凸轮设计说明.docx
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凸轮设计说明
设计的目的
1、通过设计使学生综合运用有关课程的知识，巩固、深化、扩展有关机械设计方面的知识，树立正确的设计思想。
2、培养学生分析和解决工程实际问题的能力，使学生掌握简单机械的一般设计方法和步骤。
3、提高学生的有关设计能力，如计算能力、绘图能力等，使学生熟悉设计资料的使用，掌握经验估算等机械设计的基本技能。
4、掌握NC典型零件的加工方法
设计内容：
设计一凸轮机构，使凸轮机构从动件位移曲线符合下图：
原始数据：
h分别为（单位㎜）
2
3
4
7
设计要求：
1、采用无纸化绘制出凸轮机构的总装图和零件图，零件图数量不得少于5张。
2、按照设计要求，用NC机床加工出所需的零件，并把它组装起来，达到设计要求。
3、编写二到三个典型零件的加工工艺和NC加工程序。
4、编写设计任务书一套。
绪论………………………………………………………………………
第一章、从动件运动规律……………………………………………
第二章、凸轮机构的类型分析及确定……………………………………
一、对凸轮的类型分析………………………………………………
1.1盘形凸轮的概念…………………………………………
1.2移动凸轮的概念…………………………………………
1.3圆柱凸轮的概念…………………………………………二、对从动件分析……………………………………………………
2.1尖顶从动件概念分析……………………………………2.2滚子从动件概念分析……………………………………
2.3平底从动件概念分析……………………………………
三、对运动形式的分析……………………………………………
3.1直动从动件分析…………………………………………
3,2摆动从动件分析…………………………………………
四、凸轮机构的类型确定………………………………………………
第三章对凸轮轮廓的设计……………………………………………
一、对基圆半径设计与确定……………………………………………
二、凸轮轮廓的曲线绘制………………………………………………
第四章、机架的设计与作用………………………………………………
一、机架的作用…………………………………………………………
二、机架的设计…………………………………………………………
第五章、凸轮机构的材料选择……………………………………………
第六章、数控加工程序……………………………………………………
一、对尖顶从动件数控编程……………………………………………
1.1加工工艺路线分析…………………………………………
1.2、数控编程程序编写…………………………………………
二、对凸轮手柄数控编程加工工艺路线分析…………………………
2.2、数控编程程序编写………………………………………
三、对底盘的数控编程………………………………………………
3.1、加工工艺路线分析…………………………………………
3.2、数控编程程序编写…………………………………………
结束语……………………………………………………………………
致谢………………………………………………………………………
参考文献…………………………………………………………………
绪论
凸轮机构的特点及应用
凸轮机构是使从动件作预期规律运动的高副机构。
主要用于转换运动形式，它可以将凸轮的转动，转化为从动件的连续，或间隙的往复移动或摆动；或者将凸轮的移动变化为从动件的移动或摆动。
凸轮以其结构简单紧凑，被广泛应用于各种自动机床或自动装置.但由于凸轮从动件是高副接触，压强较大，易磨损，凸轮轮廓线的制造精度对动力影响很敏感。
即凸轮机构只能用于功率不大，从动件行程或摆角不大的场合。
凸轮机构的组成和类型
凸轮机构一般有凸轮、从动件和机构三个构件组成
凸轮的类型;盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮。
从动件的类型：
尖顶从动件、滚子从动件、平底从动件。
第一章从动件的运动规律
1.1由凸轮机构从动件位移且曲线可得该从动件作等速运动规律，等速运动规律指该从动件的速度为常数时运动规律采用这种运动规律时，从动件的位移S与凸轮转角
ψ成正比
如图可知，位移曲线为一过原点的倾斜直线，同时可得出位移、速度以及加速度之间的关系，且可得出运动线图的表达式。
S=h/Φo×ψ
V=h/Φo×ω
a=0
由图知，从动件开始的瞬时速度由零变为h/Φo×ω，其加速度
a=（h/Φo×ω-0）/0=+∞
同理，在推程的瞬时速度由h/Φo×ω突变为零，其加速度为-∞，在这两个位置上由加速度引起的惯性里理论上为无穷大，而实际上，由于材料的弹性变形，加速度和惯性力不会达到无穷大，不过会引起强烈的冲击，这种冲击称为刚性冲击，且这种冲击运动规律适合低速轻载的场合
