機械畢業(yè)設計（論文）-弧面凸輪分度機構的運動特性分析【全套圖紙proe三維】 .

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1、 本科畢業(yè)設計說明書 弧面凸輪分度機構的運動特性分析 ANALYSIS OF THE MOVEMENT CHARACTERISTICS OF GLOBOIDAL INDEXING CAM MECHANISM 學院（部）： 機械工程學院 專業(yè)班級： 機設09-3 學生姓名： 指導教師： 2013年 06月05日 弧面凸輪分度機構的運動特性分析 摘要 本文以弧面分度凸

2、輪為研究對象，重點研究了弧面分度凸輪的空間三維型，裝配，運動仿真和動態(tài)檢測。 本文在已推導出弧面分度凸輪輪廓面方程的基礎上，應用三維設計軟件pro/e，根據(jù)所選擇凸輪運動軌跡特征，以及所選凸輪參數(shù)編寫凸輪輪廓曲線方程，由曲線構成曲面，最后完成弧面分度凸輪機構的三維建模。 接著對所設計部件進行組裝，并且應用Pro/e運動仿真模塊進行仿真運動，以便于檢測干涉，及時發(fā)現(xiàn)設計缺陷。 通過綜合研究，實現(xiàn)了弧面分度凸輪機構三維設計、數(shù)控加工、動態(tài)測試一體化研究理論和技術，為該機構的廣泛應用提供了方法和手段。 關鍵詞：弧面凸輪分度機構， Pro/ e三維建模，運動特性分析，運動仿真

3、 全套圖紙，加153893706 ANALYSIS OF THE MOVEMENT CHARACTERISTICS OF GLOBOIDAL INDEXING CAM MECHANISM Abstract The globoidal indexing cam as the object of study, focuses on the study of the three-dimensional assembly type, globoidal indexing cam, motion simulation and dynamic dete

4、ction. Based on the derived globoidal indexing cam contour surface equation, the application of 3D design software pro/e, according to the selection of cam motion characteristics, and the parameter of cam cam contour curve equations written, constituted by the curve surface, finally completed the t

5、hree-dimensional modeling of the globoidal indexing cam mechanism. Then the design components are assembled, and carries on the simulation exercise using Pro/e motion simulation module, interference to facilitate detection, timely detection of design defects. Through the comprehensive study of glo

6、boidal indexing cam mechanism, realizes the 3D design, CNC machining, dynamic test of integration theory and technology, methods and means are provided for wide application of the mechanism. KEYWORDS: globoidal indexing cam mechanism pro/ e, 3d modeling, motion characteristics analysis ，motion

7、simulation 目錄 1 緒 論 1 1.1 弧面分度凸輪機構概述 1 1.2 弧面分度凸輪機構的研究現(xiàn)狀 2 1.3 課題研究的意義 4 1.4 論文進行的主要工作 5 2 弧面分度凸輪的廓面方程及嚙合特性 6 2.1 弧面分度凸輪機構的結構形式及工作原理 6 2.2 弧面分度凸輪機構的主要運動參數(shù)和幾何參數(shù) 7 2.2.1 弧面分度凸輪機構的主要運動參數(shù) 7 2.2.2 凸輪機構主要幾何尺寸 8 2.2.3 從動件的常用運動規(guī)律 12 2.3 弧面凸輪機構廓面模型 16 3 弧面分度凸輪機構的三維建模及裝配 18

8、3.1 弧面分度凸輪三維實體造型 18 3.1.1 弧面分度凸輪建模思想 18 3.1.2 建立凸輪實體 18 3.1.3 建立1L段輪廓曲線 19 3.1.4 建立2L輪廓面曲線 21 3.1.5 建立2R輪廓面曲線 21 3.1.6 建立3R輪廓面曲線 22 3.1.7 建立分度盤停歇期凸輪廓面曲線 22 3.1.8 建立凸輪曲面實體 24 3.1.9 其余特征建立工作 25 3.2 分度盤三維模型的建立 25 3.3 模型裝配 26 3.4 凸輪運動仿真 29 4 總結與展望 30 4.1 總結 30 4.2 展望 30

9、參考文獻 31 謝辭 33 1 緒 論 1.1 弧面分度凸輪機構概述 隨著社會的不斷發(fā)展，自動機、自動化生產(chǎn)線得到越來越多地廣泛應用。這些自動設備往往需要間歇傳動機構來實現(xiàn)周期性的轉(zhuǎn)位、分度動作以及可實現(xiàn)瞬時停歇的間歇運動。例如：牙膏管擰蓋機的轉(zhuǎn)盤式工作臺需要分度轉(zhuǎn)位；糖果包裝機推料機構在一個工作循環(huán)內(nèi)，需要間歇運動機構進行包裝紙的傳送、折得、和扭結。在眾多間歇傳動機構中，弧面分度凸輪因為其良好的工作性能和獨特的結構而在包裝機械、機床工業(yè)、食品加工等領域得到了廣泛的應用。但是由于該機構的設計理論及制造技術比較復雜，而且國內(nèi)對該機構的研究較晚，一些關鍵的理論分析尚在進一步的探討之中

10、。固此弧面分度凸輪的研究對我國機自動化的技術進步具有暈要的現(xiàn)實意義。 圖1-1 弧面凸輪分度機構 弧面分度凸輪機構(Gear Indexing Cam Mechanism)(圖1．1)又稱菲固爾森機構（Ferguson Cam ForIndexing Meehine)．是由一個帶凸脊的空間凸輪和一個在徑向放射狀等分的裝有滾子的裝盤組成，凸輪和轉(zhuǎn)盤的兩軸呈變錯垂直分布。弧面分度凸輪機構是由美國人C.N.Nekiutin于20世紀20年代發(fā)明的，并由其所創(chuàng)建的Ferguson公司首先進行了系列化標準化生產(chǎn)。此后，前蘇聯(lián)、英國、德國、瑞士、日本等國也相繼對弧面分度凸輪機構進行了研究，

