畢業(yè)論文-凸輪機構(gòu)建摸，受力分析和運動仿真與分析研究

蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘要 凸輪是一具有曲面輪廓的構(gòu)件，一般多為原動件（有時為機架）；當凸輪為原動件時，通常作等速連續(xù)轉(zhuǎn)動或移動，而從動件則按預(yù)期輸出特性要求作連續(xù)或間隙的往復(fù)運動、移動或平面復(fù)雜運動。 本文主要介紹凸輪的大體概念與凸輪廓線的設(shè)計計算，以及后期使用 Pro/E 軟件仿真其廓線。 凸輪輪廓曲線是凸輪機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，常用的設(shè)計方法有解析法和圖解法。本文將對這兩這種方法進行大致分析與應(yīng)用設(shè)計，利用 Pro/E 軟件繪制凸輪機構(gòu)實體模型，并用 Pro/E 軟件自帶的 Pro/MECHANICA Motion 插件設(shè)計凸輪機構(gòu)運動模型，進 行機構(gòu)運動學(xué)仿真分析，可以較準確掌握機械產(chǎn)品零部件的位移、速度和加速度等動力學(xué)參數(shù)，進而可分析機構(gòu)動作的可靠性。 主要技術(shù)要求為：熟悉凸輪設(shè)計基本原理及相關(guān)理論計算；凸輪機構(gòu)運動仿真及受力分析；指定內(nèi)容的翻譯和 Pro/E 軟件的熟練應(yīng)用。 本文將重點 研究凸輪機構(gòu)建摸，受力分析和運動仿真與分析 。通過理論上的計算和研究，結(jié)合圖解以及解析的方法，算出凸輪廓線的大致數(shù)據(jù)，用 Pro/E 軟件將其繪制出，進行運動仿真，記錄和研究其位移、速度和加速度等動力參數(shù)，最后分析出機構(gòu)動作的可靠性。使以后工作中，可以更準確掌握機械產(chǎn)品 零部件的動力方面?zhèn)€參數(shù)，減少事故的發(fā)生，降低設(shè)計的難度。 關(guān)鍵詞：凸輪； 廓線設(shè)計； Pro/E；三維造型；仿真。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） Abstract Cam is a component with a surface profile is generally more dynamic pieces of the original (sometimes for the rack), when the cam piece to its original form, it is usually in a row for the constant rotation or move, and the follower output characteristics according to the requirements expected for continuous or reciprocating motion of the space, move, or the complexity of sports plane. This paper mainly introduces the general concept of the cam and cam profile design and calculation, and the latter the use of Pro / E software simulation of its profile. Cam cam curve design is the key to the design of methods commonly used analytical method and graphical method. In this paper, two such methods will be more or less analysis and application design, use of Pro/E software cam solid model rendering, and Pro / E software comes with the Pro/MECHANICA Motion cam plug design movement model, the kinematics Simulation can b a more accurate knowledge of machinery parts and components of displacement, velocity and acceleration, such as kinetic parameters, which can analyze the reliability of body movement. The main technical requirements are:familiar with the basic principles of cam design and related theoretical calculation； cam mechanism motion simulation and stress analysis； specify the contents of the translation and Pro/e application software proficiency. This article will focus on cam modeling, stress analysis and motion simulation and analysis. Through theoretical calculations and research, combined with graphical and analytical methods, calculate the approximate convex contour data, using Pro/E software to draw, simulation exercise, record and study the displacement, velocity and acceleration a nd other dynamic parameters, Finally, the reliability of the agency action. So after work, can be more accurate machinery parts and components of the dynamic parameters, to reduce accidents, reduce the difficulty of design. Keywords:Cam, Profile Design ,Pro/E, Three-dimensional shape,Simulation.蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） I 目錄 1 緒論 . 1 1.1 選題意義 . 1 1.2 仿真技術(shù)的發(fā)展 . 3 1.3 Pro/Engineer 在機械制造中的應(yīng)用 . 5 1.3.1 Pro/Engineer 軟件介紹 . 5 1.3.2Pro/E 在我國機械行業(yè)中的應(yīng)用 . 8 2 凸輪輪廓線的設(shè)計 . 10 2.1 緒論 . 10 2.2 凸輪機構(gòu)的分類 . 11 2.2.1 按兩活動構(gòu)件之間的相對運動特性分類 . 11 2.2.2 按從動件運動副元素形狀分類 . 11 2.2.3 按凸輪高副的鎖合方式分類 . 11 2.3 從動件運動規(guī)律 . 12 2.3.1 基本運動規(guī)律 . 12 2.4 凸輪輪廓線的設(shè)計 . 14 2.4.1 凸輪輪廓曲線的計算 . 14 2.5 凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定 . 17 2.5.1 凸輪機構(gòu)的壓力角及許用值 . 17 2.6.2 凸輪理論輪廓的外凸部分。 . 18 2.7 圖解法求解凸輪輪廓曲線 . 20 2.7.1 反轉(zhuǎn)法原理 . 20 2.7.2 滾子從動件盤形 凸輪輪廓的設(shè)計 . 20 3 凸輪機構(gòu)的三維造型及仿真 . 22 3.1 引言 . 22 3.2 凸輪機構(gòu)的三維造型 . 23 3.2.1 凸輪機構(gòu)各零件的實體造型 . 23 3.3 凸輪機構(gòu)的仿真 . 27 3.3.1 創(chuàng)建伺服電動機 . 27 3.3.2 完成定義后，就可以進行運動分析了 . 27 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） II 總結(jié) . 32 致謝 . 33 參考文獻 . 34 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 凸輪廓線精確設(shè)計及運動仿真 1 緒論 1.1 選題意義 在產(chǎn)品的開發(fā)過程中，有關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、操作性能、生產(chǎn)工藝、裝配性能，甚至維護性能等等許多問題都需要在開發(fā)過程的前期解決。一般，人們借助理論分析、CAD 系統(tǒng)和各種比例的實物模型，或參考先前產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)驗來解決有關(guān)新產(chǎn)品開發(fā)的各種問題。由于有關(guān)裝配、操作和維修的問題往往只會在產(chǎn)品開發(fā)的后期或在最終產(chǎn)品試車過程中、甚至在投入使用一段時間后才能暴露出 來，尤其是有關(guān)維修的問題往往是在產(chǎn)品已經(jīng)售出很長是以后才能被發(fā)現(xiàn)。為了解決這些問題，有時產(chǎn)品就不得不返回到設(shè)計構(gòu)造階段以便進行必要的設(shè)計變更。這樣的產(chǎn)品開發(fā)程序不但效率低、耗時，費用也高。 為了解決這些問題，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)運而生。仿真技術(shù)是利用計算機技術(shù)對所要進行的生產(chǎn)和制造活動進行全面的建摸和仿真，包括產(chǎn)品的設(shè)計、加工、裝配、各參數(shù)的設(shè)定改進等等。在產(chǎn)品的設(shè)計階段就實時地模擬出產(chǎn)品的形狀和工作狀況、制造過程、檢查產(chǎn)品的可制造性和設(shè)計合理性，以便及時修改設(shè)計，更有效地靈活組織生產(chǎn)，縮短產(chǎn)品研制周期 ，獲得最好的產(chǎn)品質(zhì)量和效益。仿真技術(shù)這個術(shù)語在近兩年的文獻中已不罕見。 仿真技術(shù)是一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)，它以控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和專用設(shè)備為工個具，利用系統(tǒng)模型對實際的 或設(shè)想的系統(tǒng)進行動態(tài)試驗。例如，汽車或飛機的駕駛訓(xùn)練模擬器，就是應(yīng)用仿真技術(shù)的成果。信息處理技術(shù) 和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，實際上已經(jīng)完全改變?yōu)榉抡娴母拍?。將先進的仿真技術(shù)手網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，由真實裝備和 計算機仿真系統(tǒng)綜合仿真系統(tǒng)組成仿真環(huán)境，用計算機網(wǎng)絡(luò)把新武器系統(tǒng)和分散在不同地點的研制者、用戶聯(lián) 系在一起，讓用戶 在仿真環(huán)境中提前 “ 使用 ” 正在研制的武器，讓研制者能提前了解武器的作戰(zhàn)使用，雙方共同 研究，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。