郑宇洋机电毕业设计凸轮机构.doc

目 录

一、 绪论 ……………………………………………………………1
1.1凸轮机构概述 ………………………………………………1
1.2凸轮机构课题研究背景及意义 ……………………………1
1.3凸轮三维造型技术的国内外发展状况 ……………………3

二、 基于特性的凸轮机构CAD开发的程序设计 …………………3
2、1 系统开发平台 ……………………………………………3
2、2 盘形凸轮基圆半径的拟定 ………………………………3
2、3 设计凸轮轮廓曲线 ………………………………………4
2、4 盘形凸轮CAM ……………………………………………5
2、5 举例及应用—偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构的设计…7

三、 实例模型——基于凸轮机构CAD特性的三维设计与实现……8
3、1盘形凸轮轮廓设计 ………………………………………8
3、2凸轮机构动态模拟 ………………………………………14

四、 总结 ……………………………………………………………15

五、 参考文献 ………………………………………………………16

1 绪论
1、1 凸轮机构概述
低副机构一般只能近似地实现给定运动规律，并且设计较为复杂。当从动件的位移、速度和加速度必须严格地按照预定规律变化，特别当原动件作连续运动而从动件必须作间歇运动时，则以采用凸轮机构最为简便。凸轮机构由凸轮、从动件或从动件系统和机架组成，凸轮通过直接接触将预定的运动传给从动件。凸轮机构具有结构简朴，可以准的确现规定的运动规律等优点。只要适本地设计凸轮的轮廓曲线，
就可以使推杆得到各种预期的运动规律。在各种机械，特别是自动机械和自动控制装置中，广泛地应用着各种形式的凸轮机构。凸轮机构之所以能在各种自动机械中获得广泛的应用，是由于它兼有传动、导引及控制机构的各种功能。当凸轮机构用于传动机构时，可以产生复杂的运动规律，涉及变速范围较大的非等速运动，以及暂时停留或各种步进运动；凸轮机构也适宜于用作导引机构，使工作部件产生复杂的轨迹或平面运动；当凸轮机构用作控制机构时，可以控制执行机构的自动工作循环。因此凸轮机构的设计和制造方法对现代制造业具有
重要的意义。
1、2 凸轮机构课题研究背景及意义
初期的工程技术人员大多采用作图法绘制凸轮轮廓，这种方法的效率低、精度差、很难精确地得到压力角和曲率半径等设计参数。在CAD二维设计阶段，CAD的作用仅仅是使工程人员得以摆脱烦琐、精度低的手工绘图，可反复运用已有的设计方案。而如今的CAD三维设计与CAM集成化，使工程人员可以从三维建模开始，进行产品构思设计和制图，实现了设计数据直接传输到生产的过程，大大简化了手工工作环节。由于计算机技术和各种数值计算的发展，使得很多方面的研究得以进一步。运用参数化技术三维CAD可以绘制精确的凸轮。参数化设计具有造型精确，造型速度快，避免了手工取点造型的复杂过程，完毕三维实体模型可以不断的修改的特点。由于电子技术的发展，现在某些设备的控制元件可以采用电子元器件，但他们一般只能传递较小的功率，而凸轮机构却能在实现控制功能的同时传递较大的功率。因此，凸轮机构在生产中具有无可替代的优越性，特别在高速度、高精度传动与分度机构及引导机构中，更有突出的优点。可以说，对凸轮机构的进一步研究，特别是对高速凸轮机构及其动力学问题的进一步研究，是长期、连续并有重大意义的工作。现代三维CAD已经辐射到对整个制造公司生产、管理进行全方位的辅助，对制造业的发展具有深远的影响。
1、3 凸轮三维造型技术的国内外发展状况
CAD技术是先进制造技术的重要组成部分，运用CAD技术可以起到提高公司的设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期、加强设计的标准化等作用。本文在研究基于特性的三维CAD理论的基础上，开发出一个扩充性、开放性、复用性和维护性良好的CAD软件系统。并在CAD技术理论和CAD软件体系结构上，做出了许多具有重要意义的工作。本课题运用了基于Windows平台开发的Visual Basic语言来进行凸轮的参数化设计。程序的目的就是在Visual Basic中输入凸轮的有关参数，由 SolidWorks 2023来自动生成凸轮实体。程序提供了良好的输入界面，操作简朴、方便。与以往的手工凸轮设计相比较，参数化的设计方法具有效率高，凸轮轮廓精度高，设计时间短等特点。