11、并成立有專門的生產(chǎn)廠家和研究機構。我國對弧面分度凸輪機構的研究較晚，直到上世紀70年代才開始相關的研究工作，經(jīng)過20多年的努力，目前在弧面分度凸輪的設計、制造、檢測等方面取得了豐碩的成果，特別是對新型結構的弧面凸輪機構進行了大量的探索。 弧面分度凸輪機構廣泛應用于各種自動機械，如煙草機械、包裝機械、加工中心換刀機械手、食品加工等機械上。與棘輪、槽輪、不完全齒輪等常用的間歇運動機構相比．其優(yōu)良的性能主要表現(xiàn)為： (1)通過調(diào)整凸輪軸和從動軸的中心距實現(xiàn)機構在停歇和分度區(qū)間都保持預緊，從而消除了傳動間隙，使機構分度精度高、沖擊振動小、運動平穩(wěn)。 (2)分度盤停歇時，分度盤上相鄰兩個滾子卡在

12、凸輪的凸脊上，定位準確、可靠，同時該機構兼有分度、定位、自鎖三個功能，不需要另外附加制動和定位裝置。 (3)可獲得轉(zhuǎn)位與停歇的任何時間比例?；∶娣侄韧馆喕剞D(zhuǎn)一周，分度盤轉(zhuǎn)位、停歇一個周期，這稱為自動循環(huán)周期。自動機分度盤的轉(zhuǎn)、停時間可以根據(jù)工藝要求，在弧面分度凸輪輪廓上按不同的轉(zhuǎn)位角設計，制造出不同的轉(zhuǎn)停曲線。 (4)可以使從動件獲得任何給定的運動規(guī)律。正確的選擇運動規(guī)律，就可以保證凸輪在開始轉(zhuǎn)動和終止轉(zhuǎn)動的瞬間角速度為零，保證加速度曲線連續(xù)變化無間斷，限制最大加速度的值，并將最大速度值限制在允許的范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，無剛性沖擊，保證加工質(zhì)量。 (5)該凸輪機構具有足夠的剛度，在設

13、計弧面分度凸輪時，為了增強剛度和延長壽命，在其他條件允許的情況下，一般選用較小的壓力角，較大的凸輪直徑。因此，支撐軸、軸承尺寸也可以相應加大。另外，與凸輪徑向尺寸相比，弧面分度凸輪的軸向尺寸較小，因此，兩端軸承間距較小，故弧面分度凸輪機構都具有足夠高的剛度。 (6)弧面分度凸輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動直接由電動機經(jīng)帶輪、蝸輪副輸入，再經(jīng)由滾子帶動分度盤使自動機構獲得間歇的轉(zhuǎn)停運動，這樣機構的傳動鏈較短、精度高、轉(zhuǎn)位可靠。但是與其他間歇機構相比，弧面分度凸輪加工比較困難，這主要是由于凸輪的轉(zhuǎn)位曲線要求的精度較高，形狀復雜，不能在直角坐標系中制造，因此必須在專用機床上制造。分度盤上滾子的分布精度也要求很高，

14、必須使用專用加工制造中心制造。 1.2 弧面分度凸輪機構的研究現(xiàn)狀 (1)幾何動力學方面 對弧面分度凸輪機構的研究開始于對其運動學的研究。二十世紀七十年代末八十年代初，首先對弧面分度凸輪機構的凸輪廓形曲面、凸輪嚙合曲面的曲率半徑、從動滾子的轉(zhuǎn)子、傳動壓力角、接觸線方程進行了深入的探討。二十世紀九十年代以后，又采用各種向量回轉(zhuǎn)方法、矩陣方法、回轉(zhuǎn)變換張量的方法等對弧面分度凸輪機構的幾何學、運動學及嚙合原理等方面進行了全面系統(tǒng)的研究，推導了凸輪曲面方程、接觸線方程、相對滑動速度、傳動壓力角、凸輪截面廓形、根切條件等一系列計算公式，建立了弧面分度凸輪機構的幾何學基礎。在此基礎上，還對弧面分度凸

15、輪機構的預緊干涉和嚙合間隙問題進行了深入的探討。 (2)結構設計及應用方面 在結構設計方面文獻較少，所研制的弧面分度凸輪機構樣機是參照國外同類產(chǎn)品的樣機或樣本進行設計。但在結構方面也有一些大的改進，特別是在后來的線接觸圓柱滾子凸輪基礎上，將成熟的蝸桿傳動理論和點嚙合原理引入弧面分度凸輪研究領域，設計制造出平面包絡、點嚙合式等新型弧面分度凸輪機構，并已申報了國家專利。利用滾子修形原理設計出鼓形滾子、圓錐滾子弧面分度凸輪機構。在設計方法上己開始采用了計算機輔助設計，不僅可以實現(xiàn)對結構參數(shù)、運動參數(shù)的優(yōu)化，而且還可以對系統(tǒng)的運動特性進行計算機仿真，提高了設計質(zhì)量和設計水平。特別是近年來，隨著各種

16、三維造型軟件的應用和普及，使得弧面分度凸輪機構的結構設計進入一個新的階段。 在弧面分度凸輪機構的應用方面，除了應用在多工位自動機械上之外引也已經(jīng)開始應用在加工中心換刀機械手等機構或機器人上，由我國自己設計制造的弧面凸輪式八TC換刀裝置已經(jīng)在國產(chǎn)加工中心上安裝使用。 (3)動力學研究方面 僅靠提高精度并不能保證系統(tǒng)有良好的動態(tài)特性，特別是對于高速、高精度弧面分度凸輪機構，動力學研究己經(jīng)成為重要的研究課題。傳統(tǒng)的分析和設計方法是把系統(tǒng)簡化為多剛體的聯(lián)接，其理論基礎是剛體運動學，然而事實上凸輪體本身是有彈性變形的，從動件到凸輪輪廓的中介環(huán)節(jié)滾子及滾子軸等也是有變形的，它們的動力響應都將影響系統(tǒng)

17、的工作性能。現(xiàn)在，已經(jīng)有文獻建立了單自由度和雙自由度振動模型，推導了響應公式并分析了響應特性。還有文獻運用可變形多體系統(tǒng)動力學、接觸力學和概率分析方法的新成果，從多體動力學、彈性接觸力學及概率分析方法，介紹了凸輪機構動力學研究方向，開辟了凸輪機構動力學研究的新領域。 (4)加工制造與檢測 弧面分度凸輪機構制造的關鍵是弧面分度凸輪的加工。由于弧面分度凸輪工作曲面的空間具有不可展特性，所以只能通過兩個旋轉(zhuǎn)軸加工。在國內(nèi)，對于弧面分度凸輪的加工開始是采用滾齒機改造或其它機床改造后的凸輪專用加工機床加工?，F(xiàn)在，很多設計和制造一體化的弧面分度凸輪機構的CAD／CAM系統(tǒng)都在建立，有的已達到了使用階段

