溝槽凸輪機構(gòu)的設(shè)計和運動仿真【含圖紙】

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摘 要 在當今經(jīng)濟全球化、市場競爭日趨激烈的時代，新產(chǎn)品的開發(fā)時間成為企業(yè)能 否在激烈的市場競爭中取勝的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計過程中重復(fù)計算、重復(fù)建 模等工作量很大，一直困擾著產(chǎn)品開發(fā)人員，嚴重影響了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和效率。 這種現(xiàn)象在凸輪的設(shè)計中尤為突顯。針對這一問題，本課題利用 Pro/E 軟件中的運 動仿真模塊對凸輪機構(gòu)運動進行模擬仿真。 本論文的主要研究內(nèi)容有： 1、溝槽凸輪設(shè)計 2、溝槽凸輪機構(gòu)的零部件的實體建模 3、溝槽凸輪機構(gòu)的運動仿真 關(guān)鍵詞：溝槽凸輪 實體建模 運動仿真 ABSTRACT In the competitive era of economic globalization and increasingly markets, the development time for new product become a key factor to win in the fierce competition market. The traditional product design process of double counting, such as repeated heavy workload and modeling have troubled the product development staff, a serious impact on product design quality and efficienct. This phenomenon is particularly on the design of cam highlights. Address with this problem, the subject of using the movement simulation module of Pro / E software on the cam movement simulation. In this paper, the main research contents are as follows: 1. Designing the groove cam 2. Modeling the mechanism parts of groove cam 3. Motion simulating of the groove cam mechanism Key Words: Cam groove, Modeling, Motion Simulation 目 錄 緒 論 ..................................................................1 1.1 本文研究的背景 ....................................................1 1.1.1 我國凸輪機構(gòu)的研究現(xiàn)狀 ........................................1 1.1.2 我國凸輪機構(gòu) CAD/CAM 的研究現(xiàn)狀 ................................1 1.1.3 國外凸輪機構(gòu)及其 CAD/CAM 的研究現(xiàn)狀 ............................2 1.1.4 我國凸輪 CAD 系統(tǒng)存在的問題 ....................................2 1.2 本文研究的主要內(nèi)容 ................................................2 1.3 本文意義 ..........................................................3 1.4 本章小結(jié) ..........................................................3 2 凸輪機構(gòu)設(shè)計分析 .....................................................4 2.1 從動件運動規(guī)律的選取 ..............................................4 2.1.1 從動件常用的基本運動規(guī)律 ......................................4 2.1.2 從動件運動規(guī)律的選取原則 ......................................4 2.2 凸輪機構(gòu)基本尺寸的設(shè)計 ............................................5 2.2.1 