【《某凸轮机构的计算机辅助设计分析案例》6900字】

某凸轮机构的计算机辅助设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u2686某凸轮机构的计算机辅助设计分析案例 16011.1proe/Creo 1319291.1.1proe介绍 1269321.1.2计算机辅助设计的应用前景 2196171.2凸轮机构的实体建模与装配 3134871.2.1凸轮机构的设计 3242451.3三维模型建立 8119011.1.2设计模型仿真 9144121.1.3模型装配 18182691.4计算机辅助仿真 2232891.4.1计算机仿真 22153061.4.2proe运动仿真 22272631.4.3proe仿真的情况 23160551.5仿真分析 251.1proe/Creo1.1.1proe介绍Pro/Engineer是美国PTC公司的产品，于1988年问世。10多年来，经历20余次的改版，已成为全世界及中国地区最普及的3DCAD/CAM系统的标准软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航天、家电、玩具等行业。Pro/E是全方位的3D产品开发软件包国际上有27000多企业采用了PRO/ENGINEER软件系统，作为企业的标准软件进行产品设计。Pro/E独树一帜的软件功能直接影响了我们工作中的设计、制造方法。与其他同类三维软件（MDT、UG、CATIA等）相比，Proe/ENGINEER的不同之处在于以下几点：

（1）基于特征的（Feature-Based）

（2）关联的（Associative）

（3）参数化（Parametric）

（4）构造曲面（surface）类似于proe等软件的产生直接让现代工业的设计走向了一条简便高效，经济成本与工作量都得到降低的新道路Proe在软件在产品开发后期的应用：生成工程图

