【正文】 ，許多學(xué)者發(fā)表了關(guān)于凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、凸輪振動(dòng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面的論文。日木在凸輪機(jī)構(gòu)方面的研究也有巨大貢獻(xiàn)。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，致力于尋求凸輪機(jī)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(qiáng)了對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和振動(dòng)方面的研究和標(biāo)準(zhǔn)化研究，發(fā)展成批生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)凸輪機(jī)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展凸輪機(jī)構(gòu) CAD/CAM 系統(tǒng)。美國(guó)、日木等國(guó)家的一些凸輪制造企業(yè)開(kāi)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(kāi)發(fā)的 HYMOCAM 系統(tǒng)等。 我國(guó)凸輪 CAD 系統(tǒng)存在的問(wèn)題 通過(guò)調(diào)研以及查閱大量文獻(xiàn)資料，我國(guó)現(xiàn)有的凸輪 CAD 系統(tǒng)存在如下問(wèn)題： (1)多數(shù)是在 AutoCAD 基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)而成的，不具有三維建模功能； (2)沒(méi)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(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)的還沒(méi)有主要原因是由于 Pro/TOOLKIT 開(kāi)發(fā)界面的功能很弱，而且根木沒(méi)有連接數(shù)據(jù)庫(kù)的功能； (4)由于凸輪專用軟件開(kāi)發(fā)更新的速度慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上當(dāng)今計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展速度，使得現(xiàn)有的平面凸輪機(jī)構(gòu) CAD 應(yīng)用軟件已大為落后，不能適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)的需要； (5)集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化很不完善。 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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。首先介紹了溝槽凸輪的設(shè)計(jì)，然后在 Pro/E 軟件中實(shí)現(xiàn)其實(shí)體建模和裝配，最后才對(duì)裝配好的溝槽凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 緒論 3 本文意義 對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，可以根據(jù)仿真結(jié)果以及碰撞干涉檢查，對(duì)設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)等方面的修改，大大簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，縮短開(kāi)發(fā)周期，減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用，同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量。 本章小結(jié) 首先本章對(duì)課題的研究背景進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，然后又對(duì)本文的研究?jī)?nèi)容和 本文 意義進(jìn)行介紹。東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 4 2 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 分析 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的 選取 運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)包括對(duì)所設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)輸出件的運(yùn)動(dòng)提出的所有給定要求。例如， 推程、回程運(yùn)動(dòng)角、遠(yuǎn)休止角、近休止角、行程以及推程、回程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線形狀，都屬于運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)。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(dòng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)曲線。研究凸輪曲線的目的在于用最短時(shí)間、最圓滑、無(wú)振動(dòng)、耗能少的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件。凸輪曲線特性優(yōu)良與否直接影響凸輪機(jī)構(gòu)的精度、效率和壽命。從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)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(dòng)件產(chǎn)生一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng) ；反過(guò)來(lái)實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件不同的運(yùn)動(dòng)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(dòng)件所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律之間存在 著確定的依從關(guān)系。因此，凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步，是根據(jù)工作要求和使用場(chǎng)合，選擇或設(shè)計(jì)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)基木尺寸和凸輪輪廓之前，必須根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)的工作性能要求選擇從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程式，選擇不同的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律將直接影響凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸設(shè)計(jì)、輪廓設(shè)計(jì)及凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能等。 