沟槽凸轮机构的设计运动仿真

沟槽凸轮机构的设计运动仿真

在当今经济全球化、市场竞争日趋激烈的时代，新产品的开发时间成为企业能否在激烈的市场竞争中取胜的关键因素。传统的产品设计过程中重复计算、重复建模等工作量很大，一直困扰着产品开发人员，严重影响了产品的设计质量和效率。这种现象在凸轮的设计中尤为突显。针对这一问题，本课题利用Pro/E软件中的运动仿真模块对凸轮机构运动进行模拟仿真。

本论文的主要研究内容有：

1、沟槽凸轮设计

2、沟槽凸轮机构的零部件的实体建模

3、沟槽凸轮机构的运动仿真

绪论

1.1 本文研究的背景

1.1.1 我国凸轮机构的研究现状

凸轮机构是典型的常用机构之一。凸轮机构是能使从动件按照给定的运动规律运动的高副机构，可以实现任意给定的位移、速度、加速度等运动规律，而且与其它机构配合可以实现复杂的运动要求。工程中，几乎所有简单的、复杂的重复性机械动作都可由凸轮机构或者包括凸轮机构的组合机构来实现。又由于凸轮机构具有平稳性好，重复精度高，运动特性良好，机构的构件少，体积小，刚性大，周期控制简单，可靠性好，寿命长等优点，因而是现代工业生产设备中不可缺少的机构之一，被广泛用于各种自动机中。例如，自动包装机、自动成型机、自动装配机、自动机床、纺织机械、农用机械、印刷机械加工中心环刀机构、高速压力机械等。

我国以前对凸轮机构深入系统地研究较少，仅在内燃机配气凸轮机构有较深入研究。1990年以来，有关凸轮机构的应用研究取得了一大批成果，许多己应用于生产。陕西科技大学完成的(高速高精度间歇转位凸轮分度机构CAD/CAM)，1995年获陕西省科技进步二等奖：开发的“凸轮分度机构传动装置”获中国轻工总会优秀新产品一等奖；加工弧面凸轮的“XK5001双回转坐标数控铣床”获实用新型专利。天津大学关于分度凸轮机构的研究，得到了国家自然科学基金的支持；研究开发的两片式平行分度凸轮机构达到了国内领先水平。此外，上海交通大学、大连轻工业学院、合肥工业大学和山东大学(山东工业大学)等在理论应用研究方面都取得了很多具有国际或国内先进水平的科研成果。

尽管我国对凸轮机构的应用和研究也有多年的历史，对凸轮机构的设计、运动规律、轮廓线、动力学、优化设计等方面的研究都取得了很多科研成果。但是，与先进国家相比，我国对凸轮机构的设计和制造上都还存在较大的差距，尤其在制造方面。在国外核心技术也只是集中在少数的几家公司和科研机构中，而且由于技术保密等因素，具有一定参考价值的相关资料很少公开发表。这样就在无形中制约着我国凸轮机构设计和制造水平的提高，造成高速、高精度的凸轮机构必须依赖进口的被动局面。

1.1.2 我国凸轮机构CAD/CAM的研究现状

我国凸轮机构运动学的理论研究己经达到了较高的水平，为凸轮机构设计奠定了坚实的理论基础。当今，凸轮机构设计己广泛采用解析法并借助于计算机来完成，数控机床用于凸轮加工也有很长的历史。我国发表的凸轮机构CAD/CAM方面的文献较多。但这些凸轮的CAD/CAM系统核心技术仅被某些企业所有，并未在市场上以商品软件的形式出现。迄今为止我国凸轮机构CAD/CAM技术仍未得到有效的推广应用。另外，由于凸轮专用软件开发更新的速度慢，远远跟不上当今计算机软、硬件的发展速度，使得现有凸轮机构CAD/CAM软件己大为落后，不能完全适应广大设计人员的要求。

