共轭凸轮的设计制造CADCAM及工艺.docx

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共轭凸轮的设计制造CADCAM及工艺

前言------------------------------------------------3

一、设计任务的基本要求------------------------------4

二、凸轮机构的应用----------------------------------4

三、凸轮机构的组成----------------------------------4

四、凸轮机构的特点----------------------------------4

五、共轭凸轮机构的选择------------------------------5

六、从动件的常用运动规律----------------------------7

七、凸轮机构的分类----------------------------------9

八、共轭凸轮运动规律的选择--------------------------10

九、共轭凸论的设计----------------------------------12

十、共轭凸轮的工艺方案及相应的工装设计--------------13

十一、共轭凸轮制造与检验----------------------------15

十二、课题小结--------------------------------------16

小结------------------------------------------------17

参考文献--------------------------------------------18

前言

课题：

共轭凸轮的设计制造（CAD/CAM）及工艺

目的：

根据我们所学的知识设计并制造出织机的凸轮使织机在织造中顺利进行和提高织机的生产率及织物质量

课题简介

凸轮是常见的机械零件之一，传统的基于人工设计和计算机的凸轮设计方法，依靠模具、夹具等实现制造的工艺远不能达到高精度机械的运行要求，在现代设计理论基础上，利用计算机辅助设计（CAD）和制造（CAM）技术可以使凸轮的设计和制造到很高的精度，提高凸轮机构的运动平稳性。

本题目是一种纺机用共轭凸轮为设计制造对象，利用目前先进的设计制造软件Pro/E，根据凸轮设计的原则，将高次方函数的凸轮曲线，用公式方法由软件绘出主动凸轮的轮廓曲线，然后通过数学建模，推导出与其共轭的轮廓曲线，从而建立起凸轮的三维模型，本设计结果还为凸轮的运动分析、仿真奠定了良好的基础。

完成三维造型以后，利用目前通用的MasterCAM软件实现编程，生成数控机床能执行的G代码，通过计算机与数控机床的通讯接口，将加工程序传入机床（或计算机直接控制加工）。

从而加工出所需的凸轮廓形整个设计制造过程基本实现无图纸化操作（因图纸不能确切表达凸轮的廓形）。

一、设计任务的基本要求

1．了解凸轮机构的类型及各类凸轮机构的特点和应用场合，能根据工作要求和使用场合选择凸轮机构的类型。

2．熟悉该共轭凸轮所应于设备上所起的功能和性能，以及使用工作条件（例载荷性质等）

3．熟练掌握凸轮轮廓曲线的设计原理与方法。

绘制该共轭凸轮的升程曲线图，并分析其特点。

4．了解凸轮机构承载能力计算和结构设计的基本问题，初步具有建立凸轮机构计算机辅助设计和优化设计模型的能力。

5．用PRO/E软件，生成该共轭凸轮的技术资料（三维造型及二维技术图纸等）及动力运动分析。

6．编制该产品的工艺过程卡片，及相应工装设计。

7．数控加工工序的NC程序。

8．产品检验方法及误差分析。

二、凸轮机构的应用

 1．气阀杆的运动规律规定了凸轮的轮廓外形。

当矢径变化的凸轮轮廓与气阀杆的平底接触时，气阀杆产生往复运动；而当以凸轮回转中心为圆心的圆弧段轮廓与气阀杆接触时，气阀杆将静止不动。

因此，随着凸轮的连续转动，气阀杆可获得间歇的、按预期规律的运动。

2.当圆柱凸轮回转时，凹槽侧面迫使摆动从动件摆动，从而驱使与之相连的刀架运动。

至于刀架的运动规律则完全取决于凹槽的形状。

三、凸轮机构的组成

通过学习我们可以知道，凸轮机构一般由凸轮、从动件和机架三个构件组成。

其中凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，它运动时，通过高副接触可以使从动件获得连续或不连续的任意预期往复运动。

四、凸轮机构的特点

1、凸轮机构的优点

只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便，因此在自动机床、轻工机械、纺织机械、印刷机械、食品机械、包装机械和机电一体化产品中得到广泛应用。

2、凸轮机构的缺点

 　1）凸轮与从动件间为点或线接触，易磨损，只宜用于传力不大的场合；

2）凸轮轮廓精度要求较高，需用数控机床进行加工；

　3）从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。

五、共轭凸轮机构的选择

1．消极式开口机构

（1）综框联动式凸轮开口机构

用这种开口机构织制斜缎纹类织物时，需根据Rw在中心轴与凸轮轴之间选定合适的过桥齿轮，安装凸轮时要注意凸段的轮廓的曲线，以使各页凸轮有相同回转方向。

同时要区别凸轮的大小，第一页综框配以大小半径差最小的凸轮，最后一页综框则配以大小半径差最大的凸轮。

综框联动式凸轮开口机构简单，安装维修方便，制造精度要求不高，但是吊综皮带在使用过程中会逐渐伸长，故必须周期地检查梭口位置；其次因踏综杆挂综处做圆弧摆动，致使综框在运动中产生前后晃动，增加经纱与综丝摩擦，容易起经纱断头，不适应高速织机。

