对心直动尖顶盘型凸轮机构进行运动仿真分析.docx
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对心直动尖顶盘型凸轮机构进行运动仿真分析
目录
中文摘要I
英文摘要II
第1章任务与课题条件1
1.1任务1
1.2课题条件1
第2章凸轮机构及pro/e简介2
2.1凸轮机构简介2
2.2pro/e简介7
第3章盘形凸轮创建过程10
3.1新建零件10
3.2创建拉伸特征10
3.3创建方程曲线10
3.4创建图形特征11
3.5创建可变剖面扫描特征12
3.6创建孔特征12
第4章其余零件设计14
4.1从动杆设计14
4.2连杆设计14
4.3滑块设计15
第5章装配16
第6章机构仿真17
6.1定义凸轮从动连接机构.17
6.2添加驱动器17
第7章运动分析及结果分析20
7.1运行分析20
7.2结果回放21
7.3结果分析22
结论25
参考文献26
致谢27
摘要
机械产品的运动分析和仿真在机械产品的设计中是不可缺少的重要环节。
在各类机械的传动结构中，凸轮结构有着广泛的应用，根据凸轮机构的设计原理，提出了在pro/e中实现凸轮设计及实体造型的方法,并主要利用Pro/eWildfire的运动学分析模块Mechanism对凸轮机构进行了运动学分析和仿真，这对凸轮机构的优化设计将提供较大的帮助。
本文通过对对心直动尖顶盘型凸轮机构进行运动仿真分析，更加明确了该机构的优缺点，对于该机构的优化设计以及该机构以后的用途将提供指导作用。
关键词：
凸轮机构Pro/E运动仿真运动分析
Abstract
Simulationtechnologyinthemechanicalproductsdesignplaysanimportantrole.Insomemechanicaltransmissionstructures,thecammechanismisusedwidely,IntroducsthemethodofcamdesignandmodelinginPro/E,andmainlyexpiainsthekinematicsanalysisandthesimulasionbyusingPro/EWildfireMechanism,itwillprovideusefulhelptotheoptimizeddesignofcammechanism.Thisarticlethroughtotheheartoftranslationalknife-edgeplatecammechanismmotionsimulationanalysis,moreclearlytheadvantagesanddisadvantages,fortheoptimaldesignofthemechanismaswellastheagencylaterusewillprovideguidance.
KeyWords：
cammechanism;Pro/E;motionsimulation;motionanalysis
第1章任务与课题条件
1.1任务
为了对凸轮机构进行更好的优化设计以及对凸轮机构以后的应用起指导作用，因此基于pro/e对盘型凸轮机构进行设计与运动仿真，并对速度和加速度进行分析，研究该盘型凸轮机构的运动情况，并对该凸轮机构以后的应用作出预测。
因此下面将对对心直动尖顶盘型凸轮机构进行设计与运动仿真，从而力争达到课题任务。
如图1.1所示
图1.1对心直动尖顶盘型凸轮机构
1.2课题条件
盘型凸轮的基圆半径为Ra=40mm,升程角为80°（其中0～40°为等加速运动，40～80°为等减速运动）,远休止角为20°,回程角为80°（其中100～140°为等加速运动，140～180°为等减速运动）,从动件升程为h=10mm。
第2章凸轮机构及pro/e简介
2.1凸轮机构简介
凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。
凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。
凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。
凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。
与凸轮轮廓接触，并传递动力和实现预定的运动规律的构件，一般做往复直线运动或摆动，称为从动件。
凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。
因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。
凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。
凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。
原理
由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。
凸轮具有曲线轮廓或凹槽，有
图2.1推杆运动规律图
盘形凸轮、圆柱凸轮和移动凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而属于空间凸轮。
从动件与凸轮作点接触或线接触，有滚子从动件、平底从动件和尖端从动件等。
