圆柱分度凸轮机构的计算机辅助设计

1997年12月 沈阳工业学院学报 Vol.16No.4第16卷第4期　JOURNAL OF SHENYANG INST ITU TE OF T ECH NOLOGY Dec.1997圆柱分度凸轮机构的计算机辅助设计
　张佩勤　谭　颖　王连荣
(沈阳工业学院机械工程系,沈阳110015)(沈阳工业学院)
摘　要　对圆柱分度凸轮机构从理论分析、CAD、凸轮加工实践等都
做了较系统的探讨,所设计的软件适用于不同类型、不同旋向、不同转向、不
同滚子型式的圆柱凸轮的设计.同时,在微机上输入所需的参数后,就可显
示出凸轮零件图、分度盘零件图及装配立体图和输出曲线数据表等,使得圆
柱凸轮设计简单明了.
关键词　凸轮机构,模块化程序,圆锥滚子,圆柱滚子,计算机辅助设计.
分类号　TP391.72
0　引言
近年来在国外的加工中心、自动化设备及自动装配机中经常见到凸轮式间歇分度机构,这种机构可分为三种类型:平面分度凸轮机构(平行分度凸轮机构);圆柱分度凸轮机构;弧面分度凸轮机构(又称蜗杆凸轮机构、福克森机构).
圆柱分度凸轮是由凸轮廓面与滚子啮合实现分度运动的.凸轮呈圆柱状,凸轮轴线与分度盘轴线垂直交错,滚子轴线与分度盘轴线平行.与弧面分度凸轮机构相比其分度数大,最大可达100,而弧面分度凸轮机构的分度数一般不超过12.该机构的从动盘的运动规律可以任意选取,因此可以得到良好的运动特性和动力特性,振动、冲击、噪音比较小.特别是当滚子为锥形时,可消除滚子与凸轮廓面接触时的侧隙,实现准确定位.由于这些特点,使其广泛应用在轻工、电子、医药等自动化设备中.
圆柱分度凸轮机构虽然得到了广泛应用,但过去大多采用图解法进行曲线设计.这对于从动盘是圆柱的滚子有使用价值,但对于圆锥滚子,只设计出一条曲线不能满足圆锥滚子与凸轮槽充分接触的要求.所以有必要用数学公式把其运动规律推导出来.
圆柱分度凸轮机构有两种类型,如图1所示.
(a )A 型圆柱分度凸轮机构
(b )B 型圆柱分度凸轮机构
图1　圆柱凸轮机构类型1　圆锥滚子圆柱分度凸轮机构廓面方程
1.1　凸轮曲线的推导
在圆柱分度凸轮机构中,凸轮廓面与滚子表面均是空间曲线,它们在空间共轭接触,凸轮曲面就是滚子曲面相对于凸轮的不同位置形成的滚子曲面簇的包络.推导凸轮廓面方程,依据共轭曲面啮合基本方程式,即凸轮与滚子曲面接触点的公法矢与该点的相对速度垂直的原理来推导的.其数学表达式为
V 12 n =0(1)
式(1)称为啮合方程.由此,建立一整套坐标系,求出滚子啮合点在某坐标系下的公法矢n 和相对速度V 12.根据啮合方程、给定的运动规律和运动学尺寸就可以求出任一时刻滚子曲面的接触线,将接触线的坐标转换到凸轮坐标系上,就得到了共轭凸轮廓面,这是一套适合于不同滚子形式(圆柱、圆锥滚子)、不同旋向(左旋、右旋)、不同转向(顺时针、逆时针旋转)的圆柱凸轮曲线方程.
1.2　滚子廓面方程
滚子圆锥面上任一点在动坐标系(该坐标系与分度盘固连)S 1(o 1—x 1y 1z 1)中曲线方程为
r p 1=x 1
y 1z 1=L + 0cos 0sin ±r (2)
式中　L ——转盘分度圆半径;
0——滚子半径;
r ——滚子圆柱面上点的z 方向坐标的绝对值;
——滚子圆柱面上的点相对于极轴x 1的极角.
r 前的“±”号与凸轮的旋向和转向有关.若凸轮右旋上转和左旋下转,r 前取负号,反之取正号.圆锥滚子半径 0是变化的,其值如下:7
第4期 张佩勤等:圆柱分度凸轮机构的计算机辅助设计
0= a-(r-R0+B)tan (3)式中 a——圆锥滚子大端半径;
R0——r的最大绝对值;
B——滚子宽度;
——滚子斜角.
1.3　圆锥滚子圆柱分度凸轮机构的接触方程[1]
B1=-N[co s 1(A-r)+ 0co s 1tan ]
B2=- 1
2L-N[(A-r)+ 0tan ]sin 1
=arctan B 2
1+B22-(L cos 1-C)2tan2
N(L cos 1-C)tan
-arctan
B2
B
1
(4)式中N为符号系数.凸轮下转,N=1;凸轮上转,N=- 1.
