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凸轮曲线的计算机辅助设计

刊物名称或出版社：

机械传动

期数或出版时间：

2008年01期

内容简介：

形状复杂的凸轮,其轮廓曲线会有好几段，使我们在对凸轮曲线设计时感到复杂、计算数值表时也变的困难。

绘制曲线凸轮的程序和制作凸轮各种数值表，压力角可以使我们应对大量的设计工作时可以极大的缩短凸轮设计制造的周期，在生产实践中具有显著的使用价值和经济效益。

设计了凸轮曲线程序，它的有关公式都编写成子程序，在设计轮廓曲线时，将凸轮机构的有关数据编程主程序，在将主程序和子程序合并，只要运行程序就可以得到我们所要的数据或者图形。

由于程序的设置了变量，我们在设计其他凸轮曲线时，也可以以相同的方法快速的得到它的数据或者图形，具有很强的通用性。

同时也说明编程在机械领域所处的地位。

2、作者姓名：

张华书

凸轮曲线的快速画法

机械工程师

1998年06期

通过对这篇文章的学习我知道了用编程的思想可以把一些在凸轮设计中的复杂繁琐计算简化。

学习了AutoLISP程序可以吧画凸轮曲线过程中繁琐的鼠标基点捕捉动作省去,直接把曲线上各点坐标（直角坐标或极坐标）输入计算机便可生成凸轮轮廓曲线,提高了零件图或装配图的AutoCAD程序效率。

同时我们了解到程序的实用性强，灵活性大，可以画360度范围里面的凸轮，从而起到了举一反三的作用，面对多种凸轮都可以通过这个程序让设计变的简单。

我们也从中看到了学科之间的联系像我们学机械只知道机械知识是不够的，编程这样的在实际应用中能帮助我们的我们更是应该强化他，使它成为我们一个强有力的工具，这将和我们以后的工作息息相关。

3、作者姓名：

詹葵华，葛晓忠

几种间歇机构的连杆曲线实现

中国制造业信息化

2007年15期

和凸轮机构相比连，杆机构依靠低副连接,结实耐用,不易磨损,而且成本比凸轮低,因此成为机器人、机械手以及重型机械设计的首选机构。

随着对连杆机构中连杆曲线研究的深入,连杆机构的应用也日趋广泛。

特别是在刚体导引和轨迹综合方面,连杆机构显示出了其独特的优势,间歇运动也可以由连杆机构来实现。

本文是在全面解析曲柄摇杆机构的各类连杆曲线形态规律后进行的应用拓展,即利用特殊连杆曲线实现机构输出杆件的间歇性移动。

由于四连杆机构中与直线四点密切的连杆曲线能够极其方便地求解出来,使得替代凸轮机构,实现满足各种运动规律要求的间歇运动成为可能。

4、作者姓名：

陈建临,王爱国,杨建东

卷烟机凸轮运动机构的改进设计

现代制造工程

应用中的凸轮机构，他们的运动精度直接影响设备的效率和工作的质量，设计的凸轮到底能不用能在工作场合精确的运动，这是个我们关心的最大问题。

所以在应用之前有个模拟仿真的过程，用来改进凸轮的性能。

仿真，它是用计算机来模拟机构的真实状态，验证了凸轮曲线运动特性的正确性,调整运动中三个凸轮的相互位置关系,检查两推板的动作协调性,从而进一步调整三个凸轮曲线的设计数据,最终达到理想的结果。

应用运动仿真分析，在设计运动机构中可以指导并优化设计方案，提高实际生产过程中设备的工作效率。

5、作者姓名：

何　仁,董　颖,罗福强

发动机缓速器减压凸轮的设计

江苏大学学报（自然科学版）

2007年02期

多种数学函数在凸轮设计中的应用，通过合理选择多项式幂指数以及凸轮工作段包角的大小,采用高次多项式函数设计减压凸轮,完全可以满足配气机构以及发动机缓速器工作性能的要求。

通过减压凸轮开启排气门的机构,但对于减压凸轮的设计方法则未有文献报道.而减压凸轮的型线对于缓速器的性能有很大的影响,因此如何合理设计缓速器的减压凸轮,就成为发动机缓速器设计中的重要问题.凸轮的最大加速度和最大负加速度值不宜过大,并尽可能得到较大的时间面积值。