這樣不僅加快了武器系統(tǒng)的研制進度，也縮短了新武器形成戰(zhàn)斗力的時間。在部 隊訓(xùn)練方面，仿真技術(shù)同樣大有用武之地。美國陸軍到 80 年代末，訓(xùn)練士兵還是采用野戰(zhàn)訓(xùn)練和模擬訓(xùn)練兩種方法。戰(zhàn)訓(xùn)練的主要問題是燃料、彈藥消耗大，場地、都有困難，組織大規(guī)模演習(xí)費時又費力；模擬訓(xùn)練，所用的 模擬器可能比 其 它所模擬的真實裝備還要貴。為了解決部隊訓(xùn)練問題，美國國防部高級研究計劃局蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 1983 年開始實施模擬器聯(lián)網(wǎng)計劃，把分散在各 地的訓(xùn)練器用計算機聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，形成分布式交互仿真，實現(xiàn)異地聯(lián)通與互操作。仿真技術(shù)是一項國防關(guān)鍵技術(shù)，對提高武器系統(tǒng)的研制效率、改善部隊訓(xùn)練和提高戰(zhàn)斗力將發(fā)揮越來越大的作用 ，已成為發(fā)達國家實現(xiàn)質(zhì)量建軍的一種重要手段。 目前，機械行業(yè)有多款仿真設(shè)計軟件，但其中功能最為強大，使用最廣的是一款名為 Pro/Engineer 的軟件，此次設(shè)計也使用該軟件。 凸輪 機構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種自動機械、儀器和操縱控制裝置。凸輪機構(gòu)之所以得到如此廣泛的應(yīng)用，主要是由于凸輪機構(gòu)可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的運動要求，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。 但是在凸輪的 傳統(tǒng)設(shè)計過程中，設(shè)計著主要根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合大量的經(jīng)驗公式和設(shè)計參數(shù)來進行具體的設(shè)計，很難實現(xiàn)凸輪的優(yōu)化設(shè)計。加上凸輪在加工過程中也比較復(fù)雜的問題，造成了凸輪的設(shè)計周期長，設(shè)計成本高，傳動質(zhì)量較低的問題。本文把仿真技術(shù)應(yīng)用到凸輪輪廓線設(shè)計中，實現(xiàn)對凸輪輪廓的優(yōu)化，了解其運動的各參數(shù)，如速度、加速度、轉(zhuǎn)角等等。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 1.2 仿真技術(shù)的發(fā)展 仿真技術(shù)經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，從研究簡單系統(tǒng)到現(xiàn)在已經(jīng)成為人們研究復(fù)雜系統(tǒng)的有力工具，大致經(jīng)歷了三個階段。 發(fā)展階段二次大戰(zhàn)末期，火炮控制 與飛行控制動力學(xué)系統(tǒng)的研究促進了仿真技術(shù)的發(fā)展， 20世紀 40 年代研制成功第一臺通用電子模擬計算機。 50年代末期到 60 年代，導(dǎo)彈和宇宙飛船的姿態(tài)及軌道動力學(xué)的研究。仿真技術(shù)在阿波羅登月計劃及核電站的廣泛應(yīng)用。以及 50 年代末第一臺混合計算機系統(tǒng)用于洲際導(dǎo)彈的仿真，促進了仿真技術(shù)的發(fā)展。這是仿真技術(shù)的發(fā)展階段。 成熟階段在軍事需求推動下， 70年代中期，仿真技術(shù)不但在軍事領(lǐng)域迅速發(fā)展，而且擴展到許多領(lǐng)域。在這個時期出現(xiàn)了用于培訓(xùn)民航客機駕駛員和軍用飛機飛行員的飛行訓(xùn)練模擬器和培訓(xùn)復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)操作人員的仿真系統(tǒng)等產(chǎn)品 。相繼出現(xiàn)了一些從事仿真設(shè)備和仿真系統(tǒng)生產(chǎn)的專業(yè)化公司。例如美國的 GSE 公司。 E S 公司。 ABB 公司。 Dynetics 公司等，使仿真技術(shù)達到了產(chǎn)業(yè)化階段。這標志著仿真技術(shù)進入了成熟階段。 70年代末，國際政治軍事格局的改變，為仿真技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了新的機遇。一方面，隨著世界范圍內(nèi)冷戰(zhàn)狀態(tài)的緩和，各國政府紛紛把投資重點轉(zhuǎn)向了本國的經(jīng)濟建設(shè)，并開始大規(guī)模地削減常規(guī)軍隊，大規(guī)模的軍事演習(xí)不僅受到政治環(huán)境的約束，同時也受到經(jīng)濟狀況的制約，與之相矛盾的是現(xiàn)代戰(zhàn)爭越來越強調(diào)部隊聯(lián)合作戰(zhàn)能力的培訓(xùn)以及戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)的運用；另一方 面，現(xiàn)代武器系統(tǒng)裝備越來越復(fù)雜，武器系統(tǒng)研制的費用越來越高，研制周期越來越長，培訓(xùn)使用操作人員的時間也越來越長，必須找到研制開發(fā)新武器系統(tǒng)的更加有效的途徑和方法，形成一個新武器的決策者。開發(fā)者與使用者協(xié)調(diào)配合。共同參與的武器研制體系，縮短武器系統(tǒng)研制開發(fā)的周期和成本，這成為各國軍方都在探索的問題。仿真技術(shù)為解決這些問題提供了一條有效的技術(shù)途徑。 同樣，隨著技術(shù)進步，工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備越來越復(fù)雜，操作水平要求越來越高，面臨著與武器系統(tǒng)裝備同樣的問題。