【正文】 與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，出現(xiàn)了分布式仿真技術(shù)。 18 4 凸輪機構(gòu)的運動仿真 計算機仿真概述 計算機仿真的基本概念及特點 計算機仿真 (Computer Simulation)是指對于某個待研究的系統(tǒng)模型建立其仿真模型進而在子計算機上對該仿真模型進行模擬實驗 (仿真實驗 )研究的過程。在“元件放置（ Component Placement）”操控板的對話欄中單擊“預定義集（ Predefine Set）”列表，在列表中選擇“銷釘（ Pin）”選項，設(shè)置如圖 3— 13 所示的約束。 圖 3— 10 擺桿的放置 16 ○ 4 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。 圖 3— 7 銷釘約束 單擊 （確認）按鈕，完成凸輪的放置，如圖 3— 8 所示。 （ 3）裝配零件 ○ 1 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。同時也可以通過實時仿真功能可視化的驗證規(guī)劃的合理性與可行性，由于在這個模塊中采用了一種特殊的動畫生成模式，所以在整個仿真過程中，整個界面保持了激活狀態(tài)，便于用戶隨時調(diào)整視角進行觀察。 裝配規(guī) 劃研究的重點是裝配過程設(shè)計。這些分類在實現(xiàn)裝配規(guī)劃時有利于提高各個模塊的運算效率。它們是裝配模型的重要組成信息之一。綜合了以上幾種定性和定量的約束，可以將它們歸納成如表所示的 14 面向工程的約束形式，即為 Pro/E 中提供的裝配約束形式，零部件之間的三維幾何約束信息的總和。定量約束有時也隱含著定性約束，如兩平面間的距離約束首先必須要求兩平面平行，才可能有平面之間的距離，這種平行約束就是一種定性約束。對這些虛擬元素的約束其實也就是對實體零件的約束。零部件間的這種關(guān)聯(lián)性和有機統(tǒng)一性體現(xiàn)于各個零部件間的約束之中。 零部件的實體建模 （ 1）溝槽凸輪的建模 溝槽凸輪零件的三維實體模型如圖 3— 1 所示： 圖 3— 1 溝槽凸輪 12 （ 2）擺桿的建模 擺桿零件的三維實體模型如圖 3— 2 所示： 圖 3— 2 擺桿 （ 3）連桿的建模 連桿零件的三維實體模型如圖 3— 3 所示： 圖 3— 3 連桿 （ 4）滑塊的建模 滑塊零件的三維實體模型如 圖 3— 4 所示： 圖 3— 4 滑塊 （ 5）機架的建模 機架零件的三維實體模型如圖 3— 5 所示： 圖 3— 5 機架 裝配原理簡介與裝配模型的建立 Pro/E 仿真裝配原理介紹 （ 1）裝配模型的配合聯(lián)接信息 裝配體的配合聯(lián)接信息即為構(gòu)成裝配體的所有零部件間的互相關(guān)聯(lián)的信息，它包括三維幾何約束和拓撲聯(lián)接關(guān)系。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機上 。在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當今世界機械 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今最成功的 CAD/CAM 軟件之一。機構(gòu)簡圖如圖 2— 3 所示： 圖 2— 3 溝槽凸輪機構(gòu)機構(gòu)簡圖 10 本章小結(jié) (1)分析了從動件基本運動規(guī)律和組合運動規(guī)律，歸納了運動規(guī)律選取的原則。具體的原理示意圖如圖 2— 2 所示： 圖 2— 2 擺動滾子從動件平面槽凸輪連桿組合機構(gòu)原理示意圖 這個機構(gòu)由兩部分組成：溝槽凸輪和連桿滑塊機構(gòu)。為此本為選取的凸輪機構(gòu)從動件的運動規(guī)律為修正正弦加速度規(guī)律。 理論輪廓線上 B 點處的法線的斜率為 9 機構(gòu)簡介 本文要求機構(gòu)輸出端能實現(xiàn)升 — 停 — 回 — 停的往復運動，并要求行程的起始和終止位置加速度無突變，加速度曲線連續(xù)，無柔性沖擊，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。由反轉(zhuǎn)法原 理作圖可以看出，此時滾子中心將處于 B 點。因此，實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。解析法繪出的凸輪輪廓誤差相對較小，但計算量大。凸輪機構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)便是凸輪輪廓曲線的設(shè)計。為了避免凸輪實際廓線產(chǎn)生過度切割，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? 。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。 在實際工作中，一般都是先根據(jù)具體情況預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 。因此，要獲得輕便緊湊的凸輪機構(gòu)，就應當使基圓半徑盡可能地小。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)。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。 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。 (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)。 (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致柔性沖擊，因 而不能在中、高速場合使用。 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。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。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。 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。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。