第二章、确定凸轮机构的类型
1、对凸轮类型分析
1.1盘形凸轮
这种凸轮是绕固定轴转动且具有变化向径的盘形构件，它是凸轮的基本形式，盘形凸轮机构的从动件在垂直于凸轮轴的平面内运动，盘形凸轮机构的结构较于简单，且应用也比较广泛，但推杆的行程不能太大，否则凸轮的径向尺寸变化过大造成凸轮机构的动力学特性变差。
1.2移动凸轮
它是看作轴心在无穷远处的盘形凸轮的一部分，它是一个具有曲线轮廓的作往直线的构件，当移动凸轮作直线往复运动时可推杆在同一运动，有时也常将此种凸轮固定而使推杆连同其支架相对于此凸轮运动
1.3圆柱凸轮
凸轮的轮廓曲线位于圆柱面上，它可视为将移动凸轮卷成圆柱体而得，在圆柱凸轮机构中，凸轮固定轴转动而从动件的从动件的运动平面与凸轮轴平行
一、对从动件分析。
2.1尖顶从动件概念分析
这种从动件的结构最简单，但容易磨损。
只宜用于手里很小，速度很低的场合
2.2滚子从动件
该从动件端部有可以自由回转的滚子，以减少摩擦和磨损能传递较大的磨损，它是一种常用的类型，但结构较复杂，端部重量较大，故不宜用于高速的场合
2.3平底从动件
不计摩擦时凸轮对从动件的作用始终垂直于擦平底，因此有效推力较大，平底与凸轮接触形成油膜的条件较好，传动效率高，故常用与高速的场合，但平底不能与内凹或直线轮廓相配。
二、对运动形式分析
3.1直动从动件
该从动件运动过程中可作直线往复移动的构件
3.1.1对心直动从动件：
在直动从动件中如果轨迹通过凸轴心的构件且该从动件运动简单易制作。
3.1.2偏置直动从动件：
在直动从动件中如果轨迹不能通过凸轮轴心的构件且存在偏置量e的构件，同时该构件比较简单、制造、安装精度高。
3.2摆动从动件
该从动件运动过程中可绕定轴摆动的构件
四、凸轮机构的类型确定
根据设计任务书从动件的运动规律可知：
凸轮机构的从动件运动规律是等速运动规律。
等速运动规律只适用于低速、轻载的场合。
选用结构比较简单的盘形尖顶直动凸轮机构。
h=2
第三章、对凸轮轮廓设计
一、对基圆半径设计与确定
4.1对心尖顶直动从动件中推程角Φo=90ﾟ从动件在推程时按等速、等加速、等减速及按正弦加速度、余弦加速度运动，其行程h=2mm，取凸轮机构的许用压力角[α]=30ﾟ根据诺模图可确定其最小基圆半径，即h/rb=0.6,
由此可近似的确定最小基圆半径为
rmin=h/0.6=2/0.6≈3.3333mm
即取rmin=25mm。
4.2如下图所示，对心尖顶盘形凸轮机构以角速度ω逆时针方向转动，从动件受载荷Q凸轮加给从动件的作用力F,压力角为α，基圆半径为rb,从动件瞬时速度为V，位移为S，接触电B，凸轮轮廓的法线n-n，
不考虑运动副的摩擦将里F分解为
Fx=Psinα
Fy=Pcosα
其中Fy克服载荷Q是推动从动件运动的有效驱动力，Fx是道路的正压力在导路中产生产生摩擦阻力的有害分力，显然α越大，Fx越大，Fx越小，从动件运动越费劲当α达到临界压力角时，无论用力F多大，都不能推动从动件，即发生自锁，凸轮机构被卡死
且α与凸轮尺寸的关系
过凸轮轴心O作直线Ox垂直于从动件的运动方向，根据三心定理得：
则该直线与法线n-n的交点P就是凸轮与从动件的相对瞬时，因此得
OP=V/ω=ds/dt×dt/dΦ=ds/dΦ
由直角三角形OBP得
tanα=OP/OB=V/rω=V/（S+SO）×dΦ
又因为r=rb+s;所以rb=V/（ωtanα）-s=ds/dΦ×tanα-S
故凸轮基圆半径rb越大，压力角α越小，反之，rb越小，α越大
2、凸轮轮廓曲线绘制
设计对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构凸轮轮廓，已知从动件的运动规律如右图所示，凸轮以角速度ω按顺时针方向转动，基圆半径rb=25mm，行程h=4mm，根据反转法原理设计出凸轮轮廓曲线且步骤如下：
2.1取长度比例尺uL=0.001m/mm，画出基圆和从动件尖顶离轴心O最近是从动件的初始位置，如图左所示，从动件与凸轮轮廓在点BO（CO）杰出的位置，
2.2在基圆上自OCO开始，沿ω的反方向量取推程角Φo=90ﾟ远休止角Φs=30ﾟ，回程角Φo'=60ﾟ和近休止角Φs=180ﾟ，并将推程运动角和回程运动角各分成若干等分，如图左中各分成四等分得C1、C2、、、、、、
2.3过凸轮轴心O作上述各等分点的射线OC1、OC2、、这些射线是反转后从动件在个个位置的曲线。
2.4将从动件的位移曲线上的推程角和回程运动角扽得分成作图中对应区间相同的份数，得等分点1，2……过各等分点分别做垂直于横坐标轴的直线，它们与位移曲线相交于1'、2'……则11'、22'……为凸轮在相应转角位置时，从动件的位移量。
2.5在各射线OC1、OC2……的延长线上从基圆开始向外分别量取位移量C1B1=11'、C2B2=22'……于是B1、B2……各点
