【《基于Proe-Creo软件的某凸轮机构设计》17000字（论文）】

ⅡⅠ基于Proe-Creo软件的某凸轮机构设计目录TOC\o"1-3"\h\u27473摘要 第一章绪论1.1论文的研究背景及意义1.1.1凸轮历史的简介从1350年到1550年，从达芬奇开起始，一些机械工程师团体，累计总结改进了大量的机械构件的设计和草图，这些设计和草图就包括凸轮，将旋转的输出的运动转化直线的运动。从这一时代开始凸轮的应用逐渐广泛了起来。而凸轮在整个人类工业化的进程中有着不可或缺的地位和作用。在采矿中的应用更是有显著的地位，如锤磨机、定时机构、锁机构、电梯还有水泵。发展到今天凸轮的应用已经到了无处不在的地步。如图1.1所示为凸轮机构的一些设计案例。凸轮机构通常具有三个连接，其中一个为高副，是非常普通但却是机构中最有用的一个部分，而凸轮能产生多种运动形式的原因是因为机构中两个高副元素相接触的形状多样的因素。通常说一个凸轮的结合点在平面上能够拥有两个自由度,而在空间内最大能达到5个自由度[1]。但由于不受机械的限制,这就可以使得提高自由度的数目大大减少。图SEQ图\*ARABIC1.1部分平面和空间凸轮机构设计案例1.1.2国内研究现状随着中国在世界上转变为制造大国，逐渐引进了许多装备，许多主体为凸轮机构的设备也被带入国内，如汽车的发动机配气机构、打印机中的间歇式凸轮机构、自动机械等设备都大量运用改机构，国家的各个科研部门和一些企业的研发人员都在这个领域获得了一些成就。但是,与在欧洲美国还要日本等发达国家的技术封锁下我国对凸轮的研究和相应技术应用还存在巨大问题，比如凸轮的振动研究等方面。正如一些原因，凸轮因为一些实用且方便的机械特性，现在基本在很多领域都有应用。在轻重工业和制造业高度发达的今天，许多零件都被设置标准，逐渐标准化，具有一套完整的设计标准，能根据设计的情况选择合适的标准，但凸轮机构是典型的非标准件，需要大量的计算、仿真分析、反馈再计算。例如印刷机上的递纸凸轮，这是印刷机里面设计要求最高的地方，现在大都采用共轭凸轮，如图1.2来提高高速时的稳定性，国内采用机械式凸轮和国外的先进的电子凸轮也有一定差距。虽然在改革开发的前提下，越来越多的技术和生产资料被引入我国，我们国家也开始了针对凸轮机构的研究与开发但是在欧洲美国日本等国家的技术分所下我国的研究依然不能在高端领域有巨大突破。现如今国际上一些机构对一部分高端技术保持着垄断的局面，这样的科研环境下，我国的制造业发展只能在不断地模仿和自主学习创新中摸索着前行。就这样在无形中遏制着我国科研的咽喉，以至于在一些领域到了现在都不得不依赖外国技术，然而外国也只提供设备上的出口，对技术出口严重封锁，对我国的机械制造业发展造成了巨大的障碍。近年来，机械的发展都在趋于自动化智能化。图1.2印刷机中的凸轮分割器1.1.3国外的研究现状从1930年以来凸轮得研究就被一些研究设计人员提上工作日程并且夜以继日地开始了研究。上世纪六十年代过后，这一领域内的许多技术都变的完善起来，产生了较为规范的运动规律设计。许多学者及研究工作者发表了很多关于凸轮结构的研究论文。日本对于凸轮的研发同样具备很大的贡献。在凸轮机构的设计上,专注于为了寻求对凸轮机构的准确理解和让其曲线更加多元化，以达到新要求。并加强了对凸轮机构动力学和振动方面的研究和标准化开发研究，发展形成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的计算机辅助设计系统。美国、欧洲、日木等国家的一些机械制造企业开发了供本国企业使用的凸轮计算机辅助设计系统，有的还形成了商业化软件，如日木サンコール株式会社（圣科尔股份有限公司）开发的HYMOCAM系统等[2]。图STYLEREF1\s1.3plc中的电子凸轮功能1.1.4课题的研究意义及方向以现在的学识想要对凸轮机构的应用研究有重大的成果无疑是不现实的，所以本课题的研究目的在于，归纳各种类型的凸轮机构，并对其进行分析比较，总结各自的特点和规律，从研究中获得一些有价值的结论，通过计算机辅助设计软件对凸论机构进行建模仿真分析。同时对凸轮的应用领域进行研究，同时希望探索凸轮的新的应用领域。以及新型凸轮。