尖端从动件能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，可实现任意运动，但尖端容易磨损，适用于传力较小的低速机构中。
为了使从动件与凸轮始终保持接触，可采用弹
图2.2圆柱凸轮机构
簧或施加重力。
具有凹槽的凸轮可使从动件传递确定的运动，为确动凸轮的一种。
一般情况下凸轮是主动的，但也有从动或固定的凸轮。
多数凸轮是单自由度的，但也有双自由度的劈锥凸轮。
凸轮机构结构紧凑，最适用于要求从动件作间歇运动的场合。
它与液压和气动的类似机构比较，运动可靠，因此在自动机床、内燃机、印刷机和纺织机中得到广泛应用。
但凸轮机构易磨损，有噪声，高速凸轮的设计比较复杂，制造要求较高。
凸轮机构的分类
按凸轮形状分
1）盘形凸轮
2）移动凸轮
3）圆柱凸轮
按从动件型式分
1）尖底从动件；
2）滚子从动件；
3）平底从动件
优点
结构简单、紧凑、设计方便，可实现从动件任意预期运动，因此在机床、纺织机械、轻工机械、印刷机械、机电一体化装配中大量应用。
缺点
1）点、线接触易磨损；
2）凸轮轮廓加工困难；
3）行程不大
凸轮机构从动件位移s（或行程高度h）与凸轮转角Φ（或时间t）的关系称为位移曲线。
从动件的行程h有推程和回程。
凸轮轮廓曲线决定于位移曲线的形状。
在某些机械中，位移曲线由工艺过程决定，但一般情况下只有行程和对应的凸轮转角根据工作需要决定，而曲线的形状则由设计者选定，可以有多种运动规律。
传统的凸轮运动规律有等速、等加速－等减速、余弦加速度和正弦加速度等。
等速运动规律因有速度突变，会产生强烈的刚性冲击，只适用于低速。
等加速-等减速和余弦加速度也有加速度突变,会引起柔性冲击，只适用于中、低速。
正弦加速度运动规律的加速度曲线是连续的，没有任何冲击，可用于高速。
为使凸轮机构运动的加速度及其速度变化率都不太大，同时考虑动量、振动、凸轮尺寸、弹簧尺寸和工艺要求等问题，还可设计出其他各种运动规律。
应用较多的有用几段曲线组合而成的运动规律，诸如变形正弦加速度、变形梯形加速度和变形等速的运动规律等，利用电子计算机也可以随意组合成各种运动规律。
还可以采用多项式表示的运动规律，以获得一连续的加速度曲线。
为了获得最满意的加速度曲线，还可以任意用数值形式给出一条加速度曲线，然后用有限差分法求出位移曲线，最后设计出凸轮廓线。
一些自动机通常用几个凸轮配合工作，为了使各个凸轮所控制的各部分动作配合协调，还必须在凸轮设计以前先编制一个正确的运动循环图。
用电子计算机进行凸轮廓线设计能提高效率，并能从多方面综合考虑进行优化设计。
这样可用以求得各种运动规律下的从动件的位移、速度、加速度等值和凸轮廓线坐标值，算出凸轮廓线上任意点的曲率半径、压力角和应力，满足接触强度和抗磨的角度，以获得最小尺寸的凸轮，而且还可画出凸轮的空间图形。
凸轮容易磨损，主要原因之一是接触应力较大。
凸轮与滚子的接触应力可以看作是半径分别等于凸轮接
图2.3盘型凸轮机构
触处的曲率半径和滚子半径的两圆柱面接触时的压应力，可用赫芝公式进行计算，应使计算应力小于许用应力。
促使凸轮磨损的因素还有载荷特性、几何参数、材料、表面粗糙度、腐蚀、滑动、润滑和加工情况等。
其中润滑情况和材料选择对磨损寿命影响尤大。
为了减小磨损、提高使用寿命，除限制接触应力外还要采取表面化学热处理和低载跑合等措施，以提高材料的表面硬度。
推杆运动规律
多项式运动规律
1）一次多项式运动规律
设凸轮以等角速度
转动，再推程时，凸轮的运动角为
，推杆完成行程h,当采用一次多项式运动规律时，则有
在始点处
，在终点处
。
则可得
，故推杆推程的运动方程为
在回程时，因规定推杆的位移总是由最低位置算起，故推杆的位移s是逐渐减小的，而其运动方程为
式中，
为凸轮回程运动角，注意凸轮的转角
总是从该段运动规律的起始位置计量起。
有上述可知，推杆此时作等速运动，故又称其为等速运动规律，但推杆在运动开始和终止的瞬时，因速度有突变，所以这时推杆在理论上将出现无穷大的加速度和惯性力，因而会使凸轮机构受到极大的冲击，这种冲击成为刚性冲击。
2）二次多项式运动规律
其表达式为
这时推杆的加速度为常数，为了保证凸轮机构运动的平稳性，通常应使推杆先做加速运动，后做减速运动，设在加速段和减速段凸轮运动角及推杆的行程各占一半。
这时，推程加速段的边界条件为
在始点处
在终点处
将其代入上式，可求得
，故推杆等加速推程段的运动方程为
由上式可知，在此阶段，推杆的位移s与凸轮转角
的平方成正比，故其位移曲线为一段向上弯的抛物线。
推程减速段的边界条件为
在始点处
在终点处
将其代入上式，可得
，故推杆等减速推程段的运动方程为
这时推杆的位移曲线为一段向下弯曲的抛物线。
上述两种运动规律的结合，构成推杆的等加速等减速运动规律，因为加速度的突变为有限制，因而引起的冲击较小，故称这种冲击为柔性冲击。
回程时的等加速等减速运动规律的运动方程为
等加速行程：
等减速回程：
3）五次多项式运动规律
当采用五次多项式时，其表达式为
因待定系数有6个，故可设定6个边界条件为
在始点处
在终点处
代入上式可解的
，故其位移方程式为
称为五次多项式，其运动规律既无刚性冲击也无柔性冲击。
三角函数运动规律
1）余弦加速度运动规律
其推程时的运动方程为
回程时的运动方程为
由方程式画出的图易知在首末两点推杆的加速度有突变，故有柔性冲击而无刚性冲击。
2）正弦加速度运动规律
其推程时的的运动方程为
回程时的运动方程为
由方程式画出的图易知既无刚性冲击也无柔性冲击。
除上述介绍的推杆常用的几种运动规律外，根据工作需要，还可以选择其他类型的运动规律，或者将几种运动规律组合使用，以改善推杆的运动和动力特性。