经验表明，这种开口机构的极限转速为230r/min左右；同时，由于凸轮与织机主轴的传动比为1/Rw，当所织品种的Rw比较大（例如Rw=6）凸轮只回转很小的角度（60）便要完成一次开口动作（开口，静止，闭口），势必使凸轮表面的压力角增大，导致其外缘迅速磨损。

为了减小压力角，必须放大凸轮的基圆直径（偏心度不变），但由于开口凸轮尺寸受到其它机构的空间限制，因此这种开口机构一般只适合织制Rw≤5的织物；此外，由于辘轳式吊综装置安装在织机的顶梁上，影响了机台的采光，不利于挡车工检查布面，同时还有可能造成油污疵点。

因此，在新型织机中，不采用这种联动式凸轮开口机构。

（2）弹簧回综式凸轮开口机构

在实际生产中，凸轮灵活应用，如纬重车织引用一般平纹凸轮来织制。

用2/2斜纹凸轮，改变穿综方法，可以织破斜纹和山形斜纹，相间采用不同的穿综方法，可织物2/2斜纹和2/2方平组织相间的条子织物，代替多臂开口机构。

凸轮开口机构的不足之处，其一是只能生产简单组织的织物，如果织制较为复杂的织物，凸轮外形曲线将变得非常复杂，为减小压力角，又必须将凸轮基圆直径放大，以致开口机构变得过分笨重；其次，一定的凸轮外形只能生产一定开口规律的织物品种，为了适应织物品多变的要求，必须储备大量的各种开口凸轮，这在实际生产中是不经济的。

2．积极式凸轮开口机构

（1）共轭凸轮开口机构

在以上消极式凸轮开口机构中，由于回综不是开口凸轮驱动，控制，因此容易造成综框运动的不稳定。

积极式凸轮开口机构可克服此缺陷，共轭凸轮开口机构就是随金属加工技术的进展发展起来的积极式开口机构。

它的加工精度要求很高。

共轭凸轮开口机构利用双凸轮积极地控制综框的升降运动，不需吊综装置。

其传动过程如图。

凸轮2从小半径至大半径时（此时凸轮2′从大半径经转至小半径）推动综框下降，凸轮2′从小半径转至大半径时（此时凸轮2从大半径转至小半径）推动综框上升，两只凸轮依次轮流工作，因此综框的升降运动都是积极的。

由于共轭凸轮装于织机外侧，能充分利用空间，可以适当加大凸轮基圆直径和缩小凸轮大小半径之差，达到减小凸轮压力角的目的。

此外，共轭凸轮开口机构从摆杆到提综杆都是刚性连接，因此综框运动更为稳定和准确。

（2）沟槽凸轮开口机构

沟槽凸轮开口机构为另一种积极式凸轮开口机构，其传动过程如图所示，当凸轮从小半径转向大半径时，综框上升，此时沟槽内侧受力；反之，凸轮从大半径转向小半径时，综框下降，此时沟槽外侧受力。

在此机构中，综框的升降运动都是积极的。

（3）连杆和开口机构

凸轮开口机构能按照优化的综框运动规律进行设计，所以工艺性能好，但凸轮容易磨损，制造成本高，因此，在织制简单的平纹织物时，尚需寻求更为简单的高速开口机构。

连杆开口机构就能满足这种需要。

如图，综框处于上下位置时没有绝对静止时间，其相对静止时间则由曲柄和连杆的长度，以及各结构点的位置而定，优化结构参数，以求得较长的相对静止时间。

与凸轮开口机构相比，连杆开口机构易加工，运动平稳，机构磨损小，适应高速，但只用于平纹织制，因此，这种开口机构用于加工平纹织物的高速喷气织机和喷水织机。

共轭凸轮开口机构:

1、凸轮轴2、2’一共轭凸轮3、3’转子4、摆杆5、连杆6、双臂杆7、7’拉杆8、8’传递杆9、9’竖杆10、综框

沟槽凸轮开口机构1凸轮轴2沟槽凸轮3转子4摆杆5支点6连杆77’提综杆88’传递杆

六连杆开口机构1辅助轴22’开口曲柄33’连杆44’摇杆55’摇杆轴66’提综杆77’传递杆88’、综框

六、从动件的常用运动规律

1.基本运动规律

基本运动规律系指由单一函数式表达的从动件运动规律。

常用的基本规律有以下四种。

（1）等速运动规律

从动件运动的速度为常数时的运动规律，称为等速运动规律。

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。

因此，如果单独采用这种运动规律，只宜用于低速轻载的场合。

（2）等加速等减速运动规律

方程为：

s=1/2at2=1/2a（ψ2/ω2）

（3）余弦加速度运动规律

质点在圆周上作等速运动时,它在这个圆的直径上的投影所构成的运动称为简谐运动.

