凸轮机构的设计本科学位论文Word文档下载推荐.docx

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凸轮机构属高副机构。

它一般由凸轮1、从动件2、机架3组成（图1-1及图1-2）。

凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的机构，它通常作连续的等速运动，也有的作摆动或往复直线移动。

从动件则按照预定的运动规律作间歇的（也有作连续的）直线往复移动或摆动。

图1-1图1-2

1.2凸轮机构的优点

只要适当地设计凸轮的轮廓曲线，便可以使从动件获得任意预定的运动规律，且机构简单紧凑。

因此，它广泛应用于各种机械、仪器和操纵控制装置中。

例如，在内燃机中用以控制进气与排气阀门；

在各种切削机床中用以完成自动送料和进退刀；

在缝纫机、纺织机、包装机、印刷机等工作机中用以按预定的工作要求带动执行构件等。

但由于凸轮与从动件是高副接触，比压较大，易于磨损，故这种机构一般仅用于传递动力不大的场合。

1.3凸轮机构的分类

1.3.1按凸轮形状——

（1）盘形凸轮（图1-3）：

一个具有变化向径的盘形构件。

当它绕固定轴转动时，可推动推杆在垂直于凸轮轴的平面内运动，结构简单，易于加工，应用广泛。

图1-3图1-4

（2）圆柱凸轮（图1-4）：

一个在圆柱面上开有曲线凹槽，或是在圆柱端面上作出曲线轮廓的构件。

当其转动时，其曲线凹槽或轮廓曲面可推动推杆产生预期的运动。

空间凸轮机构,可使从动件获得大的工作行程又不致过于庞大。

（3）移动凸轮（图1-5）：

可视为盘形凸轮的回转轴心处于无穷远处时演化而成的。

图1-5图1-6

1.3.2按推杆的形状——

（1）尖顶从动件（图1-6）：

这种推杆的构造最简单，但易造磨损，所以只适用于作用力不大和速度较低的场合，如用于仪表等机构中。

（2）滚子从动件（图1-7）：

这种推杆由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，所以磨损较小，故可用来传递较大的动力，因而应用较广。

图1-7

（3）平底从动件（图1-8）：

这种推杆的优点是凸轮对推杆的作用力始终垂直于推杆的底边（不计摩擦时），故受力比较平稳。

而且凸轮与平底的接触面间容易形成油膜，润滑较好，所以常用于高速传动中。

图1-8图1-9

1.3.3按推杆的运动形式—

（1）移动从动件（图1-9）：

作往复直线运动的推杆称为直动推杆。

（2）摆动从动件（图1-10）：

作往复摆动的推杆称为摆动推杆。

图1-10

1.3.4按推杆与凸轮轮廓相接触的方法—

（1）力封闭型凸轮机构（图1-11）：

利用推杆的重力，弹簧力或其他外力使推杆始终与凸轮保持接触的。

图1-11

（2）几何形状封闭的凸轮（图1-12）：

利用凸轮或推杆的特殊几何机构使凸轮与推杆始终保持接触的。

图1-12

1.4凸轮机构的计算机辅助设计

计算机具有强大的数值计算、逻辑判断和图形绘制功能，在有关软件的支撑下，可以完成凸轮机构设计的各个环节。

利用计算机进行凸轮机构设计，不仅可以大大提高设计速度、设计精度和设计自动化程度，而且可以采用动态仿真技术和三维造型技术，模拟凸轮机构的工作情况，甚至可由设计数据形成数控加工程序，直接传输给制造系统，实现计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）一体化，从而提高产品质量，缩短产品更新换代周期。

完整的凸轮机构计算机辅助设计系统一般应包括定义设计问题、设计、分析、几何计算和绘图五个部分，用于完成下列设计任务：

1）设计要求的输入；

2）根据使用场合和工作要求，选择凸轮机构类型；

3）根据工作要求选择或设计从动件运动规律；

4）确定凸轮机构基本参数；

5）建立凸轮轮廓曲线方程和刀具轨迹，计算凸轮轮廓曲率半径，进行压力角检验及轮廓是否变尖或失真检验；

6）力分析，力锁合弹簧的设计；

7）材料及热处理方法选择，重要场合时的凸轮副接触强度校核；

8）机构结构设计，装配图绘制，零件工作图绘制；

9）机构的三维造型，运动模拟，机构所占空间尺寸检验。

其中有些设计工作的实现涉及人工智能和专家系统技术。

对于简单设计系统，可以通过人机交互的方式由人工干预解决。

目前已有专用的凸轮机构计算机辅助设计商业化软件，可以直接使用。

1.5凸轮机构的优化设计

凸轮机构种类繁多，同一运动要求往往可以通过多种凸轮机构来实现，即使在凸轮机构类型确定的情况下，实现运动要求的机构基本参数和结构参数也有较大的可取范围。

这就存在如何根据使用场合和工作要求，合理选择凸轮机构类型和确定有关参数的问题，它们是建立在设计方案的定量评价基础上的最优化问题。

由于凸轮机构类型选择属于概念设计范畴，目前尚无系统的评价理论和方法，在一般的工程设计中，此项工作主要依赖于设计者个人的经验和主观意愿，只有通过对专家设计经验的总结，并加以描述，构造类型设计知识库和定量评价系统，基于人工智能和专家系统技术，才能实现凸轮机构类型的智能设计和最优设计。

