基于PROE的曲槽槽轮机构CADCAM系统开发Word格式.docx
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3.1曲槽槽轮机构的总体结构分析13
3.1.1槽轮机构的机架设计13
3.1.2槽轮机构的拨盘设计14
3.1.3槽轮机构的槽轮设计15
3.2曲槽槽轮机构的装配16
3.3机构运动分析与仿真设计17
3.4ProE的模拟和加工19
3.4.1ProE的模拟19
3.4.2ProE的加工20
3.4.3槽轮体的加工过程21
第四章槽轮机构的参数化设计22
4.1参数的概念22
4.2槽轮机构的参数22
4.2.1定义参数22
4.2.2参数传递23
4.2.3建立参数关系24
4.2.4生成相应的装配图26
第五章结束语27
5.1设计总结27
5.2研究展望27
致谢28
第一章课题提出的背景及总体设计
1.1直线槽槽轮机构及其运动分析
槽轮机构又称马尔他机构或日内瓦机构。
其结构简单，传动效率高，设计和制造都很方便，被广泛用于轻工、食品、制药和烟草等行业的自动机械中，用于实现周期性间歇运动。
但直槽槽轮机构也有其缺点，它的运动性能不够理想，运动速度受到限制，在拨销进入和退出槽轮槽口时存在加速度，会产生柔性冲击和振动，因此动力特性较差，不适合于高速运动，只能用于低速轻载的场所。
而且其动停比也只能取几个固定的值。
1.1.1直线槽槽轮机构的工作原理
如图1.1所示，槽轮机构一般由带拨销的拨盘（拨杆）和槽轮两大主要部件构成。
其中，拨销盘是主动件，它做等角速度转动，而槽轮是从动件，它作步进运动，槽轮上沿径向均布有直线槽，当拨杆匀速转动时拨销进入槽内，从而拨动槽轮转过一个2π/Z角度（Z为槽数），然后拨销退出直线槽，拨杆继续转动，而槽轮停止，直到拨销再次进入槽内，如此周而复始进行间歇运动.
1.1.2直线槽槽轮机构的运动分析
从结构原理上分析，槽轮机构实质上是曲柄导杆机构的一种变型，如图1.2所示，设槽轮中心O1与曲柄（拨杆）的回转中心O2之间的距离为L，拨杆匀速转动，角速度为ω0，回转半径为R，初始位置（或拨销进入/退出槽口）时槽轮转位分度线、拨杆与O1O2的夹角分别为Φ/2、Ψ/2（Φ、Ψ为槽轮的分度角和对应于拨杆的转角）。
在槽轮机构运动过程的任一瞬时，槽轮的转角ψ和拨杆的转角
之间的几何关系为：
λ
令：
λ=R/L，代入上式得：
（1-1）
将式（1-1）对时间t逐次求导，即得槽轮运动的角速度ω和角加速度ε为：
（1-2）
（1-3）
其角速度ω和角加速度ε随拨杆的角位移之间的关系如图1.3所示。
可以看出槽轮的角速度连续，而角加速度在拨销进入或退出槽口存在跳跃。
1.1.3直线槽槽轮机构的特点
通过对直线槽轮机构的运动分析情况来看，直线槽槽轮机构虽然具有结构简单，传动效率高，设计和制造方便等优点而被广泛用于轻工自动机械行业，但该机构运动过程中存在柔性冲击，且动停比只能取几个固定值，只能适应轻工机械中低速中载的需要。
1.2课题提出的意义
正是由于上述这些原因，这种槽轮机构已不能适应现代轻工业机械高速中载的要求了。
为了适应现代轻工自动机械高速中载和高精度的需要，只需对这种传统的直线槽槽轮机构进行结构上的改进，就可以减少运动过程中的柔性冲击和振动，使运动流畅，改善机构的运动特性。
本论文提出了侧向对称曲线槽槽轮机构，它是一种新型实用的机构，该机构在结构上仅仅将传统的直线槽改为对称曲线槽，但其运动特性有了实质性的变化，特点是：
作为从动件的槽轮可以按事先给定的运动规律进行间歇运动，完全消除了运动过程中的刚性和柔性冲击，减少了噪音，残余振动小，能够实现高速、高精度间歇转位传动，可以取代设计和加工复杂的空间凸轮间歇分度机构。
