溝槽凸輪機構(gòu)的設(shè)計和運動仿真【含CAD圖紙+PDF圖】

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明開題報告應(yīng)結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）、研究內(nèi)容及實驗方案、目標(biāo)、主要特色及工作進度、參考文獻等內(nèi)容。以下填寫內(nèi)容各專業(yè)可根據(jù)具體情況適當(dāng)修改。但每個專業(yè)填寫內(nèi)容應(yīng)保持一致。一、課題研究背景及國內(nèi)外研究動態(tài)凸輪機構(gòu)廣泛用于各種自動機中。自三十年代以來，人們就在不斷的研究它，并且研究工作隨著新技術(shù)、新方法的產(chǎn)生和應(yīng)用在不斷深化，目前低、中速凸輪機構(gòu)的研究在各方面已經(jīng)相當(dāng)完善，成熟?，F(xiàn)在，人們研究工作的重點已經(jīng)轉(zhuǎn)向高速凸輪機構(gòu)及其動力學(xué)特性方面。近五十年代，由于計算機技術(shù)和各種數(shù)值計算法的發(fā)展，使得很多方面的研究得以深入。在歐美各國，學(xué)者們?yōu)橥馆啓C構(gòu)的研究做出了巨大的貢獻。早在三十年代，F(xiàn).D.Furman就寫了一本系統(tǒng)介紹凸輪設(shè)計的著作，當(dāng)時的工作主要集中在低速凸輪機構(gòu)，而且主要是分析運動規(guī)律。到了四十年代，人們開始對配氣凸輪機構(gòu)的振動進行深入研究，并從經(jīng)驗設(shè)計到有理論根據(jù)的運動學(xué)和動力學(xué)分析。四十年代末，J.A.Hrones等人已經(jīng)注意到從動件的剛度對凸輪機構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)有明顯的影響。五十年代初，D.B.Mitchell最先對凸輪機構(gòu)進行實驗研究。后來不少學(xué)者采用多種儀器，對高速凸輪的動力學(xué)響應(yīng)進行測量，并獲得了許多重要的成果。隨著計算機的發(fā)展，凸輪機構(gòu)的CAD/CAM獲得巨大成功，凸輪機構(gòu)的研究從經(jīng)驗設(shè)計到優(yōu)化設(shè)計，從單純的運動分析到動力學(xué)分析，從手工加工到CAM等發(fā)展階段。僅八,九十年代，就有P.Diemtma，J.K.Mills，Y.Peng，V.Y.Blrstij，Y.W.Chan等人先后發(fā)表了有關(guān)凸輪機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面的論文，而Tsay，Bagci，Camil，Yilmaz，Yuksel，A.I.Mahyuddin，Cardona，Aiberto，T.L.Drenser等人先后發(fā)表了有關(guān)凸輪振動、動態(tài)響應(yīng)等動力學(xué)方面的論文。在高速凸輪機構(gòu)的研究方面，歐美各國也取得了巨大的成就。Tesar在其著作中對高速凸輪機構(gòu)采用的多項式運動規(guī)律有較詳細的論述，而T.Weber，A.S.Gutman，F(xiàn).Freadunstein等人提出了付氏級數(shù)運動規(guī)律，D.A.Stoddart與G.F.Fawcett等提出了多項式運動規(guī)律等等。同時，M.Chew，Y.S.Unlusoy等人對高速凸輪機構(gòu)的動力學(xué)問題在進行研究。德國、英國在高速凸輪機構(gòu)的研究方面又有了新的突破，對凸輪機構(gòu)采用了諧分析、諧綜合等分析設(shè)計方法，使得高速凸輪機構(gòu)的動力學(xué)性能有了很大的改善。歐美各國的學(xué)者還特別注重研究文獻的搜集，P.W.Jensen在其專著中幾乎列出了1984年以前的、有記載的、可以找到的所有的文獻資料，共1817篇。日本也特別重視凸輪機構(gòu)的研究，日本學(xué)者在凸輪技術(shù)發(fā)展上所做的工作主要有：1、在機構(gòu)設(shè)計方面，致力于尋求凸輪機構(gòu)的精確解和使凸輪曲線多樣化，以適應(yīng)新的要求。2、加強了凸輪機構(gòu)動力學(xué)和振動方面的研究，提高了機構(gòu)的速度，發(fā)展了高速凸輪。3、研制新的凸輪加工設(shè)備，以適應(yīng)新開發(fā)的產(chǎn)品，實現(xiàn)了凸輪機構(gòu)的小型化和大型化。4、加強凸輪機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，發(fā)展成批生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。5、發(fā)展凸輪機構(gòu)的CAD/CAM系統(tǒng)。我國對凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和研究已有多年歷史，目前仍在繼續(xù)擴展和深入。近年來已經(jīng)取得一定成就，但與先進國家相比我國對凸輪機構(gòu)的研究和應(yīng)用還存在一定的差距，尤其是在對振動的研究、凸輪機構(gòu)的加工及產(chǎn)品開發(fā)等方面。