课程设计凸轮机构

课程设计凸轮机构（共8篇）

1.课程设计凸轮机构 篇一

《机械原理》讨论课总结报告

一、目的：通过课堂讨论，使学生掌握和扩展课堂所学知识，学会概念、方法的灵活运用，深刻理解各种题目中蕴含的基本概念，培养学生的思维方式和方法，提高对课程的学习兴趣。

二、方法：1教师提前将讨论题目公布，让学生自由组合分组做准备，每组在上讨论课前将各题目的求解过程准备充分。在讨论课上，由教师引导,学生就自己的阅读和思考各抒己见，让他们的创造力和智慧相互激励。在这种环境下，学生的作用是双重的，既学习新知识，又传授新知识，每位学生都有对讨论课做贡献的责任，增加了与教师深入讨论的机会。培养学生对问题的研讨习惯，学会了如何讨论一些科学问题。

2将学生分成若干小组针对课程内容进行讨论和争论。

三、题目：图示偏心圆盘凸轮机构运动简图，要求在图上画出：

1)凸轮的理论廓线β；

2)凸轮基圆并标出半径r0； 3)图示位置压力角α；

4)从动件AB从最低位置到图示位置所摆过的角度ψ.四、过程：上图所示偏心圆盘凸轮机构运动简图：

1)凸轮的理论廓线β 2)凸轮基圆并标出半径r0：以OB为半径O为圆心作圆是理论轮廓线（将滚子中心B假想为尖端摆动从动件的尖端，按照尖端摆动从动件凸轮轮廓曲线的设计方法做出曲线，这条曲线是反转过程中滚子中心的运动轨迹，我们称之为凸轮的理论轮廓线），以C为圆心作圆切于理论轮廓线O为基圆(凸轮理论轮廓线的最小向径rb为半径所作的圆称为基圆，rb称为基圆半径)。

3)图示位置压力角α(凸轮对从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度方向所夹的锐角)：作圆B与圆O的切法线，再作AB的垂线，两线的锐夹角为压力角a

4)从动件AB从最低位置到图示位置所摆过的角度ψ：做出最低位置图与图示位置图，最低点的位置即B点到C点的最近点，又因为r0+AB>CB所以以A为圆心，AB为半径做圆与基圆C的交点，则图示为摆过的角度

五、总结：在解决此类问题是我们要弄清楚凸轮的各种定义，避免由于混淆定义而做错题目。另外作图时候严格按照尺规作图，规范作图，减少误差。这就要求我们在今后的学习之中端正学习态度，从基础学起，重视每一个知识点，常动手操作，避免纸上谈兵。不要由于应试的原因而眼高手低，不注重细节知识与实际能力，要学会自我总结，将知识条理化与系统化。在这个题目中我们就很可能由于对凸轮基圆的认识错误而导致基圆画错，直接影响到最后算摆角。另外对于反转法在不同从动中的运用与反运用，如在尖端从动件凸轮，滚动从动件凸轮，尖端摆动从动件凸轮，滚动摆动从动件凸轮的运用更是要灵活。

六、笔记:

1、基圆：以半径凸轮理论轮廓线的最小向径

rb为半径作得圆切于理论轮廓线。

2、基圆的半径：凸轮理论轮廓线的最小向径。

3、理论轮廓线: 将滚子中心B假想为尖端摆动从动件的尖端，按照尖端摆动从动件凸轮轮廓曲线的设计方法做出曲线，这条曲线是反转过程中滚子中心的运动轨迹，我们称之为凸轮的理论轮廓线。

4、压力角：凸轮对从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度方向所夹的锐角。

5、最低位置:当滚子尖端垂直于基圆最小向径的位置即与基圆圆心最近距离的位置。

6、最高位置：当滚子尖端垂直于基圆最大向径的位置即与基圆圆心最远距离的位置。

2.课程设计凸轮机构 篇二

随着国家对于机械行业人才综合素质要求的提高,所以对高校机械类的课程,特别是机械原理,机械设计等基础类课程的要求也在不断提高。就目前机械原理的实验教学模式来看,对于理论基础知识的讲解几乎还处在空白状态,尤其是实验课教具还停留在传统的“一物一模型”阶段,这已经与当代大学生的学习习惯与思维习惯脱节,也与日益增长的对机械行业人才需求量的客观现实相矛盾[1]。我们这一款教具的设计理念始终围绕着“趣味、直观、深度”这三个方面展开,与时俱进。本创意来源于机械原理中反转法绘制凸轮廓线,能让学生更直观的掌握凸轮轮廓曲线的设计方法,使学生掌握凸轮机构设计的基本知识,能根据选定的凸轮类型和推杆的运动规律设计出轮廓曲线,掌握凸轮机构基本尺寸确定的原则。