为了对凸轮进行优化设计，常常采用绘图软件先进行运动仿真，以了解其运动特性和其他的一些特性，本课题采用pro/e软件进行运动仿真，下面就对pro/e进行简要的介绍。
2.2pro/e简介
Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。
Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。
是现今主流的CAD/CA其它名称
Pro/Engineer和WildFire是PTC官方使用的软件名称，但在中国用户所使用的名称中，并存着多个说法，比如ProE、Pro/E、破衣、野火、WildFire等等都是指Pro/Engineer软件，proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0等等都是指软件的版本。
Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。
另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。
Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。
它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。
图2.4Pro/E绘制示例图
Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。
1．参数化设计
相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。
2．基于特征建模
Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。
这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。
3．单一数据库（全相关）
Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。
所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。
换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。
例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。
这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。
这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。
软件版本
目前Pro/E最高版本为Pro/ENGINEERWildfire5.0（野火5.0）。
但在目前的市场应用中，不同的公司还在使用着从Proe2001到WildFire5.0的各种版本，WildFire3.0和WildFire是目前的主流应用版本。
Pro/Engineer软件系列都支持向下兼容但不支持向上兼容，也就是新的版本可以打开旧版本的文件，但旧版本默认是无法直接打开新版本文件。
虽然PTC提供了相应的插件以实现旧版本打开新版本文件的功能，但在很多情况下支持并不理想容易造成软件的操作过程中直接跳出。
在Pro/Engineer软件版本中，除了使用类似proe2001、Wildfire、WildFire2.0、WildFire3.0、WildFire4.0和WildFire5.0等主版本外在每一个主版本中还有日期代码的小版本区别，不同的日期代码代表主版本的发行日期顺序。
通常每一个主版本中都会有C000、F000和Mxxx三个不同系列的日期代码，C000版代表的是测试版，F000是第一次正式版，而类似M010，M020...M200等属于成熟的正式发行版系列。
M系列的版本可以打开C000和F000系列版本的文件，而C000版本则无法打开相同主版本的F000和Mxxx版本的Pro/Engineer文件，比如WildFire4.0C000版本的Pro/Engineer将无法打开WildFire4.0M060版本Pro/Engineer所创建的文件，但反过来则可M/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。
第3章盘形凸轮创建过程
3.1新建零件
打开新建对话框，在名称输入框中输入tulun,单击使用默认模版复选框中取消选中标志，单击确定按钮，打开新文件选项对话框，选择mmns_part_solid模版，建立单位为公制的新文件。
3.2.创建拉伸特征
单击右侧基础特征栏中拉伸工具按钮，在工作区下方操纵板栏中选择拉伸为实体和对称拉伸选项，单击草绘按钮，打开剖面对话框。
选择基准平面top为草绘平面，接受系统默认的草绘方向和参照平面，单击剖面对话框中的草绘按钮，进入草绘模式。
接受默认的尺寸，绘制草图，完成后单击草绘工具栏中的按钮，退出草绘模式。
在操纵板的深度值输入框中输入拉伸值5，单击操纵板中的确定按钮，退出草绘模式。
3.3创建方程曲线
单击工作区右侧基准工具栏中的插入基准曲线按钮，在弹出的菜单管理器中选择从方程选项，单击完成选项，弹出曲线对话框和次级菜单，根据系统提示选择系统默认坐标系prt_csys_def。
在下一级菜单中选择笛卡尔选项，弹出记事本定义曲线方程.
