心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD+PROE+仿真】
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歡迎各位老師指導(dǎo)心臟線軌跡直擺凸輪組合機構(gòu)的設(shè)計目 錄第一章 緒論第二章 機構(gòu)的理論設(shè)計第三章 機構(gòu)的實體設(shè)計第四章 機構(gòu)的運動仿真致 謝第一章 緒論直、擺組合凸輪機構(gòu)的研究意義 隨著人類生產(chǎn)能力的不斷提高，對機構(gòu)的要求也越來越高。進一步完善傳統(tǒng)典型機構(gòu)的分析與綜合方法，例如實現(xiàn)預(yù)期軌跡的機構(gòu)的類型和設(shè)計方法的創(chuàng)新，仍是值得研究的課題。本課題即研究一實現(xiàn)預(yù)期心臟線軌跡的直擺凸輪組合機構(gòu) 直、擺組合凸輪機構(gòu)的設(shè)計方法直、擺組合凸輪機構(gòu)的設(shè)計方法 建立直、擺組合凸輪機構(gòu)的設(shè)計公式，得出該機構(gòu)各構(gòu)件位置、大小及形狀尺寸、凸輪實際廓線、理論廓線等，并設(shè)計和繪制出機構(gòu)所需要的所有零件的實體，在此基礎(chǔ)上進行裝配組合，并進行動態(tài)仿真。第二章 機構(gòu)的理論設(shè)計已知參數(shù) 直動從動件凸輪的基圓半徑為60；直動從動件凸輪的偏心距為20；擺動從動件凸輪的基圓半徑為50；擺桿長度為400；擺桿上段長度為200。頂桿位移與擺桿轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律 如圖所示，依據(jù)機構(gòu)運動時所滿足的幾何關(guān)系，可得出頂桿位移與擺桿轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律：擺桿轉(zhuǎn)角 其中 i=0,1,2，n 頂桿位移 其中 i=0,1,2，n直動從動件凸輪理論廓線的參數(shù)計算公式 參看下圖計算得直動從動件凸輪理論廓線的向徑以 及向徑極角 的計算公式如下：在整條軌跡上取36個等分點，也即i=36。計算得直動從動件凸輪理論廓線上36個離散點的參數(shù)如下表序號序號011902200321042205230624072508260927102811291230133114321533163417351836同理可以得到擺動從動件凸輪的理論輪廓線參數(shù)表第二章 機構(gòu)的實體設(shè)計凸輪實體的設(shè)計 由第二章的計算結(jié)果，直動從動件的理論廓線在CAD下可用描點法可以畫出，如圖：選定滾子半徑為18，則凸輪的理論輪廓可畫出，如圖：凸輪實際廓線設(shè)計出來后，將其導(dǎo)入到proe中生成凸輪的三維實體。設(shè)計結(jié)果如圖：同理可設(shè)計出擺動從動件凸輪的實體，結(jié)果如圖：直動桿的實體設(shè)計 選定了導(dǎo)軌的形式和滾子以及銷軸的尺寸后，設(shè)計的直動桿如圖所示：擺動桿的設(shè)計在機構(gòu)的VB仿真中能過發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擺桿采用直桿的形式時，機構(gòu)運動過程中會出現(xiàn)直桿與擺動從動件凸輪的干涉現(xiàn)象，因此設(shè)計的擺桿為如圖結(jié)構(gòu)：導(dǎo)軌實體的設(shè)計導(dǎo)軌采用圓柱導(dǎo)軌，為了增加運動的剛性，采用雙導(dǎo)軌形式。其實體的設(shè)計結(jié)果如圖：支架的實體設(shè)計支架上需安裝兩軸承和后支架。設(shè)計結(jié)果如圖：后支架的實體設(shè)計后支架上需安裝導(dǎo)軌并通過螺栓連接固定于支架上。設(shè)計結(jié)果如圖：第四章 機構(gòu)實體的運動仿真為了驗證設(shè)計的正確性，對機構(gòu)進行運動仿真，仿真結(jié)果如下：最后真誠的感謝大家能在百忙之中聽取我的答辯。心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 題目： 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計 學(xué) 院： 姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 年 級： 指導(dǎo)教師： 二 OO 九年 五 月 目 錄 1 緒論 .1 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 1.1 直、擺組合凸輪機構(gòu)的研究意義 .1 1.2 凸輪機構(gòu)以及組合機構(gòu)的研究和發(fā)展?fàn)顩r .2 1.3 直、擺組合凸輪機構(gòu)的研究方法 .2 1.3.1 直、擺組合凸輪機構(gòu)的設(shè)計 .2 1.3.2 本課題的主要研究方法 .2 2 直動從動機凸輪和擺動從動件凸輪的設(shè)計 .4 2.1 直、擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計基本思想 .4 2.2 直、擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計步驟 .5 2.2.1 求取坐標(biāo)點 .5 2.2.2 確定機構(gòu)初始位置參數(shù) .6 2.2.3 確定頂桿位移與擺桿轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律 .7 2.2.4 凸輪廓形設(shè)計 .7 