從動(dòng)件常用的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律 幾種常見(jiàn)的基木運(yùn)動(dòng)規(guī)律有三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 (簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律、擺線運(yùn)動(dòng) 規(guī)律及雙諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律等 )； 簡(jiǎn)單多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律 ； 等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律 (一次項(xiàng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 )、等加等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律 (二次項(xiàng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 )等。 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選取原則 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇或設(shè)計(jì)，涉及到許多因素。除了需要滿足機(jī)械的具體工作要求外，還應(yīng)使凸輪機(jī)構(gòu)具有良好的動(dòng)力特性，同時(shí)又要考慮所設(shè)計(jì)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(jì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，必須根據(jù)使用場(chǎng)合、工作條件等分清主次，綜合考慮。下面是一些常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的適用場(chǎng)合： (l)等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律在很多情況下能滿足凸輪機(jī)構(gòu)推程的工作要求，但是在從動(dòng)件行程的開(kāi)始和終止位置存在剛性沖擊，是運(yùn)動(dòng)特性最差的曲線，所以等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律很少單獨(dú)使用，且不適用于中、高速。 (2)等加速等減速運(yùn)動(dòng)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(dòng)件行程的開(kāi)始、終止和由正加速度變?yōu)樨?fù)加速度的中間位置，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(chǎng)合使用。 (3)余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律消除了行程中間位置的加速度突變，且易于計(jì)算和加工，在中速時(shí)也能獲得合理的從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)。但當(dāng)這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律用于 升 — ?！?回 — 停 運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dāng)東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 5 這種規(guī)律用于升 — 回 — 升型運(yùn)動(dòng)時(shí)，則加速度曲線連續(xù)，沒(méi)有柔性沖擊。 (4)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律用于升 — 停 — 回 — 停運(yùn)動(dòng) 時(shí)，從動(dòng)件在行程的起始和終止位置加速度無(wú)突變，因而無(wú)柔性沖擊，有利于機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。但它用于升 — 停 — 回 — 停 運(yùn)動(dòng)時(shí)，在推程與回程的連接點(diǎn)處，躍度從有限的正值變?yōu)樨?fù)值，因而加速度曲線不連續(xù)。這種曲線要求機(jī)械加工的準(zhǔn)確性高于其他曲線。正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律廣泛用于中速凸輪機(jī)構(gòu)，但不適于高速場(chǎng)合。 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的設(shè)計(jì) 凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、傳力性能都有重要的影響。凸輪機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)選擇的不恰當(dāng)，則可能造成壓力角過(guò)大或產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)失真現(xiàn)象。凸輪機(jī)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(jì)這 些基本尺寸，也是凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中要解決的重要問(wèn)題。 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的設(shè)計(jì)問(wèn)題是在給定從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)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(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)性能佳、壽命長(zhǎng)。溝槽凸輪機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)有 ： 基圓半徑和偏距，滾子半徑，擺桿長(zhǎng)度等。為提高凸輪機(jī)構(gòu)傳力效果，希望機(jī)構(gòu)在推程中壓力角盡量小。一般來(lái)講，這些參數(shù)的選擇，除應(yīng)保證使從動(dòng)件能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律外，還應(yīng)當(dāng)使機(jī)構(gòu)具有良好的受力狀況和緊湊的尺寸。 凸輪機(jī)構(gòu)壓力角和基圓半徑 凸輪壓力角是從動(dòng)件運(yùn)動(dòng) (速度 )方向與傳動(dòng)軸線方向之間的夾角。 壓力角是衡量凸輪機(jī)構(gòu)傳力特性好壞的一個(gè)重要參數(shù)。從減小推力、避免自鎖，使機(jī)構(gòu)具有良好的受力狀況來(lái)看，壓力角應(yīng)越小越好。同時(shí)設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，除了使機(jī)構(gòu)具有良好的受力狀況外，還希望機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊。在實(shí)現(xiàn)相同運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)，就應(yīng)當(dāng)使基圓半徑盡可能地小。而基圓半徑 r0 及偏距 e 與凸輪壓力角 ? 有如下關(guān)系： tan? =0ssedds??? =220 ersedds???? (2— 1) 當(dāng)凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、從動(dòng)件偏于凸輪軸心左側(cè)或當(dāng)凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件偏于凸輪軸心右側(cè)時(shí)，壓力角的計(jì)算公式： tan? =220 ersedds???? (2— 2) 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 6 由計(jì)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(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)既有較好的傳力 特性又具有較緊湊的尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)兩者應(yīng)同時(shí)考慮。