雖然已經(jīng)有很多學(xué)者對凸輪機構(gòu)的研究做了相當(dāng)多的工作，但在各研究方向仍有許多可以進行的地方。例如，從設(shè)計的角度考慮，大致有以下幾點：1、在從動件運動規(guī)律的研究方面，除了繼續(xù)尋找更好的運動規(guī)律外，還要研究有效的分析方法。2、在幾何學(xué)和運動學(xué)的研究方面。要綜合考慮各種凸輪機構(gòu)，盡可能導(dǎo)出普遍使用的計算公式。3、發(fā)展通用而有效的CAD系統(tǒng)。4、引入專家系統(tǒng)或人工智能CAD系統(tǒng)。5、動力學(xué)的深化及研究成果的進一步實用化。6、加強對凸輪機構(gòu)的運動學(xué)特性好熱動力學(xué)特性的計算機模擬，以提高設(shè)計質(zhì)量和縮短產(chǎn)品研制周期。7、研究CAD/CAM的一體化。8、凸輪機構(gòu)作為引導(dǎo)機構(gòu)的研究和應(yīng)用。隨著社會的發(fā)展科技的進步，人們對各種機械在速度、效率、壽命、噪聲和可靠性等方面要求的日益提高，因此也就對凸輪機構(gòu)的各種性能有更高的要求。為適應(yīng)這種發(fā)展形勢，凸輪機構(gòu)必須具有特性優(yōu)良的凸輪曲線和高速、高精度性能。我們的研究也正是為次而努力。二、溝槽凸輪機構(gòu)設(shè)計與分析為滿足凸輪機構(gòu)的輸出件提出的運動要求、動力要求等，凸輪機構(gòu)的設(shè)計大致可分為以下三步:l)從動件運動規(guī)律的設(shè)計。2)凸輪機構(gòu)基本尺寸的設(shè)計。3)凸輪機構(gòu)輪廓曲線的設(shè)計。2.1 從動件運動規(guī)律的設(shè)計運動規(guī)律設(shè)計包括對所設(shè)計的凸輪機構(gòu)輸出件的運動提出的所有給定要求。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。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。研究凸輪曲線的目的在于用最短時間、最圓滑、無振動、耗能少的方式來驅(qū)動從動件。凸輪曲線特性優(yōu)良與否直接影響凸輪機構(gòu)的精度、效率和壽命。從動件的運動情況，是由凸輪輪廓曲線的形狀決定的。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。因此，凸輪機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵一步，是根據(jù)工作要求和使用場合，選擇或設(shè)計從動件的運動規(guī)律。在設(shè)計凸輪機構(gòu)基木尺寸和凸輪輪廓之前，必須根據(jù)凸輪機構(gòu)的工作性能要求選擇從動件的運動規(guī)律方程式，選擇不同的從動件運動規(guī)律將直接影響凸輪機構(gòu)的基本尺寸設(shè)計、輪廓設(shè)計及凸輪機構(gòu)的運動性能等。從動件運動規(guī)律可分為基本運動規(guī)律和組合運動規(guī)律。基木運動規(guī)律包括簡單多項式運動規(guī)律和三角函數(shù)運動規(guī)律，組合運動規(guī)律是由數(shù)種基木運動規(guī)律進行拼接而成。2.1.1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。2.1.2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。除了需要滿足機械的具體工作要求外，還應(yīng)使凸輪機構(gòu)具有良好的動力特性，同時又要考慮所設(shè)計的凸輪廓線便于加工，這些因素又往往是互相制約的。因此在選擇或設(shè)計運動規(guī)律時，必須根據(jù)使用場合、工作條件等分清卞次，綜合考慮。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。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。3)余弦加速度運動規(guī)律消除了行程中間位置的加速度突變，且易于計算和加工，在中速時也能獲得合理的從動件的運動。但當(dāng)這種運動規(guī)律用于升一停一回一停運動時，在行程的起始和終止位置因加速度突變而仍有柔性沖擊。當(dāng)這種規(guī)律用于升一回一升型運動時，則加速度曲線連續(xù)，沒有柔性沖擊。4)正弦加速度運動規(guī)律用于升一停一回一停運動時，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)。但它用于升一回停運動時，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)。這種曲線要求機械加工的準(zhǔn)確性高于其他曲線。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。2.2 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。凸輪機構(gòu)的基本參數(shù)選擇的不恰當(dāng)，則可能造成壓力角過大或產(chǎn)生運動失真現(xiàn)象。