2.2.5 直動從動件凸輪的頂桿長度及安裝滯后角 .11 2.3 直動凸輪和擺動凸輪的實體設(shè)計 .12 3 機構(gòu)的實體設(shè)計 .14 3.1 機構(gòu)的實體結(jié)構(gòu) .14 3.2 支架的設(shè)計 .15 3.3 直動導(dǎo)軌的設(shè)計 .16 3.4 直動桿的設(shè)計 .16 3.5 擺動桿的設(shè)計 .17 3.6 軸系零部件的設(shè)計 .17 3.6.1 擬定軸上零件的裝配方案 .18 3.6.2 確定軸的各段直徑和長度 .18 3.6.3 軸上零件的周向定位 .18 4 機構(gòu)的運動仿真 .20 參考文獻 .21 致謝 .22 摘 要 本課題研究一直擺凸輪組合機構(gòu)，該機構(gòu)通過直動從動件凸輪機構(gòu)與擺動從動件 凸輪機構(gòu)組成聯(lián)動凸輪機構(gòu)，能夠?qū)⒅鲃蛹霓D(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為從動件上某點沿預(yù)期的曲線 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 軌跡并以預(yù)期的運動規(guī)律運動。該機構(gòu)所能實現(xiàn)的軌跡多種多樣，如正弦波曲線、內(nèi) 擺線、帶停點曲線、人頭像及金魚圖像等等。本課題所研究的直擺凸輪組合機構(gòu)要實 現(xiàn)的是一心臟線軌跡。 本課題首先通過理論分析，建立出了直、擺組合凸輪機構(gòu)的設(shè)計公式，得出該機 構(gòu)各構(gòu)件位置、大小及形狀尺寸、凸輪實際廓線、理論廓線等。然后在此基礎(chǔ)上對該 機構(gòu)的每一構(gòu)件進行了實體設(shè)計，比如軸，導(dǎo)軌，支架等等的設(shè)計，并且對所設(shè)計的 構(gòu)件實體進行了裝配組合。最后，為了驗證設(shè)計的正確性，本課題還在 Proe 下對實體 進行了運動仿真。 關(guān)鍵詞：凸輪設(shè)計 組合機構(gòu) 心臟線軌跡 THE DESIGN OF Z.B COMBINATORY CAM MECHANISM TO GAIN ELIIPSE LOCUS Abstract：The research portfolio has been put cam body parts through the straight moving follower cam cam with oscillating follower cam linkage institutions, able to take the initiative 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 of the rotating pieces into a point on the follower along the expected curve trajectory and the expected movement of movements. The agency can track the realization of a wide range, such as the sine curve, with the cycloid, with stopping points, curves, images of goldfish heads and so on. Studied the subject before the straight cam combination mechanism is to achieve a heart-line trajectory. First of all, this issue through theoretical analysis, a straight, before the design of cam combination formula, the components come to the location, size and shape of the size of the actual cam profile and theoretical profile and so on. And then on the basis of each component of the institution to carry out the physical design, such as shafts, rails, frame design, etc., and components designed for the assembly combination of entities. Finally, in order to verify the correctness of the design, the issue is still under Proe motion simulation entities. Key words: Cam Design Combination Mechanism Heart-line trajectory 1 緒論 1.1 直、擺組合凸輪機構(gòu)的研究意義 本課題所研究的直、擺組合凸輪機構(gòu)如圖 11 所示。眾所周知，人類創(chuàng)造發(fā)明機 構(gòu)和機器的歷史十分悠久，隨著近代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機構(gòu)和機器理論已經(jīng)發(fā)展 成為一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科。