18、。 弧面分度凸輪的檢測仍然是一個比較薄弱的環(huán)節(jié)，一般生產(chǎn)廠家由于凸輪輪廓幾何形狀誤差檢測困難而不予檢測，這就影響了凸輪機構的精度。吉林工業(yè)大學提出了弧面分度凸輪輪廓曲面的計算機輔助間接測量法，即讓凸輪轉(zhuǎn)動，推動尖頂擺動測量桿擺動，測出擺動測量桿的角位移，在將測得數(shù)據(jù)通過計算機處理，對廓面進行評定：同時，還提出了在三座標測量機上檢測弧面分度凸輪輪廓誤差的方法，解決了弧面分度凸輪輪廓幾何靜態(tài)量度的難題。 總之，到目前為止，有關運動幾何學原理的研究已經(jīng)十分成熟：有關動力學檢測方面己有階段性成果，正在向縱深方向發(fā)展；有關凸輪機構誤差分析及刀位控制技術的研究還在初步探索。 1.3 課題研究的意義

19、 間歇傳動是自動機械和半自動機械常見的傳動方式之一。其常見機構如棘輪機構、槽輪機構等均存在諸如振動、沖擊嚴重；動載荷大、磨損劇烈；定位精度低等缺陷，從而限制其廣泛應用。各種凸輪間歇運動越來越廣泛。弧面分度凸輪機構與傳統(tǒng)的間歇傳動機構如棘輪機構、槽輪機構、不完全齒輪機構等相比，具有傳動速度高、分度精度和動力學性能好、承載能力大、可靠性好等優(yōu)點，而且通過弧面凸輪與從動件滾子的共軛嚙合傳動，可以實現(xiàn)從動件所需要的各種運動規(guī)律。 弧面分度凸輪是工程中用以實現(xiàn)機械化和自動化的一種重要驅(qū)動和控制機構，目前已廣泛應用于輕工、紡織、食品、醫(yī)藥、印刷、標準零件制造、交通運輸?shù)阮I域。各種自動機械，如煙草機械、包

20、裝機械、加工中心換刀機械手等。 現(xiàn)代機械日益向高速發(fā)展，凸輪機構的運動速度也越來越高，對凸輪的機械性能要求也越來越高，因此高速凸輪的設計及其動力學研究已引起普遍的重視，而對于論壇性能的研究需要建立在對凸輪運動特性的把握?；∶娣侄韧馆喌妮喞鏋椴豢烧沟目臻g曲面，其結構比較復雜，要實現(xiàn)凸輪的設計與制造，首先必須對該機構的幾何學與運動學進行分析。因此對弧面分度凸輪的運動特性的分析，是實現(xiàn)現(xiàn)代凸輪機構結構改進和功能進一步提高的必須經(jīng)歷的過程。 (1)弧面分度凸輪的輪廓曲線是空間不可展曲面，曲面方程形式復雜運算煩瑣,通過CAD軟件可以迅速準確的得到各參數(shù)值。 (2)凸輪機構的設計過程是綜合與分

21、析相結合的過程，通過參數(shù)化設計可以實現(xiàn)方便，快捷的參數(shù)修改。 (3)通過Pro／E的機構仿真功能，可以在屏幕上展現(xiàn)凸輪機構的動態(tài)過程，及時發(fā)現(xiàn)比較明顯的凸輪的凸脊過薄、壓力角過大、嚙合點鄰域發(fā)生曲率干涉、加工時會產(chǎn)生根切等問題。 (4)傳統(tǒng)的設計評價常常要求制作一個原型凸輪機構來進行試驗，確定它的運行性能、工作精度、可靠性和其他準則是否達到預期的要求。采用CAD的參數(shù)化設計可以將結果以三維實體的形式實現(xiàn)在計算機上，并進行全局或者局部的校核。 (5)通過優(yōu)化設計可以迅速獲得比一般的可行設計性能更好的凸輪設計參數(shù)。 弧面凸輪是弧面凸輪機構的核心零件，但是弧面分度凸輪的廓面為復雜的空間不可曲

22、面，因而設計和加工制造比較困難，凸輪廓面的質(zhì)量直接影響到該機構的工作性能所以提高凸輪的設計和制造水平是目前凸輪研究的重點。目前的凸輪機構傳動裝置輔助設計制造系統(tǒng)集成化程度不高，模塊功能相對簡單，制約了凸輪機構傳動裝置應用程度的進一步提高。國產(chǎn)弧面分度凸輪機構僅靠價格低廉在低端市場占有一席之地，但缺乏市場競爭力。因此研究弧面分度凸輪的CAD／CAM技術，以適應當前市場對弧面分度凸輪機構單件小批量生產(chǎn)的需求，縮短設計周期，降低制造成本有重要意義。 1.4 論文進行的主要工作 本論文以Pro／ENGINEER為平臺，以VC++為編譯環(huán)境，以最大接觸應力最小為目標函數(shù)，對弧面分度凸輪機構參數(shù)進行優(yōu)

23、化和設計，并在此基礎上進行動仿真和干涉檢測，論文進行的主要工作如下： (1)基于空間嚙合原理和坐標變換的方法推導了弧面分度凸輪的工作廓面方程，對其嚙合形態(tài)進行了分析，深入研究了弧面分度凸輪機構的結構形式和運動特性。 (2)選取設計變量和約束條件，設計優(yōu)化過程，編寫程序，優(yōu)化弧面分度凸輪機構參數(shù)。以ProE為基礎，實現(xiàn)了弧面分度凸輪機構的參數(shù)化設計和三維造型，解決了弧面分度凸輪設計困難、難于造型的難題，并且可以將程序計算的數(shù)據(jù)以及最終設計結果保存為文件形式，從而為分析、研究弧面分凸輪機構提供了一種直觀、方便、快捷的新方法。 (3)通過具體的實例，給出了整個弧面分度凸輪機構參數(shù)優(yōu)化及設計的流