1总体结构设计及其工作原理

盘形凸轮机构的凸轮轮廓成型原理我们称之为反转法,所谓反转法,是建立在相对运动不变性原理的一种方法[2],利用反转法原理(如图1)设计凸轮机构成型教具。该教具为立式结构分为正反两面,一面可根据运动规律曲线画出凸轮轮廓线,另一面根据凸轮轮廓反画出运动规律曲线。原动件为齿轮,从动件为齿条的运动传动装置,齿条与曲线板一端连接,转动手柄,齿轮带动连着曲线板的齿条运动,进而带动曲线板实现左右平移运动。齿轮与齿轮轴过盈配合,齿轮轴一端与画盘固定连接,没有相对运动。画盘和曲线板由笔和可滑动的顶针连接。教具正面,顶针在曲线板的曲线轮廓内运动,控制画笔从动件有规律的上下平动,结合圆盘画板的回转运动,改变轮廓轨迹与圆盘回转中心的距离从而画出不同从动件运动规律所对应的的凸轮轮廓。教具的反面,也就是齿轮轴另一端有连接插槽,可将手柄替换成偏心圆凸轮,利用杠杆原理使从动件与偏心圆凸轮轮廓产生稳定的力锁合,在凸轮转动的过程中,控制画笔有规律地摆动,结合齿轮齿条机构带动曲线板的平移运动,可画出摆动从动件盘形凸轮的运动规律曲线。直观地演示了反转法凸轮轮廓曲线形成的基本原理,基本结构如图2-图3所示。

2从动件运动规律曲线板模块化设计

曲线板一共包括五条经典从动件的运动规律曲线,如图4所示,从上至下它们分别是:余弦加速运动规律、正弦加速运动规律、五次多项式运动规律、等加速等减速运动规律、等速运动规律[3],每条曲线的中心距相同,且最上面一条曲线的顶部距离曲线板的顶部与最下面一条曲线的底部距离曲线板的底部距离相等,从而整个钢板经过线切割以后,可以实现任意拼接,如图5所示,从而组合成多条不同的运动曲线。

原始的曲线板默认有五条曲线,四个运动阶段。这四个运动阶段分别是:推程、远休、回程、近休[4],经过巧妙的模块化处理,可以自由组合凸轮机构运动循环具有的阶段,如图5所示,得到以下四种不同的运动过程:1.推程———远休———回程———近休;2.推程———远休——回程;3.推程———回程———近休;4.推程———回程[5]

3最终效果及其操作说明

通过机构原理、装配方案、所用材料的确定得出的最终效果图如图6所示。

下面对凸轮演示仪的功能及操作方法予以说明:

1)使用前按照需要自由选取从动件运动规律曲线,通过曲线板的模块拼接,调整推程-远休-回程-近休的位置,选定基圆半径大小或偏置从动件的偏距大小,再将顶针旋入曲线槽内。

2)通过调节曲线笔固定杆,可选取所需绘制凸轮的基圆大小。绘制过程中摇动圆盘后的摇杆,可在绘制过程中停留讲解,转动一周后即形成一周凸轮轮廓。

3)通过调节曲线笔连接杆,可绘制不同偏距大小的偏置从动件偏置凸轮轮廓曲线。

4)当顶针依靠重力自动换入下一个曲线档位时,可自动在另一基圆半径上绘制另一种运动规律的凸轮轮廓线。

5)通过调节笔杆之间的距离可绘制出滚子从动件盘形凸轮实际轮廓曲线与理论轮廓曲线。

6)曲线绘制在设计好的极坐标刻度圆盘上,可对基圆半径大小、压力角大小、偏置从动件的偏置距离、推程回程距离进行直观的读取。

7)翻转至背面,安装成型凸轮,逆向演示出摆动从动件的运动原理。

4总结

所述复合型教具从本质上克服了传统教具的不足,体现了“一物多用”、“一物巧用”、“一物深用”的现代化教具设计思路。“一物多用”表现在一套凸轮教具几乎囊括了有关凸轮教学过程中的所有知识点,能全面、直观、深刻的了解从动件各种运动规律,使从动件运动规律和反转法成型原理不抽象。“一物巧用”表现在通过现代控制理论和富有新颖性的机构设计克服了探索型教具研制过程中的瓶颈问题,整个仪器为双面立式结构,操作简单,方便携带,也方便观察和学习,用于机械专业的教学、实验、设计、学习兴趣培养均可。“一物深用”体现在所述复合型教具不仅仅用于机械原理中凸轮原理及其设计教学的教学场合,对于实际生产过程与科研领域亦有相当的用武之地,提高机械生产效率,提高设计人员的工作效率。

参考文献

[1]赵友红,周知进.机械设计课程设计指导[M].长沙:中南大学出版社,2011,5.

[2]潘存云.机械原理[M].长沙:中南大学出版社,2012,12.

[3]李俭,张锦波.应用包络面理论建立直动从动件圆锥凸轮机构凸轮廓面方程[J].成都大学学报:自然科学版,2002(9):25,27.