1.1.3 国外凸轮机构及其 CAD/CAM的研究现状

自上世纪三十年代以来，人们就开始了对凸轮机构的研究，并且研究工作随着新技术、新方法的产生和应用在不断深化。60年代后，对凸轮的研究逐步成熟起来，出现了较完整的运动规律的设计，在梯萨尔的著作中就采用了多项式运动规律。对凸轮机构的研究不断向纵深方向发展，开始对凸轮进行有限元分析及非线性问题的研究，同时，欧美各国学者对高速凸轮的研究也有新的突破，许多学者发表了关于凸轮机构的优化设计、凸轮振动、动态响应等方面的论文。日木在凸轮机构方面的研究也有巨大贡献。在机构设计方面，致力于寻求凸轮机构的精确解和使凸轮曲线多样化，以适应新的要求。并加强了对凸轮机构动力学和振动方面的研究和标准化研究，发展成批生产的标准凸轮机构，在此基础上进一步拓展凸轮机构CAD/CAM系统。美国、日木等国家的一些凸轮制造企业开发了供木企业使用的凸轮CAD/CAM系统，有的还形成了商业化软件，如日木SUNCALL公司开发的HYMOCAM系统等。

1.1.4 我国凸轮CAD系统存在的问题

通过调研以及查阅大量文献资料，我国现有的凸轮CAD系统存在如下问题：

(1)多数是在AutoCAD基础上进行二次开发而成的，不具有三维建模功能；

(2)没有商品化的凸轮CAD系统出现；

(3)现有的基于Pro/ENGINEER的凸轮CAD系统中，融入先进的数据库管

理技术的还没有主要原因是由于Pro/TOOLKIT开发界面的功能很弱，而且根木没有连接数据库的功能；

(4)由于凸轮专用软件开发更新的速度慢，远远跟不上当今计算机硬件的发展速度，使得现有的平面凸轮机构CAD应用软件已大为落后，不能适应实际生产的需要；

(5)集成化、智能化和网络化很不完善。

1.2 本文研究的主要内容

本文研究的主要内容是关于沟槽凸轮机构的运动仿真。首先介绍了沟槽凸轮的设计，然后在Pro/E软件中实现其实体建模和装配，最后才对装配好的沟槽凸轮机构进行运动仿真，并对仿真结果进行了分析。

1.3 本文意义

对凸轮机构进行运动仿真，可以根据仿真结果以及碰撞干涉检查，对设计的零件进行结构等方面的修改，大大简化机构的设计开发过程，缩短开发周期，减少开发费用，同时提高产品质量。

1.4 本章小结

首先本章对课题的研究背景进行了详细的介绍，然后又对本文的研究内容和本文意义进行介绍。

2 凸轮机构设计分析

2.1 从动件运动规律的选取

运动规律设计包括对所设计的凸轮机构输出件的运动提出的所有给定要求。例如，推程、回程运动角、远休止角、近休止角、行程以及推程、回程的运动规律曲线形状，都属于运动规律设计。所谓凸轮曲线并不是凸轮轮廓的形状曲线，而是凸轮驱动从动件的运动曲线。研究凸轮曲线的目的在于用最短时间、最圆滑、无振动、耗能少的方式来驱动从动件。凸轮曲线特性优良与否直接影响凸轮机构的精度、效率和寿命。从动件的运动情况，是由凸轮轮廓曲线的形状决定的。一定轮廓曲线形状的凸轮，能够使从动件产生一定规律的运动；反过来实现从动件不同的运动规律，要求凸轮具有不同现状的轮廓曲线，即凸轮的轮廓曲线与从动件所实现的运动规律之间存在着确定的依从关系。因此，凸轮机构设计的关键一步，是根据工作要求和使用场合，选择或设计从动件的运动规律。在设计凸轮机构基木尺寸和凸轮轮廓之前，必须根据凸轮机构的工作性能要求选择从动件的运动规律方程式，选择不同的从动件运动规律将直接影响凸轮机构的基本尺寸设计、轮廓设计及凸轮机构的运动性能等。

2.1.1 从动件常用的基本运动规律

几种常见的基木运动规律有三角函数运动规律(简谐运动规律、摆线运动规律及双谐运动规律等)；简单多项式运动规律；等速运动规律(一次项运动规律)、等加等减速运动规律(二次项运动规律)等。

2.1.2 从动件运动规律的选取原则

从动件运动规律的选择或设计，涉及到许多因素。除了需要满足机械的具体工作要求外，还应使凸轮机构具有良好的动力特性，同时又要考虑所设计的凸轮廓线便于加工，这些因素又往往是互相制约的。因此在选择或设计运动规律时，必须根据使用场合、工作条件等分清主次，综合考虑。下面是一些常用运动规律的适用场合：