凸輪機構(gòu)壓力角和基圓半徑 ......................................5 2.2.2 凸輪機構(gòu)的偏距 ................................................6 2.2.3 凸輪滾子半徑 ..................................................6 2.3 凸輪輪廓設(shè)計 ......................................................7 2.4 機構(gòu)簡介 ..........................................................8 2.5 本章小結(jié) ..........................................................9 3 凸輪機構(gòu)的實體建模與裝配 ............................................10 3.1 Pro/E 軟件簡介 ...................................................10 3.2 零部件的實體建模 .................................................10 3.3 裝配原理簡介與裝配模型的建立 .....................................12 3.3.1 Pro/E 仿真裝配原理介紹 ........................................12 3.3.2 裝配模型建立 .................................................14 3.4 本章小結(jié) .........................................................17 4 凸輪機構(gòu)的運動仿真 ..................................................18 4.1 計算機仿真概述 ...................................................18 4.1.1 計算機仿真的基本概念及特點 ...................................18 4.1.2 計算機仿真技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用 ...............................18 4.2 Pro/E 運動仿真簡介 ...............................................19 4.2.1 Pro/E 運動仿真的特點 ..........................................19 4.2.2 Pro/E 運動仿真的基本術(shù)語 ......................................20 4.2.3 Pro/E 運動仿真的步驟 ..........................................21 4.3 凸輪機構(gòu)的運動仿真 ...............................................21 4.3.1 設(shè)置機構(gòu)環(huán)境 .................................................21 4.3.2 分析 .........................................................25 4.4 本章小結(jié) .........................................................29 結(jié) 論 .................................................................30 致 謝 .................................................................31 參考文獻 ...............................................................32 0 緒 論 1.1 本文研究的背景 1.1.1 我國凸輪機構(gòu)的研究現(xiàn)狀 凸輪機構(gòu)是典型的常用機構(gòu)之一。凸輪機構(gòu)是能使從動件按照給定的運動 規(guī)律運動的高副機構(gòu)，可以實現(xiàn)任意給定的位移、速度、加速度等運動規(guī)律， 而且與其它機構(gòu)配合可以實現(xiàn)復(fù)雜的運動要求。工程中，幾乎所有簡單的、復(fù) 雜的重復(fù)性機械動作都可由凸輪機構(gòu)或者包括凸輪機構(gòu)的組合機構(gòu)來實現(xiàn)。又 由于凸輪機構(gòu)具有平穩(wěn)性好，重復(fù)精度高，運動特性良好，機構(gòu)的構(gòu)件少，體 積小，剛性大，周期控制簡單，可靠性好，壽命長等優(yōu)點，因而是現(xiàn)代工業(yè)生 產(chǎn)設(shè)備中不可缺少的機構(gòu)之一，被廣泛用于各種自動機中。