1.2论文的主要工作和论文安排1.2.1论文的工作安排第一章：绪论，简要讲述国内外现状和具体安排。第二章：凸轮机构的分析，分析凸轮的各种特性和参数。第三章：proe辅助建模分析：简单介绍proe软件，并对计算机辅助设计前景进行说明，设计并使用proe建模功能构造凸轮机构实体。第四章：凸轮的应用探索：根据在利用计算机辅助设计软件在对凸轮的探究中受到的启发，对凸轮可能进行应用的领域进行叙述。第五章：新型凸轮探究。第六章：总结与展望。1.2.2论文的总安排首先对各类凸轮进行总结，了解凸轮的特点应用，其次使用proe计算机辅助对凸轮进行建模，并对凸轮设计进行分析，再在现有基础上对凸轮的应用领域进行了解，并希望对新型凸轮进行探索。凸轮机构的分析2.1凸轮机构2.1.1凸轮机构分析在凸轮得设计和制造中，从动件的位移、速度和加速度必须严格按照预期的规律进行。凸轮机构是非常方便和适用的。因此，常常使用在一些控制装置中，承担一个自动控制部件的作用。凸轮机构可以把电动机或其他驱动力设备输出的转矩直接转化成从动件按照设计导路预定的工作路径进行运动,并依赖于凸轮轮廓曲线准确地执行所需要的运动规律[3]。这种凸轮的主要优点在于：只要我们对凸轮的轮廓和曲线设计正确,就能够实现任意一个给定的运动规则,并且它具有结构简单、紧凑、可靠的好处。缺点就是非常容易发生磨损。图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s11内燃机中的凸轮机构2.1.2机构分类凸轮机构类型很多。如图2.2就对凸轮的分类做了一些总结，按照不同的方法进行凸轮分类图2.SEQ图\*ARABIC\s12凸轮的分类平面凸轮机构：根据轮盘形状分类盘型凸轮（diskcam）该种凸轮是最为简单的一种凸轮，在设置偏距时可以对心可以偏心。盘型凸轮的构造简单，在各个领域的应用都较多，是凸轮中最基础的种类。移动凸轮（translatingcam）当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作直线移动，这种凸轮被称之为楔形凸轮或移动凸轮。如图2.3图2.SEQ图\*ARABIC\s13移动凸轮机构圆柱凸轮（cylindricalcam）该种凸轮是以圆柱体为凸轮，在工作时，在圆柱体上开出沟槽，根据不同的沟槽形状便可时从动件按照预定工作路线运动。按从动件的形式分类尖顶从动件（knife-edgefollower）这种从动件结构简单，如图2.4，优点是尖顶可以因为是点面接触所以能和各种形状表面向配合。但是点面接触易磨损，若载荷较大会导致寿命很短，故一般只用于轻载低速机构和仪表机构中。图2.SEQ图\*ARABIC\s14尖顶从动件滚子从动件（rollerfollower）在尖顶的基础上将尖顶变为滚子，将点面接触变为线面接触或者面面接触，众所周知在考虑摩擦力时，同样的两个接触表面滚动摩擦往往远远小于滑动摩擦，滚子从动件相对尖顶从动件，改善了工作条件。一般可以承受较大的载荷，应用也是最为广泛的一种类型。平底从动件（flatfacedfollower）从动件的一端做成一平面。有利于驱使从动件和凸轮之间产生出一层润滑油膜，但是往往会因为是平底从动件，所以应用受到一定限制，当凸轮轮廓带有凹形时便不使用。一般用于高速凸轮机构。2.1.3从动件的常用运动规律从动件的预定运动规律是靠改变凸轮的轮廓形状来实现的。因此从动件的唯一s、速度v和加速度a与凸轮的轮廓曲线有着直接的关系，所以在设计时，要按照具体的工作要求和需要的运动轨迹选择合适的运动规律[4]。等速运动规律当凸轮以角速度ω回转，从动件在推程或回程的速度为常数时，这种运动规律称为等速运动规律，但是在运动的过程种有刚性冲击，是由于加速度无穷大突变而引起的冲击，一般用于低速机构中。推杆在推程的运动方程和运动规律如图2.5所示S=V=a=0 (2-1)图2.5等速运动规律推杆在回程的运动方程可有推出：S=V=−a=0（2-2）等加速等减速运动规律在这种运动规律中，通常取从动件在一个行程h中前半程以等加速运动，后半程以等减速运动，且两者绝对加速度值相等。因此称为等加速等减速运动规律。