[4]张春林,白士红.打纬共轭凸轮机构的设计[J].北京理工大学学报,2000(9):25,27.

3.课程设计凸轮机构 篇三

关键词：Solidworks；凸轮机构；实体建模

一、引言

虚拟设计是一种新兴的多学科交叉技术，是以计算机仿真和建模技术为支持，利用虚拟产品模型，在产品实际加工之前对产品的性能、行为、功能和产品的可制造性进行预测，从而对设计方案进行评估和优化，以达到产品生产的最优目标。机械产品虚拟设计的关键是实体建模，通过接口为其他应用提供关于物体完整的计算机内部描述。

二、Solidworks简介

Solidworks软件是原创的三维实体设计软件，它将基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统贯穿于设计、分析、加工和数据管理整个过程，其模型采用参数化驱动，能够应对频繁的设计变更。

Solidworks软件的主要特点如下：（1）可利用拉伸、旋转、放样、扫描、抽壳、筋板、曲面延伸、缝合等功能创建复杂的曲面模型。（2）具有强大的工业装配设计能力，提供自底向上或自顶向下的装配设计方法，使设计者在设计零件、毛坯件时于零件间捕捉设计关系，在装配体内设计新零件、编辑已有零件。（3）在设计的过程中利用Solidworks可以做机构分析、动态模拟或配合实体加工等，功能完整。（4）能够自动生成爆炸视图并保持装配结构和零件间的装配关系，通过动画演示爆炸过三、实体建模。

实体建模就是在计算机中将产品的实际形状表示成为三维的模型，可以全面完整地描述形体，具有完备的几何结构的有关点、线、面、体的信息，能够记录全部的点、线、面、体的几何拓扑关系，可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能；能顺利实现剖切、有限元网格划分、直到NC刀具轨迹的生成。经常使用的方法有线架建模、曲面建模、实体建模、基于特征建模、参数化建模。

（一）基于特征的几何建模

特征是指描述产品信息的集合，并可按一定的规则分类，使产品的设计及加工的全过程通过计算机并行展开。特征的引用直接体现了设计意图及一定的制造意义，使设计、分析、工艺准备、加工制造及检验等各个环节有机地联系在一起。

基于特征的设计系统使用参数化特征，并通过各类属性来描述零件的几何形状以及它们之间的功能关系，所以系统通常提供特征库，通过布尔运算等操作来生成零件的特征表示。

（二）参数化建模

参数化建模就是将草图和模型中的定量信息通过工程方程变量化，使之成为可以任意调整的参数即应用约束定义和修改几何模型，实现尺寸和形状的变更。特点是要求设计者在设计初期及全过程中将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改变来驱动形状的改变，一切以尺寸为出发点。当修改某一尺寸时，系统自动检索该尺寸在尺寸链中的位置，找到它的起始几何元素和终止几何元素，使它们按新尺寸值进行调整，得到新的几何模型。如遇到几何元素不满足约束条件的情况，则保持拓扑约束不变，按尺寸约束修改几何模型。

三、分度凸轮的建模

（一）零件的三维建模

在Solidworks环境下，应用特征建模方法建立平行分度凸轮机构的实体模型。在对形状规则的零件进行建模时，通常以草图为基础，逐步添加特征来完成零件的建模。

（二）凸轮廓线的生成

对于形状规则的零件，可以由草图绘制工具绘制草图后通过最简单最基础的一些特征命令来生成，例如拉伸基体、拉伸去除、旋转去除、旋转基体等等。但是由于凸轮的外廓线比较复杂，无法由Solidworks中的草图绘制工具绘制而成。因此凸轮的外廓线只能通过特殊的曲线绘制工具来完成。在Solidworks中有多种曲线绘制途径，可以通过编制程序生成凸轮廓线上点的坐标值。可以得到一系列形式为（X，Y，Z）的数值分别表示这个点在X轴、Y轴和Z轴上的坐标值。接下来就可以通过这些坐标点来绘制凸轮的外廓线。

首先在Solidworks中建立一个模型作为凸轮的毛坯，坐标原点在凸轮中心。Solidworks中的曲线工具可以从各点的X、Y、Z坐标清单来生成样条曲线。在菜单中选择插入曲线，选择通过X、Y、Z点的曲线。在导入之前已经得到的那一系列坐标值，即可生成需要的凸轮外廓线，如图1所示。此时生成的凸轮廓线并不是封闭的，只是整个廓线中的起分度作用的部分。通过曲线的两个端点和圆心画弧，画出实现间歇运动那部分的廓线，为一段光滑的圆弧。接下来使用组合曲线命令将这两段曲线结合在一起形成一条完整的封闭曲线。此时生成的组合曲线已经是一个特征，不可以在这个曲线的基础上进行特征建模。因此在凸轮毛坯的侧面上绘制草图，使用样条曲线工具中的套合样条曲线选中之前已完成的封闭曲线，组合曲线就被应用到草图中了，如图2所示。通过拉伸切除命令去掉凸轮廓线以外不需要的材料，即为成形的凸轮实体模型。