隨著人們對各種新型機構(gòu)和機器的需求的日益增多， 對這門學(xué)科的研究也在不斷的深入，創(chuàng)新出了許多適合自動機上應(yīng)用的新機構(gòu)，而且 不僅創(chuàng)造出新的剛體機構(gòu)，還創(chuàng)造出許多與電、磁、液壓、氣動、激光和紅外線等相 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 結(jié)合的新機構(gòu)。 yxe l0 qrB0R2（ a， b）h01+0Z 圖 11 直、擺組合凸輪機構(gòu) 因此進一步完善傳統(tǒng)典型機構(gòu)的分析與綜合方法，例如實現(xiàn)預(yù)期軌跡的機構(gòu)的類 型和設(shè)計方法的創(chuàng)新，仍是值得研究的課題。 其中，組合機構(gòu)由于結(jié)構(gòu)簡化而又能實 現(xiàn)單一機構(gòu)無法實現(xiàn)的運動要求，因而在農(nóng)業(yè)機械、紡織機械、包裝機械、冶金機械 中得到了廣泛的應(yīng)用。 目前，對于組合機構(gòu)的組成原理、基本類型、功能等方面均有 比較系統(tǒng)的研究，對于各種組合機構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計的研究也日益加強。 對直、擺組合凸輪機構(gòu)的研究，本身就是機構(gòu)研究方面一個很有趣的課題，即使在 自動控制技術(shù)高度發(fā)展的今天也是具有實際意義的。 1.2 凸輪機構(gòu)以及組合機構(gòu)的研究和發(fā)展?fàn)顩r 凸輪機構(gòu)幾乎可以實現(xiàn)無限多種的從動件運動規(guī)律，它廣泛應(yīng)用于各種自動機床 和自動裝置中，如紡織機械、計算機、印刷機、食品加工機械、內(nèi)燃機以及其它各種 自動機械和控制系統(tǒng)中。自 20 世紀(jì) 50 年代以來，隨著計算機技術(shù)和各種數(shù)值方法的 發(fā)展，人們對凸輪機構(gòu)的研究也逐步擴展與深入。 我國對凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和研究已有多年的歷史，目前仍在繼續(xù)擴展和深入。在應(yīng) 用方面，我國正在大力發(fā)展包裝機械、食品機械等自動化設(shè)備，這些設(shè)備中都要用到 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 各種形式的凸輪機構(gòu)。在研究方面，近年來也有相當(dāng)進展，一些專著 3-5 相繼出版。 在 1983 年全國第三屆機構(gòu)學(xué)學(xué)術(shù)討論會上關(guān)于凸輪機構(gòu)的論文共有 8 篇，涉及設(shè)計、 運動規(guī)律、分析、凸輪廓線的綜合等四個研究方向；到了 1988 年第六屆會議，共有凸 輪機構(gòu)方面的論文 20 篇，凸輪-連桿機構(gòu)方面的論文 2 篇，增加的研究方向有動力學(xué)、 振動、優(yōu)化設(shè)計等；1990 年第七屆會議，共有凸輪機構(gòu)方面的論文 22 篇，還有含凸輪 的組合機構(gòu)方面的論文 6 篇，增加了誤差分析、CAD/CAM 等研究方向，在汽車、內(nèi)燃機、 機械制造等有關(guān)領(lǐng)域，也有很多關(guān)于研究凸輪機構(gòu)的內(nèi)容。由此可見，我國對凸輪機 構(gòu)的研究是不斷發(fā)展的。此外，我國在凸輪機構(gòu)的共軛曲面原理、CAD 和專家系統(tǒng)等方 面，也有相當(dāng)研究。但是，與先進國家比較，我國對凸輪機構(gòu)的研究仍有較大差距， 特別是在振動、加工、產(chǎn)品開發(fā)等方面。 綜上所述，雖然已有很多學(xué)者對凸輪機構(gòu)的研究作了相當(dāng)多的工作，但在各研究方向仍有許 多可繼續(xù)進行的工作，并有一些研究方向有待開發(fā)。 1.3 直、擺組合凸輪機構(gòu)的研究方法 1.3.1 直、擺組合凸輪機構(gòu)的設(shè)計 建立直、擺組合凸輪機構(gòu)的設(shè)計公式，得出該機構(gòu)各構(gòu)件位置、大小及形狀尺寸、 凸輪實際廓線、理論廓線等，并設(shè)計和繪制出機構(gòu)所需要的所有零件的實體，在此基 礎(chǔ)上進行裝配組合，并進行動態(tài)仿真。 1.3.2 本課題的主要研究方法 本課題研究主要以計算機為主要工具，以理論設(shè)計為基礎(chǔ)，進行設(shè)計工作。其次， 還要對設(shè)計結(jié)果分析、評價、并進行修正和仿真工作。本課題研究所用到的主要硬件 設(shè)備為計算機，所用到的主要軟件有：Proe wildfire3.0、 AutoCAD 2004 、Word 2002、Powerpoint。 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 2 直動從動機凸輪和擺動從動件凸輪的設(shè)計 由于該組合機構(gòu)綜合了單一的直動凸輪和擺動凸輪兩種機構(gòu)，其運動的復(fù)雜性， 靠單純的傳統(tǒng)的方法求凸輪廓線，非常復(fù)雜，本課題采用一種離散化方法，通過建立 直、擺組合凸輪機構(gòu)的設(shè)計公式，得出該機構(gòu)各構(gòu)件位置、大小及形狀尺寸、凸輪實 際廓線、理論廓線等 2。 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 2.1 直、擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計基本思想 圖 2-1 直、擺組合凸輪機構(gòu)參數(shù)的幾何關(guān)系 如圖 2-1，設(shè) 為預(yù)期曲線上 n + 1 個坐標(biāo)點，它們與下列數(shù)值一一對應(yīng)，niyx0, 頂桿位移；nih0 擺桿轉(zhuǎn)角；q 直動從動件凸輪向徑與極角；nZir0, 擺動從動件凸輪向徑與極角；Bi e 直動凸輪偏心距； a,b預(yù)期曲線起始點坐標(biāo)； R , R 1 , R 2 擺桿長度，擺桿上端長度，頂桿長度。 