由于加速度有限值突变会导致从动件产生有限值得惯性力突变而产生柔性冲击故一般也只用于中速机构中。推杆在推程作等加速的运动方程和运动规律如下图2.6所示：S=V=4hωa=图2.6等加速等减速运动规律推杆在推程作等减速的运动方程为：S=h−2h∅a=−4h（2-4）简谐运动规律当质点在圆周上作匀速运动时，质点在该圆直径上投影点所构成的运动称为简谐运动规律，简写运动的数学表达式为S=R-Rcosθ，而凸轮机构作简谐运动时其相应参数应取R=h/2，θ/Π=/t带入上式可得运动方程式。该种运动规律也只适用于中速中载的场合。余弦加速度运动规律又称为摆线运动规律，可推出其推程时的运动方程:S=h

V=

a=2π此外存在着多项式等运动规律。如多项式运动规律，适用于高速中载的凸轮机构中。2.1.4运动规律的组合及选取虽然凸轮可以按照多种运动规律来进行运动，但是实际情况是单一的运动规律难以满足凸轮的工作运动要求，所以一般在使用凸轮机构，进行设计时通常都需要将两种或多种运动规律相结合。而运动规律的组合需要考虑运动曲线的速度随时间和加速度随时间的变化应该连续，避免局部产生突变，因为突变往往会带来惯性力而引起的冲击这对于机构的运动稳定性和使用寿命都有极大的危害，且推程和回程位移曲线过渡处应当做到相邻两种的过渡时的加速度与速度相同以使位移曲线平滑，且因为等速和等加速度等运动规律和简谐运动规律时有加速度突变，会产生冲击一般不用做过渡部分的运动规律[5]。不同的要求会产生不同的影响，而具体原则没有固定的规矩，只需要大致满足下面几个要求。便可以设计出合理的运动规律的凸轮机构。组合后的从动件规律应当满足下列要求：工作要求：在工作时根据不同工况对从动件肯有着不同的工作要求。优秀的动力特性：避免较大刚性冲击和柔性冲击。良好的加工工艺性：在设计过程中也应当考虑加工的难度和成本的核算。具有复杂功能的凸轮机构在设计的过程中往往会出现许多不方便加工的地方而为了在加工过程中既保证凸轮的加工质量又保证机构的经济性是重中之重。从动件运动规律的选取主要从工作条件的区别来选取，主要取决于是刚性冲击还是柔性冲击。2.2凸轮参数基本尺寸2.2.1压力角压力角α：从动件在接触点所受的压力方向与该点线速度方向所夹的锐角（有用分力，沿导路方向；有害分力，垂直于导路；α越小有用分力越大）α愈大，有效分力F’愈小，有害分力愈大，引起的摩擦力越大，当摩擦力超过有效分力，不论输入多大的转矩，不论F多大，都不能使从动件运动，这种现象称为自锁[6]，因此，为了确保凸轮机构正常工作，在设计时必须选择合适的最大压力角。如图2.7图2.7压力角可以通过改变基圆半径；改变直动推杆的偏执方向和偏距大小；改变凸轮推程运动角等方法来控制凸轮的压力角，小的压力角有利于凸轮的传动效率提高，且可以避免机构自锁。2.2.2基圆半径基圆：以理论廓线最小向径R0作的圆。由公式可知

tanα=（2-6）基圆半径愈小压力角就愈大从而影响了凸轮机构工作可靠性,受力状况也会产生影响,故基圆半径确定时应该保证其压力角的最大大小不能超过允许值,且尽可能地使得凸轮机构的结构更加紧凑。2.3设计参数的确定2.3.1凸轮机构基本尺寸的确定压力角许用值[α]移动从动杆推程时，摆动从动杆推程时，移动和摆动从动杆回程时，校核：αmin<=[α]压力角的影响因素主要是基圆半径，如图2.8所示，推杆的偏置方向和偏距大小，凸轮推程运动角的大小等因素。基圆半径的确定：设计时，通常是考虑最大压力角不超过许用值，且工作要求能得到保障，使机构结构尽量紧凑，即尺寸尽量小，通常r0≥1.8r+（4—10）mm（r为凸轮轴孔半径）图2.8基圆与压力角关系滚子半径的确定：从强度考虑，rT越大越好。（因为rT增大，接触应力小，磨损小，强度高。）但滚子半径对实际轮廓曲线是有影响的，不能任意增大，如图2.9。图2.9滚子半径与凸轮轮廓图中：ρmin--理论廓线的最小曲率半径ρ′min--实际廓线的最小曲率半径当实际廓线为外包络线时

ρ′min=ρmin+rT