1.4　圆柱分度凸轮廓面方程式[1]
x2=x1cos 1cos 2-y1sin 1cos 2-C cos 2+M z
1
sin 2-N A sin 2
y2=-x1co s 1sin 2+y1sin 1sin 2+C sin 2+M z
1
cos 2-N A cos 2
z2=-M x
1sin 1-M y
1
cos
1
(5)
式中N、M为符号系数,其值为:凸轮右旋M=1;凸轮下转N=1;凸轮左旋M=-1;凸轮上转N=- 1.
由式(5)可计算出凸轮廓面坐标,其计算过程如下:
1)选定运动规律;
2)求出凸轮每转 2角度所对应的分度盘转角 1′,从而定出 1和 1 2;
3)将 1和 1
2代入式(4),求出滚子工作面上参数 和r的制约关系;
4)设定一系列r值,求得相应的 值;
5)将r和 值代入式(2),得出 2时,滚子工作面上共轭接触点的坐标值为(x1,y1,z1);
6)将(x1,y1,z1)代入式(5)中得到凸轮廓面上的共轭接触点的坐标值(x2,y2,z2).
由以上分析可知,变换r值,同时变换 2值,就可由外到内,由0～360°将凸轮廓面坐标值计算出来.本文软件设计就是利用此性能原理,进行二维循环,将凸轮廓面计算出来.
2　凸轮设计软件的设计
凸轮设计软件就是在AutoCAD下,将由凸轮曲线方程计算出的凸轮曲线点坐标用绘图功能显示出来.程序总流程图如图2所示.
本设计软件共有三个主程序、五个子程序.同时,子程序还继续调用小子程序.这些程序有8沈阳工业学院学报 1997年
的为绘制软件封面及主控界面而设定;有的是利用C 语言控制Auto CA D,Auto CAD 自动由程序引导,绘制各种零件图及立体图.在此不做详细介绍.
本软件适合于不同滚子形式、不同旋向、不同转向、不同运动规律的圆柱凸轮设计.共有9个功能模块.
1)显示程序清单功能模块
2)凸轮参数设计功能模块　此功能模块是方便用户选择参数而确定的,若选定参数满足限定要求,则在屏幕上显示出三维视图,见图3.
图2程序总流程图开始
返
回用AutoCAD 绘制图形
计算各x ,y ,z 点坐标值
进行曲线选定
输入原始数据
图3　圆柱凸轮三维视图
3)绘制圆柱凸轮零件图功能模块(见
图4)
4)圆柱凸轮三维立体图功能模块
5)凸轮装配立体图功能模块　此功能模块生成的装配立体图可清晰看见凸轮和滚子啮合在一起的情况(见图5),为滚子盘参数的确定提供方便.本模块也可用于制作具有动画效果
的凸轮啮合模拟视图。

图4　凸轮零件设计图 图5　凸轮与滚子啮合立体图
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6)分度盘零件图功能模块
7)曲线参数数据表功能模块　该模块能生成曲线点的(x,y,z)坐标值,以及y/x所得的角度和角度差值.该模块可用于加工制造中,把数据输入加工中心,再结合凸轮零件图,即可将所要求的运动规律的圆柱凸轮加工出来.
8)其它应用程序的功能模块　用此模块用户可退出本软件,回到DOS下.若想返回可键入EXIT.
9)Auto CAD R12.0功能模块
3　结束语
本文对圆柱分度凸轮设计软件开发做了初步探讨,该软件可应用于引信、火工品、子母弹等部件的自动装配机的传送系统设计,为转盘式自动装配机的传送系统设计解除后顾之忧,也为圆柱凸轮设计及加工开辟新的领域.
参考文献
1谭颖.自动装配机分度传动装置的计算机辅助设计及制造:[学位论文].沈阳:沈阳工业学院机械工程系,1997 2于云满,张敏.蜗形凸轮机构.北京:机械工业出版社,1990
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4胡秉辰,陈彤,郝卫国.弧面分度凸轮廓面的三坐标机测量.北京:农业机械学报,1994,25(增刊)
5彭国勋,肖正扬.自动机械的凸轮机构设计.北京:机械工业出版社,1990
T he CAD of Index Barrel Cam
Zang Peiqin　T an Ying　Wang Lianrong
(Dept.of M echanical Engineerin g S hen yang Institute of T echnology,Shenyan g110015)
[Abstract] T his article present the design and operatio n o f the Index Barrel Cam so ftw are.It can be used in the desig n o f index barrel cam of different types,different ro ta-tio ns,dirrerent mov ing directions and different types of roller.After entering the data need-ed,this softw ar e can show the parts draw ing s of cam,and dish,as w ell as the assembling stereogram and put out the curves of data table.T hus makes the desig n of index barrel cam being simple and easy.
[Key words] cam m echanism,m odularity r outine,cir cular co ne ro ller,circular col-um n roller,CAD.。