而且同时降低了配气机构的最大正加速度和最大负加速度,使加速度变化更平缓,减小了各摩擦副的接触压力。

6、文献作者姓名：

宋梅利,王华坤,尹雷

打包机械推书机构的创新设计及运动仿真

包装与食品机械

2008年04期

计算机辅助设计软件对包装机械纵向推书机构实现创新设计及仿真分析，作为自动化包装机械,书本打包机械主要由送书机构、推书机构、裁纸机构等组成,其中纵向推书机构要求执行构件在工作行程中等速直动并具有急回特性,本文在对打包机械推书机构的设计中,利用计算机辅助设计软件,根据工作要求设计了推书机构的主要尺寸,用解析法确定了凸轮轮廓曲线方程,并在软件中设计绘制凸轮轮廓曲线,将推书机构在仿真软件里建模并进行仿真分析，应用运动仿真分析，在设计运动机构中可以指导并优化设计方案，提高实际生产过程中设备的工作效率。

7、作者姓名：

彭远东,华演,张丽萍,余建军

电脑刺绣机挑线凸轮设计与优化

2007年03期

设计一个能够满足要求的凸轮机构，我们可以根据该机构的应用角度出发，从而制作出整个设计的过程，以最大限度的满足应用的需要。

根据缝纫机中缝线张力原理,此时应满足两个条件,一是在线迹行程的条件下,缝线张力值应尽可能小;

二是线迹行程过程中张力越稳定,波动值越小越好。

上面的两个条件都说明了当机构用在应用层次时我们更应该考虑机构的精度，他们的运动精度直接影响设备的效率和工作的质量，一个凸轮用在机器设备上时，往往时要长时间的的运动，如此要保证机构的稳定性直接影响到生产效率和产品质量。

如何保证一个机构的精确设计，满足应用的需要，是实现产业发展的一个重要保证。

8、作者姓名：

刘建美

发动机配气机构凸轮挺柱的弹流润滑设计

2008年10期

对凸轮机构进行轮滑保养，可以使该机构稳定，高效的工作。

发动机配气机构中凸轮与挺柱工作时,工作面间的相对滑动速度很高,摩擦生热,而散热条件很差,摩擦磨损很大。

所以,研究其间的润滑条件很有必要。

本文应用了定量分析这种分析方法，用特殊情况分析使我们的分析更有目的性，让问题变的简单，有效的解决了原来无法用理论推导设计的缺陷。

但也有它的局限性，没有办法在每个地方都用上这样的方法。

9、作者姓名：

舒服华,王洪平

横包机烟包推送机构的运动分析与改造

设备与仪器

通过调整凸轮机构从动摆杆的长度和折杆的折曲角,使曲柄的实际输入角和极限位置与理论值一致,确保烟包推杆工作到位。

横包机在生产运行中发现存在以下问题:

一是烟包推杆在工作行程中运动不到位,影响下道工序的生产;

二是在回程中有多余动作,造成机器振动、噪声和磨损。

针对这两个问题文章提出了改进方法。

采用调整摆杆的长度和折杆的折曲角的方法对机构的输入角和输入极限位置进行调整,考虑到摆杆的长度对两个调整量都有影响,故先调整摆杆的长度,对输入角进行调整,再通过调整折杆的折曲角,调整曲柄输入极限位置。

横包机烟包推送机构调整的方法较多,选择的原则应是原设计修改最少且达到最大功效。

10、作者姓名：

程勇,王石刚,梁庆华

高速无菌砖式包装容量调整系统动力学分析及机构设计

机械设计

2008年09期

高速无菌砖包机是无菌包装行业的前沿产品之一。

本文讲的通过凸轮机构和连杆机构的组合，组成复合机构，以实现机构的应用条件。

实现软接触,保证容量托摆动到预定位置时加速度无突变、运动平稳性好、无冲击。

当两种不同类型的凸轮廓线结合在一起,其连接处会产生转折,从而导致压力角的突变及曲率半径的迅速减小,因此,可以采用两段廓线的拟合曲线进行修正，以满足设计的需要，很多凸轮的曲线设计都能应用到这个方法。