关于凸轮机构类型确定情况下几何参数的优化设计，已有成熟的理论和方法，基于一定的寻优策略和算法，即可获得最优解。

下面仅简要介绍凸轮机构参数优化设计数学模型的建立，优化方法可参考有关专门资料。

1.5.1设计变量

凸轮机构的参数很多，如凸轮基圆半径、直动从动件偏距、滚子半径、盘形凸轮轮廓厚度、摆动从动件长度及中心距等，其中有部分参数相互之间存在确定的函数关系。

选择其中相互独立的参数作为设计变量，用通式表示为X=[x1,x2...xn,]T。

1.5.2约束条件

凸轮机构参数的设计往往受到多方面的限制，这些限制可以用函数表示成如下形式的约束条件：

gi（X）≤0，（i=1，2，...，m）

约束条件主要有：

（1）几何参数边界约束为缩小寻优范围，可根据设计要求给出各几何参数的上下限，作为边界约束。

（2）压力角约束限制凸轮机构推程和回程的最大压力角不超过许用值。

（3）凸轮轮廓曲率半径约束防止轮廓变尖或出现运动失真。

（4）接触强度约束保证凸轮机构运动过程中凸轮副的最大接触应力不超过许用值。

（5）几何空间约束对凸轮机构所占据空间在各个方向的尺寸加以限制。

（6）防干涉约束防止各构件实体在空间上发生运动干涉。

1.5.3目标函数

以一定的评价指标作为凸轮机构优化设计的目标函数。

由于最优解是针对某一个或某几个评价指标而言的，所以凸轮机构的优化设计具有相对性，且目标函数的选取非常重要，应充分反映设计要求。

下面给出几种有代表性的目标函数及相应的优化设计数学模型。

（1）凸轮机构工作空间的极小化为了减小整个机器所占据的空间，在凸轮机构设计中，常要求其体积尽可能小。

此时可以凸轮机构运动中所占据空间的体积V（X）极小作为目标函数。

（2）凸轮重量的极小化为了减小凸轮机构的体积，节省材料和减小惯性，可以凸轮重量W（X）极小作为目标函数。

（3）最大接触应力的极小化虽然已用接触强度建立了约束条件，使凸轮副有足够的强度和寿命。

但如果要求机构在给定条件下具有最高的强度和最长的寿命，则应使其最大接触应力极小化。

1.6应用C++Builder程序设计语言实现凸轮轮廓的仿真

C++Builder程序设计语言是一种典型的可视化编程语言,它是集开发、编译、发布为一体的集成开发环境,基础语言为面向对象的C++语言,继承了C++语言的诸多优点。

通过编程利用迭代法解矩阵方程,可以得到凸轮轮廓每段对应的运动方程的表达式,代入直角坐标公式,每隔一较小的转角循环取点,就能得到凸轮精确轮廓线。

1.7基于SolidWorks与Mastercam盘形槽凸轮的设计与数控加工

Solidworks2008是基于windows操作系统的面向对象的三维CAD软件，是国外最流行的三维机械设计软件。

它提供的参数化造型技术，能使用户方便﹑快捷地创建任何复杂形状的零件。

由于其具备易学易用﹑价格适中等特点，现在越来越多的企业和研究机构把该软件作为设计﹑分析﹑加工等方面的首选软件。

基于特征的三维参数化软件中，工程师所设计的零件是有颜色﹑材料﹑硬度﹑形状﹑尺寸等概念的三维实体，甚至是带有相当复杂的运动关系的三维实体。

如果能直接以三维概念开始设计，在现有的软件支持下，这个模型至少有可能表达出的设计构思的全部稽核参数，整个设计过程可以完全在三维模型上讨论，设计的全部流程都能使用统一的数据。

这样就有可能比较容易地建立充分而完整的设计数据库，并以此为基础，进一步进行应力应变分析﹑质量属性分析﹑空间运动分析﹑装配干涉分析﹑NC控制可加工性分析﹑高正确率的二维工程图生成﹑外观色彩和造型效果评价﹑动画生成等。

MasterCAM的侧重于CAM，它提供的铣床模块可控制2-5轴的数控加工；

车床模块可控制2轴及C轴加工；

线切割模块可控制2-4轴加工，冲床模块提供冲剪及材料展开功能。

该软件还提供火焰切割及激光加工模块。

在加工方法上，它提供了粗加工，精加工，附加刀具路径等众多的加工方法，以供用户选择。

此外，MasterCAM提供了各种图形文件的接口模式，例如DXF，IGES，VDA，ASCⅡ等，可与多种流行的CAD/CAM的软件进行转换，这更支持了它的功能和通用性。

MasterCAM软件由于功能强大，实用性强，性能价格比优良，因此在制造业得到广泛的应用。

MasterCAM作为高等院校CAD/CAM的教学软件系统，正是符合了社会的需求。

此外，它可视性强，容易掌握，便于教学，可在单机或工作站上运行。

这是美国CNCsoftware公司开发的一套CAD/CAM软件系统。

CAD部分

增加了实体模型菜单，提供了具有强大的倒角、抽壳、布尔运算、延伸、修剪等建摸功能。

对构建图形菜单、转换菜单、屏幕菜单等做了改进。

尺寸标注、注释比以前版本更为方便。

将SolidWorks软件的CAD优势和Mastercam软件的CAM优势有机结合,可以大大缩短用户精确设计与加工凸轮的时间。

在将SolidWorks系统下设计的产品模型通过IGES格式转入Mastercam进行数控编程时,一般需增加一些辅助线条、曲面或实体以方便加工。

解决了传统设计与手工编程不能满足复杂、高精度凸轮数控