依據(jù)預(yù)期曲線上的點 與頂桿位移 、擺桿轉(zhuǎn)角 之間的幾何關(guān)系，niyx0,nih0niq0 求出它們的變化規(guī)律 ， ，再分別設(shè)計直動從動件凸輪廓形與擺動從動件凸ihiq 輪廓形。 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 2.2 直、擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計步驟 2.2.1 求取坐標(biāo)點 預(yù)期曲線可以是由一條或若干條平面曲線組成的封閉曲線,首先寫出它的參數(shù)方程 表達式,并且要求參數(shù)方程表示的曲線位于第、第象限,初定其起始點為坐標(biāo)原點。 曲線方程為： （2-1） .;tyx 積分求弧長，得 （2-2）220()()dt tnL 其中,t 0,tn分別表示曲線的起始參數(shù)與終了參數(shù)。 再按照設(shè)計要求將曲線分成若干段 ,其中任意一段定一位置 ，則有 ，且ikni0 , 令 k 0 = 0。Lkni0 下面采用勻速運動規(guī)律將預(yù)期曲線分段，k i求解公式為： （2-3）nLki 式中，i=0,1,2n。 如果將預(yù)期曲線 L 對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角都分成 n 等份，使之與 :相對應(yīng)，那么當(dāng)nik0 凸輪軸勻速轉(zhuǎn)動時，通過組合凸輪機構(gòu)，將使從動點以預(yù)期的勻速運動規(guī)律沿預(yù)期曲 線運動。 2.2.2 確定機構(gòu)初始位置參數(shù) 參看圖 2-2，直、擺組合凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：直動凸輪基圓半徑 ，擺動凸0Zr 輪基圓半徑 ，偏心距 e 以及擺桿長度 R 及 R1 ，頂桿長度 R2等。由這些機構(gòu)參數(shù)可0Br 得到如下機構(gòu)初始位置參數(shù)（初始位置 ）： 0h 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 擺桿與頂桿在初始位置的夾角 （2-4） 220100arcosBlRrq 式中， ， 。01arctneR210el 從動點起始位置坐標(biāo) （2-0sinqRa 5） （)co1(b 2-6） 圖 2-2 直、擺組合凸輪機構(gòu)初始位置參數(shù) 考慮機構(gòu)的初始位置,應(yīng)該將上節(jié)求到的坐標(biāo)點 平移到從(a,b)為初始點的niyx0, 位置上來，于是有： （2-niini bayx00, 平 移 7） 平移后的坐標(biāo)點仍記作 。niyx0, 2.2.3 確定頂桿位移與擺桿轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律 分析圖 2-2,可以得到以下關(guān)系式： 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 擺桿轉(zhuǎn)角 （2-Rxqiiarcsn 8） 式中 i=0,1,2，n 頂桿位移 （2-iii yqRh)1cos( 9） 式中 i=0,1,2，n 從而得到與 對應(yīng)的 和 。iyx0,nih0niq0 2.2.4 凸輪廓形設(shè)計 （1）擺動從動件凸輪輪廓設(shè)計 首先，設(shè)計擺動從動件凸輪廓形，參見圖 2-3，分析AOB，應(yīng)用余弦定理，則擺 動從動件凸輪理論廓線上任意一點的向徑： 圖 2-3 確定擺動從動件凸輪的向徑及向徑極角 （2-)(cos2121 iiiBi qlRlr 10） 式中， ； 21)(ehRlii 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 。 iilearcsn 其向徑極角： （2-iiiBiiBi qrR2)(snac1 11） 式中， 為凸輪累加轉(zhuǎn)角： iii0 以上各式中，i=0，1，2，n，由此可以得到擺動從動件凸輪的向徑與極角 。取直、擺組合凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：直動凸輪基圓半徑 =60，擺動凸Bir0, 0Zr 輪基圓半徑 =50 ，偏心距 e=20，擺桿長度 R=400 及 R1 =200r 其計算結(jié)果如表 21： 表 2-1 直動凸輪參數(shù) 序號 直動凸輪向徑 直動凸輪極角 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 106.13 -79.14 95.79 -67.95 85.84 -56.53 76.96 -44.94 69.67 -33.32 64.32 -21.88 61.09 -10.89 60 -53 60.91 9.17 63.57 18.34 67.58 27.21 72.42 36.03 77.54 44.95 82.37 54.05 86.45 63.38 89.49 72.91 91.40 82.64 92.32 92.51 92.53 102.48 92.47 112.49 92.61 122.47 93.41 132.36 95.75 142.12 98.38 151.73 102.86 161.21 108.56 170.62 115.13 -180 122 -170.56 128.45 -161.04 133.74 -151.4 137.14 -141.61 138.10 -131.67 136.33 -121.56 131.83 -111.27 124.90 -100.79 116.09 -90.08 106.13 -79.14 采用描點法可得其理論輪廓如圖 2-4： 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 圖 2-4 凸輪理論輪廓 凸輪從動件采用滾子從動件，滾子半徑的選擇原理參見。