例如，自動包裝機、 自動成型機、自動裝配機、自動機床、紡織機械、農(nóng)用機械、印刷機械加工中 心環(huán)刀機構(gòu)、高速壓力機械等。 我國以前對凸輪機構(gòu)深入系統(tǒng)地研究較少，僅在內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)有較 深入研究。1990 年以來，有關(guān)凸輪機構(gòu)的應(yīng)用研究取得了一大批成果，許多己 應(yīng)用于生產(chǎn)。陜西科技大學完成的(高速高精度間歇轉(zhuǎn)位凸輪分度機構(gòu) CAD/CAM)， 1995 年獲陜西省科技進步二等獎：開發(fā)的 “凸輪分度機構(gòu)傳動裝 置”獲中國輕工總會優(yōu)秀新產(chǎn)品一等獎；加工弧面凸輪的“XK5001 雙回轉(zhuǎn)坐標 數(shù)控銑床”獲實用新型專利。天津大學關(guān)于分度凸輪機構(gòu)的研究，得到了國家 自然科學基金的支持；研究開發(fā)的兩片式平行分度凸輪機構(gòu)達到了國內(nèi)領(lǐng)先水 平。此外，上海交通大學、大連輕工業(yè)學院、合肥工業(yè)大學和山東大學(山東工 業(yè)大學) 等在理論應(yīng)用研究方面都取得了很多具有國際或國內(nèi)先進水平的科研成 果。 盡管我國對凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和研究也有多年的歷史，對凸輪機構(gòu)的設(shè)計、 運動規(guī)律、輪廓線、動力學、優(yōu)化設(shè)計等方面的研究都取得了很多科研成果。 但是，與先進國家相比，我國對凸輪機構(gòu)的設(shè)計和制造上都還存在較大的差距， 尤其在制造方面。在國外核心技術(shù)也只是集中在少數(shù)的幾家公司和科研機構(gòu)中， 而且由于技術(shù)保密等因素，具有一定參考價值的相關(guān)資料很少公開發(fā)表。這樣 就在無形中制約著我國凸輪機構(gòu)設(shè)計和制造水平的提高，造成高速、高精度的 凸輪機構(gòu)必須依賴進口的被動局面。 1.1.2 我國凸輪機構(gòu) CAD/CAM 的研究現(xiàn)狀 我國凸輪機構(gòu)運動學的理論研究己經(jīng)達到了較高的水平，為凸輪機構(gòu)設(shè)計 奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。當今，凸輪機構(gòu)設(shè)計己廣泛采用解析法并借助于計算 機來完成，數(shù)控機床用于凸輪加工也有很長的歷史。我國發(fā)表的凸輪機構(gòu) CAD/CAM 方面的文獻較多。但這些凸輪的 CAD/CAM 系統(tǒng)核心技術(shù)僅被某些 1 企業(yè)所有，并未在市場上以商品軟件的形式出現(xiàn)。迄今為止我國凸輪機構(gòu) CAD/CAM 技術(shù)仍未得到有效的推廣應(yīng)用。另外，由于凸輪專用軟件開發(fā)更新 的速度慢，遠遠跟不上當今計算機軟、硬件的發(fā)展速度，使得現(xiàn)有凸輪機構(gòu) CAD/CAM 軟件己大為落后，不能完全適應(yīng)廣大設(shè)計人員的要求。 1.1.3 國外凸輪機構(gòu)及其 CAD/CAM 的研究現(xiàn)狀 自上世紀三十年代以來，人們就開始了對凸輪機構(gòu)的研究，并且研究工作 隨著新技術(shù)、新方法的產(chǎn)生和應(yīng)用在不斷深化。60 年代后，對凸輪的研究逐步 成熟起來，出現(xiàn)了較完整的運動規(guī)律的設(shè)計，在梯薩爾的著作中就采用了多項 式運動規(guī)律。對凸輪機構(gòu)的研究不斷向縱深方向發(fā)展，開始對凸輪進行有限元 分析及非線性問題的研究，同時，歐美各國學者對高速凸輪的研究也有新的突 破，許多學者發(fā)表了關(guān)于凸輪機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、凸輪振動、動態(tài)響應(yīng)等方面的 論文。日木在凸輪機構(gòu)方面的研究也有巨大貢獻。在機構(gòu)設(shè)計方面，致力于尋 求凸輪機構(gòu)的精確解和使凸輪曲線多樣化，以適應(yīng)新的要求。并加強了對凸輪 機構(gòu)動力學和振動方面的研究和標準化研究，發(fā)展成批生產(chǎn)的標準凸輪機構(gòu)， 在此基礎(chǔ)上進一步拓展凸輪機構(gòu) CAD/CAM 系統(tǒng)。美國、日木等國家的一些凸 輪制造企業(yè)開發(fā)了供木企業(yè)使用的凸輪 CAD/CAM 系統(tǒng)，有的還形成了商業(yè)化 軟件，如日木 SUNCALL 公司開發(fā)的 HYMOCAM 系統(tǒng)等。 