ρ′min=ρmin-rT此时，无论滚子半径大小，凸轮工作轮廓是光滑曲线当实际轮廓为包络线时rT=ρmin，出现尖点，容易磨损，导致运动失真。rT＞ρmin，出现交叉，导致运动失真。rT<=0.8ρmin,并且ρmin-rT>=(3~5)mm。2.3.2凸轮轮廓曲线设计方法凸轮轮廓曲线图解设计法、凸轮轮廓曲线的解析设计法[7]，这两种方法采用的都是“反转法”，所依据的是相对运动原理。是通过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。2.3.3设计注意事项在设计时基圆半径的大小应当尽量小，但是压力角不得超过许用值，当运动规律给定以后，压力角愈大，基圆半径越小，凸轮机构的尺寸便会随之减小。所以可以通过增大压力角的方法来得到紧凑的机构。但是这就和前面的分析一样，压力角过大的情况下，凸轮机构的受力情况会变得恶化，同时降低机械的效率，情况严重甚至会出现自锁现象。基圆半径一般可以通过经验公式得出[8]。2.4本章小结本章分析了凸轮机构的分类方法以及基本种类和一些从动件的运动规律和选取原则，同时介绍了凸轮的一些基本参数和设计要求，介绍了凸轮轮廓曲线的设计方法和凸轮设计注意事项。

第三章计算机辅助设计分析3.1proe/Creo3.1.1proe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。3.1.2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。3.2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。3.2.1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°，23.43），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3.1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3.1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3.2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3.3所示：图3.2反转法确定从动件尖顶位置图3.3理论廓线3.3三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。3.3.1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3.4:（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3.4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3.5从动件组合模型，以及图3.6机构装配模型图3.5从动件模型装配图3.6机构模型装配图3.3.2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3.7图3.7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3.8为该设计草图图3.8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3.9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3.9盘形凸轮（2）滚子建模如图3.10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3.10滚子（3）推杆建模如3.11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3.11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3.12所示：图3.12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3.13。图3.13主动件模型（3）桌面建模。