選取滾子半徑為 5，則可 得凸輪實際廓線如圖 2-5： 圖 2-5 凸輪實際輪廓 （2）直動從動件凸輪輪廓設(shè)計 設(shè)計直動從動件凸輪廓形，參見圖 2-4，直動從動件凸輪理論廓線上任意一點 圖 2-6 確定直動從動件凸輪的向徑及向徑極角 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 B 的向徑： （2-2)(emsrizi 12） 式中： 。 niiihs0m 表示 中的最小值： nih0mi20erZ 其向徑極角： （2-13） 0arcosarcsZZiiZi 以上各式中，i=0，1，2，n 由此可以得到直動從動件凸輪的向徑與極角 。nZir0, 取直、擺組合凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：直動凸輪基圓半徑 =60，擺動凸輪基圓0Zr 半徑 =50 ，偏心距 e=20，擺桿長度 R=400 及 R1 =200 其計算結(jié)果如表 22：0Br 表 2-2 擺動凸輪參數(shù) 序號 擺動凸輪向徑 擺動凸輪極角 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 50 0 51.29 21.77 55.62 41.54 61.77 58.19 68.43 71.91 74.61 83.35 79.74 93.09 83.53 101.58 85.96 109.14 87.15 116.04 87.34 122.53 86.8 128.86 85.81 135.31 84.56 142.12 83.25 149.53 82.01 157.63 80.99 166.53 80.32 176.04 80.09 185.94 80.31 195.92 80.92 205.66 81.57 214.85 82.64 213.34 83.43 231.93 84 237.75 84.3 230.93 84.28 249.53 83.86 255.02 82.88 260.68 81.07 266.88 78.25 273.98 74.19 282.37 68.43 292.48 62.68 304.85 56.92 320.14 53.46 338.73 50 360 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 采用描點法得到直動從動件凸輪的理論輪廓如圖： 圖 2-7 擺動凸輪理論輪廓 與直動從動件凸輪的滾子半徑選擇原理一樣，選取滾子半徑為 5，則凸輪實際輪廓 如圖 2-8： 圖 2-8 擺動凸輪實際輪廓 2.2.5 直動從動件凸輪的頂桿長度及安裝滯后角 圖 2-9 表示的是直、擺組合凸輪機構(gòu)的初始位置（初始位置 ） ，其直動從動0h 件凸輪機構(gòu)的頂桿長度： （ 2-14）212erRZ 式中， 為機構(gòu)初始位置時，直動從動件凸輪 B 點的向徑，其極角記為 。Zr Z 代入數(shù)據(jù)計算得：R 2=107.58 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 圖 2-9 頂桿位移與擺桿轉(zhuǎn)角的變化 如圖 2-5 所示，定義機構(gòu)初始位置時，擺動從動件凸輪向徑 （即其基圓半徑）0Br 與使頂桿處于最低位置時直動從動件凸輪向徑 （即其基圓半徑）之間的夾角為安裝0Zr 滯后角 ,則安裝滯后角： （2-15） 01sinarcoarcos2BZZ rqRee 代入各數(shù)據(jù)計算得： =179.471 2.3 直動凸輪和擺動凸輪的實體設(shè)計 凸輪的實體結(jié)構(gòu)一般都類似于齒輪結(jié)構(gòu)，并且參看他人實際生產(chǎn)出的凸輪，同時 考慮其在軸上的周向定位（采用 A 型普通平鍵） ，現(xiàn)設(shè)計其結(jié)構(gòu)為如圖 2-10 所示： 圖 2-10 直動凸輪實體圖 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 其尺寸如圖 2-11： 圖 2-11 直動凸輪尺寸 擺動凸輪結(jié)構(gòu)如圖 2-12： 圖 2-12 擺動凸輪實體圖 其尺寸如圖 2-13： 圖 2-13 擺動凸輪尺寸 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 3 機構(gòu)的實體設(shè)計 3.1 機構(gòu)的實體結(jié)構(gòu) 為了便于說明，首先把我所設(shè)計的該機構(gòu)的實體模型貼出來，如圖 3-1： 圖 3-1 機構(gòu)實體模型 其爆炸視圖如圖 3-2 圖 3-2 機構(gòu)模型的爆炸圖 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 該機構(gòu)包括如下幾個部分：支架，后支架，導(dǎo)軌，軸及其部件，直動桿，擺動桿， 直動從動件凸輪，擺動從動件凸輪，以及螺栓。