【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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真 計(jì)算機(jī)仿真概述 計(jì)算機(jī)仿真的基本概念及特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)仿真 (Computer Simulation)是指對(duì)于某個(gè)待研究的系統(tǒng)模型建立其仿真模型進(jìn)而在子計(jì)算機(jī)上對(duì)該仿真模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn) (仿真實(shí)驗(yàn) )研究的過程。在“元件放置（ Component Placement）”操控板的對(duì)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(xiàng)，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(duì)話框中選擇 *： \? \結(jié)果→ ，單擊 按鈕。 圖 3— 7 銷釘約束 單擊 （確認(rèn)）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(duì)話框中選擇 *： \? \結(jié)果→ ，單擊 按鈕。同時(shí)也可以通過實(shí)時(shí)仿真功能可視化的驗(yàn)證規(guī)劃的合理性與可行性，由于在這個(gè)模塊中采用了一種特殊的動(dòng)畫生成模式，所以在整個(gè)仿真過程中，整個(gè)界面保持了激活狀態(tài)，便于用戶隨時(shí)調(diào)整視角進(jìn)行觀察。 裝配規(guī) 劃研究的重點(diǎn)是裝配過程設(shè)計(jì)。這些分類在實(shí)現(xiàn)裝配規(guī)劃時(shí)有利于提高各個(gè)模塊的運(yùn)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(shí)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(duì)這些虛擬元素的約束其實(shí)也就是對(duì)實(shí)體零件的約束。零部件間的這種關(guān)聯(lián)性和有機(jī)統(tǒng)一性體現(xiàn)于各個(gè)零部件間的約束之中。 零部件的實(shí)體建模 （ 1）溝槽凸輪的建模 溝槽凸輪零件的三維實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)體模型如 圖 3— 4 所示： 圖 3— 4 滑塊 （ 5）機(jī)架的建模 機(jī)架零件的三維實(shí)體模型如圖 3— 5 所示： 圖 3— 5 機(jī)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?fù)渎?lián)接關(guān)系。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)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(dāng)今世界機(jī)械 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今最成功的 CAD/CAM 軟件之一。機(jī)構(gòu)簡圖如圖 2— 3 所示： 圖 2— 3 溝槽凸輪機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)簡圖 10 本章小結(jié) (1)分析了從動(dòng)件基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律和組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律，歸納了運(yùn)動(dòng)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(dòng)滾子從動(dòng)件平面槽凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)原理示意圖 這個(gè)機(jī)構(gòu)由兩部分組成：溝槽凸輪和連桿滑塊機(jī)構(gòu)。為此本為選取的凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為修正正弦加速度規(guī)律。 理論輪廓線上 B 點(diǎn)處的法線的斜率為 9 機(jī)構(gòu)簡介 本文要求機(jī)構(gòu)輸出端能實(shí)現(xiàn)升 — 停 — 回 — 停的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。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)。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。解析法繪出的凸輪輪廓誤差相對(duì)較小，但計(jì)算量大。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)。為了避免凸輪實(shí)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(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，如果壓力角超過了許用值、而機(jī)械的結(jié)構(gòu)空間又不允許增大基圓半徑，則可通過選取從動(dòng)件適當(dāng)?shù)钠梅较騺慝@取較小的推程壓力角。 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 。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。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)。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，擺桿長度等。 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。 (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突變，因而無柔性沖擊，有利于機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 (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、高速場合使用。 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。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)；反過來實(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。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。 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，大大簡化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用，同時(shí)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(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的研究不斷向縱深方向發(fā)展，開始對(duì)凸輪進(jìn)行有限元分析及非線性問題的研究，同時(shí)，歐美各國學(xué)者對(duì)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(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。迄今為止我國凸輪機(jī)構(gòu)CAD/CAM 技術(shù)仍未得到有效的推廣應(yīng)用。 我國凸輪機(jī)構(gòu) CAD/CAM 的研究現(xiàn)狀 我國凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的理論研究己經(jīng)達(dá)到了較高的水平，為凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 盡管我國對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和研究也有多年的歷史，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、輪廓線、動(dòng)力學(xué)、優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)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)。工程中，幾乎所有簡單的、復(fù)雜的重復(fù)性機(jī)械動(dòng)作都可由凸輪機(jī)構(gòu)或者包括凸輪機(jī)構(gòu)的組合機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。這種現(xiàn)象在凸輪的設(shè)計(jì)中尤為突顯。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中重復(fù)計(jì)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(yán)重影響了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。凸輪機(jī)構(gòu)是能使從動(dòng)件按照給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的高副機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)任意給定的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且與其它機(jī)構(gòu)配合可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)要求。 我國以前對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)深入系統(tǒng)地研究較少，僅在內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)有較深入研究。此外，上海交通大學(xué)、大連輕工業(yè)學(xué)院、合肥工業(yè)大學(xué)和山東大學(xué) (山東工業(yè)大學(xué) )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(jìn)水平的科研成果。這樣就在無形中制約著我國凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造水平的提高，造成高速、高精度的凸輪機(jī)構(gòu)必須依賴進(jìn)口的被動(dòng)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(duì)凸輪的研究逐步成熟起來，出現(xiàn)了較完整的運(yùn)動(dòng) 規(guī)律的設(shè)計(jì)，在梯薩爾的著作中就采用了多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律。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)。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。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)。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。 從動(dòng)件常用的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律 幾種常見的基木運(yùn)動(dòng)規(guī)律有三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 (簡諧運(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。下面是一些常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的適用場合： (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。當(dāng) 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)，沒有柔性沖擊。正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律廣泛用于中速凸輪機(jī)構(gòu)，但不適于高速場合。 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的設(shè)計(jì)問題是在給定從動(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。 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。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。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自鎖問題，故許用壓力角可以取大一點(diǎn)，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(jià)的。 7 凸輪滾子半 徑 線產(chǎn)生過度切割，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。 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)。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。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 8 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。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 ? 角后，從動(dòng)件擺過 ? 角。所以如果已知理論輪廓線上任意一點(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′）。但正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律用于升 — 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)。在第二種方案中滑塊和凸輪機(jī)構(gòu)是并排的，不易連接，因此在兩者間加了個(gè)連桿。由原理示意圖可作出擺動(dòng)滾子從動(dòng)件平面槽凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)（以后簡稱為溝槽凸輪機(jī)構(gòu)）的機(jī)構(gòu)簡圖。 11 3 凸輪機(jī)構(gòu)的實(shí)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(jì)至生產(chǎn)全過程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。 Pro/Engineer 是一個(gè)功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設(shè)計(jì)專用功 能來實(shí)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(duì)于 使用者 來說是更自然，更直觀，無需采用復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)方式。只有這樣，裝配體才能完成人們賦予它的預(yù)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(gè)裝配約束作用 于兩個(gè)零件，實(shí)質(zhì)上就是約束分屬于兩個(gè)零件上的兩個(gè)幾何元素，這些幾何元素主要有點(diǎn)、直線、 13 二次曲線、平面、二次曲面等，它可以是零件上實(shí)際存在的元素，也可以是零件的延伸或擴(kuò)展，或者說是零件的虛擬部分，如基準(zhǔn)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(dá)。我們可以看出，定量約束的量為零時(shí)，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(duì)空間位置時(shí)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(biāo)準(zhǔn)件 (如軸承 )或作為整體的外購裝配體