩 接受任务日期 2008 年 12月 1日 要求完成日期 2009年 5月 10 日 学 生 签 名 年 月 日 指导教师签名 年 月 日 院长（主任）签名 年 月 日 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 1 1 绪 论 本课题要求 设计一直摆凸轮组合机构，使给定在摆杆上的某个点 实现预期椭圆轨迹 ，并 在此基础上进一步设计出整个机构所需的所有零件的实体模型， 然后将其装配组合，并 进行 运动仿真 。 机构 示意图如 图 1 1： 图 1 1 直摆组合凸轮机构示意图 众所周知，人类创造发明机构和机器的历史十分悠久，并且随着人们对不同机器和机构的需求的日益增多，对它们的研究也在不断的深入， 特别是在 近代 ，科学技术的飞速发展使得机构和机器的种类和它们所能完成的功能得到了 极大 的丰富 。也正因为如此， 机构和机器理论已经发展成为一门重要的技术 基础学科。 在这一学科中，进一步完善传统典型机构的分析与综合方法，例如实现 预期 轨迹的机构 的类型和设计方法的创新，仍是值得研究的课题。在这一方面，对本课题的研究就有着重要的意义。 现代化的生产，许多都要求设备能实现某种预期轨迹来更好的生产，比如在食品加工机械中的馒头自动化生产线上，其馒头堆放机构就是一个利用组合机构来完成预期的馒头堆放轨迹的。在实现预期轨迹的组合机构中，直摆凸轮组合机构是一种非常实用的机构，通过不同轮廓的直动凸轮和摆动通论 驱动连杆配合运动，既能实现连续性预期轨迹，如星形线、内摆线、旋轮线、渐开线 、正态曲线等；又能实现离散化预期轨迹，如人头像、金鱼、黑桃、三菱商标等。所涉及到的工业生产：如专用线切割机床、专用电火花加工机床、专用焊接焊切机械手、专用几何测量仪器、行程控制机构及各类轻工机械等。可以实现图案加工、电火花刻线等等。因此，研究本课题不仅有其理论意义，也有着其现实意义 。 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 2 该机构是由直动从动件凸轮机构与摆动从动件凸轮机构组成的联动凸轮机构（图1），该机构具有 3个活动构件（ n=3）， 3个低副 ()， 2个高副 ()，由平面机构自由度计算公式 231 故其机构自由度为：123233 该机构原动件数目为 1,与其机构自由度相等 ,故该机构成立。 通过建立直、摆组合凸轮机构的设计公式，从而得出该机构各构件位置、大小及形状尺寸、凸轮实际廓线、理论廓线。在此基础上，再合理设计出机构所需的每个零部件的结构，之后将它们装配组合，并进行运动彷真，验证设计的正确性。 此机构的设计可以分为如下几个部分：直动 从动件 凸轮和摆动 从动件 凸轮的设计，直动杆和摆动杆的设计，直动导轨的设计，轴系零部件的设计和机架的设计。其中最为关键也最为困难 的是直动 从动件 凸轮和摆动 从动件 凸轮的设计，而采用何种方法进行设计又是首先需要考虑的问题。 因此在设计过程中应该先确定所要采用的凸轮设计方法。 在以上部分设计完成后， 机构的运动仿真，包括机构各个部件的装配和装配后的动态仿真。在这一阶段需仔细计划各个部件的安装位置和安装顺序，将每一个部件都正确安装到位。其中值得注意的是直动凸轮与摆动凸轮的安装滞后角，这一角度需严格控制，稍微的误差可能就直接影响预期的曲线。 本课题所用到的硬件主要是计算机。用到的软件有： 004， 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 3 2 椭圆轨迹直摆组合凸轮机构理论设计 由于该组合机构综合了单一的直动凸轮和摆动凸轮两种机构，其运动的复杂性，靠单纯的传统的方法求凸轮廓线，非常复杂，本课题采用一种准确、快捷，简便的离散化方法 2。 、摆组合凸轮机构设计基本思想 图 2直、摆组合凸轮机构参数的几何关系 设 ,为预期曲线上 n + 1 个坐标点，它们与下列 数值一一对应 3，如 图 2 1 顶杆位移； 摆杆转角； , 直动从动件凸轮向径与极角； , 摆动从动件凸轮向径与极角； e 直动凸轮偏心距； a,b 预期曲线起始点坐标； R , R 1 , R 2 摆杆长度，摆杆上端长度，顶杆长度。 依据预期曲线上的点 ,与顶杆位移 、摆杆转角 之间的几何关系，求出它们的变化规律 ， ，再分别设计直动从动件凸轮廓形与摆动从动件凸轮廓形。 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 4 组合凸轮机构设计步骤 上求取坐标点 预期曲线可以是由一条或若干条平面曲线组成的封闭曲线 ,首先写出它的参数方程表达式 ,并且要求参数方程表示的曲线位于第、第象限 ,初定其起始点为坐标原点。