為了保證凸輪機(jī)構(gòu)順利工作，規(guī)定了壓力角的許用值 ??? ，在使? ??? ?max 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：移動(dòng)推桿 ??? =30 0 ~38 0 ；當(dāng)要求凸輪尺寸盡可能小時(shí)可取 ??? =450 ；擺動(dòng)推桿??? =400 ~450 ；回程時(shí)，由于推桿通常受力較小而無(wú)自鎖問(wèn)題，故許用壓力角可以取大一點(diǎn)，通常取 ??? =700 ~800 。 在實(shí)際工作中，一般都是先根據(jù)具體情況預(yù)選一個(gè)凸輪的基圓半徑，待凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)完成后，在檢查其最大壓 力角是否滿足 ? ??? ?max 。 凸輪機(jī)構(gòu)的偏距 由式 (2— 1)和式 (2— 2)可看出，凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和從動(dòng)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(guò)增加偏距來(lái)減小推程壓力角，是以增大回程壓力角為代價(jià)的。在設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，如果壓力角超過(guò)了許用值、而機(jī)械的結(jié)構(gòu)空間又不允許增大基圓半徑，則可通過(guò)選取從動(dòng)件適當(dāng)?shù)钠梅较騺?lái)獲取較小的推程壓力角。即在移動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的情況下，選擇從動(dòng)件偏置的主要目的是為了減小機(jī)構(gòu)推程時(shí) 的壓力角。 從動(dòng)件偏置方向選擇的原則是 ： 若凸輪逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，則應(yīng)使從動(dòng)件軸線偏于凸輪軸心右側(cè) ； 若凸輪順時(shí)針回轉(zhuǎn)，則應(yīng)使從動(dòng)件軸線偏于凸輪軸心左側(cè)。 凸輪 滾子 半徑 當(dāng)凸輪廓線為內(nèi)凹廓線時(shí)，實(shí)際廓線的曲率半徑 a? 、理論廓線的曲率半徑? 、滾子半徑 rr 三者之間有如下的關(guān)系 ： a? =? +rr 。而當(dāng)凸輪廓線為外凸廓線時(shí)，實(shí)際廓線的曲率半徑 a? 、理論廓線的曲率半徑 ? 、滾子半徑 rr 三者之間的關(guān)系是 a? =? ﹣ rr ，當(dāng) ? =rr 時(shí)，則 a? =0，即實(shí)際廓線將出現(xiàn)尖點(diǎn)，由于尖點(diǎn)處極易磨損，故不能實(shí)用 ； 若 ? r r ，則 a? 0，這時(shí)實(shí)際廓線將出現(xiàn)交叉，當(dāng)進(jìn)行加工時(shí)，交點(diǎn)以外的部分將被刀具切去，使凸輪廓線產(chǎn)生過(guò)度切割，致使從動(dòng)件不能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為運(yùn)動(dòng)失真。 為了避免凸輪實(shí)際廓線產(chǎn)生過(guò)度切割，有兩種途徑：一是減小滾子半徑 rr ；二是增大 理論輪廓線的最小曲率半徑 min? 。 實(shí)際凸輪時(shí)應(yīng)保證凸輪實(shí)際廓線的最小曲率半徑不小于某一許用值。 mina? = min? ﹣ rr ? ?a?? () 一般取 ? ?a? =3~5(mm) 用解析法設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí) ，通常是先根據(jù)機(jī)構(gòu)和強(qiáng)度條件選擇 滾子半徑 rr ，然后校核 mina? = min? ﹣ rr ? ?a?? ，若不滿足，則應(yīng)增大基圓半徑重新設(shè)計(jì)。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 7 凸輪輪廓設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要依賴于凸輪輪廓曲線形狀，因而輪廓曲線設(shè)計(jì)是凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)便是凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的凸輪輪廓設(shè)計(jì)方法通常 采用作圖法或解析計(jì)算的方法描點(diǎn)。作圖法雖簡(jiǎn)便易行，但其效率低，繪出的凸輪輪廓不夠準(zhǔn)確。所謂用解析法設(shè)計(jì)輪廓線，就是根據(jù)人們所要求的從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和已知的機(jī)構(gòu)參數(shù)，求出凸輪廓線的方程式，并精確地計(jì)算一出輪廓線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值。解析法繪出的凸輪輪廓誤差相對(duì)較小，但計(jì)算量大。目前精確設(shè)計(jì)凸輪輪廓的方法有包絡(luò)法、速度瞬心法、等距曲面法等等 。 包絡(luò)法利用凸輪和從動(dòng)件的幾何關(guān)系導(dǎo)出接觸點(diǎn)的軌跡方程 ； 速度瞬心法利用凸輪和從動(dòng)件瞬時(shí)速度中心確定凸輪和從動(dòng)件在某一瞬時(shí)接觸點(diǎn)的位置。在滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪的實(shí)際廓線是以 理論廓線上各點(diǎn)為圓心、作一系列滾子圓，然后作該圓族的包絡(luò)線得到的。因此，實(shí)際廓線與理論廓線在法線方向處處等距，該距離均等于滾子半徑。 下面介紹的是 滾子擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪輪廓曲線參數(shù)方程的建立 ： 圖 2— 1 擺動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu) 圖 2— 1 所示為一擺動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。已知凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)軸心 O與擺桿擺動(dòng)軸心 A0 間的中心距為 a，擺桿長(zhǎng)度為 l，選取直角坐標(biāo)系 XOY 如圖2— 1 所示。當(dāng)從動(dòng)件處于起始位置時(shí)， 滾子中心處于 B0 點(diǎn)，擺桿與連心線 OA0之間的夾角為 0? ；當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò) ? 角后，從動(dòng)件擺過(guò) ? 角。由反轉(zhuǎn)法原理作圖可以看出，此時(shí)滾子中心將處于 B 點(diǎn)。 由圖可知， B 點(diǎn)的坐標(biāo)（ x， y）分別為： x=asin? ﹣ lsin（ ? + 0? +? ） y=acos? ﹣ lcos（ ? + 0? +? ） () 從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪的實(shí)際輪廓線是以理論輪廓線上各點(diǎn)為圓心作一系列滾子圓，然后作該圓族的包絡(luò)線得到的。因此，實(shí)際輪廓線與理論輪廓線在法線方 向上處處等距，該距離均等于滾子半徑。所以如果已知理論輪廓線上東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 8 任意一點(diǎn) B 的坐標(biāo)（ x， y）時(shí)，只要沿理論輪廓線在該點(diǎn)的法線方向取距離為rr ，即可得到實(shí)際輪廓線上相應(yīng)點(diǎn) B′的坐標(biāo)值（ x′， y′）。 理論輪廓線上 B 點(diǎn)處的法線的斜率為 tan? =yxdd? = )()(?? dddd yx?