1.3本人在设计中承担的任务
曲槽槽轮机构CAD/CAM系统的设计与开发过程分为三大部分，即曲线槽槽轮机构的运动分析与仿真、各零件的参数化绘图和曲线槽槽轮体的模拟加工。
由于开发设计和编程的工作量很大，时间紧迫，鉴于槽轮机构的运动分析与仿真、曲线槽槽轮体的模拟加工关系紧密，而参数化绘图部分相对独立，为此本论文将着重开发槽轮机构的运动分析与仿真、曲线槽槽轮体的模拟加工两部分。
第二章曲槽槽轮机构的设计与运动分析
2.1通用简谐梯形运动规律
由于作为从动件的槽轮的运动是按事先给定的运动规律进行间歇运动，为此必须先确定其运动规律。
目前工程上应用很广的运动规律有等加速等减速曲线、正弦曲线、余弦曲线、多项式曲线、修正等加速等减速曲线、修正正弦曲线、梯形曲线等，根据这些基本曲线（前四种）和标准曲线（后三种）的共同特点，可以采用图2.1所示的通用简谐梯形曲线来构成，这种曲线是把简谐函数与梯形运动规律组合起来，形成一类运动特性优良的新运动规律；
它兼有最大加速度Am低的梯形规律的优点和简谐函数在两端运动规律连续的优点。
这些曲线具有良好的性能，而且也一种比较通用的曲线，通过选择不同的Ti值就构成形形色色的曲线，得到前述各种运动曲线和常用的运动曲线。
下面对推导通用简谐梯形曲线的位移、速度、加速度曲线的通用公式，为了简明其间，采用无因此量（大写字母）来表示时间T、位移S、速度V、加速度A，其实际量（小写字母）时间t、位移s、速度v、加速度a以及无因此量与实际量之间的关系如下。
实际量为：
（2-1）
各无因此量为：
（2-2）
式中h为从动件的实际位移，th为从动件实际的运动时间。
无因此量没有单位，且0≤T≤1，0≤S≤1。
设最大正加速度和最大负加速度分别为A1、A2，这时通用简谐梯形曲线的加速度A曲线函数式的表达式如下：
A1sinπT/2T1（0≤T≤T1）
A1（T1≤T≤T2）
A1cosπ（T-T2）/2（T3-T2）（T2≤T≤T3）
A=0（T3≤T≤T4）（2-3）
-A2sinπ（T-T4）/2（T3-T4）（T4≤T≤T5）
-A2（T5≤T≤T6）
-A2cosπ（T-T6）/2（T7-T6）（T6≤T≤T7）
对式（2-3）分别积分两次可得到速度和位移的表达式，其表达式如下：
-2A1（T1-T0）cos[πT/2（T1-T0）]/π＋C1（T0≤T≤T1）
A1T＋C2（T1≤T≤T2）
2A1（T3-T2）sin[π（T-T2）/（T3-T2）]/π＋C3（T2≤T≤T3）
V=C4（T3≤T≤T4）（2-4）
2A2（T5-T4）cos[π/2（T5-T4）（T-T4）]/π＋C5（T4≤T≤T5）
-A2T＋C6（T5≤T≤T6）
-2A2（T7-T6）sin[π/2（T7-T6）（T-T6）]/π＋C7（T6≤T≤T7）
-A1[2（T1-T0）/π]²
sin[πT/2（T1-T0）]＋C1T＋B1（T0≤T≤T1）
0.5A1T²
＋C2T＋B2（T1≤T≤T2）
-A1[2（T3-T2）/π]²
cos[π（T-T2）/2（T3-T2）]＋C3T＋B3（T2≤T≤T3）
S=C4T＋B4（T3≤T≤T4）（2-5）
A2[2（T5-T4）/π]²
sin[π（T-T4）/2（T5-T4）]＋C5T＋B5（T4≤T≤T5）
-0.5A2T²
＋C6T＋B6（T5≤T≤T6）
A2[2（T7-T6）/π]²
cos[π（T-T6）/2（T7-T6）]＋C7T＋B7（T6≤T≤T7）
利用T0=0时，V=0与S=0，T=1时V=0与S=1的边界条件及T1-T6处S与V的必须连续的16个连续条件可求出C1-C7，B1-B7，A1，A2共16个未知系数。