曲线方程为： .;ty (2 积分求弧长，得 2 20 ( ) ( ) d t t t (2其中 ,t0, 再按照设计要求将曲线分成若干段 ,其中任意一段定一位置有 ，且i0, 令 k 0 = 0。 下面采用匀速运动规律将预期曲线分段， k 式中， i=0,1,2 n。 如果将预期曲线 之与 :相对应，那么当凸轮轴匀速转动时， 通过组合凸轮机构，将使从动点以预期的匀速运动规律沿预期曲线运动。 定 参看图 2、摆组合凸轮机构的结构参数为：直动凸轮基圆半径0动凸轮基圆半径0心距 e 以及摆杆长度 R 及 顶杆长度 这些机构参数可得到如下机构初始位置参数（初始位置 00 h）： 摆杆与顶杆在初始位置的夹角 4 2 2 20 1 00001a r c c o s 2 rq （ 2 式中，0 1 ， 2210 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 5 从动点起始位置坐标 0（ 2 )0 （ 2 图 2直、摆组合凸轮机构初始位置参数 考虑机构的初始位置 ,应该将上节求到的坐标点 ,平移到从 (a,b)为初始点的位置上来，于是有： 0 , 平移. 平移后的坐标点仍记作 ,。 定顶杆 位移与摆杆转角的变化规律 分析图 2以得到以下关系式： 摆杆转角 ii i=0,1,2， ， n （ 2 顶杆位移 )1c o s(， i=0,1,2， ， n。 （ 2 从而得到与 ,对应的 和 。式中 ,i=0， 1， 2， ， n。 轮廓形设计 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 6 （ 1） 摆动从动件凸轮轮廓设计 首先，设计摆动从动件凸轮廓形，参见图 2析 用余弦定理，则摆动从动件凸轮理论廓线上任意一点的向径： 图 2 确定摆动从动件凸轮的向径及向径极角 )(c o 221 . （ 2 式中， 221 )( ； ii . 其向径极角 2)(s r c s . （ 2 式中，i为凸轮累加转角： ii 以上各式中， i=0， 1， 2， ， n，由此可以得到摆动从动件凸轮的向径与极角 ,。取 直、摆组合凸轮机构的结构参数为：直动凸轮基圆半径00，摆 动凸轮基圆半径00 ，偏心距 e=20， 摆杆长度 R=400及 200。 其计算结果如表 2 1： 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 7 表 2 1 摆动凸轮轮廓参数 序号 摆动凸轮向径 摆动凸轮极角 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 62 3 用描点法可得其理论轮廓如图 2 图 2动凸轮理论轮廓 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 8 凸轮从动件采用滚子从动件，滚子半径的选择原理参见 1。选取滚子半径为 5，则可得凸轮实际廓线如图 2 图 2动凸轮实际轮廓 （ 2） 直动从动件凸轮轮廓设计 设计直动从动件图轮廓形，参见图 2动从动件凸轮理论廓线上任意一点 图 2 确定直动从动件凸轮的向径及向径极角 22)( （ 2 式中： 表示 中的最小值 220 其向径极角： 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 9 0a r sa r e （ 2 以上各式中， i=0， 1， 2， ， n，由此可以得到直动从动件凸轮的向径与极角 ,。 取 直、摆组合凸轮机构的结构参数为：直动凸轮基圆半径00，摆动凸轮基圆 半径00 ，偏心距 e=20， 摆杆长度 R=400及 200。 其计算结果如 表 2 1： 表 2 2 直动凸轮轮廓参数 序号 直动凸轮向径 直动凸轮极角 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 50 0 246 263 0 360 采用描点法得到直动从动件凸轮的理论轮廓如图 2 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 10 图 2动凸轮轮廓图 与直动从动件凸轮的滚子半径选择原理一样，选取滚子半径为 5，则凸轮实际轮廓如图 图 2组合凸轮机构的初始位置（初始位置 00 h），其直动从动件凸轮机构的顶杆长度： 2212 . （ 2 式中， 机构初始位置时，直动从动件凸轮 极角记为 Z 。 