【正文】 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)。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)。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。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。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。 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)。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。 由圖可知， B 點(diǎn)的坐標(biāo)（ x， y）分別為： () 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。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′）。為了達(dá)到這個(gè)要求，本文采用的方案為凸輪機(jī)構(gòu)。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)。 在設(shè)計(jì)具體的凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，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(jī)構(gòu)，第二種是凸輪與滑塊并排的平面溝槽凸輪機(jī)構(gòu)。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。其中主動(dòng)件為由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的溝槽凸輪，從動(dòng)件為由溝槽凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)連桿滑塊機(jī)構(gòu)中的擺桿，運(yùn)動(dòng)輸出端為滑塊。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。 (2)介紹了常用凸輪機(jī)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(jì)要求。 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 第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)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 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/E 采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。 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。 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(gè)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(yùn)動(dòng)。只有這樣，裝配體才能完成人們賦予它的預(yù)期功能。這些約束包括設(shè)計(jì)變量約束和三維幾何約束，設(shè)計(jì)變量約束控制裝配體中零件的實(shí)體，三維幾何約束確定零件的位置。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。 上面我們論述過，點(diǎn)、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。如兩平面的距離、兩線間的夾角等，能用數(shù)量來表達(dá)。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(dòng)態(tài)性。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。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(duì)運(yùn)動(dòng)的紐帶。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。 （ 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。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，則當(dāng)作不可拆分的零件處理直接拆卸；如遇到聯(lián)接件、緊固 件則應(yīng)當(dāng)首先拆卸。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。 （ 3）裝配規(guī)則 裝配規(guī)劃即裝配工藝規(guī)劃形象的描述，就是指裝配過程中按要求制定的裝配計(jì)劃，它研究產(chǎn)品裝配體是用什么工具、沿怎樣的路徑、按照怎樣的次序裝配起來的。裝配過程設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，它不但要受零部件設(shè)計(jì)的幾何和功能的影響，而且受制造、裝配過程以及經(jīng)濟(jì)性的影響。用戶在進(jìn)行裝配規(guī)劃時(shí)，可以隨意的調(diào)入任意裝配模型進(jìn)行零部件的拆卸與路徑的調(diào)整，并可以根據(jù)個(gè)人的意愿任意的選擇所要拆卸的零部件數(shù)目，如果用戶不想繼承建模者所建立的裝配模型，也可以很方便的打破原有模型的子裝配體等框架進(jìn)行裝配 。 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 15 Directory...）”命令 ,在彈出“選取工作目錄（ Select Working Directory）”對(duì)話框中選擇 *： \? \結(jié)果，單擊 按鈕。在出現(xiàn)“新文件選項(xiàng)（ New File Options）”對(duì)話框中選擇“ mmns_asm_design”作為模板，單擊 按鈕，即進(jìn)入裝配環(huán)境，此時(shí)工作區(qū)顯示坐標(biāo)系 ASM_DEF_CSYS及基準(zhǔn)平面 ASM_FRONT、 ASM_RIGHT、 ASM_TOP。在“元件放置（ Component Placement）”操控板的對(duì)話欄中單擊“約束（ Constraint）”列表，在列表中選擇“缺省（ Default）”項(xiàng)，單擊 （確認(rèn)）按鈕，完成主體零件的放置，如圖 3— 6所示。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— 7 所示的約束。 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(duì)話框中選擇 *： \? \結(jié)果→ ，單擊 按鈕。 圖 3— 9 銷釘約束 單擊 （確認(rèn)）按鈕，完成擺桿的放置，如圖 3— 10 所示。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— 11 所示的約束。 圖 3— 11 銷釘約束圖 3— 12 連桿的放置 ○ 5 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— 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(duì)話欄中單擊“預(yù)定義集（ Predefine Set）”列表，在列表中選擇“滑動(dòng)桿（ Slider）”選項(xiàng)，設(shè)置如圖 3— 14 所示的約束。 17 圖 3— 14 滑動(dòng)桿約束圖 3— 15 滑塊的放置 本章小結(jié) 本章首先就 Pro/E 軟件進(jìn)行了簡單的介紹，然后又對(duì)溝槽凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡單的分析，最后進(jìn)行機(jī)構(gòu)部零件的實(shí)體建模和裝配。所以計(jì)算機(jī)仿真是通過對(duì)系統(tǒng)模 型的實(shí)驗(yàn)去研究一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)。就應(yīng)用領(lǐng)域方面而言，計(jì)算機(jī)仿真己由航空航天轉(zhuǎn)向制造業(yè)，并從研究制造對(duì)象 (產(chǎn)品 )的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特性及加工、裝配過程，擴(kuò)大到研究制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，并進(jìn)一步擴(kuò)大到后勤供應(yīng)、庫存管理、產(chǎn)品開發(fā)過程的組織、產(chǎn)品測(cè)試等，涉及到企業(yè)制造活動(dòng)的各個(gè)方面。