双联圆柱凸轮的参数化设计与运动仿真说明书.doc
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1、目 录摘要21 前言21.1国内外研究现状及应用21.2研究的目的意义31.3本文研究的主要内容42 原始数据、凸轮曲线的选择和相关计算42.1原始数据52.2选择凸轮曲线52.3滚子从动件运动规律52.4圆柱凸轮最小有效半径的计算52.4.1计算原理52.4.2推回程圆柱凸轮最小有效半径的计算53 强度设计与计算73.1材料选择73.2计算理论73.3具体计算83.4轴颈剪切应力计算113.5双联圆柱凸轮参数的确定124 参数化设计与实体建模13 4.1参数化设计原理134.2建立滚轮中心轨迹曲线134.3运用Pro/E进行参数化设计步骤164.3.1创建新文件164.3.2创建用户参数16
2、4.3.3创建曲线方程174.3.4保存文件副本184.3.5创建凸轮实体184.3.6创建凸轮凹槽特征194.3.7创建环形弯折特征214.3.8应用编程的方法进行参数输入控制,已达到快速设计新产品的目的224.3.9验证程序设计效果234.3.10 保存零件模型文件244.4其它零件的参数化设计245 运动仿真与动态分析265.1仿真的准备特征265.2元件的装配步骤275.3运动仿真29 5.4动态分析306 总结与展望32 6.1小结32 6.2展望32 致谢33 参考文献33双联圆柱凸轮的参数化设计与实体建模摘要:本文介绍了双联圆柱凸轮的研究现状和研究的目的意义以及应用前景,根据双联
3、圆柱凸轮的特殊结构特点和特殊运动要求,选择了凸轮曲线,以最大许用压力角、导程、滚子直径和最大推力为参数,进行了强度的设计与计算,根据计算的结果,使用ProE软件进行参数化设计与实体建模,有助于缩短产品开发周期,运用ProE软件进行运动仿真与动态分析,在虚拟的环境中实现机构运动目的,对提高设计效率降低生产成本有很大的作用,并对加工制造形成产业化规模有着重要的意义。关键词:双联圆柱凸轮;参数化设计;实体建模;运动仿真;动态分析1前言1.1 国内外研究现状及应用前景在欧美各国,很多学者为凸轮机构的研究做出了贡献。早在三十年代,F.D.Furman就写了一本系统介绍凸轮设计的著作,当时的研究主要集中在
4、低速凸轮机构,而且主要分析的是运动规律。到了四十年代,人们开始对配气凸轮机构的振动进行深入研究,并从经验设计过渡到有理论根据的运动学和动力学分析。四十年代末,J.A.Hrones等人已经注意到从动件的刚度对凸轮机构动力学有明显影响。五十年代初,D.B.Mitchell最先对凸轮机构的进行实验研究。后来不少学者采用多种仪器,如高速摄像机、加速度分析仪和动态应变仪等,对高速凸轮的动力学响应进行测量,并获得了许多重要成果【1】。随着计算机的发展, 凸轮机构的CAD/CAM获得巨大成功, 凸轮机构的研究经历了从经验设计到优化设计, 从单纯的运动分析到动力学研究, 从手工加工到CAM等发展阶段。在高速凸
5、轮机构的研究方面, 欧美各国也取得了巨大的成就。Tesar在其著作【2】中对高速凸轮机构采用的多项式运动规律有较详述,T.Weber, A.S. Gutman,F.Freadunstein 等人提出了付氏级数y.运动规律,D.A. Stoddart与 G.F .Fawcett 等提出了多项式动力运动规律等等,最近, 德国、英国在高速凸轮机构的研究方面又有了新的突破, 对凸轮机构的研究采用了谐分析、谐综合等分析设计方法,使得高速凸轮机构的动力学性能有了很大的改善。我国对凸轮机构的应用和研究已有多年历史,目前仍在继续扩展和深入。1983全国第三届机构学学术讨论会上关于凸轮机构的论文只有8篇,涉及设
6、计、运动规律、分析、轮廓的综合等四个研究方向。到了1988年第六届会议,已有凸轮机构方面的论文20篇,增加了动力学、振动、优化设计等研究方向。而1990年第七届会议,凸轮机构方面的论文22篇,又增加了CAD/CAM、误差分析等研究方向【1】。目前,凸轮机构己有多本著作, 对推动凸轮机构设计起着重要的作用。参考文献【3】全面阐述凸轮机构的新理论与新方法以及有关材料、制造技术问题。从满足实际需要还附有一些实用的图、表和设计实例。参考文献【4】在建立较为通用的解析公式和应用各种计算机辅助设计系统均有一定的新意。近几年,为了适应高速分度凸轮机构设计与制造的需要, 还开展了圆柱分度凸轮机构等的动力学理论