凸輪機構(gòu)的基本尺寸之間互相影響、互相制約，所以如何合理地設(shè)計這些基本尺寸，也是凸輪機構(gòu)設(shè)計中要解決的重要問題。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。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。為提高凸輪機構(gòu)傳力效果，希望機構(gòu)在推程中壓力角盡量小。一般來講，這些參數(shù)的選擇，除應(yīng)保證使從動件能夠準(zhǔn)確地實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律外，還應(yīng)當(dāng)使機構(gòu)具有良好的受力狀況和緊湊的尺寸。2.2.1凸輪機構(gòu)壓力角和基圖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。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)。從減小推力、避免自鎖，使機構(gòu)具有良好的受力狀況來看，壓力角應(yīng)越小越好。同時設(shè)計凸輪機構(gòu)時，除了使機構(gòu)具有良好的受力狀況外，還希望機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊。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。因此，要獲得輕便緊湊的凸輪機構(gòu)，就應(yīng)當(dāng)使基圓半徑盡可能地小。由計算公式可知壓力角和基圓半徑兩者是互相制約的，在一般情況下，為了保證設(shè)計的凸輪機構(gòu)既有較好的傳力特性又具有較緊湊的尺寸，設(shè)計時兩者應(yīng)同時考慮。為了保證凸輪機構(gòu)順利工作，規(guī)定了壓力角的許用值的前提下，選取盡可能小的基圓半徑。2.2.2溝槽凸輪的曲率半徑移動滾子從動件盤形凸輪的曲率半徑。當(dāng)凸輪廓線為內(nèi)凹廓線時，實際廓線的曲率半徑Pa、理論廓線的曲率半徑p、滾子半徑r三者之間有如下的關(guān)系:而當(dāng)凸輪廓線為外凸廓線時，實際廓線的曲率半徑Pa、理論廓線的曲率半徑p、滾子半徑r三者之間的關(guān)系是:Pa=p-r，當(dāng)p=r時，則Pa=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pr，則P0，這時實際廓線將出現(xiàn)交叉，當(dāng)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(zhǔn)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。實際凸輪時應(yīng)保證凸輪實際廓線的最小曲率半徑不小于某一許用值。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;二是增大基圓半徑。2.3凸輪輪廓的設(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)。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。傳統(tǒng)的凸輪輪廓設(shè)計方法通常采用作圖法或解析計算的方法描點，擬合輪廓。作圖法雖簡便易行，但其效率低，繪出的凸輪輪廓不夠準(zhǔn)確。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(biāo)值。解析法繪出的凸輪輪廓誤差相對較小，但計算量大。目前精確設(shè)計凸輪輪廓的方法有包絡(luò)法、速度瞬心法、等距曲面法等等.包絡(luò)法利用凸輪和從動件的幾何關(guān)系導(dǎo)出接觸點的軌跡方程;速度瞬心法利用凸輪和從動件瞬時速度中心確定凸輪和從動件在某一瞬時接觸點的位置。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。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。2.4運用ProE系統(tǒng)對溝槽凸輪機構(gòu)運動進行模擬仿真在Pro /E中，我們可以通過對機構(gòu)添加運動副、驅(qū)動器使其運動起來，以實現(xiàn)機構(gòu)的運動仿真。而機構(gòu)又是由構(gòu)件組合而成的，其中每個構(gòu)件都是以一定的方式至少與另一個構(gòu)件相連接，這種連接既使兩個構(gòu)件直接接觸，又使兩個構(gòu)件產(chǎn)生一定的相對運動。創(chuàng)建機構(gòu)的過程與零件裝配的過程極為相似。與其他的軟件相比較，用Pro/E做運動仿真的主要特點如下:1. )運動輸入運動輸入(MotofnnIPu)是賦給運動副控制運動的運動副參數(shù)。當(dāng)創(chuàng)建或編輯調(diào)用一個運動副時，就會彈出運動驅(qū)動對話框。