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)響應等方面的論文。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用。 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)。 盡管我國對凸輪機構(gòu)的應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。 1990 年以來，有關(guān)凸輪機構(gòu)的應用研究取得了一大批成果，許多己應用于生產(chǎn)。工程中，幾乎所有簡單的、復雜的重復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)。這種現(xiàn)象在凸輪的設(shè)計中尤為突顯。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計過程中重復計算、重復建模等工作量很大，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。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)復雜的運動要求。 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。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。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。但這些凸輪的 CAD/CAM 系統(tǒng)核心技術(shù)僅被某些 2 企業(yè)所有，并未在市場上以商品軟件的形式出現(xiàn)。 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。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)。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。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。從動件的運動情況，是由凸輪輪廓曲線的形狀決定的。 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。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。當 5 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。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。 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。 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。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。推薦推程的許用壓力角為：移動推桿 ??? =30 0 ~38 0 ；當要求凸輪尺寸盡可能小時可取 ??? =450 ；擺動推桿??? =400 ~450 ；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 ??? =700 ~800 。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。 7 凸輪滾子半 徑 線產(chǎn)生過度切割，致使從動件不能準確地實現(xiàn)預期的運動規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為運動失真。 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 8 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點 B′的坐標值（ x′， y′）。但正弦加速度運動規(guī)律用于升 — 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)樨撝?，因而加速度曲線不連續(xù)。在第二種方案中滑塊和凸輪機構(gòu)是并排的，不易連接，因此在兩者間加了個連桿。由原理示意圖可作出擺動滾子從動件平面槽凸輪連桿組合機構(gòu)（以后簡稱為溝槽凸輪機構(gòu)）的機構(gòu)簡圖。 11 3 凸輪機構(gòu)的實體建模與裝配 Pro/E 軟件簡介 Pro/E（ Pro/Engineer 操作軟件）是美國參數(shù)技術(shù)公司（ Parametric Technology Corporation，簡稱 PTC）的重要產(chǎn)品。 Pro/E 的基于特征方式， 能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設(shè)計。 Pro/Engineer 是一個功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設(shè)計專用功 能來實現(xiàn)，其中包括：筋（ Ribs）、槽（ Slots）、倒角（ Chamfers）和抽空（ Shells）等，采用這種手段來建立形體，對于 使用者 來說是更自然，更直觀，無需采用復雜的幾何設(shè)計方式。只有這樣，裝配體才能完成人們賦予它的預期功能。這種關(guān)系可以通過約束關(guān)系來描述，這種約束關(guān)系最終反映到零件的最基本的元素上：一個裝配約束作用 于兩個零件，實質(zhì)上就是約束分屬于兩個零件上的兩個幾何元素，這些幾何元素主要有點、直線、 13 二次曲線、平面、二次曲面等，它可以是零件上實際存在的元素，也可以是零件的延伸或擴展，或者說是零件的虛擬部分，如基準和參考元素等。如兩平面的距離、兩線間的夾角等，能用數(shù)量來表達。我們可以看出，定量約束的量為零時，定量約束就轉(zhuǎn)化為定性約束，這種性質(zhì)使約束可以替代、簡化、分解。這些約束在建立裝配模型，確定零部件在裝配體中的相對空間位置時就建立起來了。裝配工藝路徑規(guī)劃模塊可依據(jù)該語義信息按照一定的判別使序列規(guī)劃更合理更具智能型，如遇到的子裝配體是標準件 (如軸承 )或作為整體的外購裝配體