图1 通过XYZ点的曲线的生成

根据凸轮的运动规律，最终安装完的凸轮结构如图2所示。

图2 三片式平行分度凸轮机构

四、结束语

在Solidworks环境下，应用其强大的样条曲线工具，选择X、Y、Z点坐标值，能够生成分度凸轮的外廓曲线并进行关键零件的实体建模操作，表明了选择该曲线生成方法的正确性，也为其他的具有复杂曲线的零部件的开发和设计提供了一定的参考，同时也为复杂零部件的设计奠定了理论基础。

参考文献：

[1]杨玉虎，等.平行分度凸轮机构虚拟设计研究[J].机械设计,2004，21（6）：10-12.

[2]蒋红斌.Solidworks2006中文版基础应用与实例分析[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]秦东兴，等.包络环面蜗杆传动的实体建模和几何分析[J].重庆大学学报（自然科学版），1998，21（4）：79-83.

[4]黃安贻，等.基于AutoCAD 2000的平面包络环面蜗杆三维实体建模与虚拟加工技术研究[J].机械设计与制造，2003，6（3）：25-26.

4.变焦系统凸轮曲线的优化设计 篇四

变焦系统凸轮曲线的优化设计

由于变焦系统凸轮曲线的的质量直接影响像质,因此从实际应用出发,以变焦方程和动态光学原理为依据,结合实际工作中需要设计的变焦镜头,通过对变焦系统高斯计算的过程进行分析,指出影响凸轮曲线的`主要因素为变倍组和补偿组的焦距以及二者的间隔.针对3个参量之间的对应关系进行讨论,提出了优化凸轮曲线的方法.

作 者：陈鑫 付跃刚 CHEN Xin FU Yue-gang 作者单位：长春理工大学,光电工程学院,吉林,长春,130022刊 名：应用光学 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF APPLIED OPTICS年，卷(期)：29(1)分类号：O439 TN942.2关键词：变焦距系统 凸轮曲线 光学设计 优化设计

5.课程设计凸轮机构 篇五

凸轮机构是机械中一种常用的机构,它结构简单、紧凑,工作可靠,设计方便。利用不同的凸轮轮廓曲线能够使从动件实现任意复杂给定的运动规律,同时它兼有传动、导向及控制机构的各种功能等优点,因而被广泛应用于纺织机械、印刷机械、包装机械和食品机械等机械设备中[1]。

传统的凸轮设计方法主要是采用作图法和解析法。作图法虽然直观、简便,但是手工作图选取的等分数有限,误差较大,不能用于高速和重要的场合。解析法虽然解决了凸轮设计的精度问题,但若想要得到凸轮实际完整的轮廓曲线,需要建立复杂的数学关系式,编制复杂的程序,编程和计算工作量大[2]。

使用Pro/E的实体建模功能、参数化设计功能和运动学分析模块的机构运动仿真功能,可以方便地进行凸轮实际轮廓曲面的精确自动化设计。其设计过程简单,不需要建立复杂的数学关系式,从而提高了解析法设计凸轮的效率,缩短了凸轮机构的开发周期。

1 凸轮的实体造型设计

在凸轮设计中,要根据用户提供的信息,依据机械原理的有关知识,计算出凸轮的相关参数,然后转化为Pro/E中能识别的参数和数学表达式,再利用Pro/E进行参数化设计。

设计一个基圆半径为40mm,从动件运动规律如下:推程角Φ=150°、远休止角Φs=30°、回程角Φ'=120°、近休止角Φs'=60°,这样从动件在推程以简谐运动规律上升,形成h=20mm,回程以等速度运动规律返回。

1.1 创建凸轮从动件运动轨迹线图

在设计界面顶部左上角单击按钮打开【新建】对话框,在【名称】文本框输入模型名称“cam_traj”;取消使用缺省模板,选择mmns_part_solid模板;接受其他设置后,单击鼠标中键进入设计环境。单击工具栏基准曲线按钮,选择从方程的方式创建基准曲线,单击完成后选择prt_csys_def(笛卡尔坐标系),将打开记事本窗口,在记事本下方空白处输入简谐运动(余弦加速度)曲线的参数方程:

h=20/*h为行程

a=5*pi/6/*a为推程角

x=150*t/*当t从0变到1时,x从0变到150

y=0.5*h*(1-cos(pi*150*t/a))

z=0

完成输入后,单击右上方保存,保存参数方程,关闭记事本窗口,单击【确认】完成基准曲线的创建。重复以上操作完成远休止角对应轨迹、回程轨迹线、近休止角对应轨迹基准线的创建,生成结果如图一所示基准曲线图形,对应的参数方程如下:

远休止角对应轨迹的参数方程为:

x=150+30*t/*当t从0变到1时,x从150变到180

y=h/*y方向位移不变

回程轨迹线的参数方程为:

h=20

x=180+120*t

y=h-h*(180+120*t-150-30)/120

z=0

近休止角对应轨迹的参数方程为:

X=300+60*t

y=0

z=0

单击“标准工具栏”上的文件,将上述创建的基准曲线保存副本,并输入文件名称cam_traj,选择文件格式iges,点选输出“基准曲线和点”,单击确定完成副本保存。

1.2 创建凸轮实体建模

创建新的零件,输入名字为cam.pat,然后选择“插入/模型基准/图形”,在对话框中输入名字“cam_traj”,单击确定将自动进入草绘。利用Pro/E数据共享功能,导入文件,单击“草绘/数据来自文件/文件系统”,选择cam_traj.igs图形文件,单击打开按钮,按1:1的比例放置,强化尺寸如图二所示,单击√完成。

单击草绘按钮,选择front平面为草绘平面,right平面为参考平面,单击确认,进入草绘环境。单击按钮,绘制直径为20的圆,单击完成,从而创建基准曲线如图三所示。

选择“插入/可变剖面扫描”或者单击按钮,扫描为实体,选择直径20mm的圆作为扫描轨迹,一切设置为默认,单击草绘按钮,进入草绘模式,绘制矩形如图四所示。

利用关系式,控制矩形的尺寸,选择“工具/关系”,在编辑框中输入:

sb4(20的尺寸编号)=(40-10)+evalgraph(“cam_traj”,trajpar*360),如图五所示。单击ok,关闭关系对话框,回到绘图窗口。

在绘图窗口,单击确定,单击完成按钮,完成三维模型创建(如图六所示),保存文件。

完成凸轮创建后,利用Pro/E创建从动件、左挡块和右挡块。

2 凸轮机构的运动仿真

为了降低生产成本,提高经济效益,需要对创建的凸轮机构进行运动仿真分析,检验设计结果是否合理,能否满足使用要求。

2.1 机构的创建

在设计界面顶部左上角单击按钮打开【新建】对话框,新建名为“TLJG”的组件文件,取消使用缺省模板,选择mmns_asm_design模板;接受其他设置后,单击鼠标中键进入设计环境。

利用Pro/E的装配功能,根据零件的约束形式和自由度,选取合适的连接方式,完成左挡块、右挡块、推杆和凸轮的装配,使凸轮机构设计满足用户所需要的运动方式,从而形成凸轮的运动机构,如图七所示。

2.2 定义凸轮副

选择“应用程序/机构”,切换到机构模式,打开机构运动仿真界面环境。选择“插入/凸轮”命令或者单击凸轮按钮,弹出【凸轮从动机构连接定义】对话框和【选择】对话框,如图八所示。

单击选取按钮,选择如图九所示曲面,单击中键或者单击【选取】对话框中的【确定】按钮。

单击【凸轮2】选项卡,单击选取按钮,选择如图十所示曲面,单击中键或者单击【选取】对话框中的【确定】按钮。

单击中键或者单击【凸轮从动机构连接定义】对话框中的【确定】按钮。系统自动添加凸轮副,如图十一所示。

2.3 添加伺服驱动器

选择“插入/伺服电动机”或单击伺服电动机按钮,单击选取按钮,选择凸轮原点位置轴线。单击中键或者单击【选取】对话框中的【确定】按钮。

在【轮廓】选项卡按照如图十二所示设置参数。单击【应用】,再选择【确定】,完成伺服电动机的定义。

2.4 机构仿真

选择“分析/机构分析”或者单击机构分析按钮,弹出【分析定义】对话框,在【优先选项】选项卡中设置终止时间数值为“72”。

单击对话框中的【运行】按钮,凸轮机构开始运行。经过一段时间的处理,完成分析。

单击【确定】按钮,保存分析过程。

2.5 凸轮机构的运动分析

选择“分析/测量”或者单击测量按钮,弹出【测量结果】对话框,单击新建按钮,弹出【测量定义】对话框,在类型菜单【位置】下拉列表中接受默认选项【重合】在【点或运动轴】选项上在推杆上边末端任选一点。单击【应用】,在单击【确认】按钮,完成新建。

选中新建的文件,同时选取和【结果集】选项卡中的文件,单击绘制选定结果集所选测量的图形按钮,得到如图十三所示推杆位置与时间的关系图。

3 结束语

采用Pro/E进行计算机辅助设计,解决了传统凸轮设计中存在的问题,提高设计效率。利用运动仿真分析功能,可以使原来静止的模型以动画的形式模拟其工作过程,让机构分析变得更直观、高效,大大简化了凸轮机构设计的过程,能够较容易地满足用户需求。

参考文献

[1]王凤平,金长虹.机械设计基础[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2]石全伟,张迎春,王金铃.基于Matlab的凸轮轮廓曲线的分析与研究[J].现代机械,2006,(3):75-76.

[3]林清安.Pro/ENGNEER零件设计基础篇(上、下)[M].北京:清华大学出版社,2008.

