【正文】 行有限元分析及非線性問題的研究，同時，歐美各國學(xué)者對高速凸輪的研究也有新的突破，許多學(xué)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。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。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 緒論 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。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。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。 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。 (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。 (4)正弦加速度運動規(guī)律用于升 — 停 — 回 — 停運動 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)。 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。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。 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)。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。 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 。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。而當凸輪廓線為外凸廓線時，實際廓線的曲率半徑 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 ? =rr 時，則 a? =0，即實際廓線將出現(xiàn)尖點，由于尖點處極易磨損，故不能實用 ； 若 ? r r ，則 a? 0，這時實際廓線將出現(xiàn)交叉，當進行加工時，交點以外的部分將被刀具切去，使凸輪廓線產(chǎn)生過度切割，致使從動件不能準確地實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為運動失真。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 凸輪機構(gòu)設(shè)計分析 7 凸輪輪廓設(shè)計 實現(xiàn)從動件運動規(guī)律主要依賴于凸輪輪廓曲線形狀，因而輪廓曲線設(shè)計是凸輪機構(gòu)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。所謂用解析法設(shè)計輪廓線，就是根據(jù)人們所要求的從動件的運動規(guī)律和已知的機構(gòu)參數(shù)，求出凸輪廓線的方程式，并精確地計算一出輪廓線上各點的坐標值。在滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)中，凸輪的實際廓線是以 理論廓線上各點為圓心、作一系列滾子圓，然后作該圓族的包絡(luò)線得到的。當從動件處于起始位置時， 滾子中心處于 B0 點，擺桿與連心線 OA0之間的夾角為 0? ；當凸輪轉(zhuǎn)過 ? 角后，從動件擺過 ? 角。所以如果已知理論輪廓線上東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 凸輪機構(gòu)設(shè)計分析 8 任意一點 B 的坐標（ x， y）時，只要沿理論輪廓線在該點的法線方向取距離為rr ，即可得到實際輪廓線上相應(yīng)點 B′的坐標值（ x′， y′）。為了達到這個要求，本文采用的方案為凸輪機構(gòu)。 在設(shè)計具體的凸輪機構(gòu)時，本文考慮了兩種方案：第一種是滑塊直接與凸輪連接的空間凸輪機構(gòu)，第二種是凸輪與滑塊并排的平面溝槽凸輪機構(gòu)。其中主動件為由電動機驅(qū)動的溝槽凸輪，從動件為由溝槽凸輪機構(gòu)驅(qū)動連桿 滑塊機構(gòu) 中的擺桿，運動輸出端為滑塊。 (2)介紹了常用凸輪機構(gòu)壓力角、基圓半徑、偏距和 滾子 半徑等基本尺寸的設(shè)計要求。 Pro/E 第一個提出了參數(shù)化設(shè)計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。 Pro/E 采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計、鈑金設(shè)計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 三維幾何約束就是裝配體內(nèi)各零部件的幾何配合關(guān)系，它把零部件約束在某個三維幾何空間中，使這些零部件只能在此特定的三維空間中或固定或運動。這些約束包括設(shè)計變量約束和三維幾何約束，設(shè)計變量約束控制裝配體中零件的實 體，三維幾何約束確定零件的位置。 上面我們論述過，點、線、面等幾何元素之間的關(guān)系又存在著定性關(guān)系和定量關(guān)系兩種，所以我們又把約束分為定性約束和定量約束。定性約束不能修改 (Modify)，只能重新定義（ Redefine)；定量約束的量可以修改，這種定量約束的可變性就是三維幾何約束的動態(tài)性。三維幾何約束是維系裝配體中各零部件間的空間位置和相對運動的紐帶。 （ 2）裝配模型中的語義信息 裝配模型中的語義信息即附加于裝配模型的一些輔助語義信息，它在裝配模型中也同樣具有比較重 要的作用。還有零件的材料、重量、體積、重心與 熱處理方法等，也是屬于裝配模型中的語義信息。裝配過程設(shè)計相當復(fù)雜，它不但要受零部件設(shè)計的幾何和功能的影響，而且受制造、裝配過程以及經(jīng)濟性的影響。 裝配模型建立 （ 1） 設(shè)置工作目錄 依次單擊主菜單中的“文件（ File）”→“設(shè)置工作目錄（ Set Working Directory...）”命令 ,在彈出“選取工作目錄（ Select Working Directory）”對話框中選擇 *： \? \結(jié)果，單擊 按鈕。在“元件放置（ Component Placement）”操控板的對話欄中單擊“約束（ Constraint）”列表，在列表中選擇“缺?。?Default）”項，單擊 （確認）按鈕，完成主體零件的放置，如圖 3— 6所示。 圖 3— 8 凸輪的放置 ○ 3 單擊工具欄中的 （裝配）工具，在彈出的“打開（ Open）”對話框中選擇 *： \? \結(jié)果→ ，單擊 按鈕。在“元件放置（ Component Placement）”操控板的對話欄中單擊“預(yù)定義集（ Predefine Set）”列表，在列表中選擇“銷釘（ Pin）”選項，設(shè)置如圖 3— 11 所示的約束。