1.1.4 我國凸輪 CAD 系統(tǒng)存在的問題 通過調(diào)研以及查閱大量文獻資料，我國現(xiàn)有的凸輪 CAD 系統(tǒng)存在如下問題： (1)多數(shù)是在 AutoCAD 基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)而成的，不具有三維建模功能； (2)沒有商品化的凸輪 CAD 系統(tǒng)出現(xiàn)； (3)現(xiàn)有的基于 Pro/ENGINEER 的凸輪 CAD 系統(tǒng)中，融入先進的數(shù)據(jù)庫管 理技術(shù)的還沒有主要原因是由于 Pro/TOOLKIT 開發(fā)界面的功能很弱，而且根木 沒有連接數(shù)據(jù)庫的功能； (4)由于凸輪專用軟件開發(fā)更新的速度慢，遠遠跟不上當今計算機硬件的發(fā) 展速度，使得現(xiàn)有的平面凸輪機構(gòu) CAD 應(yīng)用軟件已大為落后，不能適應(yīng)實際生 產(chǎn)的需要； (5)集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化很不完善。 1.2 本文研究的主要內(nèi)容 本文研究的主要內(nèi)容是關(guān)于溝槽凸輪機構(gòu)的運動仿真。首先介紹了溝槽凸 輪的設(shè)計，然后在 Pro/E 軟件中實現(xiàn)其實體建模和裝配，最后才對裝配好的溝槽 凸輪機構(gòu)進行運動仿真，并對仿真結(jié)果進行了分析。 2 1.3 本文意義 對凸輪機構(gòu)進行運動仿真，可以根據(jù)仿真結(jié)果以及碰撞干涉檢查，對設(shè)計 的零件進行結(jié)構(gòu)等方面的修改，大大簡化機構(gòu)的設(shè)計開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期， 減少開發(fā)費用，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。 1.4 本章小結(jié) 首先本章對課題的研究背景進行了詳細的介紹，然后又對本文的研究內(nèi)容 和本文意義進行介紹。 3 2 凸輪機構(gòu)設(shè)計分析 2.1 從動件運動規(guī)律的選取 運動規(guī)律設(shè)計包括對所設(shè)計的凸輪機構(gòu)輸出件的運動提出的所有給定要求。 例如，推程、回程運動角、遠休止角、近休止角、行程以及推程、回程的運動 規(guī)律曲線形狀，都屬于運動規(guī)律設(shè)計。所謂凸輪曲線并不是凸輪輪廓的形狀曲 線，而是凸輪驅(qū)動從動件的運動曲線。研究凸輪曲線的目的在于用最短時間、 最圓滑、無振動、耗能少的方式來驅(qū)動從動件。凸輪曲線特性優(yōu)良與否直接影 響凸輪機構(gòu)的精度、效率和壽命。從動件的運動情況，是由凸輪輪廓曲線的形 狀決定的。一定輪廓曲線形狀的凸輪，能夠使從動件產(chǎn)生一定規(guī)律的運動；反 過來實現(xiàn)從動件不同的運動規(guī)律，要求凸輪具有不同現(xiàn)狀的輪廓曲線，即凸輪 的輪廓曲線與從動件所實現(xiàn)的運動規(guī)律之間存在著確定的依從關(guān)系。因此，凸 輪機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵一步，是根據(jù)工作要求和使用場合，選擇或設(shè)計從動件的運 動規(guī)律。在設(shè)計凸輪機構(gòu)基木尺寸和凸輪輪廓之前，必須根據(jù)凸輪機構(gòu)的工作 性能要求選擇從動件的運動規(guī)律方程式，選擇不同的從動件運動規(guī)律將直接影 響凸輪機構(gòu)的基本尺寸設(shè)計、輪廓設(shè)計及凸輪機構(gòu)的運動性能等。 2.1.1 從動件常用的基本運動規(guī)律 幾種常見的基木運動規(guī)律有三角函數(shù)運動規(guī)律(簡諧運動規(guī)律、擺線運動規(guī) 律及雙諧運動規(guī)律等)；簡單多項式運動規(guī)律；等速運動規(guī)律(一次項運動規(guī)律)、 等加等減速運動規(guī)律(二次項運動規(guī)律)等。 2.1.2 從動件運動規(guī)律的選取原則 從動件運動規(guī)律的選擇或設(shè)計，涉及到許多因素。除了需要滿足機械的具 體工作要求外，還應(yīng)使凸輪機構(gòu)具有良好的動力特性，同時又要考慮所設(shè)計的 凸輪廓線便于加工，這些因素又往往是互相制約的。因此在選擇或設(shè)計運動規(guī) 律時，必須根據(jù)使用場合、工作條件等分清主次，綜合考慮。下面是一些常用 運動規(guī)律的適用場合： (l)等速運動規(guī)律在很多情況下能滿足凸輪機構(gòu)推程的工作要求，但是在從 動件行程的開始和終止位置存在剛性沖擊，是運動特性最差的曲線，所以等速 運動規(guī)律很少單獨使用，且不適用于中、高速。 (2)等加速等減速運動規(guī)律的速度曲線連續(xù)，在所有曲線中其最大加速度值 為最小，但在從動件行程的開始、終止和由正加速度變?yōu)樨摷铀俣鹊闹虚g位置， 加速度的有限值突變將導(dǎo)致柔性沖擊，因而不能在中、高速場合使用。 (3)余弦加速度運動規(guī)律消除了行程中間位置的加速度突變，且易于計算和 加工，在中速時也能獲得合理的從動件的運動。但當這種運動規(guī)律用于升停 回停運動時，在行程的起始和終止位置因加速度突變而仍有柔性沖擊。當 4 這種規(guī)律用于升回升型運動時，則加速度曲線連續(xù)，沒有柔性沖擊。 (4)正弦加速度運動規(guī)律用于升?；赝＿\動時，從動件在行程的起始 和終止位置加速度無突變，因而無柔性沖擊，有利于機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。但它用于 升停回停運動時，在推程與回程的連接點處，躍度從有限的正值變?yōu)樨?值，因而加速度曲線不連續(xù)。這種曲線要求機械加工的準確性高于其他曲線。 正弦加速度運動規(guī)律廣泛用于中速凸輪機構(gòu)，但不適于高速場合。 2.2 凸輪機構(gòu)基本尺寸的設(shè)計 凸輪機構(gòu)的基本尺寸對凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、傳力性能都有重要的影響。凸輪 機構(gòu)的基本參數(shù)選擇的不恰當，則可能造成壓力角過大或產(chǎn)生運動失真現(xiàn)象。 凸輪機構(gòu)的基本尺寸之間互相影響、互相制約，所以如何合理地設(shè)計這些基本 尺寸，也是凸輪機構(gòu)設(shè)計中要解決的重要問題。 凸輪機構(gòu)基本尺寸的設(shè)計問題是在給定從動件運動規(guī)律和許用壓力角的條 件下尋求一組適用的尺寸，從而使設(shè)計的凸輪機構(gòu)性能佳、壽命長。溝槽凸輪 機構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)有：基圓半徑和偏距，滾子半徑，擺桿長度等。為提高凸輪 機構(gòu)傳力效果，希望機構(gòu)在推程中壓力角盡量小。一般來講，這些參數(shù)的選擇， 除應(yīng)保證使從動件能夠準確地實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律外，還應(yīng)當使機構(gòu)具有良好 的受力狀況和緊湊的尺寸。 2.2.1 凸輪機構(gòu)壓力角和基圓半徑 凸輪壓力角是從動件運動(速度)方向與傳動軸線方向之間的夾角。壓力角是 衡量凸輪機構(gòu)傳力特性好壞的一個重要參數(shù)。從減小推力、避免自鎖，使機構(gòu) 具有良好的受力狀況來看，壓力角應(yīng)越小越好。同時設(shè)計凸輪機構(gòu)時，除了使 機構(gòu)具有良好的受力狀況外，還希望機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊。在實現(xiàn)相同運動規(guī)律的情 況下，基圓半徑越大，凸輪的尺寸也越大。因此，要獲得輕便緊湊的凸輪機構(gòu)， 就應(yīng)當使基圓半徑盡可能地小。而基圓半徑 r 及偏距 e 與凸輪壓力角 有如下0 關(guān)系： tan = = (21)0seds20ers 當凸輪逆時針轉(zhuǎn)動、從動件偏于凸輪軸心左側(cè)或當凸輪順時針轉(zhuǎn)動，從動 件偏于凸輪軸心右側(cè)時，壓力角的計算公式： tan = (22)20ersds 5 由計算公式可知壓力角和基圓半徑兩者是互相制約的，在一般情況下，為 了保證設(shè)計的凸輪機構(gòu)既有較好的傳力特性又具有較緊湊的尺寸，設(shè)計時兩者 應(yīng)同時考慮。為了保證凸輪機構(gòu)順利工作，規(guī)定了壓力角的許用值 ，在使 的前提下，選取盡可能小的基圓半徑。推薦推程的許用壓力角為：移max 動推桿 =30 38 ；當要求凸輪尺寸盡可能小時可取 =45 ；擺動推桿0 0 =40 45 ；回程時，由于推桿通常受力較小而無自鎖問題，故許用壓力角 可以取大一點，通常取 =70 80 。0 在實際工作中，一般都是先根據(jù)具體情況預(yù)選一個凸輪的基圓半徑，待凸 輪輪廓曲線設(shè)計完成后，在檢查其最大壓力角是否滿足 。max 2.2.2 凸輪機構(gòu)的偏距 由式(2 1)和式 (22)可看出，凸輪的轉(zhuǎn)動方向和從動件的偏置方向不同， 增大偏距。壓力角的變化就不同。若推程壓力角減小，則回程壓力角將增大， 即通過增加偏距來減小推程壓力角，是以增大回程壓力角為代價的。在設(shè)計凸 輪機構(gòu)時，如果壓力角超過了許用值、而機械的結(jié)構(gòu)空間又不允許增大基圓半 徑，則可通過選取從動件適當?shù)钠梅较騺慝@取較小的推程壓力角。即在移動 滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)的情況下，選擇從動件偏置的主要目的是為了減小機 構(gòu)推程時的壓力角。 從動件偏置方向選擇的原則是：若凸輪逆時針回轉(zhuǎn)，則應(yīng)使從動件軸線偏 于凸輪軸心右側(cè)；若凸輪順時針回轉(zhuǎn)，則應(yīng)使從動件軸線偏于凸輪軸心左側(cè)。 2.2.3 凸輪滾子半徑 當凸輪廓線為內(nèi)凹廓線時，實際廓線的曲率半徑 、理論廓線的曲率半徑a 、滾子半徑 r 三者之間有如下的關(guān)系： = +r 。而當凸輪廓線為外凸廓線 ar 時，實際廓線的曲率半徑 、理論廓線的曲率半徑 、滾子半徑 r 三者之間的a 關(guān)系是 = r ，當 =r 時，則 =0，即實際廓線將出現(xiàn)尖點，由于尖點處ara 極易磨損，故不能實用；若

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