這種技術(shù)需求推動了仿真技術(shù)快速發(fā)展。 高級階段 20世紀 80年代初 以美國國防高級研究計劃局 (DARPA)和美國陸軍共同制定和執(zhí)行的 SIMNET(SimMlators Network)研究計劃和美國三軍建立先進的半實物仿真試驗室為標志，標志著仿真技術(shù)發(fā)展到了一個新的高級階段。 SIMNET 計劃是分布交互仿真的初型和開始。到 90 年代，各個部門相繼建蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 設(shè)分布交互仿真系統(tǒng)。并行分布交互仿真系統(tǒng)。聚合級仿真系統(tǒng)。這些仿真系統(tǒng)絕大多數(shù)是針對某領(lǐng)域的具體需求而建立的，它們之間不能互操作，其應(yīng)用和各組件也不能在新的仿真應(yīng)用和開發(fā)中得到重用。隨著國防工業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展，被仿真的系統(tǒng)日益復(fù)雜 ，規(guī)模越來越大，若各應(yīng)用部門根據(jù)各自的需要完全從頭開始開發(fā)大型仿真系統(tǒng)，工作效率低，財力人力浪費大，且模型和仿真結(jié)果的準確性。可信度難以保證。為了更好的實現(xiàn)信息。資源共享，促進仿真系統(tǒng)的互操作和重用，到 90 年代，以美國為代表的發(fā)達國家在分布交互仿真。先進的并行分布交互仿真以及聚合級仿真的基礎(chǔ)上，仿真技術(shù)開始向仿真的高層體系結(jié)構(gòu) (HLA)發(fā)展。 HLA 是促進所有類型仿真之間互操作。仿真模型組件重用的高級協(xié)議。 仿真技術(shù)應(yīng)用隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)應(yīng)用目的趨于多樣化。全面化。最初仿真技術(shù)是作為對實際系統(tǒng)進行試 驗的輔助工具而應(yīng)用的，而后又用于訓(xùn)練目的，現(xiàn)在仿真系統(tǒng)的應(yīng)用包括：系統(tǒng)概念研究。系統(tǒng)的可行性研究。系統(tǒng)的分析與設(shè)計。系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)測試與評估。系統(tǒng)操作人員的培訓(xùn)。系統(tǒng)預(yù)測。系統(tǒng)的使用與維護等各個方面。它的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到軍用以及與國民經(jīng)濟相關(guān)的各個重要領(lǐng)域。 仿真作為一門綜合性科學(xué)，將隨著其相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的深入發(fā)展，繼續(xù)向縱深快速發(fā)展，同時將擴大其綜合應(yīng)用的領(lǐng)域，在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。但是，作為一門綜合性技術(shù)學(xué)科，仿真技術(shù)還有許多理論及技術(shù)問題需要繼續(xù)進行深入的研究探討 。 我國應(yīng)大力開展仿 真技術(shù)的理論研究和技術(shù)應(yīng)用研究，盡快縮短與先進發(fā)達國家在技術(shù)上的差距。系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展，必將推動我國科學(xué)技術(shù)水平的進一步提高 。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 1.3 Pro/Engineer 在機械制造中的應(yīng)用 1.3.1 Pro/Engineer 軟件介紹 Pro/Engineer 軟件系統(tǒng)是美國參數(shù)化技術(shù)公司 PTC（ Parametric Technology Corporation） 的優(yōu)秀產(chǎn)品，提供了集成產(chǎn)品的三維造型設(shè)計、加工、分析及繪圖等功能的完整的 CAD/CAM 解決方案。該軟件以使用方便、參數(shù)化造型和系統(tǒng)的全相關(guān) 性而著稱。目前 Pro/Engineer 軟件在我國的機械、電子、家電、塑料摸具、工業(yè)設(shè)計、汽車、航天、玩具等行業(yè)取得了廣泛的應(yīng)用，該軟件在國內(nèi)的應(yīng)用數(shù)量大大超過了同類型的其他國外產(chǎn)品。 Pro/Engineer 可謂是個全方位的 3D 產(chǎn)品開發(fā)軟件，集合了零件設(shè)計、產(chǎn)品組合、摸具開發(fā)、 NC加工，飯金件設(shè)計，鑄造設(shè)計、造型設(shè)計、逆向工程，自動測量、機構(gòu)仿真、應(yīng)力分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理于一體，其模塊眾多。主要由以下六大模塊組成：工業(yè)設(shè)計 （ LAID） 模塊、機械設(shè)計 （ CAD） 模塊、功能仿真 （ CAE）模塊、制造 （ CAM） 模塊、數(shù) 據(jù)管理 （ PDM） 模塊和數(shù)據(jù)交換 （ Geometry Translator）模塊。下面介紹 Pro/Engineer 的重要特性： (1)相關(guān)性 （ Full Associativity） 相關(guān)性是指所有的 Pro/Engineer 的功能都相互關(guān)聯(lián)。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中，用戶任何時候所作的變更，都會擴展到整個設(shè)計中，同時自動更新所有工程文檔。 