Pro/E可以用来实现基于实体建模的工作流程而生成工程图纸，用户可以轻松地生成和保存2D工程图纸，节约了图纸管理和维护的时间。演示市场销售

Pro/E的渲染工具可帮助用户以真实的照片有效地交流其设计。用户完成的高质量的零件、装配图、装配爆炸效果图，可用于演示、设计检查、市场销售、制作说明书等用途。1.1.2计算机辅助设计的应用前景通过电脑和装载的辅助软件来帮助研究人员完成设计工作，称为计算机辅助设计，简称CAD。在计算机辅助设计的机构设计中，电脑可以协助设计研究人员完成复杂计算，完成部分信息存储和完成标准化的图纸绘制等多种工作往往在设计的过程中都伴随着巨大的计算量，这一部分的工作量在设计中占有巨大比重，同时还要对计算结果进行分析和对比，在这样大的工作量下人工的计算和分析难免会产生一些失误和一些不可避免的计算错误，这在计算机工作的前提下可以将失误和计算错误进行规避，在得到最优方案的同时可以将工作效率提到一个很高的水准，同时使用计算机辅助设计方便资料和信息的提取。计算机辅助设计的优势并不仅仅在于减轻人的工作量，同时计算机设计可以即使对设计做出判断和修改，利用电脑可以在图形编辑的时候随时进行放大平移复制删改等操作。现如今计算机辅助设计技术已经在各个领域得到广泛应用，如电气电子领域、建筑桥梁领域、被服制造领域、机床制造领域、地质勘探领域、软件设计开发领域、自动化工厂领域、机器人设计开发领域、工业领域的应用更是突出。尤其是由计算机问世以来，个人电脑（pc）不断更新换代，现在的个人电脑不但小巧经济实惠而且具有很强工作能力，计算机辅助系统已经可以在个人计算机上完美运行，同时通过一些外接设备可以很方便简单的在个人电脑上进行设计开发，现状就是现代的设计基本都会通过电脑的帮助，传统的手绘笔算比重逐渐减少而这一趋势势必会在未来的一段时间内完全取代传统设计方法的地位。甚至再通过一系列的发展，再未来的一段时间里超过传统设计的地位。1.2凸轮机构的实体建模与装配本文的目的是为了探究计算机辅助设计的功能，使用cad软件对凸轮轮廓曲线对凸轮机构进行设计，并通过proe/creo软件的建模仿真功能对机构进行分析和研究，探究计算机辅助设计方法。针对一个凸轮控制机构进行凸轮轮廓曲线进行设计，并建模，同时选取一间歇式槽轮和一盘形滚子凸轮作为建模功能的探究的内容，通过proe/creo的建模功能构建实体，来对proe/creo的功能和凸轮的特性进行分析并对凸轮应用进行探究。1.2.1凸轮机构的设计设定设计背景为，凸轮转速为60转/min，角速度取为6rad/s，转动方向为逆时针，推杆最大行程为h=30mm，凸轮推程运动角为120°，运动规律选取为正弦加速度运动，远休止角为60°，凸轮回程运动规律为正弦加速度运动，回程运动角为120°，近止休角为60°，许用压力角为【a】=30°。使用CAD软件草绘功能运用图解法设计凸轮轮廓曲线，然后依据轮廓曲线建立相关三维模型。假想一个与凸轮机构角速度大小相同方向相反的机构，并且保证机构的各个部分相对运动是不变的，这个时候从动件会按照给定的运动规律来进行往复运动。这整个过程中顶尖会一直和凸轮的轮廓相接触，而整个反转的过程中顶尖的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。且得到的结果是机构的运动关系不发生改变。其运动规律见表3-1表3-1从动件运动规律凸轮转角0°~120°120°~180°180°~300°300°~360°从动件运动规律正弦加速伸出静止余弦加速缩回至原位静止（1）进入AutoCAD绘图界面，进行基本的环境设置。包括设置图形界限、设置点样式、设置文字样式、创建图层等。其中至少要创建粗实线、细实线和中心线三个图层。（2）绘制坐标轴。取长度比例1∶1在S轴上量取h=30mm；取角度比例3°/mm在φ轴上分别量取推程运动角远休止角回程运动角近止休角120°、60°、120°、60°。（3）将推程运动角回程运动角等分。调用定数等分命令。本文将分成偶数等分（此处升程运动分为8等分，回程运动分为6等分）则得等分点1、2…15。（4）绘制升程的位移线图。由上文可知，推杆升程是一个正弦加速过程，且整个升程等分为8段，已知推杆的最大行程为30mm，则根据正弦加速度运动规律位移曲线的画法，推杆行程曲线升程段的8个关键点坐标可轻易计算出来，分别为第1点（15°，1.81），第2点（30°，4.60），第3点（45°，8.82），第4点（60°，14.01），第5点（75°，19.22），第6点（90°，21.43），第7点（105°，26.23），第8点（120°，30），最后用样条曲线命令将1、2、…8点连成光滑曲线即为升程的位移线图。（6）绘制回程的位移线图。