为了达到应用目的，的运动和两杆机构的运动相结合的方式，以后对复杂的运动进行设计时我们也可以借鉴。

11、作者姓名：

仲玉凯

玩具的间歇运动机构

2009年01期

间歇机构在玩具上的应用，包括凸轮机构，平面连杆机构，不完整齿轮，槽轮机构，双向棘爪机构，棘轮机构，齿差等等，同时间歇运动也可以混合使用。

有动力的玩具许多是间歇运动的，而马达，发条，惯性轮等动力源却是联系转动的，将这些转动的动力变为玩具的间歇运动就需要间歇运动机构的参与。

一个小小的玩具包括那么多运动机构，提醒我们生活中要注意观察，把我们所学的东西应用到生活上，去解释一些生活上的问题。

12、作者姓名：

　张云华

巧克力糖包装机顶糖机构的设计

长江大学学报（自然版）

我国巧克力包装机械起步较晚,生产水平低,生产的包装设备在使用性能方面还不能满足生产要求,因此,巧克力包装机械的设计与研究愈显必要。

本文在设计凸轮的过程中由于实际生产中临界压力角与构件间的摩擦状态有关,并与机构的具体尺寸也有关,因此难于准确计算,故常根据经验给定许用压力角。

理论轮廓曲线求出之后,如滚子半径选择不当,其实际轮廓曲线也会出现过度切割而导致运动失真。

该机构的运动精度直接影响到产品的包装质量，高质量的包装对于巧克力制品的贮存、流通和消费有着很重要的作用，精美的产品包装可以提高消费者购买欲望和商品价值。

1—接糖杆;

2—糖块;

3—顶糖杆;

4—平面槽凸轮

13、作者姓名：

何勇,王志勇,李慧敏,李艳

自动接头装置凸轮一连杆机构

华东大学学报（自然科学版）

2007年04期

自动接头装置是由多组相同方式的串联式组合机构组成的空间机构整个接头过程大致包括取纱、入纱、引纱和移纱个步骤。

凸轮从动件作为连杆机构的驱动,通过特定长度的连杆传动,可输出一定的运动规律机构运转时要求输出件应有较高的定位精度及较小的振动,以便能平稳准确地抓取、放置纱头。

在凸轮运动的过程中要尽量减少局部的波动，减小机构的振动，以保证运动的精度。

同时降低回程的冲击力，有利于减震除躁，而我们可以通过减小加速度的最大值来达到这个目的。

该自动接头装置采用串联式凸轮一连杆组合机构的运动规律能够满足设计要求,机构组合可以改善输出构件的运动及动力特性设计者在设计过程中可以快速、灵活地修改方案,便于得到最适合实际情况的设计参数,有利于初期方案的筛选和优化不但降低了开发成本,避免不必要的浪费而且也可以缩短设计周期。

14、作者姓名：

S.T.NEWMAN,R.D.ALLENandR.S.U.ROSSO,JR

CAD/CAMsolutionsforSTEP-compliantCNCmanufacture

COMPUTERINTEGRATEDMANUFACTURING（综合电脑机械制造）

2007年7期

本文介绍了一种用VC++6.0开发的能通过输入相关的参数来设计圆柱凸轮并自动生成凸轮加工数控程序的软件。

通过输入不同参数,可以满足不同参数圆柱凸轮和不同运动精度要求的圆柱凸轮的设计和自动编程本软件实现了用同一个软件实现圆柱凸轮的设计与自动编程,真正实现了CAD与CAM的一体化。

TheabilitytogenerateanNCtoolpathisnowcommonplaceinCAD/CAMsystems,butthetechnologyusedforprogrammingandcontrolofNCmachinesisstillbasedon1950sstandards.Today,undertheIMSprojectcalledSTEPNCinEuropeandAsia,andSuperModelinUSA,industrialistsandacademicsarecollaboratingtodeliveranewdatamodelasanISO14649standardforCNCmachines.Thisstandardwillenablesoftwarevendorstorevolutionizetheprogrammingofthesemachines.ThispaperprovidesafuturisticviewofhowthisstandardcouldbeusedinmanufacturingandhighlightsanumberofpossiblegenericframeworksforhowCAD/CAMsystemsmayevolveusingtheISO14649standard.Finally,thepaperproposesaprototypeSTEP-compliantCAD/CAMsystembasedononeoftheseframeworksusingthenewISO14649standardformillingcomponents.

15、作者姓名：

GregoryP.Neff

Computer-AidedAnalysisofFlatPlateCamMechanisms（计算机辅助凸轮设计）

1994ASEE

1994年3268期

为了普渡大学应用机制运动学这门课，凸轮分析软件是书面的为了辅助教科书的课程。

该软件能够让学生体验到单个函数或者多个函数相结合时所形成的凸轮轮廓。

利用电脑也给我们提供了一种节省时间的方法，同时也能在同一时间包含多种凸轮形状时也能在最快的时间做出对比。

ItisworthwhiletowriteoruseaprogramlikeCAM_MENUtosupplementtextbookcamanalysis.Byprovidingsourcecodeandrequiringourstudentstomodifytheprogram,theyexperiencehowmathematicalmodelsareputtogethertodescribeacamwhilerenewingtheirprogrammingskills.Theuseofthecomputerallowstimeandprovidesameansforinvestigationandcomparisonofadditionalcamshapescomparedtothoseincludedintextbooks.