1．边界条件
1由T=0时V=0得：
-2A1（T1-T0）/π＋C1=0即C1=2A1（T1-T0）/π（2-6）
S=0得：
B1=0。
（2-7）
②由T=1时V=0得：
-2A2（T7-T6）/π＋C7=0即C7=2A2（T7-T6）/π（2-8）
S=1得：
C7＋B7=1即B7=1-C7（2-9）
2．连续条件
1T=T1时，V连续得：
C1=-A1T1＋C2（2-10）
S连续得：
-A1（2T1/π）²
＋C1T1＋B1=0.5A1T1²
＋C2T1＋B2
即B2=-A1[（2T1/π）²
＋0.5T1²
]＋（C1-C2）T1（2-11）
2T=T2时,V连续得：
A1T2＋C2=C3即C3=A1T2＋C2（2-12）
S连续得：
0.5A1T2²
＋C2T2＋B2=-A1[2（T3-T2）/π]²
＋C3T2＋B3
即B3=A1[（2（T3-T2）/π）²
＋0.5T2²
]＋（C2-C3）T2＋B2（2-13）
3T=T3时,V连续得：
2A1（T3-T2）/π＋C3=C4,即C4=2A1（T3-T2）/π＋C3（2-14）
C3T3＋B3=C4T3＋B4,即B4=（C3-C4）T3＋B3（2-15）
4T=T4时,V连续得：
C4=2A2（T5-T4）/π＋C5,即C5=-2A2（T5-T4）/π＋C4（2-16）
C4T4＋B4=C5T4＋B5,即B5=（C4-C5）T4＋B4（2-17）
5T=T5时,V连续得：
C5=-A2T5＋C6,即C6=A2T5＋C5（2-18）
A2[2（T5-T4）/π]²
＋C5T5＋B5=0.5A2T5²
＋C6T5＋B6
即B6=A2[（2（T5-T4）/π）²
＋0.5T5²
]＋（C5-C6）T5＋B5（2-19）
6T=T6时,V连续得：
-A2T6＋C6=C7,即C7=-A2T6＋C6（2-20）
-0.5A2T6²
＋C6T6＋B6=A2（2（T7-T6）/π）²
＋C7T6＋B7
即B7=-A2[（2（T7-T6）/π）²
＋0.5T6²
]＋（C6-C7）T6＋B6（2-21）
由（2-8）、（2-20）两式可得：
（2-22）
式中T10=T1-T0，其它类推。
由式（2-21）得：
（2-23）
利用上述的计算结果可以得出运动曲线中位移S、速度V及加速度A，它们是关于时间常数T的函数，把以上公式编成程序得出它们的运动曲线。
编程时只需输入曲线编号，利用表2-1所列的各种运动规律的Ti值作为已知数据进行初始化，调用时也只需输入该曲线的固定编号即可。
常用曲线的各Ti值列于表2.1中。
表2.1
曲线名称Ti
T0
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
等速度
1
等加速度
1/2
余弦
摆线
1/4
3/4
修正等速
1/16
15/16
修正梯形
1/8
3/8
7/8
修正正弦
非对称摆线
1/5
2/5
7/10
斜修正梯形
1/10
3/10
11/20
17/20
梯形摆线
5/8
2.2槽轮槽形的生成与运动分析
曲槽槽轮机构的运动分析主要是建立作为间歇运动的从动件（即槽轮）的通用简谐梯形曲线规律，然后使主动拨杆匀速旋转，按照凸轮设计的原理对槽轮机构进行运动分析，生成槽轮的曲线槽槽形、压力角和曲率半径等数据。
通用简谐梯形曲线规律已经介绍过，下面以单拨销外槽对称曲线槽槽轮机构为例推导其设计与分析过程。
2.2.1槽轮曲线槽槽形的设计
如图2.2所示，称对称曲线槽中心线为转位分度线，分度角为相邻两转位分度线之间的夹角，侧向角为拨销轴心在进出槽口处的速度方向与转位分度线的夹角。