2.6将B0、B1、B2各点连接成光滑的曲线，此曲线即为所求的凸轮轮廓
2.7根据6-18图a中Φo=90ﾟ与等速运动标尺上h/rb=0.6两点以直线相连，该直线交αmax的标尺与20ﾟ，于是αmax=20ﾟ对于直动从动件的推程许用压力角[α]=30ﾟ-38ﾟ
因此该凸轮机构的最大压力角[αmax]<30ﾟ-38ﾟ
第4章、机架的设计与作用
1．机架的作用
一方面，凸轮机构的组成由从动件、凸轮和机架，因而机架是凸轮组成不可缺少，同时，运用机架对设计凸轮机构固定起着重要作用，保证了凸轮机构能够正常的运转，同时对凸轮机构的设计增添了美观，另一方面，凸轮机架的设计可以观察到凸轮的运动轨迹，从而进一步算出凸轮的行程
2、机架的设计
如图所示，底座为一长a×b×c=84×60×12mm，
第五章凸轮机构的材料选择
试验证明：
相同金属材料比不同金属的粘着倾向大；单相材料、塑性材料比多相材料脆性材料的粘着倾向大。
为减轻粘着磨损的程度推荐采用材料匹配有;
（1）铸钢青铜；淬硬非淬硬钢；非淬硬钢黄铜巴氏合金；淬硬钢；青铜黄铜非淬硬钢‘尼龙及积层热压树脂。
禁忌的材料匹配是：
非淬硬钢‘青铜，非淬硬钢尼龙及积层树脂；淬硬钢-硬青铜；淬硬镍钢——淬硬镍钢
因为是低速轻载凸轮选用４５钢调质２２０－２６０ＨＢ，从动件接触处选用４５钢表面淬火４０－４５ＨＲＣ
第六章、数控加工程序
1.数控编程
1.1加工工艺路线分析
先进行粗加工，将转速设为450r/min，X方向残余量为0.5，Z方向的残余量为0.2，根据G71指令进行走直线，将转速设为900in，进行精加工，及工件加工完成
1.2数控编程程序书写
建立如图所示的坐标系X-Z
O0001：
N0010T0101;
N0020M03S450;
N0030G99F0.2;
N0040X42.0Z2.0;
N0050G71U1.5R1.0;
N0060G71P70Q90U0.5W0.2F0.2;
N0070G00X0.0M03S900
N0080G01X10.0Z-10.0;
N0090Z-74.0;
N0100G70P70Q90;
N0110G00X100.0;
N0120Z100.0;
N0130T0202;
N0140M03S250;
N0150G00X42.0;
N0160Z-74.0
N0170G01X0.0F0.15;
N0180G00X100.0;
N0190Z100.0;
N0200M30;
%
2.轮手柄数控编程
2.1、加工工艺路线分析
粗加工阶段，将转速提到450r/min,X方向的残余量为0.5，Z方向的残余量为0.2先加工右端走圆弧指令，将转速提到900r/min进行精加工，待右端加工完成，主轴停止，将加工左端，根据G71指令走直线，切退刀槽，车螺纹工件加工完成。
2.2数控加工程序编写
右端
O0002
N0010T0101;
N0020M03S450
N0030G00X50Z2.0;
N0040G71U1.5R1.0;
N0050G71P60Q120U0.5W0.2F0.2;
N0060G00X0.0M03S900;
N0070G01Z0.0F0.15;
N0080G03X7.0Z-3.5R3.5;
N0090G03X15.0Z-10.0R15.0;
N0100X15.0Z-14.0R15.0;
N0110G02X12.0Z-20.0R15.0;
N0120X16.0Z-29.0R15.0;
N0130G00X100.0;
N0140Z100.0;
N0150M30;
%
左端
O0003
N0010T0101;
N0020M03S450
N0030G00X50.0Z2.0;
N0040G71U1.5R1.0;
N0050G71P60Q80U0.5W0.2F0.2;
N0060G00X8.0M03S900;
N0070G01Z2.0F0.2;
N0080G01Z-19.0;
N0100G00X100;
N0110Z100;
N0120M30;
%
00004
N0010T0202;2号刀为割螺纹刀
N0020M03S120;
N0030G00X50.0;
N0040Z-19.0;
N0050G01X8.0F0.2;
N0060G00X100.0;
N0070Z100.0;
N0080M30;
%
00005
N0010T0303;
N0020M03S120;
N0030G00X50.0;
N0040Z2.0;
N0050G92X9.4Z-19.0F0.2;
N0060X9.0;
N0070X8.7;
N0080X8.7;
N0090G00X100.0;
N0100Z100.0;
N0110M30;
%
三、对底座的加工
3.1加工工艺路线分析
粗加工阶段，将转速提到450r/min，Z方向的残余量为0.2，将转速提到900r/min进行精加工.