使用者可以根據(jù)需要選擇無運動驅(qū)動、運動函數(shù)、恒定運動、簡諧運動驅(qū)動以及關(guān)節(jié)運動驅(qū)動等5種可能的運動驅(qū)動中的一種。2. )關(guān)節(jié)運動分析當(dāng)使用者只需要了解某一關(guān)節(jié)的運動情況時，可以選擇分析工具條中的關(guān)節(jié)運動分析圖標(biāo)，并輸入步長和步數(shù)進行分析。3. )靜力學(xué)分析靜力學(xué)分析(statciAnalys)si將模型移動到平衡位置，并輸入運動副上的反作用力。當(dāng)選擇靜力學(xué)分析后，時間和步數(shù)的輸入項將不可選。4. )機構(gòu)運動學(xué)/機構(gòu)動力學(xué)分析機構(gòu)運動學(xué)/機構(gòu)動力學(xué)分析(幻nematiclDynamciAnalys)si按輸入的時間和步數(shù)進行仿真分析。時間值代表運動分析模型所分析的時間段內(nèi)的時間，步數(shù)值代表在此時間段內(nèi)分幾個瞬態(tài)位置進行分析或顯示。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。裝配位置與設(shè)計位置的區(qū)別是:裝配位置是在裝配機構(gòu)時產(chǎn)生的，與使用者裝配時所選取的配合面有關(guān);而設(shè)計位置是使用者在運動仿真前人為設(shè)置的，使用者可以根據(jù)需要進行設(shè)定或者調(diào)節(jié)設(shè)計位置。6. )多種形式輸出PorE/運動仿真的結(jié)果可以以多種格式進行輸出，這些形式主要有MPEG、AnlmatedGFI以及VRML等。7. )預(yù)測工程和工程判斷準(zhǔn)則ProE/的運動分析模塊是用于預(yù)測工程的應(yīng)用軟件。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P(roE/有限元分析模塊)和注塑流動分析(proE/塑料零件分析顧問模塊)。這些預(yù)測都是基于非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論以及公認的物理和工程原理。三、研究內(nèi)容及實驗方案： 研究內(nèi)容:1、溝槽凸輪設(shè)計2、溝槽凸輪機構(gòu)的零部件的實體建模3、溝槽凸輪機構(gòu)的運動仿真實驗方案:1.凸輪機構(gòu)的設(shè)計的初步方案：通過從動件運動規(guī)律的選取和通過確定凸輪的壓力角和基圓半徑、偏距以及滾子半徑,從而確定凸輪的輪廓設(shè)計。 2凸輪機構(gòu)的實體建模與裝配的設(shè)計的初步方案：通過Pro/E軟件的了解和零部件的實體建模的分析，從而確定裝配模型的設(shè)計。 3凸輪機構(gòu)的運動仿真的設(shè)計的初步的設(shè)計方案：通過計算機仿真的概述了解以及Pro/E運動仿真簡介的分析，從而確定凸輪機構(gòu)的運動仿真的設(shè)計。四、目標(biāo)、主要特色及工作進度工作進度：1. 開題報告、查閱資料、外文翻譯（6000字符) 2.213.11 3周2. 凸輪機構(gòu)設(shè)計 3.144.1 3周3. 凸輪機構(gòu)的實體建模與裝配 4.44.29 4周4. 凸輪機構(gòu)的運動仿真 5.25.27 4周5. 撰寫畢業(yè)論文 5.306.17 3周6. 答辯準(zhǔn)備及畢業(yè)答辯 6.206.25 1周五、參考文獻1 Xing Yingjie. Recording and processing of planar cure using clothoids(Ind Report)recording of cam profile with clothoidal interpolation, Tokyo: Seimitsu kogaku kaishi 61 Aug 1995 JSPE, 1995, 109211002 Watanabe Katsuin, Exact analysis of plate cam mechanisms having errorin kinermatic constants. Nippon Kihai Gakkai ronbunshuc Hen, 19933 石永剛，徐振華凸輪機構(gòu)，上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.4 申永勝機械原理教程，北京：清華大學(xué)出版社5 石永剛凸輪設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新，北京：機械工業(yè)出版社.6 劉會英，楊志強，張勤明機械原理，北京：機械工業(yè)出版社7 袁劍雄，李晨霞，潘承怡.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計禁計，北京：機械工業(yè)出版社.8 劉昌祺，牧野洋（日），曹西京.凸輪機構(gòu)設(shè)計，北京：機械工業(yè)出版社.9 譚雪松，張青，賴春林機械工程師Pro/ENGINEER Wildhre中文版 機械設(shè)計，北京：人民郵電出版社.10 葛正浩，楊芙蓮Pro/E機構(gòu)設(shè)計與運動仿真，北京：化學(xué)工業(yè)出版社.