主要使用旋转体如图3.14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3.14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3.15所示图3.15转盘及货物的模型3.3.3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3.16.图3.16约束种类下面是盘形滚子凸轮的模型装配，如图3.17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3.17盘形凸轮装配图间歇式机构的装配如图3.18，3.19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3.18间歇式机构模型装配图1图3.19间歇式机构模型装配图23.4计算机辅助仿真3.4.1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。3.4.2proe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3.20所示图3.20proe仿真步骤流程图3.4.3proe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3.21所示图3.21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3.22所示，然后点击选取，和对话框中的“确定按键”图3.22凸轮1曲面如图3.23所示选取如图曲面作为凸轮二的曲面图3.23凸轮二曲面（4）下一步单击凸轮从动机构连接定义选如图3.24所示的轴完成凸轮从动件机构连接定义。图3.24运动轴（5）定义伺服电机：点击工具栏图标，定义伺服电机，类型选运动轴，定义凸轮模型的旋转方向，和旋转速度如，图3.25所示，接着单击轮廓，栏中选速度，确定一速度大小，这里设置为模的大小为一百，点击确定完成电机的定义。图3.25速度定义（6）测量的定义；点击工具栏测量，弹出对话框，对要测量的数据和测量参考点进行定义选择，选取参考点和位移测量。如图3.26所示图3.26测量定义3.5仿真分析运动仿真如图3.27所示完成运动仿真下一步为分析运动参数点击工具栏“分析”找到运动分析设置好帧数和帧率可以开始仿真，从测量栏可以找到每一次的试验数据纪录图3.27proe运动仿真选择工具栏仿真分析设置好测量内容，分别是时间位移，时间速度，时间加速度。在测量速度和加速度是选用的方向是Z方向的分量可以得到凸轮机构的x-t图形如图3.28所示，和v-t图形如图3.29所示，和a-t图形如图3.30所示。图3.28位移时间图形图3.29速度时间图形图3.30加速度时间图形从运动机构的仿真数据可以看出改凸轮的从动件加速度突变过大，说明在机构的运行中会受到较大的冲击，长时间运行可能导致机构失效。从而可以进行针对性的改进和二次模拟测试。从测量分析得到的图形可以直观简单的了解机构的运动状况，这无疑是传统设计无法达到的，将传统文字信息和需要多次试验才能的到的数据图形化，让设计人员能直观明了看出设计的有缺点。不但省了许多试验的时间，也让试验的可靠性得到大大增加。整个过程的操作过程，可以明确的感受到计算机辅助设计对现代设计的意义之所在。3.6本章总结本章简要阐述了计算机辅助设计的前景和应用并利用计算机辅助设计软件proe对个别种类的凸轮机构进行了设计建模和仿真分析，通过cad绘图功能辅助进行凸轮轮廓曲线的绘制相较于传统凸轮机构设计，可以将绘制轮廓曲线时的精确度提升到小数点后2位甚至根据需要可以提升更高倍数，样条曲线功能的应用可以使得凸轮轮廓曲线的连贯性较手工绘制更为接近实际情况。使用proe对凸轮机构进行分析，利用proe自带的分析结果图形绘制系统，能够得到直观的机构运动参数图形，根据图形信息对凸轮进行运动特性的分析和针对性修改。