上表面加工
O0006
N0010T01;
N0020G90G54S450M03;
N0030G00X-50;
Y-42;
Z-1.5
N0040M98P1001F150;
N0050G01Z-2.8;
N0060M98P1001;
N0070G00X100;
Y100;
Z100;
N0020S900F200;
N0030G00X-50;
Y-42;
Z-3;
N0060M98P1001;
N0070G00X100;
Y100;
Z100;
N0080M30;
%
O1001
N0010G01X50;
Y-24;
X-50;
Y-18;
X50;
Y-12;
X-50;
Y-6;
X50;
Y0;
X-50
Y6;
X50;
Y12;
X-50;
Y18;
X50;
Y24;
X-50;
Y30;
X50;
N0020G00Z100;
X-50;
Y-30;
N0030M99;
%
结束语
经过了两个月的学习，我终于完成了工程机械凸轮设计。
从开始接到设计题目到设计方案的确定，再到设计说明书的完成，每走一步对于我来说都是新的尝试和挑战。
这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。
在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受。
通过这次设计我开始独立的学习和探索，查看相关的资料和书籍，让自己头脑模糊的大概到逐渐清晰，使自己的设计逐步完善起来，每一次改进都使我收益颇丰。
虽然我的设计不是很成熟，还有很多不足之处，但是我付出了自己的劳动，这是我引以自豪的地方，我相信只有经历过的人才会明白其中的酸甜苦辣。
这次做设计的经历也使我终身受益，我感受到做设计是要真正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程。
没有学习就不可能有研究的能力，对自己的研究就不会有所突破，那也就不叫设计，希望这次经历能让我在以后的工作学习中激励我继续进步。
致谢
在毕业设计期间，无论是确定工作方案、收集资料还是撰写论文，我都得到了廖老师的全力帮助和耐心指导。
廖老师学识渊博、治学严谨、平易近人，是我们学习和生活的榜样，在此我特向廖老师表示最崇高的敬意和由衷的感谢。
大学几年的生活转眼就要结束了，这几年是我人生中最重要的学习时间。
在大学的校园里，我不仅学到了丰富的专业知识，也学到了终身受用的学习知识和积极的生活态度，通过对课程的学习和与相关专业老师的沟通，使我深感机会难得，获益非浅。
母校严谨的学风和老师的广博丰富的知识令我敬佩。
各位老师的悉心授课使我对电气专业有了更多、更丰富的认识，为今后的学习和工作打下了坚实的基础。
此时此刻，我要感谢机电系的全体老师几年来对我的指导和帮助，他们广博精湛的学识，严谨的治学态度使我得到的不仅是知识，还有他们对知识孜孜不倦的追求精神及做人的品质，这将使我终身受益，尤其是对廖老师表示由衷的感谢。
廖老师在百忙之中对我的设计给予了细心的指导和耐心的指导，他在学术上精益求精、一丝不苟的精神和工作上严谨求实的作风，以及忘我的学习态度给我留下了深刻的印象。
另外在设计过程中还得到了设计小组成员的大力帮助，在此表示感谢，我将在以后的工作中不断努力学习，在不久的将来成为一名优秀的技术人才。
最后再次感谢母校和各位老师对我三年来的培养和帮助。
参考文献
1、常见机构的原理及应用编写组编《常见的机构原理及应用》，机械出版社，1978年第1版
2、机械原理马永林主编–北京：
高等教育出版社，1992.4
3、华大年、唐之伟主编《机构分析与设计》，纺织工业出版社，1995年第1版
4、余英亮《数控加工编程及操作》，高等教育出版社，2005年1月
5、械制图/张信群主编-合肥工业大学出版社，2005.7
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