Pro/Engineer 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境最突出的特點就在于它能夠支持并行工程，通過一系列足以表現(xiàn)外形、裝配性能的全相關(guān)性的解決方案，可以讓用戶同時在幾個技術(shù)領(lǐng) 域處理一個產(chǎn)品模型。這些能力包括造型設(shè)計、機械設(shè)計、功能設(shè)計、以及產(chǎn)品信息管理等。 Pro/Engineer 提供的參數(shù)化設(shè)計的最大的特點就是單一數(shù)據(jù)庫，所有設(shè)計過程所使用的尺寸（參數(shù)）都存在設(shè)計庫中，修改 CAD 模型及工程圖不再是一件難事，設(shè)計者只要更改 3D 零件的尺寸，則 2D 工程圖就會依照尺寸的修改做集合形狀的變化，同樣修改 2D 工程圖的尺寸， 3D 實體模型也會自動修改，同時裝配、制造等相關(guān)設(shè)計也會自動修改，這樣可確保數(shù)據(jù)的正確性，達到設(shè)計修改工作的一致性，避免發(fā)生人為改圖的疏漏情形，減少許多人為改圖的 時間和精力的消耗。也正因為有參數(shù)式設(shè)計，用戶才可以運用強大的數(shù)學(xué)運算方式，建立各尺寸參數(shù)蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 間的關(guān)系式使得模型可自動計算出應(yīng)有的外型，減少尺寸逐一修改的繁瑣費時并減少錯誤的發(fā)生。 (2)基于特征的參數(shù)化建摸 參數(shù)式設(shè)計就是將零件尺寸的設(shè)計用參數(shù)來描述，并在設(shè)計修改時通過修改參數(shù)的數(shù)值來更改零件的外形。參數(shù)化設(shè)計的思想在工業(yè)界傳播了許多年， 1988年， Pro/Engineer 以參數(shù)設(shè)計的思想問世以后，業(yè)內(nèi)人士即對參數(shù)式設(shè)計的思想翹首以待。 Pro/Engineer 對于傳統(tǒng)機械設(shè)計工作來說，有相當大的幫助作 用，因為 Pro/Engineer 中參數(shù)不只代表設(shè)計對象的外觀相關(guān)尺寸，并且具有實質(zhì)上的物理意義。例如我們可以運用系統(tǒng)參數(shù) （ System parametes） 如體積、表面積、重心、三維坐標等，或用戶依設(shè)計流程所定義的用戶定義參數(shù) （ Use defined parameters）如密度、厚度等具有設(shè)計意義的物理量或字符串加入設(shè)計構(gòu)思中來表達設(shè)計思想。這項參數(shù)化設(shè)計的功能不但改變了設(shè)計的概念，并且將設(shè)計的便捷性推進了一大步。 (3) 數(shù)據(jù)管理 為了在最短的時間內(nèi)完成最多的開發(fā)工作，必須允許多個學(xué) 科的工程師同時對同一產(chǎn)品進行開發(fā)。 Pro/Engineer 數(shù)據(jù)管理功能可以管理并行工程所要求的并行作業(yè)程序，并通過全相關(guān)性達到并行工程的目的。 (4) 裝配管理 Pro/Engineer 能夠讓用戶使用貼合、插入、對齊等直覺式指令，輕松裝配零部件，保持設(shè)計意圖，達到設(shè)計目的。而高級的功能則支持大型復(fù)雜裝配體的創(chuàng)建與管理，并且零件數(shù)目不受限制。 (5) 工程數(shù)據(jù)庫重用 工程數(shù)據(jù)庫重用就是為了達到大幅提高生產(chǎn)力、降低成本的目的，而以標準、公認的設(shè)計作為新產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)，它能 夠讓用戶快速開發(fā)整個產(chǎn)品系列。Pro/Engineer 的基本結(jié)構(gòu)使 EDR 易于實現(xiàn)。隨著將來幾代產(chǎn)品的創(chuàng)建，會發(fā)現(xiàn)從Pro/Engineer 中獲得的益處將大大超過最初的投資。 (6) 易用性 Pro/Engineer 獨有的自動導(dǎo)引菜單為擁護提供了使用方便的選項，也可以預(yù)先選定最常用的功能。此外，系統(tǒng)還提供了簡短的功能菜單說明和完整的在線幫助。這些都使得 Pro/Engineer 具有非常好的易用性。 (7) 硬件獨立性 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 Pro/Engineer 可以在 UNIX 和 Windows98/2000/XP 平臺下運行，并在每個系統(tǒng)中都維持相同的界面，使用的感覺也一樣。用戶可以根據(jù)自己的需求，選購最經(jīng)濟的硬件配置，再混用或搭配任何一種平臺組合。由于 Pro/Engineer 可以運行在不同環(huán)境中，具有獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式，因此可以方便地讓信息在不同平臺的機器之間相互轉(zhuǎn)換。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 1.3.2Pro/E 在我國機械行業(yè)中的應(yīng)用 隨著我國汽車、家電等工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)品的外形在滿足性能要求的同時，變得越來越復(fù)雜，而這些產(chǎn)品的出現(xiàn)離不開機械制造，這就要求機械制造行業(yè)以最快的速 度、最低的成本、最高的質(zhì)量生產(chǎn)出產(chǎn)品。為了達到上述的要求，機械制造企業(yè)只有運用先進的管理手段和 CAD/CAM 集成制造技術(shù)，才能在激烈的時常競爭中立于不敗之地。 