24、程，同時將設計的弧面分度凸輪與從動件轉(zhuǎn)盤在pro／ENGINEER的裝配模塊下進行正確裝配，在Pro／NGINEER自帶的Pro／Mechanism模塊下對弧面分度飾輪構的嚙合過程進行了運動仿真，檢測是否存在干涉以驗證設計的合理性。 2 弧面分度凸輪的廓面方程及嚙合特性 2.1 弧面分度凸輪機構的結構形式及工作原理 弧面分度凸輪機構用于兩垂直交錯軸問的問歇分度步進傳動。主動凸輪為凹弧回轉(zhuǎn)體，凸輪輪廓制成凸脊狀，類似于一個具有變螺旋角的弧面蝸桿，與蝸桿一樣可制成單頭、雙頭或多頭，大于三頭的一般很少使用?；∶嫱馆喤c蝸桿相似也有左旋右旋之分左旋用L表示，右旋用R表示，在實際應用中一般采用左旋。

25、弧面分度凸輪機構根據(jù)其定位段形式的不同可分為a型和b型(圖2-1)兩種結構形式。A型凸輪的定位段為凸脊，定位時轉(zhuǎn)盤E的兩個滾子跨夾在凸脊上，B型凸輪的定位段為凹槽，定位時轉(zhuǎn)盤上的一個滾子在定位槽。但是無論是哪種結構的凸輪，其凸脊均有左右兩個側面。根據(jù)不同的旋向一側為受力側，推動分度盤轉(zhuǎn)動，另一側為幾何定位側，局部區(qū)域與滾子之間可以有一定間隙。所以這種機構不必附加其他裝置就能獲得很好的定位，還可以通過調(diào)整中心距來消除滾子和凸輪凸脊間的間隙和補償磨損。轉(zhuǎn)盤在分度期的運動規(guī)律，可按轉(zhuǎn)速、載荷等工作要求設計，特別適用于高速、重載、高精度分度場合。凸輪一般作等速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，有時候由于需要轉(zhuǎn)盤有較長的停歇時

26、問，也可使凸輪作間斷性旋轉(zhuǎn)。 圖2-1 弧面凸輪的種類 整個運動過程如下：當凸輪體旋轉(zhuǎn)時，其分度段輪廓推動滾子，使分度盤分度轉(zhuǎn)位，而當凸輪轉(zhuǎn)到其停歇段輪廓時，轉(zhuǎn)盤上的兩個相鄰滾子跨夾在凸輪的圓環(huán)面凸脊上，分度盤停止轉(zhuǎn)動。 弧面分度凸輪機構可根據(jù)轉(zhuǎn)速、載荷等工作要求設計，特別適用于高速、重載、高精度分度場合。凸輪一般作等速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，有時候由于需要轉(zhuǎn)盤有較長的停歇時間，也可使凸輪作間斷性旋轉(zhuǎn)。 2.2 弧面分度凸輪機構的主要運動參數(shù)和幾何參數(shù) 2.2.1 弧面分度凸輪機構的主要運動參數(shù) 凸輪分度廓線頭數(shù)H主要有以下幾種：單頭，H=1：雙頭，H=2：多頭，H>2，一般很少使用。

27、 凸輪分度廓線的旋向分為左旋和右旋兩種，左旋用L表示，右旋用R表示，一般常采用左旋凸輪。 從動轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)一周中所停歇的次數(shù)稱為分度數(shù)I，，它與轉(zhuǎn)盤滾子個數(shù)：之問的關系為 (2.1) 一般常用Z為6～12，I=4～12。 1)凸輪分度期轉(zhuǎn)角。，在滿足工作要求條件下，較常用的； 2)凸輪停歇期轉(zhuǎn)角 (2.2) 3)凸輪的角速度 (2.3) 其中月

28、為凸輪轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)／分)： 4)轉(zhuǎn)盤分度期轉(zhuǎn)角 (2.4) 5)轉(zhuǎn)盤在分度期任意時刻的角位移 (2.5) 式中S為分度盤的無量綱角位移。 6)轉(zhuǎn)盤分度期角速度 (2.6) 式中v為分度盤的無量綱速度。 7)分度期間轉(zhuǎn)盤與凸輪的角速比和最大角速比為：

29、 (2.7) (2.8) 式中的不同取值對應于所選的不同從動件運動規(guī)律，對于特定的運動規(guī)律為一定值。 8)動停比系數(shù)，在一個工作循環(huán)內(nèi)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)位時間與停歇時間之比為動停比系數(shù) (2．9) 停歇比系數(shù)反映機構的有效工作時間大小，一般在工作允許范圍內(nèi)盡可能選取大的動停比系數(shù)。 9)嚙合重疊系數(shù) 由于制造和安裝誤差等影響，可能發(fā)生凸輪廓線與轉(zhuǎn)盤滾子嚙合中斷的

30、現(xiàn)象。所以必須有適當?shù)臅r間使前一個滾子尚未退出嚙合時，后面的另一個滾子已經(jīng)進入嚙合，(該時刻一般在將要達到分度期中間時刻附近)以保證傳動連續(xù)。在分度期間凸輪有兩條同側廓線同時推動兩個滾子所占的時間比率加上l定義為嚙合重疊系數(shù)： (2.10) 式中：為凸輪分度期轉(zhuǎn)角； 為在分度期間凸輪有兩條同側廓線同時推動兩個滾子時所對應的凸輪轉(zhuǎn)角。 單頭時一般取=1．1～1．3，雙頭時可適當大一些，但亦不宜過大，否則容易發(fā)生由于兩條同側廓線間的不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生卡住的現(xiàn)象。 2.2.2 凸輪機構主要幾何尺寸

31、 1)凸輪節(jié)圓半徑、分度盤節(jié)圓半徑和中心距 分度盤基準尺寸由表示，凸輪的基準尺寸由，來表示，其值為中心距與分度盤節(jié)圓徑之差，即： (2.11) 2)滾子個數(shù)、滾子半徑，、滾子寬度、間隙和相鄰兩滾子軸線夾角，滾子個數(shù)一般取為偶數(shù)，常用的滾子個數(shù)：=6～12。 圖2-2 弧面分度凸輪幾何尺寸 滾子半徑，、滾子寬度和間隙由經(jīng)驗公式取為： (2.12) (2.13)