推杆升程是一个余弦加速过程，且整个升程等分为6段，已知推杆的最大行程为30mm，则根据余弦加速度运动规律位移曲线的画法，推杆行程曲线回程段的六个关键点坐标计算出来分别为第10点（200°，26.16），第11点（220°，21.08），第12点（240°，14.23），第13点（260°，7.03），第14点（280°，1.88），第13点（300°，0），最后用样条曲线命令将图1.1位移线图9、8、…15点连成光滑曲线即为回程的位移线图如图1.1所示绘制理论廓线将滚子中心视为从动件的尖顶。比例选取为1:1（1）基圆绘制，用画圆命令以O为圆心，作半径为30的圆。（2）从动件初始位置设定为对心，设置在基圆之上，故在基圆上作一点A0，A0为凸轮轮廓线起点。（3）在圆上依次量取推程运动角远休止角回程运动角近止休角，并按照划分数量绘制出相应导路。（4）使用旋转复制功能可以推程的角度划分根据上节所述为15°，回程划分为20°，根据上一节中所取的对应从动件点位，一次标出相应尖顶位置。此时使用cad软件的绘图捕捉功能，以基圆与各个导路交点为起点，分别代入各个点从动件的运动距离得到A1-A16,如图1.2所示：（5）绘制理论廓线曲线，首先使用圆弧绘制曲线，选择圆心-端点-端点命令连接，分别选取基圆圆心为圆心，分别捕捉A9A10为端点，绘制出远停程轮廓，近停程圆弧即为基圆上的A16A0曲线，然后选取样条曲线命令，分别捕捉A0-A9, 以及A10-A16。即可绘制出凸轮轮廓曲线。如图1.3所示：图1.2反转法确定从动件尖顶位置图1.3理论廓线1.3三维模型建立本文通过三维模型的建模主要有凸轮本体，滚子推杆，基架和轴承等主要部分。选用上一节的理论廓线作为参考进行建模。1.1.1建立Creo模型打开creo新建任务，设置名称凸轮机构根据cad中绘制的理论廓线初步确定凸轮轮廓，使用使用拉伸指令确定凸轮厚度，构建凸轮实体。如图1.4:（注：由于深沟球轴承为直接导入，故在建模是应在凸轮中心预留出装配轴承的孔）图1.4凸轮三维模型构建根据机构要求分别构建基座、滚子、推杆等模型并导入深沟球轴承，同时按照图中装配原则即关系对凸轮机构进行三维模型装配。如图1.5从动件组合模型，以及图1.6机构装配模型图1.5从动件模型装配图1.6机构模型装配图1.1.2设计模型仿真盘形凸轮的设计，要求机构能进行升—停-降—升—停—降—升的往复运动，并且行程的开始和结束，加速度没有突变，加速度曲线连续，无刚性冲击，且结构简单。该机构为滚子对心盘形凸轮机构，该机构的运动如表3-1表3-1推杆运动规律于凸轮运动角的关系序号凸轮运动角（）推杆的运动规律10°-240°推杆停在最高位置2240°-300°推杆缓慢下降到最低点3300°-0°推杆缓慢上升到最高点可以得到凸轮得到轮廓曲线大致方案可以得到如图1.7图1.7滚子对心盘形凸轮草图初步确定各尺寸：凸轮安装处的轴的直径ds=20mm，凸轮的基圆半径是凸轮设计中的一个重要参数，而跟具经验，在限制压力角的同时，基圆半径的确定通常是带入由凸轮安装轴孔直径所确定的公式中计算，可以得到基圆半径的一个取值范围。再根据实际情况可以选择具体的基圆半径。基圆半径rb=16mm，由于选取了安装轴直径，可以确定出基圆半径。根据运动规律要求初步确定最远处的凸轮半径28mm，后续的各种参数可以通过，使用计算机辅助设计软件仿真分析后来进一步确定。间歇式槽轮设计：要求该槽轮机构为间歇式运动，满足时时间间隔相等同时，运动时为匀速转动，将该槽轮机构作为一个可旋转的转盘为完整的设计方案，要求槽轮为匀速转动，从动件为步进，槽轮每转一圈从动件步进一个小行程。如图1.8为该设计草图图1.8间歇式槽轮设计草图使用proe软件对凸轮建模1、滚子对心盘形凸轮建模（1）盘形凸轮的轮盘建模如图1.9所示:主要使用拉伸功能，绘制出一个大圆，然后画一个同心圆使用拉伸功能，得到一个带圆孔的圆形轮盘，再使用草绘功能再圆盘上绘出凸轮轮廓选择拉伸去除得到凸轮轮盘。图1.9盘形凸轮（2）滚子建模如图1.10所示：也主要使用拉伸功能，选择草绘，按滚子半径绘制出滚子直径的圆，选择拉伸，宽度设置为大于轮盘厚度4mm的高度。点击生成得到滚子模型图1.10滚子（3）推杆建模如1.11所示：主要使用绘制和拉伸功能辅助功能为打孔和面对面的装配，先使用草绘绘制宽为推杆半径高为推杆长度的矩形，选择一边为旋转轴，使用旋转实体功能得到推杆，再使用草绘绘制一个凹字形，拉伸得到滚子的支架，选择孔指令绘制出圆孔在支架的一边打出通孔。得到滚子支架，最后选择装配面与面，让推杆的一端于支架的地面进行配合，使推杆圆柱的中心轴于支架的轴相重合，可以的到完整的推杆模型。旋转指令：图1.11推杆模型2、间歇式槽轮建模（1）从动件建模，使用绘制拉伸复制和镜面，拉伸去除，打孔功能，点击草绘绘制出一个行程的图案，拉伸得到实体，选择一个基面，使用五次镜像可以的到完整的从动件模型，然后选择孔，在一个面上绘制一个孔的大小选择孔深度（只需孔的深度大于从动件厚度），得到一个通孔，同样选择一个轴或者一个基面，使用三次镜像可以的到四个对称通孔。如图1.12所示：图1.12从动件模型而从动件的轮廓可以使用混合功能，选择几何公式的功能可以到轮廓轮盘建模，使用旋转体。