例如，廣州型腔模具廠在 92年開始應(yīng)用 Pro/Engineer 軟件進行壓鑄模具的設(shè)計及制造，并應(yīng)用該軟件先后完成了國家“八五”重點企業(yè)技術(shù)攻關(guān)課題大型復(fù)雜壓鑄模的研制開發(fā)及廣州市重點科技攻關(guān)項目計算機輔助模具設(shè)計、制造及分析的應(yīng)用研究等科研開發(fā)項目，先后兩次引起 Pro/Engineer 軟件，應(yīng)用該軟件開發(fā)出了摩托車發(fā)動機、齒輪箱、汽車離合器殼體 、家電等大型復(fù)雜壓鑄模具，完成了一百多套模具的三維造型、模具設(shè)計、數(shù)控加工編程，取得了巨大的經(jīng)濟效益。 Pro/Engineer 軟件的集成制造技術(shù)目前是我國機械制造行業(yè)研究應(yīng)用的熱點。 機械產(chǎn)品 CAD/CAE/CAM 系統(tǒng)的集成關(guān)鍵是建立單一的圖形數(shù)據(jù)庫、在CAD、 CAE、 CAM 各單元之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動傳遞與轉(zhuǎn)換，使 CAE、 CAM 階段完全吸收 CAD 階段的三維圖形，減少中間建模的時間和誤差；借助計算機對產(chǎn)品性能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、加工精度、金屬液體在機械零件中的流動情況及機械零件工作過程中的溫度分布情況等進行反復(fù)修改和 優(yōu)化，將問題發(fā)現(xiàn)于正式生產(chǎn)前，大大縮短機械制造時間，提高機械制造加工精度。 Pro/Engineer 軟件采用面向?qū)ο蟮耐鈹?shù)據(jù)庫和參數(shù)化造型技術(shù)，具備概念設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計和詳細設(shè)計的功能，為機械產(chǎn)品的集成制造提供了優(yōu)良的平臺。Pro/Engineer 的并行工程技術(shù)在機械制造中應(yīng)用也是非常重要的。 機械制造是面向單式的生產(chǎn)方式，屬于單性生產(chǎn)，制造過程復(fù)雜，要求交貨時間短。如果利用 CAD、 CAM 單元技術(shù)制造機械產(chǎn)品，制造精度低、周期長，為了解決上述難題，我們將并行工程技術(shù)引入到機械制造過程中。 在實際生產(chǎn)過程中， 應(yīng)用 Pro/Engineer 軟件，我們將原來機械產(chǎn)品設(shè)計，機械產(chǎn)品型腔，型芯二維設(shè)計，工藝準備，機械產(chǎn)品型腔，型芯設(shè)計三維造型，數(shù)控加工指令編程，數(shù)控加工的串行工藝路線改為由不同的工程師同時進行設(shè)計、工藝準備的并行路線，不但提高了產(chǎn)品的制造精度，而且能縮短設(shè)計、數(shù)控編程蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 時間達 40%以上。 要實施并行工程關(guān)鍵要實現(xiàn)零件三緯圖形數(shù)據(jù)共享，使每個工程師用的圖形數(shù)據(jù)是絕對相同，并使每個工程師所做的修改自動反映到其他有關(guān)的工程師那里，保證數(shù)據(jù)的唯一性和可靠性。 Pro/Engineer 軟件具有單一的數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化實體特 征造型技術(shù)為實現(xiàn)并行工程提供了可靠的技術(shù)保證。 建立標準零件庫也是 Pro/Engineer 在我國機械制造行業(yè)廣泛應(yīng)用的一個方面。 利用 Pro/Engineer 軟件的參數(shù)化功能或指令編程技術(shù)，建立符合自身要求的常用的標準零件庫，減少重復(fù)建模時間，提高設(shè)計效率。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 2 凸輪輪廓線的設(shè)計 2.1 緒論 凸輪是一具有曲面輪廓的構(gòu)件，一般多為原動件（有時為機架）；當凸輪為原動件時，通常作等速連續(xù)轉(zhuǎn)動或移動，而從動件則按預(yù)期輸出特性要求作連續(xù)或間隙的往復(fù)擺動、移動或平面復(fù)雜運動。 凸輪機構(gòu)則是含有凸輪的一種高副機構(gòu)，也是一種常用機構(gòu)。 在凸輪機構(gòu)中，凸輪可為原動件也可為機架；但多數(shù)情況下，凸輪為原動件。 在自動機械和半自動機械中得到了廣泛的應(yīng)用 比如沖窗裝卸凸輪機構(gòu)中，原動件凸輪固定與沖頭上，當其隨沖頭往復(fù)上下運動時，通過凸輪高副驅(qū)動從動件以一定規(guī)律往復(fù)水平移動，從而使機械手按預(yù)期的輸出特性裝卸工件。 如右圖 2-1所示的自動機床進刀機構(gòu)，當圓柱凸輪繞其軸線轉(zhuǎn)動時，通過其溝槽與搖桿一端的滾子接觸，并推動遙桿繞固定軸按特定的規(guī)律做往復(fù)擺動，同時通過遙桿的另一端的扇形齒輪驅(qū)動刀架實現(xiàn)退刀或進刀運動。 自動機床進刀機構(gòu) 圖 2-1 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 2.2 凸輪機構(gòu)的分類 從不同的角度出發(fā)，凸輪機構(gòu)可作如下分類。 2.2.1 按兩活動構(gòu)件之間的相對運動特性分類 平面凸輪機構(gòu) 兩活動構(gòu)件之間的相對運動為平面運動的凸輪機構(gòu) 。 其按凸輪形狀又可分為盤形凸輪、移動凸輪。其中，盤形凸輪為凸輪的基本形式。是一個相對機架作定軸轉(zhuǎn)動或為機架且具有變化向徑的盤形構(gòu)件；而移動凸輪則可視為盤形凸輪的演化形式。是一個相對機架作直線移動或為機架且具有變化輪廓的構(gòu)件。 空間凸輪機構(gòu) 兩活動構(gòu)件之間的相對運動為空 間運動的凸輪機構(gòu)。按其形狀又可分為圓柱凸輪，圓錐凸輪，弧面凸輪和球面凸輪等。 2.2.2 按從動件運動副元素形狀分類 尖頂從動件 尖頂能與任意復(fù)雜凸輪輪廓保持接觸，因而能實現(xiàn)任意預(yù)期的運動規(guī)律。尖頂與凸輪呈點接觸，易磨損，故只宜用于受力不大的場合。 滾子從動件 為克服尖頂從動件的缺點，在尖頂處安裝一個滾子。