[4]黄圣杰,张益三.Pro/ENGNEER高级开发实例[M].北京:电子工业出版社,2005.

6.课程设计凸轮机构 篇六

为了实现各种复杂的运动, 在机械设备中经常要用到凸轮机构, 而在自动化和半自动化机械设备中应用更为广泛。其中盘形凸轮机构的机构比较简单, 应用也最广泛。传统的盘形凸轮设计主要有作图法和解析法, 作图法直观、简单, 但是手工作图选取的等分数有限, 加工的精度和表面粗糙度都比较低。解析法设计虽然解决了凸轮精度问题, 但计算复杂, 因此其应用受到了很大限制。随着数控加工技术的推广, 目前很多厂家为提高生产效率, 都采用数控设备来加工凸轮。结合某海洋探测设备项目, 对利用ADAMS软件和VC6.0来实现凸轮机构的设计、仿真及自动编程进行了研究。

1 凸轮机构运动分析

海洋探测设备项目中某一功能结构件所采用的凸轮机构简图如图1所示, 为常用的尖端偏置移动从动件盘形凸轮机构[1]。

运动要求:凸轮以等角速度w=30 (°) /s顺时针转动。凸轮转过120°的过程中, 推杆按正弦加速度运动规律上升80 mm;凸轮继续转过30°时, 推杆保持不动;后凸轮再回转180°期间, 推杆按余弦加速度运动规律下降至起始位置, 推杆转过一周的其余角度时, 推杆又静止不动。参照项目相关要求, 拟定基圆半径为r=80 mm, 偏距e=15 mm。从动件总长为220 mm, 半径10 mm。

2 ADAMS软件下凸轮机构的设计及仿真

2.1 创建虚拟样机模型

凸轮轮廓曲线的设计, 所依据的基本原理一般都是反转法。由从动件的运动规律和凸轮的基本尺寸, 利用反转法来设计凸轮的轮廓曲线。利用ADAMS软件[2], 按要求创建凸轮机构虚拟样机模型。如图2所示。

在虚拟样机模型中, 创建推杆与地的转动副、凸轮板与地的移动副。在转动副上加上一个角速度为w=30 (°) /s的运动, 在移动副上加上一个垂直移动运动, 运动位移方程为:IF (time-4:80* (30*time/120- (sin (2*PI*30*time/120) ) / (2*PI) ) , 80, IF (time-5:80, 80, IF (time-11:40* (1+cos (PI* (30*time-150) /180) ) , 0, 0) ) ) 。

2.2 凸轮机构的设计及仿真

创建好凸轮机构的虚拟样机后, 应用ADAMS软件的相对轨迹曲线生成实体的方法来产生凸轮轮廓曲线[3]。如图3所示。

设计好凸轮后, 可进行机构仿真, 获取相关参数。如图4所示, 推杆在凸轮带动下, 推杆质心的位移、速度、加速度各项均满足项目中所提出的要求, 说明凸轮设计是正确的。

在凸轮设计基本是正确的基础上, 于是提取凸轮轮廓曲线的参数, 如图5所示。将数据保存到硬盘, 便于对其自动编程, 提取G代码。

3 VC软件下凸轮机构的制造

通过上述步骤, 得到了凸轮轮廓曲线的相关参数。数控机床的G代码具有国际标准格式, 为了能便于自动编程, 使用VC6.0编制了应用软件, 能将凸轮轮廓曲线数据转化为G代码[4]。由于不同的机床代码的格式不一样, 在软件的机床选择项中添加了项目中目前所接触到的几种机床。选择凸轮轮廓曲线参数文件后, 软件自动计算母材选择的参数, 便于合理选择加工母材。如图5所示, 为项目中的凸轮轮廓曲线参数转G代码软件[5]。通过软件相关的算法, 得到数控加工G代码。

4 结论

结合某海洋探测设备项目, 使用ADAMS软件进行凸轮的设计, 极大提高了效率, 并通过仿真, 获取相关特性曲线, 与设计要求对比, 可及时修改相关参数。利用VC6.0编写凸轮轮廓曲线参数转G代码软件, 快速地将虚拟样机转化为物理样机, 提高了项目的进度, 对凸轮生产厂家也有一定的参考价值。通过物理样机的相关数据实测, 与仿真对比, 两者误差很少, 可以说用adams软件设计的凸轮机构, 能满足项目的要求。

摘要：凸轮机构是一种传统的预定运动机构, 能实现各种复杂的运动。而传统的凸轮设计方法存在繁琐、效率低等特点。对于特定运动轨迹的凸轮机构, 采用ADAMS软件进行设计和仿真, 极大提高了设计效率。利用VC6.0对ADAMS软件下设计的凸轮进行了数控加工的自动编程, 缩短了凸轮的生产周期。该方法在实践中取得了良好的效果。

关键词：凸轮,设计,仿真,VC6.0,自动化编程

参考文献

[1]孙桓, 陈作模.机械原理[M].北京:高等教育出版社, 2000.