在记事本中输入如下方程。
h=10,a=80,x=40*t,y=5*t*t,z=0
单击记事本中文件-保存选项保存文本。
单击记事本中菜单文件-退出选项退出记事本。
然后单击曲线对话框中的确定按钮，生成曲线。
然后依次画出曲线，其方程如下。
h=10,a=80,x=40+40*t,y=10-5*（1-t）*（1-t）,z=0
h=10,x=80+20*t,y=10,z=0
h=10,a=80,x=100+40*t,y=10-5*t*t,z=0
h=10,a=80,x=140+40*t,y=5*（1-t）*（1-t）,z=0
由方程曲线知，凸轮的基圆半径为Ra=40mm,升程角为80°（其中0～40°为等加速运动，40～80°为等减速运动）,远休止角为20°,回程角为80°（其中100～140°为等加速运动，140～180°为等减速运动）,从动件升程为h=10mm。
曲线如图3.1所示。
图3.1方程曲线
选择菜单文件-保存副本选项，在保存副本对话框中选择保存类型为iges格式，输入名称为tulun,单击确定按钮，在弹出的输出iges对话框中选中基准曲线和点复选框，单击曲面复选框中取消选中标志，单击确定按钮，完成iges文件输出。
在模型树中右击刚才创建的由方程得到的曲线特征，在弹出的菜单中选择隐藏选项。
3.4.创建图形特征
选择菜单插入-模型基准-图形选项，根据系统提示在消息输入框中输入图形名称cad，单击确定按钮，进入草绘模式。
在草绘模式中，在工作区左下角绘制一个坐标系，同时绘制一条水平，一条垂直的中心线通过此坐标系。
选择菜单草绘-数据来自文件选项，再打开对话框中选择刚才输出的tulun.igs文件，单击打开。
关闭信息窗口，在缩放旋转对话框中输入比例1和角度0，拖动该曲线至适当位置，单击确定按钮。
删除伴随该曲线出现的坐标系，更改尺寸标志和尺寸值。
如图3.2所示。
图3.2草绘图形特征
3.5.创建可变剖面扫描特征
选择菜单插入-可变剖面扫描选项，在操纵板中选择扫描为实体选项，在工作区中选择扫描轨迹，单击草绘按钮，进入草绘模式，绘制剖面。
选择菜单工具-关系选项，此时，尺寸值立即变为尺寸编号sd#,在弹出关系对话框中输入关系式，单击确定按钮，单击草绘工具栏中确定按钮，退出草绘模式。
如图3.3所示
图3.3可变剖面扫描实体
3.6创建孔特征
在凸轮基准圆的中心拉伸一个直径为5的孔。
结果如图3.4所示。
图3.4凸轮图
第4章其余零件设计
4.1从动杆设计
打开新建对话框，在名称输入框中输入congdonggan,单击适应默认模板复选框取消选中标志，单击确定按钮，打开新文件选项对话框。
选择mmns_part_solid模板，建立单位为公制的新文件。
然后使用拉伸命令，绘制草图，完成后单击草绘工具栏中的确定按钮，退出草绘模式，然后单击操纵板中的确定按钮，生成所要特征。
结果如图4.1所示
图4.1从动杆图
4.2连杆设计
草绘工具栏中的确定按钮，退出草绘模式，然后单击操纵板中的确定按钮，生成所要特征。
打开新建对话框，在名称输入框中输入liangan,单击适应默认模板复选框取消选中标志，单击确定按钮，打开新文件选项对话框。
选择mmns_part_solid模板，建立单位为公制的新文件。