二、 基于特性的凸轮机构CAD开发的程序设计
2、1 系统开发平台
CAXA-电子图板（下称EB）是一个通用的二维CAD软件，它有一个很好的功能-画公式曲线，只要在公式曲线的对话框中填入曲线公式及相关参数就可以画出曲线。这样就可以很容易地完毕凸轮廓形曲线的设计，而无需任何形式的语言编程。下面介绍作图法设计盘形凸轮的过程，其中的所有作图过程完全是在EB上交互作图完毕。
已知推杆运动规律S、最大行程h或φmax以及升程许用压力角[α1]和回程许用压力角[α2]，用作图法设计盘形凸轮轮廓有两个环节:先要拟定凸轮基圆半径r0，然后再求凸轮轮廓廓形。
2、2 盘形凸轮基圆半径的拟定
2、2、1 直动推杆盘形凸轮的最小基圆半径
一方面在直角坐标系中作曲线C
X=S Y=dS/dδ
其中S=S(δ)，δ为凸轮转角。此曲线可用EB的公式曲线功能来实现。
另一方面作两条直线与X轴成升程许用压力角[α1]和回程许用压力角[α2]，且与所作曲线相切，则有交点A，那么就有OA=r0min，如图1所示。图1中阴影部分为凸轮回转中心的可行区。以此为基础将偏心距e及OA进行圆整，就可拟定基圆半径，即取r0=OA1
2、2、2 摆动推杆盘形凸轮的最小基圆半径
由文献[1]可知，先在直角坐标系中作曲线C1
X=ρcosθ Y=ρsinθ 且 ρ=L(1+dφ/dδ) θ=φ,其中摆杆的摆角φ=φ(δ)，L为摆杆的长度。
如图2所示，用EB的圆形阵列画法过O点在最大摆动角φmax做N条等分射线，与曲线的推程和回程段分别交于D、C点。再过D点做直线mm与直线OD成θ角（θ=90°-[α1]），过C点做直线nn与直线OC成θ1角(θ1=90°-[α2])，则图2中的阴影部分为凸轮回转中心的可行区，且O1A =r0min。以此为基础将O1A及中心距a进行圆整，就可得到基圆半径r0=O2A。
2、3 设计凸轮轮廓曲线
当拟定了凸轮基圆半径r0，并已知推杆运动规律及盘形凸轮轮廓曲线的解析公式[1]，就可用EB中的公式曲线功能来画出凸轮轮廓曲线。
2、3、1 直动滚子推杆盘形凸轮设计
先作出滚子中心的理论轮廓曲线。
X=(S0+S)sinδ+e·cosδ Y=(S0+S)cosδ+e·sinδ
其中， 由于工作廓线与理论廓线在法线方向的距离处处相等，且等于滚子半径。那么工作廓线为理论廓线的等距线。为了拟定滚子半径rr，用三点画圆的画法在理论轮廓曲线曲率最大的位置取三点求出ρmin，使rr=0.8ρmin。这样一来，在EB中作出理论廓线，再用EB中的画等距线的功能画出工作廓线（距离为rr），则完毕了该凸轮的轮廓曲线设计。
2、3、2 对心平底推杆（平底与推杆轴线垂直）盘形凸轮设计
根据反转法作图法可知，推杆平底与凸轮切点的轨迹为凸轮的轮廓曲线。此时，平面凸轮机构压力角与凸轮的基圆半径及从动件的运动规律无关。基圆半径由实际工作情况决定，其廓形曲线的解析方程为：
X=(r0+s)sinδ+(dS/dδ)cosδ Y=(r0+s)cosδ-(dS/dδ)sinδ
式中S=S(δ)。
2、3、3 摆动滚子推杆盘形凸轮设计
已知摆杆的长度L，摆杆运动规律φ=φ(δ)。先由上述方法拟定基圆r0以及中心距a。然后作出滚子中心B点的理论轮廓曲线，曲线方程如下：
X=a·sinδ-L·sin(δ+φ+φ0) Y=a·cosδ-L·cos(δ+φ+φ0)
运用EB绘出理论廓线后，再拟定滚子半径rr的数值，然后做它的等距线，则为此凸轮的实际轮廓曲线。有了凸轮廓形曲线之后，再进行其结构设计及尺寸标注等工作就完毕了凸轮设计。
2、4盘形凸轮CAM
盘形凸轮的廓形曲线为二维曲线，可采用两轴联动的数控铣（或加工中心）、线切割机床加工，其加工程序可采用通用的CAM软件自动编制。本文选用CAXA系列CAM软件中的数控铣（MILL）及线切割（WEDM）进行加工程序编制。