设槽轮的旋转中心O1与主动件拨销杆的旋转中心O2之间的距离为L，拨销杆长度为R，槽轮的槽数为z，侧向角为δ，则当从动槽轮转过一个分度角Φ=2π/z时，对应的拨销杆的转角Ψ=π-Φ-2δ。
按照凸轮从动件的运动规律来选取槽轮转动的运动规律，对此机构只能选取对称运动规律，以保证角加速度在曲线槽的底部换向，避免产生换向时的横越冲击，故称为对称曲线槽槽轮机构。
设槽轮转动的运动规律无因次位移、速度和加速度表达式分别为S=S（T），V=V（T），A=A（T），T∈[0,1]，S∈[0,1]，这里S、V、A表示运动量的瞬时真值与平均值之比，无量纲，故也称为位移、速度和加速度系数。
其主要目的是进行规格化、标准化、统一化处理，这样即使实际运动不同，也可能采用同一运动规律曲线表示，以揭示运动规律的本质特性。
则有：
（2-24）
式中：
Φ、Ψ分别为分度角和对应的拨销杆的转角（rad）；
、
分别为槽轮和拨销杆在任一时刻的转角（rad）。
且
，
。
以槽轮的回转中心为极点，转位分度线为极径建立动态极坐标系，设槽形理论廓线上任意一点的极坐标为M（ρ,θ），根据图中几何关系，由ΔAO1O2和ΔMO1O2可知：
（2-25）
即得曲线槽的理论廓线的极坐标参数方程为
（2-26）
根据理论廓线的外法线方向，可以计算出实际廓线的极坐标方程为
（2-27）
Rb为拨销半径，
，
2.2.2槽轮的运动特性分析
对（2-26）式求一阶二阶导数可以得到槽轮的角速度和角加速度分别为：
（2-28）
为拨杆的实际角速度（rad/s），是输入量；
为槽轮的实际角速度（rad/s），
为槽轮的实际角加速度（rad/s2）。
利用复极矢量的分析方法，可以得到曲线的压力角
和曲率半径
分别为：
（2-29）
2.2.3运动分析实例与结论
以八槽槽轮机构为例，其分度角Φ=45°
，当侧向角δ=4°
，选取对称修正正弦运动规律时，外啮合曲线槽槽轮机构的槽形、压力角和曲率半径曲线如图2.3所示，横坐标为槽轮转角
，纵坐标为压力角
（度）和曲率半径
（mm）的大小（为了直观，习惯上
和
用度表示）。
本例中
，最小曲率半径
=35.16mm（发生在槽底处，峰值为曲率凸凹转接点）。
并且通过改变侧向角δ的大小可以来改变槽形的形状及压力角、曲率半径的大小。
结论：
1）当ψ∈[-Ψ/2，0]时，拨销杆沿曲线AB段运动，槽轮角加速度大于0。
当ψ∈[0，Ψ/2]时，拨销杆沿曲线BC段运动，槽轮角加速度小于0。
因此该机构只能选取对称运动规律。
这样，角加速度在槽轮机构的底部换向不会产生换向冲击。
2）通过改变侧向角δ的大小，可以改变曲线槽的形状，避免其理论廓线产生“自交”现象而无法加工，侧向角δ的极小值可通过数值计算的方法求得。
3）机构的动停比为K=Ψ/（360-Ψ）=（2/（1+2/z+δ/90））-1，通过分析可知，当侧向角在一定范围时，压力角和曲率半径可以满足设计要求。
而动停比则随侧向角增大而减小，这样可以增加有效的工作时间。
第三章曲槽槽轮机构的结构设计
3.1曲槽槽轮机构的总体结构分析
槽轮机构的零件主要包括支架、拨盘和槽轮，在用PRO/E进行三维造型时要应用适当的命令，尽量使其三维设计简单化。
其模型图如图3-1所示。
图3.1槽轮机构的主要零件的三维造型
3.1.1槽轮机构的机架设计
在proe软件中，新建“零件”，通过“草绘”和“拉伸“的操作，建立如图3-2的支架零件。
图3.2支架模型图
。
3.1.2槽轮机构的拨盘设计
新建“零件”，通过“草绘”、“拉伸”和“旋转”的操作，建立拨盘模型如图3.3所示。
图3.3拨盘模型图
3.1.3槽轮机构的槽轮设计
新建“零件”，通过“旋转工具”、“拉伸工具”、“去除材料”和“阵列”的命令，建立槽轮的模型，如图3-4所示。