它改善了從動件與凸輪輪廓間的接觸條件，耐磨損，可承受較大載荷，故在工程實際中應(yīng)用最為廣泛。 平底從動件 平底從動件與凸輪輪廓接觸為一平面，顯然它只能與全部外凸的凸輪輪廓作用。其優(yōu)點是：壓力角小，效率高，潤 滑好，故常用于高速運動場合。 2.2.3 按凸輪高副的鎖合方式分類 力鎖合：利用重力、彈簧力或其他外力使組成凸輪高副的兩構(gòu)件始終保持接觸。如圖 2-2所示 形鎖合：利用特殊集合形狀（虛約束）使組成凸輪高副的兩構(gòu)件始終保持接觸。 凸輪機構(gòu)的優(yōu)點是：只要設(shè)計出適當?shù)耐馆嗇喞纯墒箯膭蛹崿F(xiàn)任意預(yù)期的運動規(guī)律，并且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工作可靠。其缺點是：凸輪為高副接觸（點接觸），壓強比較大，容易磨損， 凸輪輪廓加工比較困難，費用較高。 圖 2-2 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 2.3 從動件運動規(guī)律 2.3.1 基本運動規(guī)律 從動件位移 s隨凸輪 轉(zhuǎn)角 的變化情況如圖 2-3所示，圖中橫坐標代表凸輪轉(zhuǎn)角 ，縱坐標代表從動件位移 s、速度 v 和加速度 a 隨凸輪轉(zhuǎn)角 的變化規(guī)律稱為從動件運動規(guī)律。從動件運動規(guī)律又可分為基本運動規(guī)律，基本運動規(guī)律有以下幾種： 圖 2-3 等速運動規(guī)律：從動件在運動過程中速度為常數(shù)，而在運動的始、末點處速度產(chǎn)生突變，理論上加速度為無窮大，產(chǎn)生無窮大的慣性力，機構(gòu)將產(chǎn)生極大的沖 擊，稱為剛性沖擊，次類運動規(guī)律只使用于低速運動的場合。 等加速等減速運動規(guī)律：從動件在運動過程中加速度為常數(shù)，而在運動的始、末點處加速度有突變，產(chǎn)生較大的加速度和慣性力，由此而引起的沖擊稱為柔性沖擊，這種運動規(guī)律只適用與中速運動的場合。 余弦加速度運動規(guī)律：又名簡諧運動規(guī)律。從動件在整個運動過程中速度皆連續(xù)，但在運動的始、末點處加速度有突變，產(chǎn)生柔性沖擊，因而也只適用中速運動場合。 正弦加速度運動規(guī)律：又名擺線運動規(guī)律。從動件在整個運動過程中速度和加速度皆連續(xù)無突變，避免了剛性沖擊和柔性沖擊，可以用于高速運 動的場合。 在工程實際中，為使凸輪機構(gòu)獲得更好的工作性能，經(jīng)常采用以某種基本運動規(guī)律為基礎(chǔ)，輔之以其他運動規(guī)律與其組合，從而獲得組合運動規(guī)律。當采用不用的運動規(guī)律組合成改進型運動規(guī)律時，它們在連接點處的位移、速度和加速度應(yīng)分別相等；這就蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 是兩運動規(guī)律組合時必須滿足的邊界條件。 常用的組合運動規(guī)律有：改進性等速運動規(guī)律，改進性正弦加速度運動規(guī)律和改進性梯形加速度運動規(guī)律。 基本的從動件運動規(guī)律方程如表 2-1： 從動件運動位移方程 運動規(guī)律 從動件運動方程 推程 回程 等速運動規(guī)律 S S=h- 等加速等減速運動規(guī)律 S S=h- S=h S 余弦加速度運動規(guī)律 S S 正弦加速度運動規(guī)律 S S 表 2-1 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 2.4 凸輪輪廓線的設(shè)計 2.4.1 凸 輪輪廓曲線的計算 凸輪機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是凸輪輪廓曲線的設(shè)計 ,而凸輪的輪廓曲線形狀取決于從動件運動規(guī)律。從動件運動規(guī)律的形式通常有多項式運動規(guī)律、三角函數(shù)運動規(guī)律、組合運動規(guī)律等。凸輪機構(gòu)從動件常用的等速 (加速度 a=0)、等加速等減速 (加速度為常數(shù) ,即a=c)、簡諧 (又稱余弦加速度規(guī)律 )、擺線 (又稱正弦加速度規(guī)律 )等 4種形式的運動規(guī)律。在設(shè)計凸輪輪廓曲線之前 ,必須首先根據(jù)機構(gòu)的工作要求選定從動件運動規(guī)律。從動件的運動規(guī)律確定后 ,通過計算機仿真就可以得到凸輪的精確輪廓線。 以擺動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)為例。圖 2-4 為擺動滾子從動件盤性凸輪機構(gòu)簡圖。 其中 C( 為凸輪理論輪廓線上的任意一點， N（ ）、 分別為外緣和內(nèi)緣凸輪工作輪廓上與點 C 對應(yīng)的點， D 、分別為加工 N點和點時刀具中心的位置， 圖 2-4 為刀具半徑， 為滾子半徑， 為基圓半徑， 為擺桿初始角（ ,S為擺角增量， 為凸輪轉(zhuǎn)角， L為擺心距， l 為擺桿長， 為角速度。 在圖 2-4直角坐標系中，由三角形的函數(shù)關(guān)系可以得到凸輪任一時刻理論輪廓直角坐標為 (2-1) (2-2) 工作輪廓坐標為： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 (2-3) (2-4) (2-5) 當凸輪機構(gòu)為外緣型時，工作輪廓坐標中的 和 取上方的符號，為內(nèi)緣型時取下方的符號。計算刀具中心軌跡坐標時，將 以 代入工作輪廓坐標即可。 設(shè) 凸輪以等角速度 逆 時針方向轉(zhuǎn)動，凸輪基園半徑 、滾子半徑 ，導(dǎo)路和凸輪軸心間的相對位置及偏距 e，從動件的運動規(guī)律 S ，如圖 2-5。 (1)理論輪廓線方程 B 圖 2-6 圖 2-5 其中 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 (2)實際輪廓方程 如圖 2-6 (2-6) 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 2.5 凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定 2.5.1 凸輪機構(gòu)的壓力角及許用值 (1)壓力角：從動件于凸輪在接觸點處的受力方向與其在該點絕對速度方向之間所夾的銳角即為壓力角。 如圖 2-7 所示 (2)許用壓力角：為了改善凸輪機構(gòu)的受力情況，提高機械效率，規(guī)定了允許采用的最大壓力角 。 推程（工作行程）推薦的許用壓力角為： 直動從動件： 擺動從動件： 回程（空回行程） (3)基圓半徑的確定： 根據(jù)公式： 圖 2-7 為保證凸輪機構(gòu)在整個運動周期中均能滿足 ,應(yīng)選取計算結(jié)果中的最大值作為凸輪的基圓半徑。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 2.6 滾子半徑的選擇 2.6.1 凸輪理論輪廓 內(nèi)凹部分 如圖 2-6a所示，工作輪廓曲率半徑 、理論輪廓曲率半徑 與滾子半徑 三者之間的關(guān)系為 (2-7) 這時，工作輪廓曲率半徑恒大于理論輪廓曲率半徑，即 。這樣，當理論輪廓作出后，不論選擇多大的滾子，都能做出工作輪廓。 2.6.2 凸輪理論輪廓的外凸部分。 如圖 2-8b所示，工作輪廓曲率半徑 理論輪廓曲率半徑 與滾子半徑 三者之間的關(guān)系為 : (2-8) 圖 2-8滾子半徑對工作輪廓的影響 如圖 2-6b，當 時， ；這時，可以作出論拖的工作輪廓； 如圖 2-6c，當 時，雖然能作出凸輪工作輪廓，但出現(xiàn)了尖點；尖點處是極容易磨損的。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 如圖 2-6d，當 時， ，這時，作出的工作輪廓出現(xiàn)了相交的包 絡(luò)線。這部分工作輪廓無法加工，因此也無法實現(xiàn)從動件的預(yù)期運動規(guī)律，即出現(xiàn)了“失真”現(xiàn)象。 綜上可知，滾子半徑不宜過大。但因滾子裝在銷軸上，故亦不宜過小。一般我們采用 (2-8) 式中， 為凸輪理論輪廓外凸部分的最小曲率半徑， mm. 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 2.7 圖解法求解凸輪輪廓曲線 2.7.1 反轉(zhuǎn)法原理 凸輪機構(gòu)工作時，凸輪和從動件都在運動，為了在圖紙上繪制出凸輪的輪廓曲線，可采用反轉(zhuǎn)法。下面以 圖 2-9所示 的對心尖端 直 動從動件盤形凸輪機構(gòu)為例來說明其原理。 圖 2-9對心尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu) 當從動件處于最低位置時，凸輪輪廓曲線與從動件在 A點接觸，當凸輪轉(zhuǎn)過 1 角時，凸輪的向徑 OA 將轉(zhuǎn)到 OA 的位置上，而凸輪輪廓將轉(zhuǎn)到圖中蘭色虛線所示的位置。這時從動件尖端從最低位置 A 上升到 B，上升的距離 s1=AB。 現(xiàn)在設(shè)想凸輪固定不動，而讓從動件連同導(dǎo)路一起繞 O點以角速度（）轉(zhuǎn)過1 角 ，此時從動件將一方面隨導(dǎo)路一起以角速度（）轉(zhuǎn)動，同時又在導(dǎo)路中作相對移動，運動到圖中粉紅色虛線所示的位置。此時從動件向上移動的距離與前相同。此時從動件尖端所占據(jù)的位置 B 一定是凸輪輪廓曲線上的一點。若繼續(xù)反轉(zhuǎn)從動件，可得凸輪輪廓曲線上的其它點。 由于這種方法是假定凸輪固定不動而使從動件連同導(dǎo)路一起反轉(zhuǎn)，故稱反轉(zhuǎn)法（或運動倒置法）。 2.7.2 滾子從動件盤形凸輪輪廓的設(shè)計 對于圖 2-10 所示偏置移動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)，當用反轉(zhuǎn)法使凸輪固定不動后，從動件的滾子在反轉(zhuǎn)過程中，將始終與凸輪輪廓曲 線保持接觸，而滾子中心將描繪出一條與凸輪廓線法向等距的曲線。由于滾子中心 B 是從動件上的一個鉸接點，所以它的運動規(guī)律就是從動件的運動規(guī)律，即曲線可根據(jù)從動件的位移曲線作出。一旦作出了這條曲線，就可順利地繪制出凸輪的輪廓曲線了。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 具體設(shè)計步驟 (1)將滾子中心 B 假想為尖端從動件的尖端，按照上述尖端從動件凸輪輪廓曲線的設(shè)計方法作出曲線 子中心的運動軌跡，稱之為凸輪的理論廓線。 (2)以理論廓線上各點為圓心，以滾子半徑 rr 為半徑 ,作一系列滾子圓，然后作這族滾子圓的內(nèi)包絡(luò)線 , 它就 是凸輪的實際廓線。很顯然，該實際廓線是上述理論廓線的等距曲線（法向等距，其距離為滾子半徑）。 若同時作出這族滾子圓的內(nèi)、外包絡(luò)線 和 則形成槽凸輪的輪廓曲線。 由上述作圖過程可知，在滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)的設(shè)計中 ,rb 指的是理論廓線的基圓半徑。需要指出的是，在滾子從動件的情況下，從動件的滾子與凸輪實際廓線的接觸點是變化的。 圖 2-10 反轉(zhuǎn)法 因為圖解法不是很精確，而凸輪輪廓設(shè)計的精度要求比較高，所以工程中不是經(jīng)常采用圖解法，本文是使用解析法設(shè)計凸輪輪廓線的，所以這里對圖解法只作簡單的陳 述。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 3 凸輪機構(gòu)的三維造型及仿真 3.1 引言 械仿真是一項新興的技術(shù) ,主要是指使用計算機來模擬和分析真實事物的運動和變化過程 ,并獲得相應(yīng)的結(jié)果。仿真技術(shù)對現(xiàn)代工程和產(chǎn)品的設(shè)計、研發(fā)具有突出的指導(dǎo)意義 ,通過仿真提供的虛擬環(huán)境可以完成以前需要強大硬件支持的實驗 ,不僅大大節(jié)約了成