(l)等速运动规律在很多情况下能满足凸轮机构推程的工作要求，但是在从动件行程的开始和终止位置存在刚性冲击，是运动特性最差的曲线，所以等速运动规律很少单独使用，且不适用于中、高速。

(2)等加速等减速运动规律的速度曲线连续，在所有曲线中其最大加速度值为最小，但在从动件行程的开始、终止和由正加速度变为负加速度的中间位置，加速度的有限值突变将导致柔性冲击，因而不能在中、高速场合使用。

(3)余弦加速度运动规律消除了行程中间位置的加速度突变，且易于计算和加工，在中速时也能获得合理的从动件的运动。但当这种运动规律用于升—停—回—停运动时，在行程的起始和终止位置因加速度突变而仍有柔性冲击。当

这种规律用于升—回—升型运动时，则加速度曲线连续，没有柔性冲击。

(4)正弦加速度运动规律用于升—停—回—停运动时，从动件在行程的起始和终止位置加速度无突变，因而无柔性冲击，有利于机构运转平稳。但它用于升—停—回—停运动时，在推程与回程的连接点处，跃度从有限的正值变为负值，因而加速度曲线不连续。这种曲线要求机械加工的准确性高于其他曲线。正弦加速度运动规律广泛用于中速凸轮机构，但不适于高速场合。

2.2 凸轮机构基本尺寸的设计

凸轮机构的基本尺寸对凸轮机构的结构、传力性能都有重要的影响。凸轮机构的基本参数选择的不恰当，则可能造成压力角过大或产生运动失真现象。凸轮机构的基本尺寸之间互相影响、互相制约，所以如何合理地设计这些基本尺寸，也是凸轮机构设计中要解决的重要问题。

凸轮机构基本尺寸的设计问题是在给定从动件运动规律和许用压力角的条件下寻求一组适用的尺寸，从而使设计的凸轮机构性能佳、寿命长。沟槽凸轮机构主要设计参数有：基圆半径和偏距，滚子半径，摆杆长度等。为提高凸轮机构传力效果，希望机构在推程中压力角尽量小。一般来讲，这些参数的选择，除应保证使从动件能够准确地实现预期的运动规律外，还应当使机构具有良好的受力状况和紧凑的尺寸。

2.2.1 凸轮机构压力角和基圆半径

凸轮压力角是从动件运动(速度)方向与传动轴线方向之间的夹角。压力角是衡量凸轮机构传力特性好坏的一个重要参数。从减小推力、避免自锁，使机构具有良好的受力状况来看，压力角应越小越好。同时设计凸轮机构时，除了使机构具有良好的受力状况外，还希望机构结构紧凑。在实现相同运动规律的情况下，基圆半径越大，凸轮的尺寸也越大。因此，要获得轻便紧凑的凸轮机构，就应当使基圆半径尽可能地小。而基圆半径r 0及偏距e 与凸轮压力角α有如下关系：

tan α=0s s e d d s +-?=220e r s e d d s -+-? (2—1)

当凸轮逆时针转动、从动件偏于凸轮轴心左侧或当凸轮顺时针转动，从动件偏于凸轮轴心右侧时，压力角的计算公式：

tan α=220e r s e d d s -++?

(2—2)

由计算公式可知压力角和基圆半径两者是互相制约的，在一般情况下，为了保证设计的凸轮机构既有较好的传力特性又具有较紧凑的尺寸，设计时两者应同时考虑。为了保证凸轮机构顺利工作，规定了压力角的许用值[]α，在使[]αα≤max 的前提下，选取尽可能小的基圆半径。推荐推程的许用压力角为：移动推杆[]α=300~380；当要求凸轮尺寸尽可能小时可取[]α=450