由于該機構(gòu)所傳遞的率很小，因此， 其設(shè)計的主要方面不再各個零件的力學(xué)性能是否滿足要求，而主要在于其設(shè)計的復(fù)雜 程度，部件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，部件的加工工藝性能，實體的外觀等方面，也就是主要 在于結(jié)構(gòu)設(shè)計。 該機構(gòu)所選用的標(biāo)準(zhǔn)件經(jīng)整理如下： 聯(lián)接后支撐板與座板用的螺栓：GB5780-86 M630 數(shù)量 4 與其配合的螺母：GB41-86 M6 數(shù)量 4 組合導(dǎo)軌用的螺栓：GB5780 M630 數(shù)量 4 與其配合的螺母：GB41-86 M6 數(shù)量 4 聯(lián)接軸承座與座板用的螺栓：GB5780 M1245 數(shù)量 4 與其配合的螺母：GB41-86 M12 數(shù)量 4 凸輪的軸向定位用的軸端 C 型外擋圈：GB894.1-86 15 數(shù)量 1 擺桿的軸向定位用的軸端擋圈：GB895.1-86 7 數(shù)量為 1 凸輪與軸的周向定位用的 A 型普通平鍵：截面尺寸 55 數(shù)量 1 安裝在軸上的軸承：GB276-89 6205 與其配合的軸承座：GB7813-87 SN103 3.2 支架的設(shè)計 如圖 3-1 所示，該機構(gòu)實體的支架包含兩個部分：支架和后支架。其實體的結(jié)構(gòu) 形式采用比較簡單，容易制造的方形板狀，并用螺栓將其連接組合。其各尺寸的選定 需綜合考慮所選擇的軸承座，直動導(dǎo)軌的行程，導(dǎo)軌的尺寸等方面。結(jié)構(gòu)上必須保證 不能與任何其它的實體發(fā)生干涉。 后支架的設(shè)計結(jié)果如圖 3-4： 圖 3-4 后支架實體圖 支架的最終設(shè)計結(jié)果如下圖 3-3： 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 圖 3-3 支架的實體圖 其尺寸件附圖紙。 3.3 直動導(dǎo)軌的設(shè)計 導(dǎo)軌的形式多種多樣，本課題中為了使機構(gòu)的結(jié)構(gòu)盡量簡單現(xiàn)采用傳統(tǒng)的截面為圓 形的圓形導(dǎo)軌，再考慮到導(dǎo)軌傳動的平穩(wěn)性，采用兩個導(dǎo)軌的組合結(jié)構(gòu)。 定其尺寸：綜合考慮機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)形式，選用的滾動軸承座，導(dǎo)軌的平穩(wěn)性，定 其結(jié)構(gòu)如下圖 3-5： 圖 3-5 直動導(dǎo)軌實體圖 其尺寸見所附的圖紙。 3.4 直動桿的設(shè)計 所設(shè)計的直動桿形式如圖 3-1 所示，包括滑動部分，擺動桿支撐部分以及直動桿 長部分。直動桿長部分的長度由凸輪設(shè)計時所選用的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，其計算結(jié)果為 95.77 mm，直徑取為 20 mm。支撐擺動桿部分的直徑取為 30 mm。滑動部分的直徑取 為 20 mm，為了防止桿在運動過程中發(fā)生周向轉(zhuǎn)動，在中心位置加一凸臺寬度為 5 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 mm，高度為 5 mm。 支撐擺動桿部分的軸段設(shè)計（參看圖 3-1） ，兩凸輪中心的距離為 23 mm。 其實體如圖 3-6： 圖 3-6 直動桿實體圖 3.5 擺動桿的設(shè)計 擺動桿分上半段和下半段，由第 2 章凸輪設(shè)計時所選用的結(jié)構(gòu)參數(shù)：擺動桿上半 段的長度為 200 mm，下半段的長度為 200 mm。如圖 3-1 所示，為了避免擺動桿在運 動時與擺動從動件凸輪發(fā)生干涉，將擺動桿設(shè)計成非直線形式。 設(shè)計結(jié)果如圖 3-7： 圖 3-7 擺動桿實體圖 其尺寸參看附的圖紙。 3.6 軸系零部件的設(shè)計 由于該機構(gòu)所傳遞的功率很小，因此這里的軸的設(shè)計就是軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 3.6.1 擬定軸上零件的裝配方案 需安裝到軸上的零件有：軸承，直動從動件凸輪和擺動從動件凸輪。裝配方案采 用圖 3-6 形式： 圖 3-6 軸上零件的裝配 3 段和 5 段安裝軸承，7 段安裝兩凸輪。 3.6.2 確定軸的各段直徑和長度 對照圖 3-6，初步選擇滾動軸承為內(nèi)徑 25 的深溝球軸承，其軸向定位為軸肩定位， 并取軸肩高度為 2.5mm，則 4 段的直徑為 30mm。查表，取軸承厚度為 15mm，則取安 裝軸承的軸頸部分長度為 18mm（分別為圖中的 3，5 段） 再計算 6 段長度和直徑。對照機構(gòu)的三維實體圖 3-1。直動導(dǎo)軌中心離 5 段定位軸 承的軸肩的距離為 59 mm，直動凸輪離其定位軸肩的距離為 13 mm，5 段的長度為 18 mm，所以可以得出 6 段的長度為（59-18-13）mm =28 mm 取軸肩的高度為 2.5mm，則 6 段直徑為 20mm。 計算軸頭部分的長度和直徑：同樣取軸肩的高度為 2.5 mm，則直徑為 15mm，長 度為兩凸輪厚 46mm。 3.6.3 軸上零件的周向定位 兩凸輪與軸的周向定位采用平鍵連接。按照軸頭直徑 15mm 選平鍵的截面為 b*h=5*5。按照軸段的寬度選其 L=30mm。則查機械設(shè)計手冊，可分別得到鍵槽的深度 3 mm。 