32、 (2.14) 其中的取值范田至少應滿足：=5～10mm。 3)凸輪的主要尺寸： 凸輪弧頂圓半徑： (2.15) 凸輪定位環(huán)面兩側夾角： (2.16) 凸輪定位環(huán)面?zhèn)让骈L度： (2.17) 凸輪定位環(huán)面外圓直徑：

33、 (2.18) 凸輪定位環(huán)面內(nèi)圓直徑： (2.19) 凸輪理論寬度： (2.20) 凸輪實際寬度，為保證凸輪載傳動過程中既不發(fā)生干涉，又保證傳動連續(xù)性，則取為： (2.21) 凸輪理論端面直徑： (2.22) 凸輪理論端面外徑 (2.23)

34、 凸輪實際端面直徑： (2.24) 表2-1 弧面分度凸輪機構的主要幾何尺寸計算 項目 計算公式 計算結果 中心距C 給定C=180 許用壓力角/（°） 一般=30°-40° 取=30° 轉(zhuǎn)盤節(jié)圓半徑 取=74 凸輪節(jié)圓半徑 =C- =160-74=86 滾子中心角 =360°/Z =360°/8=45° 滾子半徑 =20 滾子寬度b b=（1~1.4） b=（1~1.4）×20 =20~28 取b=24 間隙e e=（0.2~0.3）b，一般至

35、少e≥5~10 e=（0.2~0.3）×24 =4.8~7.2 取e=6 =2×74+24=172 =2×74-24=124 凸輪定位環(huán)面兩側夾角/(°) =360°/Z =360°/8=45° 凸輪定位環(huán)面?zhèn)让骈L度h h=b+e h=24+6=30 凸輪的頂弧面半徑 =65.15 凸輪定位環(huán)面外圓直徑 = =190.13 凸輪定位環(huán)面內(nèi)圓直徑 =154.69 凸輪理論寬度 =70.41 凸輪寬度 =70.41+2×20cos22.5° =107.37 70.41＜l＜107.37

36、，取=100 凸輪理論斷面直徑 =150.04 凸輪實際端面直徑D =162.26 2.2.3 從動件的常用運動規(guī)律 表2-2從動件運動規(guī)律及選取 序號 運動規(guī)律 適用載荷 適用速度 1 余弦加速度（簡諧） 中載 中、低速 2 正弦加速度（擺線） 輕載 中速 3 3-4-5次多項式 中載 中、高速 4 修正正弦加速度 輕、重載 中、高速 5 修正梯形加速度 輕載 高速 針對不同的應用場合，弧面分度凸輪的從動件選取不同的運動規(guī)律，其中常用的從動件運動規(guī)律及其應用場合如表2-2所示。 弧面分度凸輪機構的從動件運動規(guī)

37、律是指分度盤的輸出運動規(guī)律。其規(guī)律和特性直接影響到整個機構運動的精度、沖擊和震動的大小?；∶娣侄韧馆啓C構的從動件運動規(guī)律與一般的凸輪機構相比有以下特點： 1)弧面分度凸輪機構的運動規(guī)律只有工作行程(升程)而無回程，即總是升一停型運動曲線。升程為凸輪機構的分度階段，停程為分度盤的停歇階段。 2)弧面分度凸輪機構一般在中高速工況下運動，因此運動規(guī)律的選取應力求使機構獲得良好的動力學性能。 一般常用的從動件運動規(guī)律曲線都是由幾種基本運動曲線(如矩形曲線、簡諧曲線和多項式曲線等)組合或變形而來。為了定量的表示這些運動曲線的性能，引入下列特性值： ①最大速度 ②最大加速度 ③最大躍度 這些

38、特性值從不同角度影響凸輪機構的工作性能。主要與機構的動量有關動量大的機構在突然停止時會產(chǎn)生很大的沖擊力，因此對于承受重載，質(zhì)量較大的分度盤應該采用較小的運動曲線。同時越大，凸輪機構的最大壓力角也越大，因此對于凸輪尺寸較小或凸輪分度期轉(zhuǎn)角較小時，宜選用較小的運動規(guī)律曲線。主要與機構的慣性力有關，越大，機構的最大慣性力也越大，慣性力是凸輪機構所受的主要作用力，慣性動載荷不僅使機構內(nèi)部的應力和磨損增加，還會使得機構的精度降低因此加速度運動曲線的平穩(wěn)性和連續(xù)性對凸輪機構的震動和運動精度影響較大。最后是一種衡量機構震動的指標，在一定程度上反應了加速度曲線的平穩(wěn)性和連續(xù)性在行程終了處使得躍度為零對改善凸輪

39、機構系統(tǒng)的平穩(wěn)性非常有利。以下為幾種常見運動規(guī)律的特性值： 表2-3運動規(guī)律特性比較 種類 運動規(guī)律 基本規(guī)律 五次多項式 1.88 5.77 60.0 正弦加速度 2.00 6.28 ∞ 余弦加速度 1.57 4.63 39.5 標準規(guī)律 修正加速度 1.28 8.01 201.4 修正正弦加速度 1.76 5.53 69.5 修正梯形加速度 2.00 4.89 61.4 由表3．1可知各運動規(guī)律的特性值是相互制約的，不存在各項特征值都小的運動規(guī)律，這就需要針對具體情況權衡利弊，選擇適當?shù)倪\動規(guī)律。為保證周期性和準確

40、的實現(xiàn)步進，弧面分度凸輪機構要求所選從動件的運動曲線必須運動平穩(wěn)、沖擊載荷小、壽命長、分度精度高，因此一般采用正弦加速度、修正等速運動規(guī)律、修正正弦加速度、修正梯形加速度運動規(guī)律等。 綜上所述本文采用修正正弦加速度規(guī)律，修正正弦加速度運動規(guī)律能夠滿足高速、重載的工作場合，且值相較于其他運動規(guī)律變化更為平穩(wěn)，故在實際應用中最常用。修正正弦加速度運動曲線由三部分組成，載行程的始末兩端為周期較短的正弦加速度段，載中間部分為周期較長的正弦加速度段。 表2-4 弧面分度凸輪機構的主要運動參數(shù)及計算 項目 計算公式與說明 計算結果及所選參數(shù) 凸輪角速度 分度期轉(zhuǎn)角=(°)

