心脏线轨迹直摆组合凸轮机构设计毕业论文Word格式文档下载.doc
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2.2.5直动从动件凸轮的顶杆长度及安装滞后角 11
2.3直动凸轮和摆动凸轮的实体设计 12
3机构的实体设计 14
3.1机构的实体结构 14
3.2支架的设计 15
3.3直动导轨的设计 16
3.4直动杆的设计 16
3.5摆动杆的设计 17
3.6轴系零部件的设计 17
3.6.1拟定轴上零件的装配方案 18
3.6.2确定轴的各段直径和长度 18
3.6.3轴上零件的周向定位 18
4机构的运动仿真 20
参考文献 21
致谢 22
摘要
本课题研究一直摆凸轮组合机构，该机构通过直动从动件凸轮机构与摆动从动件凸轮机构组成联动凸轮机构，能够将主动件的转动转化为从动件上某点沿预期的曲线轨迹并以预期的运动规律运动。
该机构所能实现的轨迹多种多样，如正弦波曲线、内摆线、带停点曲线、人头像及金鱼图像等等。
本课题所研究的直摆凸轮组合机构要实现的是一心脏线轨迹。
本课题首先通过理论分析，建立出了直、摆组合凸轮机构的设计公式，得出该机构各构件位置、大小及形状尺寸、凸轮实际廓线、理论廓线等。
然后在此基础上对该机构的每一构件进行了实体设计，比如轴，导轨，支架等等的设计，并且对所设计的构件实体进行了装配组合。
最后，为了验证设计的正确性，本课题还在Proe下对实体进行了运动仿真。
关键词：
凸轮设计组合机构心脏线轨迹
THEDESIGNOFZ.BCOMBINATORYCAM
MECHANISMTOGAINELIIPSELOCUS
Abstract：
Theresearchportfoliohasbeenputcambodypartsthroughthestraightmovingfollowercamcamwithoscillatingfollowercamlinkageinstitutions,abletotaketheinitiativeoftherotatingpiecesintoapointonthefolloweralongtheexpectedcurvetrajectoryandtheexpectedmovementofmovements.Theagencycantracktherealizationofawiderange,suchasthesinecurve,withthecycloid,withstoppingpoints,curves,imagesofgoldfishheadsandsoon.Studiedthesubjectbeforethestraightcamcombinationmechanismistoachieveaheart-linetrajectory.
Firstofall,thisissuethroughtheoreticalanalysis,astraight,beforethedesignofcamcombinationformula,thecomponentscometothelocation,sizeandshapeofthesizeoftheactualcamprofileandtheoreticalprofileandsoon.Andthenonthebasisofeachcomponentoftheinstitutiontocarryoutthephysicaldesign,suchasshafts,rails,framedesign,etc.,andcomponentsdesignedfortheassemblycombinationofentities.Finally,inordertoverifythecorrectnessofthedesign,theissueisstillunderProemotionsimulationentities.
Keywords:
CamDesignCombinationMechanismHeart-linetrajectory
1绪论
1.1直、摆组合凸轮机构的研究意义
本课题所研究的直、摆组合凸轮机构如图1－1所示。
众所周知，人类创造发明机构和机器的历史十分悠久，随着近代科学技术的飞速发展，机构和机器理论已经发展成为一门重要的技术基础学科。
随着人们对各种新型机构和机器的需求的日益增多，对这门学科的研究也在不断的深入，创新出了许多适合自动机上应用的新机构，而且不仅创造出新的刚体机构，还创造出许多与电、磁、液压、气动、激光和红外线等相结合的新机构。
图1－1直、摆组合凸轮机构
因此进一步完善传统典型机构的分析与综合方法，例如实现预期轨迹的机构的类型和设计方法的创新，仍是值得研究的课题。
其中，组合机构由于结构简化而又能实现单一机构无法实现的运动要求，因而在农业机械、纺织机械、包装机械、冶金机械中得到了广泛的应用。
目前，对于组合机构的组成原理、基本类型、功能等方面均有比较系统的研究，对于各种组合机构的最优化设计的研究也日益加强。
对直、摆组合凸轮机构的研究，本身就是机构研究方面一个很有趣的课题，即使在自动控制技术高度发展的今天也是具有实际意义的。