軸的實體圖如圖 3-7： 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 圖 63 軸的實體效果圖 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 4 機構(gòu)的運動仿真 為了驗證本課題所設(shè)計的直擺凸輪組合機構(gòu)能達到我們預(yù)期的功能，也就 是該機構(gòu)可以使擺桿的末端點實現(xiàn)心臟線軌跡，現(xiàn)在 Proe 下對該機構(gòu)的實體進 行運動仿真。 仿真的果可參看附帶的運動仿真視頻片段。 從仿真的結(jié)果，也就是仿真所得到的軌跡，我們可以看出該機構(gòu)能達到我 們預(yù)期的功能。 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 參考文獻 1 鄭文緯，吳克堅.機械原理（第七版）.高等教育出版社 2 周全申，郭建生.直、擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計. 1992 年， 第 9 卷，第 1 期 3 鄒慧君，董師予.凸輪機構(gòu)的現(xiàn)代設(shè)計. 1991 年，上海交通大學(xué)出版社 4 趙韓.凸輪機構(gòu)運動幾何學(xué)的通用解析公式. 1995 年第 31 卷第 3 期 5 楊明忠，朱家誠.機械設(shè)計.武漢理工大學(xué)出版社 6 蔡春源.新篇機械設(shè)計手冊.遼寧科學(xué)技術(shù)出版社 7 邵立新，夏素民，孫江宏.Pro/ENGINEER Wildfire3.0 標(biāo)準(zhǔn)教程.清華大學(xué)出版社 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 致謝 本次設(shè)計是在尊敬的姚明印老師的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的。在整個 畢業(yè)設(shè)計過程中，她一直細心的指導(dǎo)我們，當(dāng)我們遇到問題的時候，雖然她公 作繁忙，但她仍然會抽空來幫我們解決問題，讓我們非常的感動，她還給我們 的設(shè)計提出了很多寶貴的修改意見，在這里衷心的感謝指導(dǎo)老師，姚老師辛苦！ 感謝圖書館給我們提供大量的書籍資料供參考；感謝給予我們幫助的其他 老師和同學(xué)們。 最后，臨畢業(yè)之際，我借此機會，對四年來關(guān)心我們學(xué)習(xí)和生活的各位工 學(xué)院的老師們表示深深的感謝。 心臟線軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計及數(shù)控加工 附錄
中文翻譯
多軸聯(lián)動數(shù)控加工空間凸輪的刀具軌跡生成方法和誤差控制方法
容勝理 陳華社
摘要：在這篇文章中，基于齊次坐標(biāo)變換和共軛曲面理論基礎(chǔ)，提出了一種刀具軌跡生成方法來加工空間凸輪，以建立這一類產(chǎn)品之間的設(shè)計和制造。對設(shè)計和制造產(chǎn)品之間的表面數(shù)學(xué)錯誤（弦偏差）的進行了分析和使用，并以此為基礎(chǔ)選擇刀具軌跡控制點。此外，發(fā)達國家的刀具軌跡生成方法是通過仿真切削軟件與實體模型來驗證。這也是通過在五軸聯(lián)動數(shù)控機床對模型材料進行軌跡切削的驗證。結(jié)果表明，該凸輪表面的數(shù)學(xué)錯誤可控制在誤差允許的范圍內(nèi)。
1 引言
在制造業(yè)中，凸輪是必不可少的機械零件。加工凸輪輪廓是一個復(fù)雜的和精確的任
務(wù)。凸輪設(shè)計和生產(chǎn)的傳統(tǒng)方法是時間長，容易出錯，尤其是空間凸輪機構(gòu)?？臻g凸輪
機構(gòu)，例如變螺距絲杠的織機組織，和軋輥齒輪凸輪自動換刀裝置，通常是通過特殊機
器制造的。制造工廠往往保密其制造技術(shù)，很少有發(fā)表的論文涉及這個課題。由于越來
越多地使用電腦進行設(shè)計及制造，傳統(tǒng)的加工生成空間凸輪表面的技術(shù)已被多軸數(shù)控加
工和CAD / CAM軟件所取代。不過，商業(yè)CAD / CAM系統(tǒng)所生成的一般用途的多軸
數(shù)控加工程序，無法生成這種設(shè)計時必須考慮誤差的空間凸輪表面。從空間凸輪的表面
幾何形狀的角度來看，許多研究人員在合成凸輪表面幾何形狀時利用了共軛曲面理論；
而另一種做法是基于理論。不過，在上述工作中，沒有提供加工方法和機床設(shè)置說明。
從空間凸輪加工的角度來看，Litvin 及Guttman 調(diào)查研究了機床的準(zhǔn)雙曲面螺旋錐齒輪
裝置的不同制造方法。最近，Yan和同伴Lin 和Csai合作進行設(shè)計和制造變螺距絲杠和
滾子凸輪齒輪。然而，在他們的工作中未提及在刀具軌跡生成的過程中對于已加工表面
誤差的控制。在篇文章里，選定了一種所謂的滾子凸輪自動換刀裝置的空間凸輪，以展
示提出的刀具軌跡生成和誤差控制方法。刀具軌跡控制點是計算出來的，建立在弦偏差
的基礎(chǔ)上，以確保加工的精確度。發(fā)達國家的刀具路徑被后來的加工人員轉(zhuǎn)換為分析數(shù)
控代碼表達，同時考慮到運動學(xué)中關(guān)于5軸聯(lián)動機床的描述。核實驗證的數(shù)控程序，一
種切削仿真軟件--VERICUT技術(shù)，被用來模擬切割的幾何學(xué)和運動學(xué)。切削軌跡實驗也
是用模型材料來演示并且說明實際應(yīng)用開發(fā)的方法。
2 凸輪表面幾何形狀的推導(dǎo)
如圖所示，輥齒輪凸輪機構(gòu)，包括一個操縱弧面凸輪和6圓柱滾子塔式結(jié)構(gòu)。1，是