；摆动推杆[]α=400~450；回程时，由于推杆通常受力较小而无自锁问题，故许用压力角

可以取大一点，通常取[]α=700~800。

在实际工作中，一般都是先根据具体情况预选一个凸轮的基圆半径，待凸轮轮廓曲线设计完成后，在检查其最大压力角是否满足[]αα≤max 。

2.2.2 凸轮机构的偏距

由式(2—1)和式(2—2)可看出，凸轮的转动方向和从动件的偏置方向不同，增大偏距。压力角的变化就不同。若推程压力角减小，则回程压力角将增大，即通过增加偏距来减小推程压力角，是以增大回程压力角为代价的。在设计凸轮机构时，如果压力角超过了许用值、而机械的结构空间又不允许增大基圆半径，则可通过选取从动件适当的偏置方向来获取较小的推程压力角。即在移动滚子从动件盘形凸轮机构的情况下，选择从动件偏置的主要目的是为了减小机构推程时的压力角。

从动件偏置方向选择的原则是：若凸轮逆时针回转，则应使从动件轴线偏于凸轮轴心右侧；若凸轮顺时针回转，则应使从动件轴线偏于凸轮轴心左侧。

2.2.3 凸轮滚子半径

当凸轮廓线为内凹廓线时，实际廓线的曲率半径a ρ、理论廓线的曲率半径ρ、滚子半径r r 三者之间有如下的关系：a ρ=ρ+r r 。而当凸轮廓线为外凸廓线时，实际廓线的曲率半径a ρ、理论廓线的曲率半径ρ、滚子半径r r 三者之间的关系是a ρ=ρ﹣r r ，当ρ=r r 时，则a ρ=0，即实际廓线将出现尖点，由于尖点处极易磨损，故不能实用；若ρ

实际凸轮时应保证凸轮实际廓线的最小曲率半径不小于某一许用值。

m in a ρ=min ρ﹣r r []a ρ≥ (2.3)

一般取[]a ρ=3~5(mm)

用解析法设计凸轮机构时，通常是先根据机构和强度条件选择滚子半径r r ，然后校核m in a ρ=min ρ﹣r r []a ρ≥，若不满足，则应增大基圆半径重新设计。

2.3 凸轮轮廓设计

实现从动件运动规律主要依赖于凸轮轮廓曲线形状，因而轮廓曲线设计是凸轮机构设计中的重要环节。凸轮机构设计的主要任务便是凸轮轮廓曲线的设计。传统的凸轮轮廓设计方法通常采用作图法或解析计算的方法描点。作图法虽简便易行，但其效率低，绘出的凸轮轮廓不够准确。所谓用解析法设计轮廓线，就是根据人们所要求的从动件的运动规律和已知的机构参数，求出凸轮廓线的方程式，并精确地计算一出轮廓线上各点的坐标值。解析法绘出的凸轮轮廓误差相对较小，但计算量大。目前精确设计凸轮轮廓的方法有包络法、速度瞬心法、等距曲面法等等。包络法利用凸轮和从动件的几何关系导出接触点的轨迹方程；速度瞬心法利用凸轮和从动件瞬时速度中心确定凸轮和从动件在某一瞬时接触点的位置。在滚子从动件盘形凸轮机构中，凸轮的实际廓线是以理论廓线上各点为圆心、作一系列滚子圆，然后作该圆族的包络线得到的。因此，实际廓线与理论廓线在法线方向处处等距，该距离均等于滚子半径。

下面介绍的是滚子摆动从动件凸轮轮廓曲线参数方程的建立：

图2—1 摆动滚子从动件盘形凸轮机构

图2—1所示为一摆动滚子从动件盘形凸轮机构。已知凸轮机构转动轴心O 与摆杆摆动轴心A

间的中心距为a，摆杆长度为l，选取直角坐标系XOY如图

2—1所示。当从动件处于起始位置时，滚子中心处于B

0点，摆杆与连心线OA

之间的夹角为

?；当凸轮转过δ角后，从动件摆过?角。由反转法原理作图可以看出，此时滚子中心将处于B点。

由图可知，B点的坐标（x，y）分别为：

x=asinδ﹣lsin（δ+

?+?）

y=acosδ﹣lcos（δ+

?+?）(2.4)

从动件凸轮机构中，凸轮的实际轮廓线是以理论轮廓线上各点为圆心作一系列滚子圆，然后作该圆族的包络线得到的。因此，实际轮廓线与理论轮廓线在法线方向上处处等距，该距离均等于滚子半径。所以如果已知理论轮廓线上