41、 常用的為120°-240°，在滿足動停比k的要求下，宜取較大 選定=120° 凸輪停歇期轉(zhuǎn)角/(°) =360°- =360°-120°=240° 凸輪角位移/(°) 以凸輪分度期開始處作為=0，計算步長為1°-2° 凸輪和轉(zhuǎn)盤的分度期時間/s 凸輪和轉(zhuǎn)盤的停歇期時間/s 此式僅適用于凸輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)時 凸輪分度廓線旋向及旋向系數(shù)p L-左旋，p=+1； R-右旋，p=-1 選用左旋L，p=+1 凸輪分度廓線頭數(shù)H 單頭H=1，雙頭H=2；H≥3較少用 選用H=1 轉(zhuǎn)盤分度數(shù)I I為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)一周中的停歇次數(shù)，常用的有；3、4、5、6、8、10、1

42、2 按設計要求，選定I=8 轉(zhuǎn)盤滾子數(shù)z z=HI，一般常用的z為：6、8、10、12、16 z=1×8=8 轉(zhuǎn)盤分度期運動規(guī)律 常用的有：正弦加速度、改進正弦加速度、改進梯形加速度、改進等速等 選用改進正弦加速度 轉(zhuǎn)盤分度期轉(zhuǎn)位角/(°) =360°/I =360°/8=45° 轉(zhuǎn)盤分度期角位移/(°) =S S為所選運動規(guī)律的無因次位移 轉(zhuǎn)盤分度期角速度 =V/ V為所選運動規(guī)律的無因次速度 轉(zhuǎn)盤與凸輪在分度期的角速度比 最大角速比 轉(zhuǎn)盤分度期的角位移、角速度、角加速度和角躍度與凸輪轉(zhuǎn)角的曲線圖 =V/ =/ 對改進正弦加速度規(guī)律

43、 曲線圖如圖2.1所示 動停比K，運動系數(shù) 重疊系數(shù) =1+（28/120）=1.233 2.3 弧面凸輪機構廓面模型 共軛曲面在工程實際中有廣泛的應用，根據(jù)共軛曲面的定義可知：弧面凸輪分度機構的凸輪工作曲面與分度盤滾子的圓柱面就是一對共軛曲面。弧面凸輪的工作廓面具有空間不可展性，用常規(guī)的機械制圖方法很難繪制，也不能用展開成平面廓線的辦法設計，一般是在空間嚙合原理的基礎上，按空間包絡曲面的共軛原理進行設計計算。在推導弧面凸輪的曲面方程時，我們應該首先設計滿足傳動質(zhì)量要求的共軛曲面。 根據(jù)共軛曲面原理，凸輪工作廓面與從動轉(zhuǎn)盤的滾子間的共軛接觸點滿足下

44、列三個條件： (1)在共軛接觸位置，兩曲面上一對對應的共軛接觸點必須重合； (2)在共軛接觸點處，兩曲面間的相對運動速度必須垂直于其公法線； (3)兩曲面在共軛接觸點處必須相切，不發(fā)生干涉，且在共軛接觸點的鄰域也沒有曲率干涉。 弧面凸輪與分度盤滾子實際工作表面相接觸的曲面為工作廓面，在求解弧面凸輪工作廓面的方程式時，選擇合適的坐標系，不僅可以簡化計算過程，而且還影響公式的形式，在本文中，我們選用笛卡爾直角坐標系。利用共軛曲面原理計算弧面凸輪工作廓面坐標方程式的坐標系。圖中我們建立的四組直角坐標系如下：與機架相連的定坐標系。；與機架相連的輔助定坐標系，選擇的方向時，應使當面對的箭頭看，為

45、逆時針方向；與凸輪1相連的動坐標系；與分度盤2相連的動坐標系。 分度盤滾子圓柱面在動坐標系中的坐標方程式為： （2.25） 式中：、為滾子圓柱面的方程參數(shù)。 弧面凸輪與滾子的共軛接觸方程式為： （2.26） 式中：為滾子的位置角。 凸輪輪工作輪廓在坐標系。中的坐標方程為： （2.27） 式中：秒為弧面凸輪轉(zhuǎn)角，為凸輪的旋向系數(shù)，左旋時，右旋時。 3 弧面分度凸輪機構的三維建模及裝配 3.1 弧面分度凸輪三維實體造型

46、 3.1.1 弧面分度凸輪建模思想 根據(jù)弧面分度凸輪輪廓軌跡方程以及表2-1、表2-4已知參數(shù)，分析可得r和θ為是由一定制約關系的變量。其中r變化范圍從62mm～92mm；θ為凸輪轉(zhuǎn)角，其變化范圍為0°～360°。因此，我們有兩種方法作出凸輪的工作曲面。 第一，以θ為參數(shù)，將r取一系列的值如r=62，67，72，…，92等，這樣就可以作出一系列曲線，這些曲線相當于用一系列與凸輪同心直徑不同的圓柱面去截凸輪的工作廓面得到的一系列曲線； 第二，將r當作參數(shù)，θ取一系列值如θ=0°，2°，4°，6°，…90°等，相當于用通過凸輪中心軸線的平面去截凸輪的工作廓面的得到的一系列曲線。這兩種方

47、法都能作出凸輪工作廓面上的曲線。 第二種方法作的曲線較短，需要作的曲線較多，比較繁雜。因此我們采用第一種方法來作凸輪工作面上的3D曲線。 這里我們將分別作出與滾子左面接觸的一系列凸輪輪廓曲線，分度期1L、2R、2L、3R，停歇期與滾子左右接觸的輪廓曲線，然后將這些線生成曲面，最后生成實體。 3.1.2 建立凸輪實體 根據(jù)表2-1、表2-2已知參數(shù)，建立凸輪實體，如下圖3-1，3-2所示 圖3-1 圖3-2 3.1.3 建立1L段輪廓曲線 1）建立1L第一段（0

48、~1/8T）輪廓曲面 ①新建.prt文件打開Pro/E Wildfire三維繪圖軟件,新建->零件->實體，建立文件。 ②繪制廓面曲線曲線->從方程->完成，此時彈出【菜單管理器】，并提示選取坐標，點取桌面上的坐標后，再在【菜單管理器】中選取【笛卡爾】，然后在彈出的記事本中輸入如下程序： 程序1： C=160 R=62 T1=T/8 H=T1*120 FI=45*(PI*T1-1/4*SIN(720*T1))/(4+PI) K=3*PI*(1-COS(720*T1))/(8*(4+PI)) F=22.5+FI G=ATAN(R*K/(C-R*COS(F)))+180 X