1.2凸轮机构以及组合机构的研究和发展状况
凸轮机构几乎可以实现无限多种的从动件运动规律，它广泛应用于各种自动机床和自动装置中，如纺织机械、计算机、印刷机、食品加工机械、内燃机以及其它各种自动机械和控制系统中。
自20世纪50年代以来，随着计算机技术和各种数值方法的发展，人们对凸轮机构的研究也逐步扩展与深入。
我国对凸轮机构的应用和研究已有多年的历史，目前仍在继续扩展和深入。
在应用方面，我国正在大力发展包装机械、食品机械等自动化设备，这些设备中都要用到各种形式的凸轮机构。
在研究方面，近年来也有相当进展，一些专著[3-5]相继出版。
在1983年全国第三届机构学学术讨论会上关于凸轮机构的论文共有8篇，涉及设计、运动规律、分析、凸轮廓线的综合等四个研究方向；
到了1988年第六届会议，共有凸轮机构方面的论文20篇，凸轮-连杆机构方面的论文2篇，增加的研究方向有动力学、振动、优化设计等；
1990年第七届会议，共有凸轮机构方面的论文22篇，还有含凸轮的组合机构方面的论文6篇，增加了误差分析、CAD/CAM等研究方向，在汽车、内燃机、机械制造等有关领域，也有很多关于研究凸轮机构的内容。
由此可见，我国对凸轮机构的研究是不断发展的。
此外，我国在凸轮机构的共轭曲面原理、CAD和专家系统等方面，也有相当研究。
但是，与先进国家比较，我国对凸轮机构的研究仍有较大差距，特别是在振动、加工、产品开发等方面。
综上所述，虽然已有很多学者对凸轮机构的研究作了相当多的工作，但在各研究方向仍有许多可继续进行的工作，并有一些研究方向有待开发。
1.3直、摆组合凸轮机构的研究方法
1.3.1直、摆组合凸轮机构的设计
建立直、摆组合凸轮机构的设计公式，得出该机构各构件位置、大小及形状尺寸、凸轮实际廓线、理论廓线等，并设计和绘制出机构所需要的所有零件的实体，在此基础上进行装配组合，并进行动态仿真。
1.3.2本课题的主要研究方法
本课题研究主要以计算机为主要工具，以理论设计为基础，进行设计工作。
其次，还要对设计结果分析、评价、并进行修正和仿真工作。
本课题研究所用到的主要硬件设备为计算机，所用到的主要软件有：
Proewildfire3.0、AutoCAD2004、Word2002、Powerpoint。
2直动从动机凸轮和摆动从动件凸轮的设计
由于该组合机构综合了单一的直动凸轮和摆动凸轮两种机构，其运动的复杂性，靠单纯的传统的方法求凸轮廓线，非常复杂，本课题采用一种离散化方法，通过建立直、摆组合凸轮机构的设计公式，得出该机构各构件位置、大小及形状尺寸、凸轮实际廓线、理论廓线等[2]。
2.1直、摆组合凸轮机构设计基本思想
图2-1直、摆组合凸轮机构参数的几何关系
如图2-1，设为预期曲线上n+1个坐标点，它们与下列数值一一对应，——顶杆位移；
——摆杆转角；
——直动从动件凸轮向径与极角；
——摆动从动件凸轮向径与极角；
e——直动凸轮偏心距；
a,b——预期曲线起始点坐标；
R,R1,R2——摆杆长度，摆杆上端长度，顶杆长度。
依据预期曲线上的点与顶杆位移、摆杆转角之间的几何关系，求出它们的变化规律，，再分别设计直动从动件凸轮廓形与摆动从动件凸轮廓形。
2.2直、摆组合凸轮机构设计步骤
2.2.1求取坐标点
预期曲线可以是由一条或若干条平面曲线组成的封闭曲线,首先写出它的参数方程表达式,并且要求参数方程表示的曲线位于第Ⅰ、第Ⅳ象限,初定其起始点为坐标原点。
曲线方程为：
………………………（2-1）
积分求弧长，得
…………………（2-2）
其中,t0,tn分别表示曲线的起始参数与终了参数。
再按照设计要求将曲线分成若干段,其中任意一段定一位置，则有，且,令k0=0。
下面采用匀速运动规律将预期曲线分段，ki求解公式为：
………………………………（2-3）
式中，i=0,1,2……n。
如果将预期曲线L对应的凸轮转角都分成n等份，使之与:
相对应，那么当凸轮轴匀速转动时，通过组合凸轮机构，将使从动点以预期的匀速运动规律沿预期曲线运动。
2.2.2确定机构初始位置参数
参看图2-2，直、摆组合凸轮机构的结构参数为：
直动凸轮基圆半径，摆动凸轮基圆半径，偏心距e以及摆杆长度R及R1，顶杆长度R2等。
由这些机构参数可得到如下机构初始位置参数（初始位置）：
①摆杆与顶杆在初始位置的夹角
………………………（2-4）
式中，，。
②从动点起始位置坐标
………………………………（2-5）……………………………………（2-6）
图2-2直、摆组合凸轮机构初始位置参数
考虑机构的初始位置,应该将上节求到的坐标点平移到从（a,b）为初始点的位置上来，于是有：
……………………（2-7）
平移后的坐标点仍记作。
2.2.3确定顶杆位移与摆杆转角的变化规律
分析图2-2,可以得到以下关系式：
①摆杆转角
………………………………（2-8）
式中i=0,1,2，…，n
②顶杆位移
………………………（2-9）
式中i=0,1,2，…，n
从而得到与对应的和。
2.2.4凸轮廓形设计
（1）摆动从动件凸轮轮廓设计
首先，设计摆动从动件凸轮廓形，参见图2-3，分析△AOB，应用余弦定理，则摆动从动件凸轮理论廓线上任意一点的向径：
图2-3确定摆动从动件凸轮的向径及向径极角