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 凸輪機構(gòu)的實體建模與裝配 17 圖 3— 13 銷釘約束 在“元件放置（ Component Placement）”操控板中單擊“放置（ Placement）”上滑面板，單擊該上滑面板中的“新設(shè)置（ New Set）”，然后在對話欄中單擊“預(yù)定義集（ Predefine Set）”列表，在列表中選擇“滑動桿（ Slider）”選項，設(shè)置如圖 3— 14 所示的約束。所以計算機仿真是通過對系統(tǒng)模型的實驗去研究一個真實系統(tǒng)。計算機仿真技術(shù)集成了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、多媒體、軟件工程、信息處理、自動控制等多個高新技術(shù)領(lǐng)域的知識。 （ 2）系統(tǒng)模型快速求解：利用計算機，在較短時間內(nèi)就能知道仿真運算的結(jié)果 (數(shù)據(jù)或圖像 )。 計算機仿真技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用 計算機仿真技術(shù)作為一門新興的高科技技術(shù)，在制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和制造，東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 凸輪機構(gòu)的運動仿真 19 尤其在航空、航天、國防及其他大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的研制開發(fā)過程中，一直是不可缺少的工具，它在減少損失、節(jié)約經(jīng)費、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮了巨大的作用。 （ 2） 虛擬產(chǎn)品開發(fā) (VPD) 虛擬產(chǎn)品開發(fā)是實際產(chǎn)品開發(fā)過程在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)，即采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在計算機上群組協(xié)同工作，實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗等。 用虛擬樣機來代替物理樣機驗證設(shè)計時，不但可以提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和效率，而且大幅度地縮短產(chǎn)品研制周期和費用。與其他的軟件相比較，用 Pro/E 做運動仿真的主要特點如下： 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 凸輪機構(gòu)的運動仿真 20 （ 1）運動輸入 運動輸入 (Motion Input)是賦給運動副控制運動的運動副參數(shù)。 （ 3）靜力學(xué)分析 靜力學(xué)分析 (Static Analysis)將模型移動到平衡位置，并輸入運動副上的反作用力。 （ 5）設(shè)計位置和裝配位置 模型的裝配位置可能不同于模型的設(shè)計位置。就是說，在許多情況下，在機構(gòu)進行生產(chǎn)前或者說在機構(gòu)真正生產(chǎn)出來前，用該軟件預(yù)測機構(gòu)的運動特性，即它類似于有限元分析 Pro/E 有限元分析模塊 )和 注塑流動分析 (Pro/E 塑料零件分析顧問模塊 )。 （ 3）主體：元件或相對不動的一組元件。 （ 5）環(huán)連接：加到運動環(huán)中的最后一個連接。在一個運動仿真機構(gòu)中，可以定義多個基礎(chǔ)?？梢栽诮宇^或幾何圖元上放置驅(qū)動器，并指定構(gòu)件之間的位置、速度或加速度運動。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 凸輪機構(gòu)的運動仿真 22 圖 4— 1 “凸輪 從動機構(gòu)連接定義”對話框 點選如圖 4— 2 所示的曲面作為凸輪 1 的曲面，然后單擊“選?。?Select）”對話框中的 按鈕。 圖 4— 5 “伺服電動機定義”對話框一 接著單擊“輪廓（ Profile）”選項卡，在“規(guī)范（ Specification）”欄中選擇“速度（ Velocity）”，模的大小 A： 300，如圖 4— 6 所示，單擊 按鈕，完成伺服電動機的定義。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 凸輪機構(gòu)的運動仿真 25 圖 4— 8 “分析定義”對話框 分析 （ 1）測量定義 單擊工具欄中的 （測量）工具，統(tǒng)彈出“測量結(jié)果（ Measure Results）”對話框，如圖 4— 9 所示，在該對話框中單擊對話框 中的 （新建）工具，系統(tǒng)彈出“測量定義（ Measure Definition）”對話框，如圖 4— 10 所示。 在“測量定義（ Measure Definition）”對話框中的“名稱（ Name）”輸入：“ xf4_行程”，“型（ Type）”處選“位置（ Position）”，“評估方法（ Evaluation Method）”處選擇“每個時間步長（ Each Time Step）”，在“分量（ Component）”欄處選擇“ Y 分量（ Yponent）”，如圖 4— 12 所示，然后在工作區(qū)選擇如圖4— 13 所示的測量點，即滑塊一角點，單擊對話框中的 按鈕，完成執(zhí)行端“ xf4_行程”的定義。 圖 4— 16 從動件實際運動規(guī)律 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 凸輪機構(gòu)的運動仿真 28 從圖 4— 16 所示可知：凸輪是逆時針方向旋轉(zhuǎn)，經(jīng)回程到近程休止，再經(jīng)推程到遠程休止，如此循環(huán)運動。 由圖形曲線可知從動件的實際運動規(guī)律和修正正 弦 規(guī)律一致。 這 說明此凸輪機構(gòu)能 夠精確輸出 本文所要求 的運動規(guī)律 。 通過這次畢業(yè)設(shè)計，我更好的把四年來所學(xué)的知識進行了綜合、鞏固，加深了對所學(xué)專業(yè)知識的理解，同時還接觸了一些在原來知識基礎(chǔ)上更為深層的知識。 由于本人知識面較窄，加上時間比較倉促缺乏實踐經(jīng)驗，設(shè)計中難免出現(xiàn)錯誤或不足之處，還望各位老師和同學(xué)批評指正，不勝感激。同時，在此次畢業(yè)設(shè)計過程中我也學(xué)到了許多 生活方面 的知識 。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 參考文獻 32 參考文獻 [1] Xing Yingjie. Recording and processing of planar cure using clothoids(Ind Report)— recording of cam profile with clothoidal inter