代入数据计算得： 2 顶杆位移与摆杆转角的变化 如图 2示，定义机构初始位置时，摆动从动件凸轮向径0其基圆半径）与使顶杆处于最低位置时直动从动件凸轮向径0其基圆半径）之间的夹角为安装滞后角 ,则安装滞后角： 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 11 001 s i na r c c o sa r c c o 。 （ 2 代入各数据计算得： =动凸轮和摆动凸轮的厚度 确定直动从动件凸轮和摆动从动件凸轮的厚度为 20 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 12 3 机构的计算机辅助设计 动杆和摆动杆的设计 由于该机构所传递的功率比较小，因此各个零件的设计 所考虑的重点不在于零件的力学性能，而在于设计的简易度，零件的外形，零件的加工工艺性能，和整体机构的紧凑程度等方面，即机构的结构设计。 直动杆的两端分别联接摆动杆和直动凸轮，其中和摆动杆的联接运动副为转动副，与凸轮的联接为通过滚子的高副。由 2的设计计算结果：直动杆的理论长度为 即直动杆与摆动杆的联接转动副的中心轴和滚子的中心轴的 距离为 一长度必须严格控制，否则将会直接影响到指定点的运动轨迹。 综合考虑杆的理论长度，与其他零部件的联接形式，自身的 加工工艺性能，零件的重量和机构的紧凑性后，其设计结果如图 3 1： 图 3 1 直动杆主要尺寸 其详细尺寸见所附图纸。 其 果图如图 3 2： 图 3 2 顶杆 效果图 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 13 动杆的设计 摆动杆的两端分别联接直动动杆和摆动凸轮，其中和直动杆的联接运动副为转动副，与凸轮的联接为通过滚子的高副。由第 2 章的设计计算结果：摆动杆的理论长度为400动杆上段长度为 200即直动杆与摆动杆的联接转动副的中心轴和滚子的中心轴的距离为 200动杆与摆动杆的联接转动副的中心轴与指定点 间的距离为 400几个尺寸必须严格控制，否则将会直接影响到指定点的运动轨迹。 综合考虑杆的理论长度，与其他零部件的联接形式，自身的加工工艺性能，零件的重量和机构的紧凑性后，其设计结果如图 3 3： 图 3 3 摆动杆的主要尺寸 其详细尺寸见所附图纸。 其 体效果图如图 3 4： 图 3 4 摆动杆的效果图 动导轨的设计 导轨的形式多种多样，根据以上直动杆的设计结果，选用横截面为长方形的组合导轨，组合形式为两个前扣（导轨附件）和后支撑板。 由第 2 章的计算可得直动凸轮从动件的行程为 小于 55。综合其行程以及直动杆滑块椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 14 部分的高度，选取导轨长度为 80。设计结果如图 3 图 3轨的主要尺寸 其详细的结构尺寸见所附图纸。 其 体效果图如图 3 图 3轨附件实体效果图 架的设计 机架支撑着导轨，轴承座和另外的不是直接连接在机架上的与机架具有相对运动关系的零件。对机架的设计应该力求结构简单，紧凑，轻便，安装方便，并且外观好看。该机构的机架分为后支撑板和座板两部分，其设计如下： 支撑板的设计 由所选用的导轨形式，选取机架为方形，板状 。为了减少导轨部分的加工面，在导轨部分设计一厚度为 3凸台，并按照第 4 章所设计的前扣的结构尺寸设计导轨部分的结构尺寸。初步定轴的轴线位于后支撑板的中心面，由直动从动件凸轮的偏心距20得导轨中心面与后支撑板的中心面的距离为 20 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 15 再综合考虑支撑板与座板的安装，凸轮的运动范围，其设计结果和主要尺寸如图3 图 3撑板主要尺寸 其详细的结构尺寸见所附图纸。 其 体效果图如图 3图 3撑板实体效果图 板的设计 座板连接了后支撑板，并且要 安装上两个轴承座，其设计的主要部分在于各个螺栓孔的布置。 根据后支撑板的结构尺寸和所初步选取的轴承的结构尺寸， 其 体图如图 3 图 3板实体效果图 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 16 系零部件的设计 由于该机构所传递的功率很小，因此这里的轴的设计就是轴的结构设计 5。 定轴上零件的装配方案 需安装到轴上的零件有：轴承，直动从动件凸轮和摆动从动件凸轮。