第四章凸轮的应用探索4.1凸轮的使用现状凸轮自人类工业革命以来就得到了广泛的应用，而且应用领域也是相当的广泛，从工业生产到日常生活都有凸轮的身影，从汽车的发动机配气机构中的盘型凸轮，到打印机中的间歇式凸轮机构，再到机床上的凸轮换刀机构。发展到了今天，电控装置的出现和电控技术日益成熟。4.2凸轮的新应用凸轮的应用——复合弓；在现代复合弓的发展上，凸轮作为一个重要部件发挥着让复合弓具有更好的力学性能的重要作用，设置一组偏心轮作为弓箭的弓轮，结合弓弦组成一个简单的机构，通过凸轮的运动特性可以让同样的发射距离下弓箭有更快的发射速度如图4.1所示：图4.1现代复合弓选用偏心轮作为复合弓的弓轮，偏心轮就是个凸轮,下对复合弓的轮组和偏心凸轮对于复合弓弓弦回收速度的影响分析，来对凸轮在复合弓中的应用理论依据进行证明，如图4.2所示。图4.2复合弓上的凸轮复合弓原理图：如图4.3图4.3复合弓原理图圆轮弓箭发射速度分析：假设复合弓的弓轮设置为圆轮分析弓箭发射速度，从简化的模型原理图入手研究，不考虑箭的加速时间，如图4.3所示，当弓弦与水平线间的夹角为θߠ,转动的线的距离为：（4-1）此时R≪2h，弓弦的伸长量看作2ΔL，根据能量守恒定律，（4-2）若若转动惯量足够小将式4-1带入4-2，可以推出箭的瞬时速度：（4-3）其中v为弓弦与水平加角呈θ时弓箭的瞬时速度。凸轮弓箭发射速度分析：此时假设复合弓的弓轮设置为凸轮分析同样情况下的弓箭发射速度如图4.4所示。图4.4弓轮凸轮简化模型如图所示，图中一个主轮和一个副轮，O为旋转中心，e是偏心距，mn是OO1所在直线。M是弓弦在大轮上的连接点，K是副弦在小轮上的连接点，连接OM,O1M，由于旋转角速度ω相同所以有：（4-4）（4-5）其中v收为与内轮连接的弓弦的收缩速度，三个角满足：（4-6）当∠OO1M=180°，即α=β=0°时：（4-7）当∠OO1M=0°，α=180°，β=0°时：（4-8）由与在现实中并不会出现（4-8）的情况，此时有：（4-9）由于R+e＞r，他们的商大于1，此时弦速会大于与内轮连接的弦的v收缩。可以说明采用凸轮作为复合弓的弓轮可以使弓箭在同样的弓形变下居具有更快的初速度。由此可证明凸轮在复合弓中的应用的理论依据。在传统小型手推车中，如运货的平板车，手推车刹车通过一个摩擦车锁来对车轮进行锁死这样一来工作可靠性得不到保障，如图4.3所示图4.3传统手推车刹车装置且塑料橡胶制品在长时间的暴露在空气中，在光热氧气的作用下容易风化变脆，这会使得刹车装置变得并不可靠，这样一来不但不利于使用，也会有很大的局限性。可以尝试使用凸轮机构做一个便捷的车锁装置。如图4.4所示图4.4车锁装置模型图该机构简的机构简图如图4.5所示：图4.5车锁装置机构简图由式4-10可知压力角α式凸轮转角机构转动时推杆的受力情况如图4.6所示：图4.6推杆在凸轮的推力F作用的受力分析根据力的平衡条件可知：推杆不发生自锁的条件是F’>Ff，反之，若是需要凸轮自锁就需要F小于两摩擦力，该力F为有效分力，只需要保证凸轮机构的到达最大压力角的情况下满足自锁便可使该机构锁死。假设该机构为45钢材质，查询资料可知，45钢的摩擦系数为0.15由公式已知钢的摩擦系数会随表面粗糙度增加而增加如图4.7所示：图4.7钢表面粗糙度与摩擦系数关系将凸轮的轮廓中段设置为直线，在凸轮推动推杆向上运动的时候，由于凸轮的选装可知压力角会随凸轮上升不断变大，从而有效分力F’会变小，当有效分力F’＜Ff时发生自锁，根据公式（4-12）可知若自锁有Fsinαμ＞Fcosα，通过改变表面粗糙度使条件更易满足，μ取0.35，计算得出当α＞70.6°时可以发生自锁，所以只需要压力角的最大值超过这一数值，便可使机构达到自锁目的。此时无论多大的力都不能使车轮轴继续转动。由于凸轮运动的周期性，可以运用于一些需要进行周期性往复运动的机械上，例如生活中可能用到的破碎机，粉碎装置，只需要一根铁棒和一个电动机带动的凸轮就可以完成周期性的粉碎功能。原动件为电动机，通过一个带传动来带动凸轮转动，而凸轮会周期性的与铁棒上的一根横杆接触，并带着铁棒向上运动，将铁棒抬高，但是由于有导路的限制，铁棒只能在垂直方向上作往复运动，当凸轮将铁棒太高到一定的高度时，便脱离接触，然后在重力的作用和导路的限制下，铁棒下落，可以对安装在铁棒正下方的器皿内的物体进行破碎，凸轮在皮带的带动下继续旋转直到进入下一个行程，凸轮继续带动铁棒上升，脱离接触，下落。