[2]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.

[3]韩晓明, 王惠源.基于ADAMS/View机心凸轮机构分析与动态仿真[J].机械工程师, 2005 (10) :93-94.

[4]吴石林, 石延华, 金东燮, 等.在个人微机上实现凸轮数控加工的自动编程[J].哈尔滨理工大学学报, 1998 (5) :9-14.

7.课程设计凸轮机构 篇七

1 摆动凸轮动力模型的建立

如图1所示的摆动从动件平面凸轮机构中,当摆动从动件AB上的工作负荷Mr给定时,凸轮轮廓与从动件接触元素(滚子或平底)B之间的法向静推力与基本尺寸成反比。从动件作往复摆动,由于惯性力矩引起的法向动推力则与基本尺寸相关。因此,在确定凸轮机构实用基本尺寸时,必须综合考虑凸轮许用压力角、曲率半径和摆杆惯性力等因素。

图1所示凸轮机构中原始基本尺寸基本满足许用压力角和曲率半径条件。对从动件进行结构设计和尺寸设计后,可求得绕摆动轴心的转动惯量JA,转动惯量JA与摆杆AB基本尺寸的4次方成正比;若机构的轴向尺寸也按比例变化,则动推力与基本尺寸的5次方成正比。

2 摆杆动态静力学分析

根据达朗贝尔原理,将惯性力JAε计入静力分析,对摆杆列平衡方程可求得凸轮轮廓与摆杆之间的法向推力为

为了降低法向推力,可以将该机构的原始尺寸按比例系数KL放大或缩小。变化后的尺寸及转动惯量为

式中,幂次数n的值可分为两种情况:若机构的轴向尺寸不变时,n=4;轴向尺寸也按KL比例变化时,n=5。

基本尺寸变化后,凸轮轮廓与从动件相互作用的法向推力为

两种基本尺寸的法向推力的比值用KF表示,得

当从动件的角加速度达到最大值时,动载荷影响也很大,式中ε用εmax取代。式中L'AB和J'A按式(2)代入后得

KD为机构原始基本尺寸的静动载荷比,则式(5)可写为

机构尺寸和工作状况给定时,式中载荷比KD是定值,因此法向推力比例系数KF是尺度变化系数的函数。

图2给出基本尺寸按二维(n=4)变化时KF的变化曲线。

令d KF/d KL=0,求得KF最小时所对应的尺寸变化系数为

结合图2,可以推知当KD=n-1时,KL=1,表明原始基本尺寸不能再放大或缩小,否则法向推力会增大。当KDn-1时,KL>1,则原始基本尺寸适当的放大,可减小法向推力。

3 结论

8.课程设计凸轮机构 篇八

转塔机通过端面凸轮下压机构的下压、上抬运动和主转盘的旋转将集成电路由一个工位搬运到下一个工位, 凸轮下压机构的运行速度和稳定性决定了转塔机的性能。端面凸轮机构的设计, 对提高超小型集成电路生产的自动化程度, 起到重要作用。

1 端面凸轮机构

转塔机端面凸轮下压机构由连接在伺服电机输出轴上的端面凸轮和固定在下压块上的随动轴承 (滚子直动推杆) 组成, 其中下压块和机座通过线性导轨和封闭弹簧连接, 下压块可沿线性导轨作上下滑动。具体工作原理如下:在封闭弹簧预紧力的作用下随动轴承与端面凸轮的端面保持接触, 伺服电机带动端面凸轮旋转, 在随动轴承与端面凸轮接触力的作用下, 下压块克服封闭弹簧的阻力下移, 即固定在下压块上的顶杆下移, 同时封闭弹簧产生压缩变形。随后端面凸轮回转, 下压块在封闭弹簧压缩力的作用下上升。设计时应选用合适的弹簧及端面凸轮转速, 保证下压、上抬过程中随动轴承与凸轮时刻保持接触, 否则有冲击噪声产生, 加剧凸轮副的磨损。

转塔机的端面凸轮下压机构如图1所示, 其中端面凸轮最小半径5.5 mm, 滚子宽度2 mm, 升程5.5 mm;随动轴承半径3 mm;封闭弹簧刚度系数0.63 N/mm。

端面凸轮和随动轴承材料特性如表1所示。

1.端面凸轮2.随动轴承3.封闭弹簧4.机座5.顶杆6.下压块

2 仿真分析

2.1 接触定义

ADAMS软件采用基于碰撞函数的接触算法[2~3], 其接触模型如图2所示, 当I和J距离下降至名义自由长度x1, 2个物体开始接触。接触力由2部分组成, 弹性力和阻尼力。弹性力与k成正比, 是关于I点与J点在自由长度范围内穿透量的函数。阻尼力是关于穿透速度的函数, 方向与相对运动方向相反。

接触力定义为

其中:x——两物体接触 (碰撞) 过程的实际距离;