…………………（2-10）
式中，；
。
其向径极角：
…………（2-11）
式中，为凸轮累加转角：
以上各式中，i=0，1，2，…，n，由此可以得到摆动从动件凸轮的向径与极角。
取直、摆组合凸轮机构的结构参数为：
直动凸轮基圆半径=60，摆动凸轮基圆半径=50，偏心距e=20，摆杆长度R=400及R1=200
其计算结果如表2—1：
表2-1直动凸轮参数
序号
直动凸轮向径直动凸轮极角
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
56
58
60
62
64
66
68
70
72
106.13-79.14
95.79-67.95
85.84-56.53
76.96-44.94
69.67-33.32
64.32-21.88
61.09-10.89
60-53
60.919.17
63.5718.34
67.5827.21
72.4236.03
77.5444.95
82.3754.05
86.4563.38
89.4972.91
91.4082.64
92.3292.51
92.53102.48
92.47112.49
92.61122.47
93.41132.36
95.75142.12
98.38151.73
102.86161.21
108.56170.62
115.13-180
122-170.56
128.45-161.04
133.74-151.4
137.14-141.61
138.10-131.67
136.33-121.56
131.83-111.27
124.90-100.79
116.09-90.08
106.13-79.14
采用描点法可得其理论轮廓如图2-4：
图2-4凸轮理论轮廓
凸轮从动件采用滚子从动件，滚子半径的选择原理参见。
选取滚子半径为5，则可得凸轮实际廓线如图2-5：
图2-5凸轮实际轮廓
（2）直动从动件凸轮轮廓设计
设计直动从动件凸轮廓形，参见图2-4，直动从动件凸轮理论廓线上任意一点
图2-6确定直动从动件凸轮的向径及向径极角
B的向径：
…………………………（2-12）
式中：
表示中的最小值：
…………………（2-13）
以上各式中，i=0，1，2，…，n
由此可以得到直动从动件凸轮的向径与极角。
直动凸轮基圆半径=60，摆动凸轮基圆半径=50，偏心距e=20，摆杆长度R=400及R1=200其计算结果如表2—2：
表2-2摆动凸轮参数
摆动凸轮向径摆动凸轮极角
500
51.2921.77
55.6241.54
61.7758.19
68.4371.91
74.6183.35
79.7493.09
83.53101.58
85.96109.14
87.15116.04
87.34122.53
86.8128.86
85.81135.31
84.56142.12
83.25149.53
82.01157.63
80.99166.53
80.32176.04
80.09185.94
80.31195.92
80.92205.66
81.57214.85
82.64213.34
83.43231.93
84237.75
84.3230.93
84.28249.53
83.86255.02
82.88260.68
81.07266.88
78.25273.98
74.19282.37
68.43292.48
62.68304.85
56.92320.14
53.46338.73
50360
采用描点法得到直动从动件凸轮的理论轮廓如图：
图2-7摆动凸轮理论轮廓
与直动从动件凸轮的滚子半径选择原理一样，选取滚子半径为5，则凸轮实际轮廓如图2-8：
图2-8摆动凸轮实际轮廓
2.2.5直动从动件凸轮的顶杆长度及安装滞后角
图2-9表示的是直、摆组合凸轮机构的初始位置（初始位置），其直动从动件凸轮机构的顶杆长度：
……………………（2-14）
式中，为机构初始位置时，直动从动件凸轮B点的向径，其极角记为。
代入数据计算得：
R2=107.58
图2-9顶杆位移与摆杆转角的变化
如图2-5所示，定义机构初始位置时，摆动从动件凸轮向径（即其基圆半径）与使顶杆处于最低位置时直动从动件凸轮向径（即其基圆半径）之间的夹角为安装滞后角,则安装滞后角：
………（2-15）
代入各数据计算得：
=179.471
2.3直动凸轮和摆动凸轮的实体设计
凸轮的实体结构一般都类似于齿轮结构，并且参看他人实际生产出的凸轮，同时考虑其在轴上的周向定位（采用A型普通平键），现设计其结构为如图2-10所示：
图2-10直动凸轮实体图
其尺寸如图2-11：
图2-11直动凸轮尺寸
摆动凸轮结构如图2-12：
图2-12摆动凸轮实体图
其尺寸如图2-13：
图2-13摆动凸轮尺寸
3机构的实体设计
3.1机构的实体结构
为了便于说明，首先把我所设计的该机构的实体模型贴出来，如图3-1：
图3-1机构实体模型
其爆炸视图如图3-2
图3-2机构模型的爆炸图
该机构包括如下几个部分：
支架，后支架，导轨，轴及其部件，直动杆，摆动杆，直动从动件凸轮
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