这套装置利用凸轮的特性，仅仅使用几个简单的构件便可以完成一套完整的工作流程。这就是凸轮在生活领域的简单实用的一个应用。现在生活中对于凸轮应用最为广泛便是凸轮锁，如原理凸如图所示图4.8所示图4.8凸轮锁锁舌模型凸轮锁是最常见和最简单的锁的使用之一。凸轮锁是加拿大安大略省的沃尔克.盖尔于上世纪八十年代发明的锁舌是一个金属板，这个金属板就是一个凸轮，这个金属板固定在紧锁装置的核心上，随着钥匙插入的转动，凸轮在90°到180°之间旋转，从而锁定和解锁。往后的发展过程中凸轮锁也有所改进，一些大物品在使用凸轮锁时，将锁舌的外部连接一根推杆当锁舌转动的时，这一简单的凸轮推杆机构，在钥匙的带动下推杆顶出，插入锁销之中，从而完成上锁的过程，这些案例都是很简单的凸轮机构。这种锁的结构简单，价格低廉，使用安装方便是凸轮的优秀应用实例。而在一些小型加工生产作坊中，各种条件所限制，使用大型的机械手臂或者一些电控装置并不经济。完成一些往返运动或者重复的取料上料功能，许多都是用人工的方法来完成的。而凸轮的特性可以完美的解决这一问题，不但能提高效率，还具有很好的经济性；现在假设一小作坊批量生产一批产品，需要定时向加工机器内送料，此前时采用人工上料的方式，成品出来便往加工机器内送料，但是由于人工的局限性，生产效率一直得不到提高。且日产量的不到保证。下图是尝试设计的一个利用凸轮机构能完成简单定时的上料功能的机构该凸轮机构，通过电机带动凸轮旋转，凸轮旋转带动滚子推杆沿预定轨迹往复运动，机械手爪与连杆相对固定，故机械手爪也可做固定轨迹的往复运动，从而使上料手臂能定时推料。而在后续的使用中可以再加以连杆于放料处开关，通过连杆往复来带动放料开关。每一次上料都带动一次放料，可以保证每次只上指定量的料。通过改变凸轮的轮廓形状或者电机转速，可以达到控制时间间隔的目的，这样一来凸轮就变成了一个可“编程”的自动化装置。由此可见，凸轮机构用于控制的功能虽然在一些大型工厂或企业的生产中的应用相对电控装置的使用比重逐渐下降，但是凸轮机构，结构简单，运动规律易控制，可以根据对凸轮轮廓的改变完成许多复杂的运动规律，且凸轮机构进行控制不同于电控装置，维护简单，设计也较为简单，最重要的的是它的经济性，很符合一些中小型作坊的设备使用条件。凸轮在现代工业中的应用还包括机械加工设备，生产过程控制，自动包装、制鞋，排版机及食品工业机器，甚至在往复式发动机和压缩机中也有应用。4.3本章总结本章从凸轮的应用角度进行了论述1、复合弓弓轮的应用2、凸轮锁的应用3、凸轮刹车装置的应用4、凸轮在小型加工作坊中的应用.并对其应用原理进行仿分析证明。

新型凸轮机构本章将会从凸轮的材料和凸轮工作情况优化两个方面的新型凸轮进行简要论述和探究。5.1新型凸轮材料5.1.1传统凸轮材料和结构传统的凸轮制造中结合凸轮的工作要求和工作环境，通常以下几种凸轮的结构：整体式：当凸轮机构的结构较为紧凑时，通常将凸轮轴与凸轮在制造时铸造为一个一体式的结构。但是这种情况只适用于基圆半径较小的紧凑结构。镶块式：当生产线上使用凸轮机构进行控制时，不同的产品生产其控制需要不同，凸轮需要时常更换，采用这种镶块式的结构以方便更换。（1）组合式：在转速小于100转/min的大型凸轮中，如船用柴油机等大型低速型机械的凸轮，凸轮尺寸较大且转速可低至30转/min为了方便加工制造和便于调试凸轮与从动件的初始的相对位置，将凸轮做成组合式。凸轮的主要失效形式：凸轮机构在工作时承受较大载荷，从动件和凸轮接触的部分磨损严重且主要失效形式为疲劳点蚀和磨损。根据凸轮的失效形式一般对凸轮和从动件上滚子或顶尖的材料通常有以下几个要求：1、工作表面硬度要求高2、耐磨性3、有足够的表面接触强度4、凸轮芯部有较强的韧性。而凸轮材料的选择主要依据是其运动速度与承载大小。载荷不大、低速时可选用HT250、HT300、QT800-2、QT9OO-2等作为凸轮的材料，轮廓表面需经热处理，以提高其耐磨性。中速、中载的凸轮常用45、4OCr、20Cr、20CrMn等材料，并经表面淬火，使硬度达55～60HRC。