ẋ——相对于位移的碰撞速度;

x1——表示位移x自有长度的正实数变量, 如果x<x1, 则力赋一个正值, 否则力值为0;

e——力的变形特征指数, 金属与金属材料取1.5;

C——阻尼系数, 通常取刚度值的0.1~1%;

d——施加全阻尼时的边界穿透量, 其合适值为0.1 mm;

k——刚度值, 取决于接触物体的材料和结构形状。

其中:R——接触时刻的当量曲率半径,

R1, R2——两接触物体在接触点的接触半径 (如果接触面为平面, 则接触半径为无穷大) ;

μ1, μ2——两个接触物体的泊松比;

E1, E2——两个接触物体的弹性模量。

根据表1的材料特性, 计算得到k=100 000 N/mm, 取阻尼系数C=50 Ns-1/mm, 变形指数e=1.5, 穿透深度d=0.1 mm。

2.2 凸轮运动参数的确定

定义端面凸轮与随动轴承的接触后, 再确定端面凸轮的运动参数。一般设计中, 默认端面凸轮为匀速运动, 而本文中的转塔机端面凸轮下压机构的下压和上抬运动受伺服电机控制, 以实现间歇性往复运动, 设计端面凸轮下压机构的下压时间40 ms, 上抬时间40 ms, 端面凸轮的角速度曲线如图3所示。

在ADAMS中用IF函数描述端面凸轮的角加速度曲线, IF函数为判断函数, 可嵌套使用。端面凸轮的角加速度函数如下:

if (time-0.02:340000d, 340000d, if (time-0.06:

-340000d, , -340000d, 340000d) ) 。

2.3 仿真比较

凸轮机构中推杆运动规律的选择, 关系到凸轮机构的工作质量。凸轮机构的型式、有关基本尺寸确定后, 根据选定的推杆的运动规律设计出凸轮应有的轮廓尺寸[4~5]。推杆的运动规律是指推杆的位移s、速度v和加速度a随时间t变化的规律。

当凸轮匀速转动时, 推杆常用运动规律有等速运动、等加速运动、余弦加速度、正弦加速度、正弦-抛物线-正弦 (改进梯形) 加速度, 其中正弦加速度凸轮和改进梯形加速度凸轮的加速度从零开始增大, 没有突变, 适用于高速场合, 且无冲击。

本文采用ADAMS软件对推杆运动规律为正弦加速度和改进梯形加速度的端面凸轮下压机构进行仿真分析, 研究端面凸轮匀加速转动时端面凸轮下压机构的运动学动力学特性。取仿真时间80 ms, 步数8 000步。

(1) 正弦加速度运动规律

如图4所示, 使用Solidworks软件建立正弦加速度运动规律端面凸轮下压机构, 导入AD-AMS, 添加运动副和接触[6,7], 设置参数后先进行静平衡分析, 再进行仿真, 结果如图5、图6所示。

由图可知正弦加速度运动规律的端面凸轮机构加速度最大值为70 300 mm/s2, 碰撞力最大值为11.42 N, 且在0.06 s左右, 即下压块上抬阶段, 接触力等于零, 说明随动轴承和凸轮脱离, 之后接触力迅速增大, 产生振动及噪声。

(2) 改进梯形加速度运动规律

如图7所示, 使用Solidworks软件建立改进梯形加速度运动规律端面凸轮下压机构, 导入ADAMS, 添加运动副和接触, 设置参数后先进行静平衡分析, 再进行仿真, 结果如图8、图9所示。

改进梯形加速度运动规律的端面凸轮机构加速度最大值为41 800 mm/s2, 碰撞力最大值为8.67 N, 且运动过程中端面凸轮和随动轴承始终保持接触。

由于最大加速度值的大小, 会直接影响从动件系统的惯性力, 从动件与凸轮的接触应力, 从动件的强度等。从动件 (下压块) 在运动过程中的最大加速度值越小越好。

对比可知, 当端面凸轮的转速曲线为三角波时, 仿真得到的改进梯形加速度运动规律的端面凸轮下压机构力曲线优于正弦加速度的力曲线, 即碰撞力较小, 且没有冲击噪声, 故本转塔机设计采用改进梯形运动规律的端面凸轮。

3 结论

本文主要研究端面凸轮下压机构的运动学和动力学问题。转塔机工作时要求下压块 (从动件) 高速、平稳地运动, 并能够保证凸轮机构在冲击、精度及寿命等方面的要求。因而力学性能较好的从动件为改进梯形加速度运动规律的端面凸轮。

摘要：基于ADAMS接触算法对转塔机端面凸轮下压机构的运动进行仿真, 对推杆运动规律为正弦加速度运动规律和正弦-抛物线-正弦 (改进梯形) 加速度运动规律的端面凸轮机构进行对比, 分析凸轮形状对下压机构运行速度及稳定性的影响。

关键词：端面凸轮,ADAMS,接触算法

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