2、4、1 CAD/CAM数据转换
CAXA-EB的图形文献格式为*.EXB。由于开发时间的先后及版本不同，不同版本的EB图形文献不一定能被CAXA系列的CAM软件直接读取。因此图形数据应使用DXF接口进行互换。先在EB中将图形用数据接口中的DXFOUT命令以DXF格式输出，然后在CAM软件中用数据接口中的DXFIN命令读入。尽管EB的图形也许是用某一个非1:1的比例绘制的，但其转换后的数据仍是1:1的原始数据，这就可以保证由CAM软件生成的NC代码所加工的凸轮尺寸的对的性。
2、4、2加工代码的生成
当用CAM软件从CAD的图形文献中读入了凸轮廓形曲线数据之后，就可以进行加工程序编制。其过程如下：先交互指定欲加工的廓形曲线及走刀方向、加工侧，并给出加工参数，计算机自动计算出刀位轨迹；必要时可以对生成的刀位轨迹进行编辑修改，在计算机屏幕上进行加工过程仿真；最后根据选用的数控机床交互输入后置解决数据，计算机自动生成加工代码。
线切割加工有快走丝、慢走丝两种不同类型的控制系统（机床）。国产快走丝机床采用3B格式代码程序，而慢走丝机床采用G代码程序。因此，应用CAXA－WEDM软件编制凸轮廓形线切割程序时，若用快走丝加工，不需填写后置解决参数表；若用慢走丝机床，则要按WEDM的通用后置输入参数值。
采用数控铣加工凸轮廓形时，应用CAXA-MILL编写加工程序，当指定了欲加工的廓形曲线后，应输入加工参数，如刀具参数、加工精度、插补方式等。CAXA-MILL的后置解决是一个通用后置，使用时应按所选机床输入相关的参数。
使用CAXA系列CAM软件编写加工程序非常简朴，本文不作详述。
2、5举例及应用
设计一偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构。凸轮角速度ω1=1rad/s，逆时针转向，推杆最大行程h=25mm，凸轮推程运动角δ0=120°，运动规律为正弦加速度运动，远休止角δ01=60°，凸轮回程运动规律为余弦加速度运动，回程运动角度δ=120°，近休止角δ02=60°，许用压力角[α1]=30°、[α2]=60°。
（1）拟定理论轮廓曲线的基圆半径
由前述方法，作出拟定基圆半径的曲线。
推程：X=25[(3δ/2π)-sin(3δ)/2π] Y=25[1-cos(3δ)]/(2π/3) (0≤δ≤2π/3)
回程：X=25[1+cos(3δ/2)]/2 Y=-25πsin(3δ/2)/(4π/) (0≤δ≤2π/3)
用EB做图可得r0min=OO1=15.584mm， 且O1点e=11.416mm。取整后可在可行区内取一点r0=20mm、e=10mm。则S0=17.32mm。
（2）做凸轮的轮廓曲线
凸轮的理论轮廓曲线方程为分段方程。
推程：X={17.32+25[(3δ/2π)-sin(3δ)/2π]}sinδ+10cosδ
Y={17.32+25[(3δ/2π)-sin(3δ)/2π]}cosδ-10sinδ 式中0≤δ≤2π/3。
回程：X={17.32+25[1+cos(3(δ-π)/2)]/2}sinδ+10cosδ
Y={17.32+25[1+cos(3(δ-π)/2)]/2}cosδ-10sinδ 式中π≤δ≤5π/3。
远、近休止部分为两段以O为圆心的圆弧曲线。然后在凸轮理论轮廓曲线上作出ρmin=13.5mm，所以可取rr=5mm。最后做出凸轮实际轮廓曲线（如图3所示）。图4为此凸轮的零件图。
三、基于特性的三维凸轮机构CAD的设计与实现
凸轮在工业上应用广泛。对于各种不同的机械，凸轮工作轮廓可以用解析法设计，也可以用图解法绘制当用解析法设计时，必须针对某一特定形式专门编程计算，耗时巨大，且程序反复使用的也许性很小。而图解法简朴易行，一般的机械用图解法设计已能满足使用规定。
3、1 盘形凸轮轮廓设计
下面以尖顶对心直动从动件盘形凸轮为例，介绍凸轮轮廓设计的全过程。
    已知凸轮以等角速度ω顺时针方向转动，基圆半径rb=30min,从动件运动规律如表1所示。
    表1从动件运动规律