高速、重载凸轮可用40Cr，表面淬火至56～60HRC，或用38CrMoA1，经渗氮处理至60～67HRC。一些材料，以20钢和锰铬合金钢和不锈钢为例在温度变化下的力学特性变化如图5.1图5.2所示图5.1抗拉强度随温度变化特性图5.2屈服强度随温度变化特性从图中可以分析出，随温度升高金属的强度会明显降低，但是塑性会随温度增加而增加，这种现象不利于凸轮工作。可以考虑能否从材料特性和散热情况两个方面来对凸轮进行优化。一般在制造凸轮的时候除了选材还会对凸轮进行适当的热处理来使凸轮表面具有较高的硬度和耐磨性。通过研究发现可以考虑凸轮从新型材料方面来优化凸轮设计。5.1.2基于ansys对凸轮工作的温度场分析针对不同材料凸轮工作时的工作情况对凸轮本体进行ansys的稳态热分析。来获取凸轮本体在工作时的温度场分布。第一步打开ansys的稳态温度分析模块导入凸轮模型。进行网格划分如图5.3所示：图5.3凸轮模型网格划分由于对凸轮本体工况的温度分析只需要分析温度的分布区域以及温度的梯度分布情况，故选择4节点单元，且对网格密度要求不需过大，可以在不影响分析结果的情况下减少分析时间。设置创建新材料，按照凸轮常用材料设置六个算例如表5-1：表5-1算例参数表序号导热系数λ（KW/m·k）热线膨胀系数a密度ρ（kg/m3）比热容c（J/kg·°C）算例150.212.32×10-67890480算例232.611.9×10-67820460算例336.413.6×10-67850465算例437.212.4×10-67800495算例523723.21×10-62700880算例6388.3×10-67860545创建六种材料，对不同材料的凸轮进行温度场分析，添加约束，注意的是不需要添加温度约束。对凸轮进行同样的初始条件下，温度的分析：可得各个凸轮的温度场分布如图5.4-图5.9所示：图5.4算例1图5.5算例2图5.6算例3图5.7算例4图5.8算例5图5.9算例6考虑到凸轮几何形状也可能对凸轮的温度分布产生影响，设置一组分析改变凸轮形状对凸轮进行分析如图5.10所示，同时进行网格划分依旧选择四节点单元。图5.10改变凸轮几何形状分析对凸轮进行网格划分如图5.11所示：图5.11网格划分此时材料的选择为材料钢对凸轮进行稳态热分析可以得到如图5.12所示：图5.12几何形状二工作温度分布通过凸轮工作的的温度场分析可以发现，虽然摩擦发生在凸轮的表面，但是温度高梯度部分却是集中在凸轮的芯部，同时发现对同样条件下对材料对凸轮内部温度影响最大的参数是材料的导热系数，大导热系数的温度分布梯度，较小的导热系数材料对温度分布梯度会更小；其次几何形状对温度分布也有一定的影响。温度梯度与凸轮向径的关系是距离凸轮中心越近，温度越高，且梯度越小。针对这种现象，如果采用一种导热系数小，且满足凸轮轮廓对材料要求的耐磨性以及硬度要求的材料同时其力学性能较传统凸轮材料不会有过多削弱。凸轮与从动件的选材都需要根据不同的工作条件相匹配且适当，，如硬钢和铸铁，用于高速滑动，铸铁和铸铁匹配也尚可，但是软钢和软钢配合效果就不佳。而近年来一些碳基复合材料的出现让一种材料同时满足高强度，体质轻，且有一定的韧性成为现实。碳基复合材料既保持着碳的优点如耐高温、耐疲劳、化学惰性、强度随温度升高而增大，还一定程度上克服了碳的缺点，大大提高了韧性和强度，降低了热膨胀系数。现在碳基复合材料的运用在各个领域都有一定涉及，碳纤维可以将金属材料作为基体材料，碳纤维增强金属基复合材料通过复合的方式来达到所要求的效果。虽然受成本和制造难度等限制，碳基复合材料多用于一些高精尖项目，火箭发动机喷管，飞机刹车盘等。但是现在也用于一些制造业，如碳纤汽车车架，碳纤维自行车，碳纤，碳纤维鱼竿等。：碳基复合材料可从由图分析出，加强后的复合材料在高温下的力学性能不但不会衰减，反而会有加强，如硬度，强度，疲劳极限等。在转速高于200转/min的高速凸轮机构中，在摩擦力的作用下机构温度不断升高，导致金属材料塑性变强，若是载荷较大引起零件接触部分的接触情况恶化，在制造凸轮时凸轮轮廓材料与芯部材料选用不同特性的材料。碳基复合材料具有高强度，耐热性好，低热膨胀系数等优点，根据机械零件的使用要求需要满足其工作环境下的环境特点和工作温