7、和试验研究, 建立了动力学模型, 进行了动力特性分析, 这些研究有利于提高凸轮机构的运行速度和改善凸轮机构的动态性能。计算机辅助设计系统及专家系统也有了相当的研究,计算机辅助设计系统及专家系统成为现代机构设计的主要手段。它将机构概念、知识、理论和方法以及设计专家的经验和智慧与计算机系统的逻辑推理、分析、判断、数据处理、图形显示等功,能密切结合,以简便、快速地完成设计任务【5】。现在凸轮机构已经在包装机械、食品机械、纺织机械、交通运输机械、动力机械、印刷机械等领域得到了广泛的应用。但是,与先进国家相比,我国对凸轮机构的研究和应用还存在较大的差距,尤其是在对振动的研究、凸轮机构的加工及产品开发等方
8、面【6】。虽然已有很多学者对凸轮机构的研究做了相当多的工作,但在各研究方向仍有许多可继续进行的工作, 并有一些研究工作有待开发。从设计的角度考虑, 大致有以下几点:(1)在从动件运动规律的研究方面, 除了继续寻找更好的运动规律外, 要研究有效的分析方法。(2)在几何学和运动学的研究方面, 要综合考虑各种凸轮机构, 尽可能导出普遍适用的计算公式。已有研究大多集中于平面和圆柱凸轮, 而且是一种凸轮一种研究方法, 因而设计公式过多, 近似较多, 并影响到其他方面(如CAD的应用等)的研究。(3)发展通用而有效的CAD系统。由于种种原因, 计算机在凸轮机构设计中的应用一直被局限于几种平面和圆柱凸轮机构
9、, 且每一程序一般只能处理一、二种机构, 对比较完整的系统CAD的研究, 在近十几年才开始, 且很不完善。(4)引入专家系统或人工智能CAD系统。由于凸轮机构不是标准机构, 种类多, 应用广, 加之许多已有的知识不能公式化, 所以应用普通的CAD系统, 有时效果并不很理想。如果引入专家系统, 则可以获得较为理想的结果。(5)动力学研究的深化及研究成果的进一步实用化。由于动力学问题本身的复杂性, 导致研究主要集中于低、中速凸轮机构, 对高速凸轮机构的动力学研究还不够深入、完善, 所以, 人们对这些研究成果的可靠性存在怀疑, 这些成果的应用尚不广泛。(6)加强对凸轮机构的运动学特性和动力学特性的计
10、算机模拟, 以提高设计质量和缩短产品研制周期。(7)研究的CAD/CAM一体化。(8)凸轮机构作为引导机构的研究和应用【7】。1.2 研究的目的意义凸轮机构在机械中应用十分广泛,如:在自动机床进刀机构、上料机构、内燃机配气机构、制动机构等。由于电子技术的发展,现在某些设备的控制单元可以采用电子元器件,但它们一般只能传递较小的功率,而凸轮机构却能在实现控制功能的同时传递较大的功率,因此,凸轮机构在生产中具有无可替代的优越性,尤其在高速度、高精度传动与分度机构及引导机构中,更有突出的优点【1】。圆柱凸轮结构紧凑,又有良好的动力学性能,因此在凸轮机构中占有重要地位。常见的圆柱凸轮如图1所示: (a)
11、 圆柱端面凸轮 (b) 圆柱面凸轮图1 常见的圆柱凸轮凸轮a的工作面位于圆柱的顶部,从动件依靠其自身重量或弹簧弹力实现降程段的运动。不适用于从动件在升程与降程都有较大负载的设备,如瓶装饮料灌装压盖机。凸轮b可由凸轮的上工作面实现从动件降程段的运动,但当凸轮的工作面或从动件的滚轮磨损后,就会形成升程与降程的间隙误差。图2所示的双联圆柱凸轮由圆柱顶部的凸轮工作面实现从动件升程段的运动,由下部凸轮的上工作面实现从动件降程段的运动,当凸轮的工作面或从动件的滚轮磨损后,可通过调节两滚轮的中心距,消除升程与降程的间隙误差【8】。实现使用过程中磨损间隙容易调整,同时实现控制功能和传递较大的功率,但圆柱凸轮轮
12、廓复杂,计算工作量大,传统的设计和加工方法通常采用手工描点、拟合轮廓、铣床粗铣及手工精锉等方法,因此制造周期长、劳动强度大、零件精度低,已经不能满足现代工业发展的要求【9】。如果能够通过一个模板模型衍生出不同的模型,就会大大提高设计效率。参数化设计是将系列化、通用化和 图2 双联圆柱凸轮标准化的定型产品中随产品规格不同而变化的参数用相应的变量代替,通过对变量的修改,从而实现同类结构机械零件设计的参数化【7】。运用PRO/ENGINEER 参数化设计软件设计各种圆柱凸轮的方法,以及通过CIMATRON 软件调入IGES代码进行数控加工编程和实际加工的方法,该方法具有高效、精密的特点【9】。因此,
13、对双联圆柱凸轮进行参数化设计与实体建模的研究,有助于提高双联圆柱凸轮的制造品质,降低制造成本和缩短产品开发周期,为其加工制造形成产业化规模做好准备有着重要的意义。1.3 本文研究的主要内容本文运用参数化设计原理,借助Pro/E进行双联圆柱凸轮的参数化设计与实体建模,并进行运动仿真与动态分析,在虚拟的环境中实现机构运动。2原始数据、凸轮曲线的选择和相关计算2.1 原始数据推程:推杆所受阻力为,移动行程为,移动时间;回程:推杆所受拉力为,移动行程为,移动时间。 2.2 选择凸轮曲线推程运动角,运动规律为简谐运动(余弦加速度);远休止角;回程运动角,运动规律为简谐运动(余弦加速度);近休止角。行程为