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)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(dòng)控制等多個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)還有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （ 1）模型參數(shù)任意調(diào)整：模型參數(shù)可根據(jù)要求通過計(jì)算機(jī)程序隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整、修改或補(bǔ)充，使人們能掌 握各種可能的仿真結(jié)果，為進(jìn)一步完善研究方案提供了極大的方便。 （ 2）系統(tǒng)模型快速求解：利用計(jì)算機(jī)，在較短時(shí)間內(nèi)就能知道仿真運(yùn)算的結(jié)果 (數(shù)據(jù)或圖像 )。 正是基于這些優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)仿真方法能優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低實(shí)驗(yàn)成本，減少失敗風(fēng)險(xiǎn)，提高預(yù)測(cè)能力。 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)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(jì)和制造， 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(fèi)、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。 （ 1）虛擬制造 (VM) 虛擬制造采用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，以新產(chǎn)品及其制造系統(tǒng)的全局最優(yōu)化為目標(biāo)，通過仿真模型，在計(jì)算機(jī)上仿真生產(chǎn)全過程 ，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)程、加工制造、裝配和調(diào)試，預(yù)估產(chǎn)品的功能、性能和加工性等方面可能存在的問題，從而更加有效地組織生產(chǎn)，增強(qiáng)決策與控制水平，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 （ 2）虛擬產(chǎn)品開發(fā) (VPD) 虛擬產(chǎn)品開發(fā)是實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)，即采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上群組協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)等 。虛擬樣機(jī)技術(shù)采用了計(jì)算機(jī)仿真與虛擬技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上通過 CAD/CAM/CAE 等技術(shù)把產(chǎn)品的資料集成到一個(gè)可視化的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的仿真、分析。 用虛擬樣機(jī)來代替物理樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)時(shí)，不但可以提高產(chǎn)品設(shè) 計(jì)質(zhì)量和效率，而且大幅度地縮短產(chǎn)品研制周期和費(fèi)用。而機(jī)構(gòu)又是由構(gòu)件組合而成的，其中每個(gè)構(gòu)件都是以一定的方式至少與另一個(gè)構(gòu)件相連接，這種連接既使兩個(gè)構(gòu)件直接接觸，又使兩個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。與其他的軟件相比較，用 Pro/E 做運(yùn)動(dòng)仿真的主要特點(diǎn)如下： 20 （ 1）運(yùn)動(dòng)輸入 運(yùn)動(dòng)輸入 (Motion Input)是賦給 運(yùn)動(dòng)副控制運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副參數(shù)。使用者可以根據(jù)需要選擇無運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)函數(shù)、恒定運(yùn)動(dòng)、簡諧運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)以及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)等 5 種可能的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)中的一種。 （ 3）靜力學(xué)分析 靜力學(xué)分析 (Static Analysis)將模型移動(dòng)到平衡位置，并輸入運(yùn)動(dòng)副上的反作用力。 （ 4）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) /機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué) 分析 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) /機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 (Kinematic/Dynamci Analysis)按輸入的時(shí)間和步數(shù)進(jìn)行仿真分析。 （ 5）設(shè)計(jì)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(jì)位置。 （ 6）多種形式輸出 Pro/E 運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果可 以以多種格式進(jìn)行輸出，這些形式主要有 MPEG、Animated GFI 以及 VRML 等。就是說，在許多情況下，在機(jī)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)前或者說在機(jī)構(gòu)真正生產(chǎn)出來前，用該軟件預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)分析 (Pro/E 塑料零件分析顧問模塊 )。 Pro/E 運(yùn)動(dòng)仿真的基本術(shù)語 在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真過程中經(jīng)常會(huì)用到以下的基本術(shù)語： （ 1）放置約束：件中放置元件并限制該元件是否運(yùn)動(dòng)的圖元。 （ 3）主體：元件或相對(duì)不動(dòng)的一組元件。它是定義并限制相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件的關(guān)系。 （ 5）環(huán)連接：加到運(yùn)動(dòng)環(huán)中的最后一個(gè)連接。乃基礎(chǔ) :即大地或者機(jī)架，它是一個(gè)固定不移動(dòng)的零件。在一個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真機(jī)構(gòu)中，可以定 義多個(gè)基礎(chǔ)。 （ 8）拖動(dòng)：鼠標(biāo)點(diǎn)取并在屏幕上移動(dòng)機(jī)構(gòu)?？梢栽诮宇^或幾何圖元上放置驅(qū)動(dòng)器，并指定構(gòu)件之間的位置、速度或加速度運(yùn)動(dòng)。 Pro/E 運(yùn)動(dòng)仿真的步驟 Pro/E 運(yùn)動(dòng)仿真的步驟的流程圖： 凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真 設(shè)置機(jī)構(gòu)環(huán)境 依次單擊主菜單中的“應(yīng)用程序（ Applications）”→“機(jī)構(gòu)（ Mechanism）”命令，進(jìn)入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境，進(jìn) 行機(jī)構(gòu)環(huán)境的設(shè)置。 22 圖 4— 5 “伺服電動(dòng)機(jī)定義”對(duì)話框一