文献综述：

以上文献主要介绍了凸轮机构的计算机辅助设计和计算机辅助制造的新水平、新动态、新技术和新发现，及其从历史到现状，存在的问题以及发展趋势等，进行全面的介绍和评论。

在此基础上提出自己的见解，预测技术的发展趋势。

对于凸轮机构CAD/CAM的研究（文献1，2，3，14），文中提出了凸轮机构设计通用的解析公式联系计算机的设计方法；

还提出了对凸轮采用共轭面自适应方法进行分析；

应用计算机的使用使我们避免了很多繁琐的计算，给我们的设计提供了很大的帮助。

较早的传统设计方法采用人工方式，工艺人员根据设计图纸和技术文档，通过分析产品装配图中零件的几何形状和位置关系，必要时再和设计人员进行讨论，进一步明确设计者的真正意图，利用自己的经验和知识规划出产品的设计方案。

这种方法工作量大、效率低，且难于保证设计方案的经济性（文献9）。

随着计算机辅助设计和制造的发展和应用，一方面对相关的设计技术提出了计算机化的要求，以提高和产品开发过程中其他环节的集成化程度（文献6仿真系统的应用）。

应用CAD/CAM对设计方案的优化也降低了设计成本提高了设计效率，能在较短的时间里满足设计的需要。

建立一个系统化的凸轮数据库能极大的帮助我们的设计，支持异地多人员协同设计方案将是新形势下机械设计的新趋势。

近年来机构学不时被认为是“夕阳”学科，其地位、作用甚至存在的必要性都受到怀疑。

不可否认，机构学与其他老学科一样，一些不适应科技发展需要的内容将被逐步淘汰，但现代科学技术的发展更是为机构学提出了新的研究课题，提供了新的研究手段，开辟了新的研究领域，计算机辅助设计和制造就是其中之一，在许多实际应用方面显示了非凡的价值，特别是在缩短产品的设计周期上。

同时根据文章里提到一些凸轮在包装机械中的应用我们知道凸轮驱动的精密间歇机构具有较高的分度精度，适合于高速生产，并具有高承载能力和低维修率，并能满足用户所要求的特殊的运动特征，是一种很有发展前途的新兴的凸轮驱动分度机构。

同样的应用计算机技术也可以提高设计效率降级成本。

我们确信，在整个工程技术体系中，应用计算机辅助设计和制造对提高产品开发能力起着关键作用。

二、设计方案内容：

1、国内外研究现状、水平及存在的问题

目前我们最紧要的事就是引进计算机仿真设计技术。

德国为使新产品开发速度不断加快，凸轮设计已普遍采用了计算机仿真技术，即将各种机器元素以数据库存入计算机，设计人员根据要求直接调用各种机器零、部件参数进行设计后，计算机即可自动合成为三维模型。

再把实际生产时的数据和指标输进去，把各种可能发生的故障输进去。

计算机合成速度很快，因此修改工作迅速方便，直到使客户或设计者满意。

采用计算机仿真设计技术，大大缩短了包装机械的开发设计周期。

国内仿制进口的生产设备零件制作不精细、寿命短，程序编辑不科学，安全隐患较多。

空间布置不合理，电器布线不规范，维修不方便；

国外备件购买周期较长，备件国产化的路还很长鉴于专利保护，设备有些功能国内维修工程师不能解决，设备故障停机时间较长，维修费用较大。

设计的包装机械中弧面分度凸轮机构是种典型的线接触啮合传动，由于在接触线上各点的相对速度不同，从而造成弧面凸轮的工作曲面磨损不均匀。

并且，弧面凸轮工作曲面形状复杂，从而给生产加工带来了极大的困难。

同时凸轮驱动分度机构利用的是从动间和凸轮间一个很小的弹性变形力，是没有预载荷的，在没有弹性变形力时往往会产生严重的振动和反向冲击，或传动闪动，结果在分度运动和停留时会导致凸轮和从动见过早磨损。

2、选题的目的、意义

与传统的间隙分度机构相比弧面分度凸轮机构能高速、高精度的的进行分度和传动运动，满足我们的包装机械高效率的运转；

与传统的间隙分度机构相比，弧面分度凸轮机构在动力学性能、承载能力、分度的精度以及分度的速度方面均有不可比拟的优越性，已广泛运用于烟草机械、包装机械、加工中心的换刀机械手等自动机械中，被誉为是最理想的间歇传动机构，具有广阔的市场前景；