    1、创建基圆与从动件
    在新建的.max文献中，用ciecle命令创建半径为30mm的圆作为基圆，用box命令创建一个长方体作为从动件，为方便作图，然后用box命令创建辅助杆件，并将辅助杆件的中心坐标从其几何中心位置移至基圆中心位置；使用Align命令将它们对齐，并最终拟定它们的初始相对位置如图1所示。

图1
    2、绘制位移线图
    在TrackView中，将从动件沿其Z方向的移动轨迹按从动件运动规律编辑成如图2所示的位移线图。编辑的过程一方面需要设立几个关键点，然后根据从动件运动规律的规定，编辑各关键点的动画值以及在关键点处的切线类型，将点拟合成所需要的运动曲线。当移动时间滑块时，从动件按规定的运动规律上下往复运动。

图2
    3、拟定反转过程中从动件的端部位置

图3

移动时间滑块至某一点（如第30帧），如图3所示，从动件将上升一段距离。使用“SelectandUniformScale”命令并同时按下“shift”键将辅助杆件沿Y轴方向伸长至从动件端部位置并复制。然后，用“Rotate”命令将复制的辅助杆件反方向转动30o，如图4所示。以同样的方法拟定出从动件端部的若干位置，如图5所示。

图4

图5
    4、绘制凸轮工作轮廓
    打开捕获。用“NURBSCurve/PointCurve”命令依次捕获辅助杆件的端部位置，并画平滑曲线即凸轮轮廓曲线。如图6所示。

图6

用“Extrude”命令拉伸曲线，得盘形凸轮。如图7。

图7
3、2凸轮机构动态模拟
建立凸轮机构运动模型，可以将凸轮与从动件的转动与往复移动分别按各自的运动规律设立成动画，并且使两个构件在初始状态处在对的的相对位置。这样，当动画打开后，屏幕上所显示的就俨然是凸轮的转动带动从动件往复移动了。
    由上面可知，从动件已经是按规定的运动规律在360o范围内上下往复运动。现在要做的是让凸轮转动起来。将所有构件置于初始的对的相对位置，并将凸轮用“SelectandLink”命令链接在基圆上，然后在“TrackView”中，编辑基圆绕Z轴的转动曲线，使其在360o范围内做匀速转动。这样，凸轮就随基圆作匀速转动了。
    让凸轮转动的另一种方法是将凸轮的几何中心移到基圆的中心位置，并在“TrackView”中，编辑凸轮绕Z轴的转动曲线，使其在360o范围内做匀速转动。这样，凸轮就作匀速转动了。
四、总结
    基于CAD图解法设计盘形凸轮机构，具有以下几方面的优点：
    1、避免了运用解析计算方法繁琐的编程过程；
    2、避免了图解法用比例画图、量取线段作图，既提高了效率，又提高了精确度；
    3、在凸轮轮廓设计基础上，进行机构运动模型的建立，方法简便，效果甚佳；
    4、所建立的图形文献可导入到其它软件中进行编辑，以便于凸轮的继续设计与加工。

五、参考文献

1、宋文学、刘锡锋. CAD/CAM应用. 西北大学出版社， 2023

2、杨可桢、李仲生. 机械设计基础. 高等教育出版社， 2023

3、成大先. 机械设计手册. 北京：化学工业出版社，2023

4、孙恒、陈作模. 机械原理. 第6版. 高等教育出版社，2023

5、机械工程手册编辑委员会. 机械工程手册. 北京：机械工业出版社，1980

6、中国机械设计大典编委会. 机械设计大典. 南昌：江西科技出版社，2023

7、郑文纬、吴克坚. 机械原理. 第7版. 北京：高等教育出版社，1997