装配方案采用图 3式： 图 3上零件的装配方案 定轴的各段直径和长度 对照图 3步选择滚动轴承为内 径 25 的深沟球轴承，其轴向定位为轴肩定位，并取轴肩高度为 4 段的直径为 30表，取轴承厚度为 15取安装轴承的轴颈部分长度为 18别为图中的 3， 5 段） 再计算 6 段长度和直径，其长度的计算照看图 3 其直径为 20 图 36段长度计算示意图 则计算得其长度为 48 计算轴头部分的长度和直径：取直径为 15度为两凸轮厚 40 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 17 上零件的周向定位 两凸轮与轴的周向定位采用平键连接。按照轴头直径 15平键的截面为b*h=5*5。按 照轴段的宽度选其 l=30轴的设计结果见所附图纸。 轴的 体效果如图 3 图 3的实体效果图 准件 以上的设计所需选定的标准件整理如下 6： 联接后支撑板与座板用的螺栓： 6 30 数量为 4 ； 与其配合的螺母： 6 数量为 4； 组合导轨用的螺栓： 6 30 数量为 4； 与其配合的螺母： 6 数量为 4； 联接轴承座与座板用的螺栓： 12 45 数量为 4； 其配合的螺母： 12 数量为 4； 凸轮的轴向定位用的轴端 C 型外挡圈： 5 数量为 1； 摆杆的轴向定位用的轴端挡圈： 数量为 1； 凸轮与轴的周向定位用的 A 型普通平键：截面尺寸 5 5 数量为 1； 安装在轴上的轴承： 205； 与其配合的轴承座： 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 18 4 机构实体的运动仿真 为了验证本课题所设计的直白组合凸轮机构能否使摆杆的末端点实现预期的椭圆轨迹，现对该机构的实体 进行运动仿真。 所有零件的实体模型构建完成后，在 将它们装配 7组合，效果如图 4 图 4配效果图 其分解视图如图 4 图 4解视图 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 19 参 考 文 献 1 郑文纬，吴克坚 七版） 2 周全申，郭建生 组合凸轮机构设计 . 1992年， 第 9卷，第 1期 3 邹慧君 ， 董师予 1991年， 上海交通大学出版社 4 赵韩 1995年第 31卷第 3期 5 杨明 忠，朱家诚 武汉理工大学出版社 6 蔡春源 辽宁科学技术出版社 7 邵立新，夏素民，孙江宏 清华大学出版社 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 20 致 谢 经过 一个 多 月 的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起 做设计 的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师 姚明印 。 她 平日里工作繁多，但在我做毕业 设计的每个阶段，从 给我们下放课题 ， 设计前期的引导 ，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。 我的设计一直都做得不太顺利 ，但是 姚 老师仍然细心地纠正 我设计 中的错误 ，不厌其烦的给我悉心教导 。 她 的治学严谨和科学研究的精神是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 其次要感谢和我一起作毕业设计的 董仁财 同学， 他 在本次设计中勤奋工作，克服了许多困难来完成此次毕业设计。如果没有 他 的努力工作，此次设计的完成将变得非常困难。 然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下机械 专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。 最后感谢 江西农业 大学四年来对我的大力栽培。 椭圆轨迹直摆凸轮组合机构的设计 21 学校代码： 10410 序 号： 050403 本 科 毕 业 论 文 题目： 椭圆轨迹直摆组合凸轮机构设计 学 院 ： 工 学 院 姓 名 ： 胡 鹏 法 学 号 ： 20050403 专 业 ： 机械设计制造及其自动化 年 级 ： 2005 级 指导教师 ： 姚 明 印 二 年 五 月 摘 要 本课题研究的是一使给定点获得椭圆轨迹的直摆凸轮组合机构。该设计包括机构的设计和机构实体模型的设计，除此之外为了验证设计的正确性本课题还运用 机构的实体进行了运动仿真。 首先，在两凸轮的设计上本 课题 采用了一种离散化方法分别求出了直动从动件凸轮的理论轮廓和摆动从动件的理论轮廓的 36 个离散点，然后借助 用描点法画出了其理论轮廓，再在选定了滚子