3、实施方案及主要研究手段

弧面凸轮的轮廓曲面为不可展的空间曲面，要实现凸轮的设计与制造，首先必须对该机构的啮合原理进行分析，求出凸轮的轮廓曲面方程。

在弧面分度凸轮机构的啮合原理和结构的设计方面，主要是针对现有弧面凸轮在实际应用中存在的缺陷，结合其它理论已相对成熟的传动机构，如蜗轮蜗杆传动、齿轮传动、滚珠丝杆传动等，对弧面凸轮在原理上和结构上进行改进。

如点啮合弧面分度凸轮机构、球面包络蜗杆分度凸轮机构以及平面包络蜗杆分度凸轮机构等就是在这样的思维方式下构想出来的。

4、选题的创新之处

弧面分度凸轮具有传动速度高、分度精度高、动力学性能好、承载能力大、可靠性好等优点，并且，弧面凸轮轮廓曲面与从动件滚子共轭啮合传动，从而可以实现从动件所需要的各种运动规律。

弧面分度凸轮具有传动速度高的特点能满足企业的高生产力要求；

分度精度高也能保证生产过程中对产品质量的要求；

动力学性能好能保证机构的稳定性；

承载能力大使其的稳定性和应用范围得到更大的提高。

5、预期研究成果或结论

按照设备的加工要求，设计的弧面分度凸轮能满足生产要求，并保证其的效率。

从而我们知道弧面分度凸轮能够运用于高速、高精度的分度与传动场合，动力学性能的好坏将是弧面分度凸轮设计与制造质量的主要评价指标。

三、设计方案：

综合所查的文献以及老师的指导，以及对国内外关于这方面研究的了解，提出了包装机械中弧面分度凸轮的设计方案。

（1）精确的零件设计

设计机构要有很高的精度和耐用寿命，也人各种零件要有一定的精度以及良好的制造工艺和热处理工艺，尤其啮合表面需要很高的硬度，输入，输出和法兰要有一定的刚度，高精度的凸轮从动件也要给予某些做保养，从而保持分度机构高精度和长寿命。

（2）凸轮的尺寸

为了节省空间，降低重量，减少惯性作用，缩短从动件位移行程，希望凸轮基圆的尺寸越小越好，这样会减少磨损。

1）凸轮体宽度b。

合适的凸轮体宽度b能保证分度运动的连续性。

宽度太窄，会导致前一个滚子脱离与轮廓的啮合时，后一个滚子还没有进入与另一个轮廓的啮合状态；

但宽度太宽也没有必要，不仅增加了加工量，并可能出现与其他滚子位置的干涉，因此b以保证适当的啮合重迭段为宜。

>

b>

H

b=H-d

H=b+d=2lsin

式中b——凸轮体宽度；

l——从动盘滚子节圆半径；

r——从动盘滚子半径；

d——从动盘滚子直径；

Z——从动盘滚子数；

H——最大升程。

2）凸轮体最大、最小半径。

凸轮体外径太大将浪费材料，增加惯量；

过小使啮合的滚轮不能完全接触。

因此其

最大外径Rmax=c-

最小外径Rmin=c-

Lf

式中c——中心距；

——从动盘滚子的节线半径；

b——凸轮体宽度。

3）凸轮轴直径。

凸轮轴的直径由应力和挠曲线等因素来确定，也要有足够的尺寸来满足轴和键槽的尺寸需要。

4）凸脊厚度。

凸脊的厚度包括分度廓面和停顿廓面。

对于径向蜗行凸轮，凸脊截面的形状有两种：

1、当分度盘间凸脊厚度歇时，与凸脊接触的两滚子相领，这两滚子轴线与凸轮线不垂直；

2、当分度盘停歇时，与凸脊接触的两滚子不相邻，插入凸轮中部凹槽内的滚子轴线垂直于凸轮轴线；

经过对比我们选择第一种情况（如图A）。

凸轮有单头和多头之分，其螺旋线放有左旋右旋之分。

根据需要我们选择第二种形状。

凸脊的最小厚度应使凸脊有足够的强度和刚度。

图A

（3）精密的凸轮从动件

凸轮驱动分度机构利用的是从动间和凸轮间一个很小的弹性变形力，是没有预载荷的，在没有弹性变形力时往往会产生严重的振动和反向冲击，或传动闪动，结果在分度运动和停留时会导致凸轮和从动见过早磨损。

采用预载设计时，因凸轮从动件与凸轮是滚动硬接触，这种滚动接触会有小的振动，我们设法消除轴承间隙为此零的发祥冲击，消除传动闪动，延长从动件寿命，维持输出确定的控制运动。

另外在输出、输入的支撑端都选用精密轴承，这样无论是在径向载荷合适在轴向载