49、2=R Y2=20*COS(G) Z2=20*SIN(G) X=X2*COS(F)*COS(H)-Y2*SIN(F)*COS(H)-Z2*SIN(H)-C*COS(H) Y=-X2*COS(F)*SIN(H)+Y2*SIN(F)*SIN(H)-Z2*COS(H)+C*SIN(H) Z=X2*SIN(F)+Y2*COS(F) 保存后關閉記事本窗口，單擊【確定】。作出第一條推程段輪廓面曲線，如圖3-3所示。 ③創(chuàng)建曲線組重復以上步驟，并依次將程序段中第（5）句中的r值變?yōu)?7、72、77、82、87、92創(chuàng)建另外6條推程段輪廓面曲線（本文取Δr =5mm，一共建立7條曲線，也可根

50、據(jù)不同情況建立更多或較少的曲線），如圖3-4所示。 圖3-3 圖3-4 2）創(chuàng)建1L第二段（1/8~7/8T）輪廓曲線 建立方法和步驟與3.1.3相同。所輸入的程序和程序1基本相同，程序如下： 程序2： C=160 R=62 T1=T*3/4+1/8 H=T1*120 FI=45*(2+PI*T1-9/4*SIN(60+240*T1))/(4+PI) K=3*PI*(1-3*COS(60+240*T1))/(8*(4+PI)) F=22.5+FI G=ATAN(R*K/(C-R*COS(F)))+18

51、0 X2=R Y2=20*COS(G) Z2=20*SIN(G) X=X2*COS(F)*COS(H)-Y2*SIN(F)*COS(H)-Z2*SIN(H)-C*COS(H) Y=-X2*COS(F)*SIN(H)+Y2*SIN(F)*SIN(H)-Z2*COS(H)+C*SIN(H) Z=X2*SIN(F)+Y2*COS(F) 完成后如圖3-5所示 圖3-5 圖3-6 3）創(chuàng)建1L第三段（7/8~1T）輪廓面曲線 方法和步驟不變，其程序如下： 程序3： C=160 R=62 T1=T/8+7/8

52、 H=T1*120 FI=45*(4+PI*T1-1/4*SIN(720*T1))/(4+PI) K=3*PI*(1-COS(720*T1))/(8*(4+PI)) F=22.5+FI G=ATAN(R*K/(C-R*COS(F)))+180 X2=R Y2=20*COS(G) Z2=20*SIN(G) X=X2*COS(F)*COS(H)-Y2*SIN(F)*COS(H)-Z2*SIN(H)-C*COS(H) Y=-X2*COS(F)*SIN(H)+Y2*SIN(F)*SIN(H)-Z2*COS(H)+C*SIN(H) Z=X2*SIN(F)+Y2*COS(F) 創(chuàng)建完

53、成后如圖3-6所示，至此，1L輪廓曲線就完成了。 3.1.4 建立2L輪廓面曲線 2L輪廓面曲線的建立與1L輪廓面曲線的建立基本一致,其第一、二、三段廓面創(chuàng)建程序分別與程序1相應各段基本相同，只需將第（7）句替換為： F=-22.5+FI 如圖3-7所示 圖3-7 3.1.5 建立2R輪廓面曲線 2R輪廓面曲線的建立與2L輪廓面曲線的建立基本一致,，只是將各個程序中的第（8）句替換為： G=ATAN(R*K/(C-R*COS(F))) 如圖3-8所示 圖3-8 3.1.6 建立3R輪廓面曲線 3R輪廓面曲線的建立與2R輪廓面曲線的建立基本一致,只是將各個程

54、序中的第（7）句替換為： F=-67.5+FI 如圖3-9所示 圖3-9 3.1.7 建立分度盤停歇期凸輪廓面曲線 1）建立與滾子左面接觸的凸輪輪廓曲線，通過分析編寫如下程序： C=160 R=62 H=120+240*T K=0 G=0 F=-22.5 X2=R Y2=20*COS(G) Z2=20*SIN(G) X=X2*COS(F)*COS(H)-Y2*SIN(F)*COS(H)-Z2*SIN(H)-C*COS(H) Y=-X2*COS(F)*SIN(H)+Y2*SIN(F)*SIN(H)-Z2*COS(H)+C*SIN(H) Z=X2*S

55、IN(F)+Y2*COS(F) 如圖3-10所示 圖3-10 2）建立與滾子右面接觸的凸輪輪廓曲，程序如下： C=160 R=62 H=120+240*T K=0 G=180 F=22.5 X2=R Y2=20*COS(G) Z2=20*SIN(G) X=X2*COS(F)*COS(H)-Y2*SIN(F)*COS(H)-Z2*SIN(H)-C*COS(H) Y=-X2*COS(F)*SIN(H)+Y2*SIN(F)*SIN(H)-Z2*COS(H)+C*SIN(H) Z=X2*SIN(F)+Y2*COS(F) 如圖3-11所示 圖3-11

56、3.1.8 建立凸輪曲面實體 1）建立曲面將已經(jīng)形成的各組曲線用曲面混合分別建立成曲面。包含凸緣的頂面和端面，全部曲面混合成面。建立完成后如圖3-12所示。 圖3-12 2）合并曲面將已建立的各個單獨曲面合并成一個曲面。其中包含凸緣的頂面和端面，合并曲面之后就形成了一個封閉的面。 3）曲面實體化將建立好的曲面進行實體化，然后隱藏之前的曲線。完成后如圖3-13所示。 圖3-13 3.1.9 其余特征建立工作 通過以上的特征建立工作，弧面分度凸輪的輪廓面已經(jīng)建立完成，然后我們在創(chuàng)建出凸輪基體，倒角、修行等工作，完成后弧面分度凸輪三維模型建立完成，如圖3-14所示。

57、 圖3-14 3.2 分度盤三維模型的建立 分度盤由轉(zhuǎn)盤和滾子組成，曲面都比較規(guī)則，所以建模比較容易。根據(jù)表2-1、表2-4弧面分度凸輪及分度盤的相關尺寸，利用Pro/e的草繪、旋轉(zhuǎn)和拉伸特征完成分度盤的三維建模。如圖3-15所示。 圖3-15 3.3 模型裝配 (1) 在Pro/e中新建裝配文件，建立互相垂直的距離為160基準軸和互相垂直的基準平面。 (2) 調(diào)入剛已經(jīng)建立好的弧面分度凸輪模型采用銷釘約束。 (3) 調(diào)入建立好的從動盤，采用銷釘約束，然后新建集，采用槽約束。 為了使用槽約束，打開凸輪文件，建立凸輪槽軸曲線。既是建立凸輪輪廓曲線時的方程，r修改為0則可得