图3.4曲槽槽轮模型图
3.2曲槽槽轮机构的装配
新建“组件”，装入“支架”零件模型，约束使用“缺省”，将其自由度全部固定；
再装入“传动杆”零件模型，采用“销钉”连接；
最后装入“槽轮”零件模型，同样采用“销钉”连接。
装配图如图3-5所示。
图3.5曲槽槽轮机构装配图
3.3机构运动分析与仿真设计
单击菜单栏【应用程序】，选中【机构】，进入运动仿真界面。
单击右边快捷键
中【伺服马达】，进入添加伺服电动机对话框，如图
图3.6私服马达对话框
单击
，添加驱动，再进入轮廓，在
中选择速度，输入速度0.5，确定完成，如图3.7所示
单击
，进入机构分析界面，如图3.8
图3.8分析界面对话框
在类型中选择【运动学】，再单击运行，槽轮机构就可以进行运动仿真了。
，进入仿真控制界面，如图，
再单击捕获，即可获得所需的的仿真视频
3.4ProE的模拟和加工
3.4.1ProE的模拟
所谓并行工程是指设计工程师在进行产品三维零件设计时就考虑产品的成型工艺、影响产品寿命的因素，并进行模拟检查、仿真、校对，预先发现设计过程的错误。
在初步确立产品的三维模型后，设计、制造及辅助分析部门的多位工程师同时进行结构设计、工程详图设计、性能辅助分析及数控机床加工指令的编程，而且每一个工程师对产品所做的修改可自动反映到其他工程师那里，大大缩短设计、数控编程的时间。
要实现以上要求，软件系统必须建立于单一数据库、参数化实体特征造型的基础上，而这正是Pro/ENGINEER系统的特色，它规避了CAD、CAE、CAM单元技术制造产品时制造精度低、周期长的软点，使设计、模拟、加工真正有机的结合在一起。
为了开发出优质产品，设计工程师需要研究他们的设计将如何在现实世界中运作，这就需要由CAD软件的模拟模块来解决。
以前，人们使用的物理原型设计是一种昂贵、耗时的方法，而常用的替代方法——传统的数字分析，则高度依赖于受过培训的专家，来获得正确结果，从而延长了产品的设计和分析的周期，增加了材料的消耗或成本，产品的可靠性也很难得到保证。
值得庆幸的是，目前CAD软件的模拟模块均克服了这些缺点。
Pro/ENGINEER的模拟模块在其预定环境中的运作——不是专家的设计工程师无需建立原型，就可以研究设计产品的机械性能。
这样就使工程人员评估、了解并尽早改善他们设计的功能表现变得容易，以缩短推出市场时间并减少开发费用。
另外，模拟模块与其他Pro/ENGINEER解决方案配合，可以使外形、配合性以及功能等从一开始就能正确地发展。
3.4.2ProE的加工
近几年，随着计算机和数控技术的飞速发展，CAD/CAM已逐渐进入实用化阶段，广泛应用于航空航天、汽车、机械、模具制造、家电、玩具等行业。
特别是数控机床的普遍使用，使得CAD/CAM技术成为企业实现高度自动化设计及加工的有效手段之一。
随着CAD/CAE/CAM一体化的进程，在CAD软件中集成的加工模块也越来越强大，足以进行快速编程和处理很多复杂的加工作业，并有助于改善制造车间的工作质量、提高生产效率和利润。
一般，CAD的加工模块应能提供一种交互式编程并产生加工轨迹的方法，它包括加工规划、刀具设定、工艺参数设置等内容。
加工模块功能检测应注意以下几方面：
（1）建立二维和三维刀具路径的难易程度;
（2）加工方法的多样性;
（3）刀具路径是否易于编辑和修改;
（4）是否有刀具和材料数据库，使系统能自动生成进给速度和主轴转速;
（5）有无内置的防碰撞和防过切功能;
（6）能否手动超调任何机加工缺省值（如进给速度，主轴转速等）;
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