用來作為一個例子，圖中有坐標(biāo)系統(tǒng)的定義。2，坐標(biāo)系統(tǒng)的O,X,Y,Z連接在固定的框架上。移動坐標(biāo)系統(tǒng)，，分別與弧面凸輪，塔式結(jié)構(gòu)滾子相關(guān)聯(lián)。綜合各嚙合滾子的情況，所有滾子按順序編號，第一個滾子標(biāo)示為“（1）“第六個滾子標(biāo)記為”（6）“（圖1）。則第i個嚙合滾子的角度可以描述如下：
=（i－1）×60
采用4×4齊次坐標(biāo)變換矩陣，坐標(biāo)系統(tǒng)的相對位置和方向與第i個嚙合滾子相關(guān)聯(lián)，至于坐標(biāo)系統(tǒng)則與弧面凸輪相關(guān)聯(lián)，，如下可以得到：
其中，代表坐標(biāo)系統(tǒng)的相對變換矩陣，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)；“C”和“S”分別是指余弦和正弦職能。共軌曲面方程，在矩陣形式中關(guān)于第I個嚙合滾子，以協(xié)調(diào)系統(tǒng)，可以用輕輥半徑r，曲線坐標(biāo)系的嚙合表面u和來表示；
現(xiàn)在，可以通過將公式（3）轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)系統(tǒng)，得到理想的表面輪廓方程，
坐標(biāo)系統(tǒng)中，第i個嚙合滾子的表面單位正常，在微分幾何基礎(chǔ)上，2可以從公式（4）得到：
根據(jù)該共軌曲面理論，在正常的矢量方向接觸點，這兩個共軌曲面沒有相對速度，極角可由以下公式確定：
（6）
其中t是時間變量換位矩陣。D是微分算子，上標(biāo)“T”是指換位矩陣。而代以公式（4）及（5）納入上述方程解決，得
因此，相對應(yīng)第i個嚙合滾子，完整的弧面凸輪表面輪廓及特定的投入產(chǎn)出關(guān)系可以由公式（4），（7）來描述。
3 加工輥齒輪凸輪的刀具位置
為加工共軌曲面輥齒輪凸輪，應(yīng)該得出刀具尖端中心的位置和工具軸的方向，即刀具位置。生成方法是使用具有相同的嚙合滾子的圓筒形刀具完成切削過程。據(jù)圖2，相對應(yīng)第i個嚙合滾子，坐標(biāo)系統(tǒng)的是與刀具尖端的中心相對應(yīng)的。在坐標(biāo)系統(tǒng)中，刀具的位置可表示為：
U是嚙合滾子表面的曲線坐標(biāo)，也是刀具的切削深度。第三和第四欄的，在坐標(biāo)體系中，分別代表刀具主軸的前進方向和刀具尖端中心的位置。此外，由于刀具是一個旋轉(zhuǎn)刀具，和方向，不是很重要，并由問號標(biāo)注，因此，在這里可以忽略。
值得注意的是，刀具的運動和工件是相對的，就像在加工運作過程中嚙合滾子與弧面凸輪相對一樣。這一事實表明，理想的刀具的位置，應(yīng)該轉(zhuǎn)化到坐標(biāo)系中，可以計算如下：
為生成凸輪輪廓，公式（9）形成了所期望的刀具位置數(shù)據(jù)，不僅為粗銑有效，而且為完成銑削也有效。在粗略的操作中，要用圓筒形銑刀與刀具半徑小于滾子的刀具，刀具的切削深度限制在0≤u≤1，根據(jù)公式（9）,粗略地運算后，整體的運行是由使用圓筒形形式軋機與大小相同的滾子來完成，切削深度u=1
4 小結(jié)
本文介紹了一種生成刀位文件的方法，通過齊次坐標(biāo)變換矩陣，在五軸聯(lián)動的機床上制造空間凸輪。在弦偏差的基礎(chǔ)霍桑選擇切削路徑上的控制點，通過共軌理論獲得表面幾何形狀。轉(zhuǎn)換器已被發(fā)明出來了，用于將刀位文件轉(zhuǎn)換到五軸數(shù)控程序。從說明問題的例子的制造模型上看，它表明擬用方法的實際應(yīng)用，也適用于各種空間凸輪制造業(yè)。
任務(wù)書
設(shè)計（論文）
課題名稱
心臟線軌跡
直、擺組合凸輪機構(gòu)設(shè)計
學(xué)生姓名
院（系）
工學(xué)院
專 業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
指導(dǎo)教師
職 稱
講師
學(xué) 歷
博士
畢業(yè)設(shè)計（論文）要求：
要求學(xué)生熟練掌握機械制圖的基本知識，包括：零件圖的標(biāo)注與繪制、裝配圖的標(biāo)注與繪制等。
能熟練應(yīng)用AutoCAD軟件繪圖，并對機械原理、機械設(shè)計有較深入的理解和認(rèn)識。
能獨立查找機械設(shè)計手冊中相關(guān)繪圖標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，并能獨立按要求繪制機械圖。
能用pro-e軟件對設(shè)計進行動態(tài)和運動仿真。
畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)容與技術(shù)參數(shù)：
要求通過直、擺組合凸輪機構(gòu)實現(xiàn)心臟線軌跡曲線，理論設(shè)計基礎(chǔ)已經(jīng)在Visual Basic 基礎(chǔ)上實現(xiàn)。具體的參數(shù)已經(jīng)在設(shè)計中給出。由已知參數(shù)設(shè)計各構(gòu)件，采用pro-e對運動進行仿真。
畢業(yè)設(shè)計（論文）工作計劃：
2008.12-2009.2 資料收集，確定設(shè)計方案
2009.3-2009.4 繪制機械圖
2009.5 整理資料，準(zhǔn)備答辯
接受任務(wù)日期 2008 年 12月 1日 要求完成日期 2009年 5月 10 日
學(xué) 生 簽 名 年 月 日
指導(dǎo)教師簽名 年 月 日
院長（主任）簽名 年 月 日
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