速度和加速度方程:

s=h/2（1-cosπ/ψ02）

v=πhω/2ψ0*sinπ/ψ02

a=π2hω2/2ψ0ψ0*cosπ/ψ02

由上式可知,加速度按余弦规律变化,故这种规律称为余弦加速度运动规律,也称为简谐运动规律.这种运动规律在始末两点加速度有突变,故也会引起柔性冲击,因此在一般情况下它也只适用于中速凸轮机构.需要指出的是,当从动件作升-降-升循环运动时,若在推程和回程都采用余弦加速度运动规律,则有可能获得包括始末点的全程光滑连续的加速度这种情况下既无刚性冲击也无柔性冲击,故可用于高速凸轮机构中.

（4）正弦加速度运动规律

方程式为:

s=￣A0B-Rsinθ=Rθ-Rsinθ=h（θ/2π-1/2πsinθ）

加速度按正余弦规律变化,故这种运动规律称为正余弦加速度运动规律.其速度和加速度曲线都是光滑连续的,因此没有柔性冲击,也没有刚性冲击,故多用于高速凸轮机构.

2.组合运动规律简介

上述各种基本运动规律各有一定的优点,对于工作要求比较严格的凸轮机构,为了克服单一的基本运动规律的某些缺陷,可以将几种基本运动规律曲线衔接起来,这种由几种基本运动规律组合的

运动规律,称为组合运动规律.曲线衔接时,应遵循以下原则:

（1）对于一般转速,要求位移曲线在衔接点处相切,以保证速度曲线连续,即要求在衔接点处的位移和速度应分别相等,此时加速度可能有突变,但其突变值必为有限值.

（2）对于较高转速,则还要求速度曲线在衔接点处相切,以保证加速度曲线连续,即要求在衔接点处的位移,速度和加速度应分别相等.

组合运动规律的设计比较灵活,易于满足特定要求,故应用日益广泛.

3.从动件运动规律的选择

在选择从动件运动规律时,需要考虑的问题主要有:

（1）应满足机器工作的要求

有的机器工作过程要求从动件按一定的运动规律运动.

（2）应使凸轮机构具有良好的工作性能

对凸轮机构工作性能影响较大的因素，除了刚性冲击和柔性冲击外，还有以下几个参数：

1）最大速度v

v越大，则从动件系统的最大量mv（m为从动件系统的质量）越大，故在启动，停车或突然制动时，会产生很大冲击。

因此，对于质量大的从动件系统，应选择v较小的运动规律。

2）最大加速度a

a越大，则惯性力越大。

由惯性力引起的动压力，对机构的强度和磨损都有很大影响。

a是影响动力学性能的主要因素，因此对高速凸轮机构，要注意a不宜太大。

3）应考虑使凸轮轮廓加工方面

有些从动件只要求当凸轮转过某一角度ψ0时，完成一定的行程h或摆角ψ（对于摆动从动件），而对运动规律没有严格要求。

七、凸轮机构的分类

1.按凸轮的形状分:

（1）盘形凸轮:

它是凸轮的最基本型式。

这种凸轮是一个绕固定轴线转动并具有变化矢径的盘形构件。

（2）移动凸轮:

当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作往复移动，这种凸轮称为移动凸轮。

（3）圆柱凸轮:

这种凸轮可认为是将移动凸轮卷成圆柱体而演化成的。

比较：

盘形凸轮和移动凸轮与从动件之间的相对运动为平面运动；而圆柱凸轮与从动件之间的相对运动为空间运动，所以前两者属于平面凸轮机构，后者属于空间凸轮机构。

2.按从动件的型式分:

（1）尖底从动件:

尖底能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意运动。

但因尖底易于磨损，故只宜用于传力不大的低速凸轮机构中。

（2）滚子从动件:

这种从动件耐磨损，可以承受较大的载荷，故应用最普遍。

（3）平底从动件:

这种从动件的底面与凸轮之间易于形成楔形油膜，故常用于高速凸轮机构之中。

比较：

以上三种从动件亦可按相对机架的运动形式分为作往复直线运动的直动从动件和作往复摆动的摆动从动件。

3.按凸轮与从动件维持高副接触（锁合）的方式分:

（1）力锁合:

利用从动件的重力、弹簧力或其它外力使从动件与凸轮保持接触。

（2）几何锁合:

依靠凸轮和从动件的特殊几何形状而始终维持接触。

1）凹槽凸轮机构:

其凹槽两侧面间的距离等于滚子的直径，故能保证滚子与凸轮始终接触。

显然这种凸轮只能采用滚子从动件。

2）共轭凸轮机构:

利用固定在同一轴上但不在同一平面内的主、回两个凸轮来控制一个从动件，主凸轮驱使从动件逆时针方向摆动；而回凸轮驱使从动件顺时针方向返回。

3）等径凸轮机构和等宽凸轮机构:

其从动件上分别装有相对位置不变的两个滚子和两个平底，凸轮运动时，其轮廓能始终与两个滚子或平底同时保持接触。

显然，这两种凸轮只能在1800范围内自由设计其廓线，而另1800的凸轮廓线必须按照等径或等宽的条件来确定，因而其从动件运动规律的自由选择受到一定限制。

比较：

几何锁合的凸轮机构可以免除弹簧附加的阻力，从而减小驱动力和提高效率。

其缺点是机构外廓尺寸较大，设计也较复杂。

八、共轭凸轮运动规律的选择

综框运动规律表示综框在运动（闭口、开口）过程中的位移与织机主轴回转角ωt之间的关系，它对经纱断头和织机振动都有较大的影响。

常见的综框运动规律有简谐运动规律和椭圆比运动规律。

随着织机速度的提高，多项式运动规律也得到了较多的采用。

1.简谐运动规律

一个动点在圆周上绕圆心做角速度运动时，此点在直径上的投影点的运动即为简谐运动。

取综框在最低处（或最高处）位移S为0，综框开始闭合时织机主轴回转角ωt为0，并设αk=αb,则综框做简谐运动的位移方程：

s=sx/2（1-cosπωt/ax）

式中：

sx--任一页综框动程；

ω--织机主轴角速度；

ωt--织机主轴回转角；

αy--综框运动角，αy=αb+αk=2αb

对上式求导一次和二次，可得出综框运动速度v和加速度a（公式从略）。

现设ay=ak+ab=（120°+120°）*π/180°=4.19rad,Sx=110mm,ω=200*π/30=20.94rad/s.由此可做出综框位移S、速度v、加速度a的曲线，如图7-7中曲线A所示。

图7-7简谐运动规律和椭圆比运动规律比较

由图7-7中曲线A可见在综平前后，综框运动速度快，此时经纱张力小。

非但不会造成断头，而且有利于开清梭口；二在闭合开始后的一个时期，综框运动缓慢，对梭子飞出梭口有利。

但由于综框从静止到运动和从运动到静止之间过渡时的加速度值不为零，使综框产生振动，不利于做高速运动。

因此，简谐运动规律一般用于低速织机（如有梭织机）的开口机构。

图7-7简谐运动规律

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十二、课题总结

本课题采用Pro/E软件进行凸轮设计与制造，比传统的设计制造方法有着极大的优越性。

提高了产品的质量和精度。

用数控加工中心加工大大提高了零件的精度和效率。

通过本课题的训练过程，初步学会了先进的设计方法，制造和加工技术。

小结

四年的大学学习，让我对机械设计与制造方面的知识有了一个系统而又全新的的认识，也对计算机方面的知识有了深入的了解。

毕业设计是我们学习中最后一个重要的实践性环节，是一个综合性较强的设计任务，它为我们以后从事技术工作打下了一个良好的基础，对我们掌握所学知识情况进行了全面而又直观的检测。

为了能够较好的完成这次毕业设计，我投入了万分的精力做了充分的准备工作。

首先，我先针对毕业课题来考虑，在指导老师的指点和帮助下，对所需的资料进行搜集和整理，根据设计的要求，再对资料做一个简单的归类。

其次，依据指导老师给出的设计任务要求，先制定设计的总体方案，按照指导老师要求的设计进度，一步步的完成此次的设计任务。

毕业设计虽已结束，但想想我在其中所学到的知识，所遇到的困难，仍记忆犹新。

它让我明白了无论是设计新产品，还是改造原先的老产品，都是一个复杂的技术过程，容不得半点含糊。

设计人员应先明白设计的目的，了解产品的价值和实用性，其次要对设计的产品进行构思，确定总体方案，查阅资料，最后编写产品的设计说明书，进行绘图。

这次的毕业设计培养了我独立设计思考和分析解决问题的能力，拓宽了我的知识面，是一次很好的锻炼机会！

感谢指导老师对我此次毕业设计的指导!

参考文献

1、《Mastercan基础与应用技术》

主编万世明

高等教育出版社

2、《Pro/ENGINEER2001中文版》

编者孙江宏黄小龙罗珅

清华大学出版社

3、《机械原理》

主编马永林

高等教育出版社

4、《机械设计课程设计手册》

主编清华大学吴宗泽

北京科技大学罗圣国

高等教育出版社

5、《机械制造技术》

主编李华

高等教育出版社