然后使用拉伸命令，绘制草图，完成后单击草绘工具栏中的确定按钮，退出草绘模式，结果如图4.2所示。
图4.2连杆图
4.3滑块设计
打开新建对话框，在名称输入框中输入huakuai,单击适应默认模板复选框取消选中标志，单击确定按钮，打开新文件选项对话框。
选择mmns_part_solid模板，建立单位为公制的新文件。
然后使用拉伸命令，绘制草图，完成后单击草绘工具栏中的确定按钮，退出草绘模式，然后单击操纵板中的确定按钮，生成所要特征。
结果如图4.3所示
图4.3滑块图
第5章装配
选择系统菜单栏中的文件—新建命令，系统打开新建对话框，在对话框中选择组件单选按钮，然后制定文件名，系统默认扩展名为.asm。
完成设置后单击确定按钮，系统将自动进入装配模式。
选择系统菜单栏中的插入—元件—装配命令，系统打开对话框，对话框显示当前工作目录下所有的零件及装配件，选取一个供装配使用的零件后，系统将在装配区显示该零件，并打开元件放置对话框。
在对话框中单击连接，在显示的连接对话框中选择机架的连接类型为刚性。
选择固定。
然后依次按照上述步骤依次连接上各零件，组装成凸轮机构。
结果如图所示
该凸轮机构为对心直动尖顶盘型凸轮机构。
这种凸轮机构中的盘型凸轮是一个绕固定轴转动并且具有变化向径的盘形零件，如内燃机配气机构中的凸轮。
当其绕固定轴转动时，可推动从动件在垂直于凸轮转轴的平面内运动。
它是凸轮的最基本型式，结构简单，应用最广。
而从动件是尖顶的，能够实现任意的运动规律，但尖端处易磨损，故只适应于速度较低和传力不大的场合。
但盘型凸轮的轮廓线能够使从动件先做等加速运动，再做等减速运动，再做匀速运动，再做等加速，再做等减速，再做匀速运动，因此可引起的冲击较小。
装配图如图5.1所示。
图5.1装配图
第6章机构仿真
6.1定义凸轮从动连接机构.
单击机构—伺服电动机，弹出凸轮从动机构连接定义对话框，接受系统默认名称，选中自动选取复选框，选取凸轮的轮廓面为凸轮1的接触面，单击选取对话框中的确认按钮，则系统自动选取整个凸轮面，接受系统默认的深度显示设置自动。
如图所示。
单击凸轮2选项卡，弹出凸轮从动机构连接定义对话框，接受系统默认名称，选取从动杆的倒圆角为凸轮2的接触面，单击选取对话框中的确认按钮，则系统自动选取整个凸轮面，接受系统默认的深度显示设置自动。
单击确定按钮。
如图6.1所示。
图6.1凸轮从动机构连接定义
6.2添加驱动器
单击工具栏中的电动机按钮，打开伺服电动机对话框。
单击新建按钮，显示伺服电动机对话框，把系统默认的名称改为driver1,选取凸轮中心轴为连接轴，如果驱动器的运动方向和所需方向相反，可以单击反向按钮。
单击轮廓选项卡，弹出有关驱动器运动轮廓的对话框，单击位置旁的确定按钮，选取速度规范，接受当前轴的位置为零位置，接受系统默认的模为常数。
输入A值50，单击确定按钮。
如图6.2所示。
图6.2电动机添加过程
第7章运动分析及结果分析
7.1运行分析
单击机构分析按钮，显示伺服电动机对话框，接受系统默认的分析名为AnalysisDefinition1,接受系统默认的分析类型和开始时间，设置运动的结束时间为10，帧频为10，如图所示，单击电动机选项卡，接收系
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