拉伸，拉伸去除，面与面配合等功能：先使用草绘建立一个圆台，使用拉伸指令，得到轮盘基座，再选取基座为基面，使用草绘绘制一个圆，此圆的圆心应和基座的圆心位于一个轴上，然后在上面轮盘圆的上基面绘制出轮盘轮廓向下拉伸至基座上表面，点击去除可以得到轮盘模型，再使用孔功能得到完整轮盘如图1.13。图1.13主动件模型（3）桌面建模。主要使用旋转体如图1.14所示，首先草绘绘出桌角半径为宽，长度为长的矩形再通过旋转指令得到桌脚实体，再使用草绘再在任意选定基面绘出桌面轮廓，拉伸得到桌面，选取添加轴指令，在桌面建立6个基准轴，分别为四个桌角的轴和从动件与凸轮轴位置的安装轴线，再在从动件和凸轮安装轴的位置使用拉伸指令以桌面为基面，拉伸出安装的凸起，同时将刚才建立的桌脚放到一个桌角安装的基准轴上，使用面对面的配合对一个桌角进行安装，然后通过复制功能连续操作三次将所有桌脚安装完成。图1.14桌面模型（4）转盘的建模。首先使用草绘绘制出转盘的底面，然后拉伸指令得到转盘实体，选取倒角指令，参考靠面为转盘的上表面和转盘侧面，设置倒角的圆角半径，得到倒角的转盘，然后在从动件四个转盘安装的四个螺栓孔的位置选择孔指令按照相应的尺寸和位置打四个通孔，并在中心轴位置也用孔指令打通孔，同时在转盘上表面安装六个实体矩形快用于模拟货物。如图1.15所示图1.15转盘及货物的模型1.1.3模型装配（1）装配模型的配合：三维几何约束就是装配各个零件的时候它们之间的几何配合关系，在特定的三维空间中，这些零件就只能完成事先给定了约束的运动，这样的约束会使各个零件相互约束的同时又相互联系，不但可以像现实一样完成产品的组合，还可以按照某些特定的规律来进行运动，通过个各种约束来约束控制零件的实体位置。在proe中一般使通过寻找零件上的基准面、轴、点，来进行配合，在配合使又可以自由通过软件改变它们的角度和距离，这样一来方便安装和位置移动，这也是计算机辅助设计优于传动设计的一个地方，如果我们使用真正的样品无法很直观和方便的调整和修改位置，往往受太多因素的限制，从而降低修改和调整设计的效率。而在proe上的装配我们还可以定性约束的性质来用各种方式进行装配。（2）模型装配在模型装配[9]中有使用到各种装配种类如图1.16.图1.16约束种类下面是盘形滚子凸轮的模型装配，如图1.17所示，在装配时，首先滚子和推杆进行装配，此时不用固定滚子，应为滚子在之后的运动中会有转动，选用面与面对齐，将滚子两断面分别与支架的两内面配合，同时滚子的轴线与支架上提前打的通孔的轴线重合，此时滚子和推杆构成一个整体，在下一步滚子和凸轮的配合中可以将滚子和推杆作为基准，同样使用面与面配合，用滚子的侧面和凸轮侧面相配合，在完成配合后在凸轮轴心加一个固定约束，只允许凸轮进行转动。此时完成了盘形凸轮的装配。图1.17盘形凸轮装配图间歇式机构的装配如图1.18，1.19所示，首先确定一固定基面作为地面，使用面与面配合以任意两桌角地面为一目标面，此时桌面会得到固定。再以桌面为基面，找到轮盘的安装轴线，调出轮盘使用轴与轴对齐，此时可能方向有出入。然后选择面与面配合用轮盘下底面与桌面上表面配合，此时槽轮会进入一个正确的位置。下一步是使从动件按照轮盘同样的方法装配，但是要注意从动件和轮盘之间也有配合，才能保证正常的行程，的准确进行，最后是桌面的装配，同样的方法，先使用轴与轴对齐，将桌面轴与从动件中心轴对齐再选面与面对齐，将桌面与从动件相对齐。最终的到完整的零件装配模型完整机构。图1.18间歇式机构模型装配图1图1.19间歇式机构模型装配图21.4计算机辅助仿真1.4.1计算机仿真针对某个模型建立特点条件的仿真，通过计算机对齐进行模型仿真[10]，通过计算机建立一个虚拟的实验模拟环境对真实情况进行一个模拟，同时对实验得到的相关数据数据进行分析，来帮助设计研究开发人员进行设计的分析和对问题的发现与产品的改进提供重要依据。作为一种工具极大的增加了设计的效率与质量。无论是从降低产品设计成本还是降低失败风险和提供检测能力的角度来说，计算机辅助仿真模拟已经成了现在不可缺少的研究手段方法了。1.4.2proe运动仿真通过给模型机构添加运动副和驱动让它按照给定的运动要求运动起来，从而来完成运动仿真。而在创造一个运动机构的过程中又与模型零件的装配过程相仿。在有已经装配好的图形中主要有几点注意事项，第一个需要先放置约束，确定机构的自由度还要运动的主体，并限制和定义相对运动的构件的关系，并且打开运动的记录和测量。而整个proe的仿真步骤流程如图1.20所示图1.20proe仿真步骤流程图1.4.3proe仿真的情况（1）调试机构仿真环境：首先在主界面点击功能中的“应用程序”，再找到“机构”命令，开始进入仿真功能，开始调试仿真的条件等。（2）找到工具栏的（凸轮工具），找到如下工具框。如图1.21所示图1.21轮从动机构连接定义（3）点击选择如图曲面为凸轮一的曲面，如图1.22所示，然后点击选取，和对话框中的“确定按键”图1.22凸轮1曲面如图1.23所示选取如图曲面作为凸轮二的曲面图1.23凸轮二曲面（4）下一步单击凸轮从动机