14、。单个滚轮中心轨迹按周长展开得到的曲线【10】如图3所示: 图3 单个滚轮中心轨迹曲线图2.3 滚子从动件运动规律从动件在以余弦加速度上升,上升高度为,上升时间为。在从动件静止,静止时间为。在从动件以余弦加速度下降,下降高度为,下降时间为。在从动件静止,静止时间为。2.4 圆柱凸轮最小有效半径的计算2.4.1 计算原理圆柱凸轮机构中圆柱凸轮的平均半径可以根据许用压力角确定, 凸轮机构压力角的大小直接影响凸轮机构传力性能、机构尺寸和机械效率等主要参数【11】,所以压力角的选择应该在许用范围以内,由参考文献【10】得,在计算时取“=”号,即计算圆柱凸轮最小有效半径。2.4.2 推回程圆柱凸轮最小有
15、效半径的计算推程最小有效半径的计算初步取推程压力角。推程曲线如图4所示,在推程运动过程中,凸轮承受柔性冲击。图4 推程曲线推程函数为: 【10】 (1)对上式求导得: (2)当 时,代入得推程最小有效半径. (3)回程最小有效半径的计算回程曲线如图5所示,在此过程中,凸轮承受柔性冲击,与推程运动一样,这就为以后选择安全系数时提供了方便,安全系数可以按照凸轮承受柔性冲击选取,初步取回程压力角图5 回程曲线回程函数为: 【10】 (4)对上式求导得: (5) 当时,代入得回程最小有效半径 (6) 综上,圆柱凸轮的最小有效半径为: (7) 3强度设计与计算3.1 材料选择由于滚子的制造和更换比凸轮容
16、易得多,选择材料时一般选择相同材料,因为滚子半径一般都小于凸轮实际轮廓的曲率半径,又由于滚子的应力变化次数比凸轮多,故当两者材料及硬度相同时,一般是滚子先损坏。凸轮材料:钢, 调质, 【12】。凸轮表面高频感应加热淬火。滚子材料:和凸轮材料相同,热处理方法也相同。3.2 计算理论 凸轮面强度用赫兹公式计算。凸轮和滚子的接触视为两圆柱体的接触,适用赫兹公式计算。由参考文献【13】得,最大接触应力 为: (8) 由于滚子材料和凸轮材料相同并且都为钢铁,所以,化简上式得:。式中 综合曲率半径,正号用于外接触,负号用于内接触;综合弹性模量,为两接触材料的弹性模量;凸轮和滚子材料的泊松比;法线方向最大力
17、。许用接触应力计算公式为: (9) 由参考文献【13】得:。, 。则: (10) 设滚子半径为,滚子宽度为,圆柱等价曲率半径为,接触宽度为,任何一条曲线的曲率可有【14】算出,由算出。3.3 具体计算推程阶段最大推力,压力角,受力分析【15】如图6所示:图6 推程阶段受力分析由受力分析可得: (11)推程曲线函数为式(1),对推程曲线函数求一阶导得式(2), 对推程曲线函数求二阶导得: (12)由于在是内接触,在是外接触,所以推程曲线分为两段计算。当时,根据公式,要求,应该取最小值,由于凸轮与滚子是内接触,再根据公式,应该取最小值。 (13) (14) (15) (16)当时,根据公式,要求,
18、应该取最小值,由于凸轮与滚子是外接触,再根据公式,应该取最大值。 (17) (18) (19) (20)综上,推程阶段的最大值为式(20)。回程阶段最大推力,压力角。受力分析如图7所示: 图7 回程阶段受力分析由受力分析可得: (21)回程曲线函数为式(4),对回程曲线函数求一阶导得式(5)对回程曲线函数求二阶导得: (22)由于在是内接触,在是外接触,所以回程曲线分为两段计算。当时, 应该取最小值。 (23) (24) (25) (26)当时,应该取最大值。 (27) (28) (29) (30)综上,回程阶段的最大值为式(30)。由于,所以在整个运动曲线上的最大值为式(20)。即:取最大值
19、时,根据,可以得出接触线长度的最小值。 (31)3.4 轴颈剪切应力计算轴颈材料为45钢,。轴颈受力如图8所示:图8 轴颈受力滚子受力分析以上已经分析,取推程受力与回程受力两者中的最大值,则: (32)轴颈最小截面积为:【16】 (33)轴颈最小直径为: (34)考虑在制造中的误差和使用中的稳定性,轴颈最小直径适当的加大。把最小轴颈直径加,即: (35)3.5 双联圆柱凸轮参数的确定压力角滚子直径所需最大推力导程圆柱凸轮有效半径为式(7),即: 圆柱凸轮有效周长为: (36)双联圆柱凸轮滚轮运动轨迹按周长展开示意图,如图9所示:图9 双联圆柱凸轮滚轮运动轨迹按周长展开示意图双联圆柱凸轮从动件两
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