58、到滾子上表面中心的軌跡曲線。而且依次建立便宜45°。則方程如下： 第一段： C=160 R=62 T1=T/8 H=T1*120 FI=45*(PI*T1-1/4*SIN(720*T1))/(4+PI) K=3*PI*(1-COS(720*T1))/(8*(4+PI)) F=22.5+FI+45 G=ATAN(R*K/(C-R*COS(F)))+180 X2=R Y2=0*COS(G) Z2=0*SIN(G) X=X2*COS(F)*COS(H)-Y2*SIN(F)*COS(H)-Z2*SIN(H)-C*COS(H) Y=-X2*COS(F)*SIN(H)+Y2*S

59、IN(F)*SIN(H)-Z2*COS(H)+C*SIN(H) Z=X2*SIN(F)+Y2*COS(F) 第二段： C=160 R=62 T1=T*3/4+1/8 H=T1*120

60、 FI=45*(2+PI*T1-9/4*SIN(60+240*T1))/(4+PI) K=3*PI*(1-3*COS(60+240*T1))/(8*(4+PI)) F=22.5+FI+45 G=ATAN(R*K/(C-R*COS(F)))+180 X2=R

61、 Y2=0*COS(G) Z2=0*SIN(G) X=X2*COS(F)*COS(H)-Y2*SIN(F)*COS(H)-Z2*SIN(H)-C*COS(H) Y=-X2*COS(F)*SIN(H)+Y2*SIN(F)*SIN(H)-Z2*COS(H)+C*SIN(H) Z=X2*SIN(F)+Y2*COS(F)

62、 第三段： C=160 R=62 T1=T/8+7/8 H=T1*120 FI=45*(4+PI*T1-1/4*SIN(720*T1))/(4+PI) K=3*PI*(1-COS(720*T1))/(8*(4+PI)) F=22.5+FI+45 G=ATAN(R*K/(C-R*COS(F)))+180 X2=R Y2=0*COS(G) Z2=0*SIN(G) X=X2*COS(F)*COS(H)-Y2*SIN(F)*COS(H)-Z2*SIN(H)-C*COS(H) Y=-X2*COS(F)*SIN(H

63、)+Y2*SIN(F)*SIN(H)-Z2*COS(H)+C*SIN(H) Z=X2*SIN(F)+Y2*COS(F) 第四段： C=160 R=62 H=120+240*T K=0 G=180 F=22.5+45 X2=R Y2=0*COS(G) Z2=0*SIN(G) X=X2*COS(F)*COS(H)-Y2*SIN(F)*COS(H)-Z2*SIN(H)-C*COS(H) Y=-X2*COS(F)*SIN(H)+Y2*SIN(F)*SIN(H)-Z2*COS(H)+C*SIN(H) Z=X2*SIN(F)+Y2*COS(F) 建立完成之后，然后再講方程

64、中的F依次加上45,90,135,180,225,270。建立完成之后如圖3-16 圖 3-16 槽約束的點應該建立在從動盤的基體prt元件中，不能建立在組件中。此點應為滾子上表面中心點。建立后如圖3-17 圖 3-17 （4）然后加入滾套，銷釘軸等，裝配圖完成。 裝配完成后，打開Pro/e的分析菜單進行干涉檢查，及時發(fā)現(xiàn)設計中的缺陷，并進行修改和完善。完成后可得，弧面分度凸輪機構總圖如圖3-18所示。 圖 3-18 3.4 凸輪運動仿真 （1）點擊應用程序-機構，進入仿真運動界面。 （2）點擊建立伺服電動機，選擇凸輪的中心軸，輪廓，速度恒定。 （3）點擊機構

65、分析，運行?？催\行效果并調(diào)試。 （4）點擊回放，保存分析文件，并制作動畫。 4 總結與展望 4.1 總結 本論文在Pro/e平臺上，實現(xiàn)了弧面分度凸輪機構參數(shù)進行優(yōu)化和設計的三維設計，運動仿真與分析、加工仿真、動態(tài)測試，實現(xiàn)了弧面分度凸輪機構的設計、加工、檢測一體化研究。 在這一過程中，我做的研究如下： 1基于空間嚙合原理和坐標變換的方法推導了弧面分度凸輪的工作廓面方程，對其嚙合形態(tài)進行了分析，深入研究了弧面分度凸輪機構的結構形式和運動特性。 2 實現(xiàn)了弧面分度凸輪機構的優(yōu)化和參數(shù)化設計，解決了弧面分度凸輪設計困難且

66、難于造型的難題，使得設計過程相對簡單化、縮短了設計周期，提高了設計質(zhì)量。 3將設計的弧面分度凸輪與分度盤進行裝配、運動仿真、干涉檢測，并進行進行監(jiān)督運動分析，從而直觀快捷的發(fā)現(xiàn)問題。 4.2 展望 由于時間限制，論文中也有諸多之處有待于完善與進一步深入研究： （1）在Pro/e平臺上用VC++進行二次開發(fā)，完成弧面分度凸輪機構CAD\CAM\CAE一體化系統(tǒng)開發(fā)，這樣，相信用proe做弧面分度凸輪的仿真及，NC加工會更加方便，準確。用輸入曲線的從而形成曲面的方法比較繁瑣。 （2）弧面凸輪機構的運動仿真，選擇槽約束時，由滾子上一點與其在旋轉(zhuǎn)一周的軌跡重合，也比較繁瑣容易出錯。 （3）對弧面分度凸輪機構動力學特性，及振動控制的研究 參考文獻 [1] 石永剛，吳央芳.凸輪機構設計與應用創(chuàng)新[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.8 [2] 劉昌祺，【日】牧野 洋，曹西京.凸輪機構設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.8 [3] 石永剛，徐振華.凸輪機構設計[M].上海：上?？茖W技術出版社，1995 [4] 彭國勛，肖正揚.自動機械的凸輪機