毕业论文-凸轮机构建摸,受力分析和运动仿真与分析研究

摘要
凸轮是一具有曲面轮廓的构件，一般多为原动件（有时为机架）；当凸轮为原动件时，通常作等速连续转动或移动，而从动件则按预期输出特性要求作连续或间隙的往复运动、移动或平面复杂运动。

本文主要介绍凸轮的大体概念与凸轮廓线的设计计算，以及后期使用Pro/E软件仿真其廓线。

凸轮轮廓曲线是凸轮机构设计的关键，常用的设计方法有解析法和图解法。

本文将对这两这种方法进行大致分析与应用设计，利用Pro/E软件绘制凸轮机构实体模型，并用Pro/E软件自带的Pro/MECHANICA Motion插件设计凸轮机构运动模型，进行机构运动学仿真分析，可以较准确掌握机械产品零部件的位移、速度和加速度等动力学参数，进而可分析机构动作的可靠性。

主要技术要求为：熟悉凸轮设计基本原理及相关理论计算；凸轮机构运动仿真及受力分析；指定内容的翻译和Pro/E软件的熟练应用。

本文将重点研究凸轮机构建摸，受力分析和运动仿真与分析。

通过理论上的计算和研究，结合图解以及解析的方法，算出凸轮廓线的大致数据，用Pro/E软件将其绘制出，进行运动仿真，记录和研究其位移、速度和加速度等动力参数，最后分析出机构动作的可靠性。

使以后工作中，可以更准确掌握机械产品零部件的动力方面个参数，减少事故的发生，降低设计的难度。

关键词：凸轮；廓线设计；Pro/E；三维造型；仿真。

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 and 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.
目录
1绪论 (1)
1.1选题意义 (1)
1.2 仿真技术的发展 (3)
1.3 Pro/Engineer在机械制造中的应用 (5)
1.3.1 Pro/Engineer软件介绍 (5)
1.3.2Pro/E在我国机械行业中的应用 (8)
2凸轮轮廓线的设计 (10)
2.1绪论 (10)
2.2 凸轮机构的分类 (11)
2.2.1 按两活动构件之间的相对运动特性分类 (11)
2.2.2 按从动件运动副元素形状分类 (11)
2.2.3 按凸轮高副的锁合方式分类 (11)
2.3从动件运动规律 (12)
2.3.1 基本运动规律 (12)
2.4 凸轮轮廓线的设计 (14)
2.4.1凸轮轮廓曲线的计算 (14)
2.5凸轮机构基本尺寸的确定 (17)
2.5.1凸轮机构的压力角及许用值 (17)
2.6.2凸轮理论轮廓的外凸部分。

(18)
2.7 图解法求解凸轮轮廓曲线 (20)
2.7.1 反转法原理 (20)
2.7.2 滚子从动件盘形凸轮轮廓的设计 (20)
3 凸轮机构的三维造型及仿真 (22)
3.1引言 (22)
3.2凸轮机构的三维造型 (23)
3.2.1凸轮机构各零件的实体造型 (23)
3.3 凸轮机构的仿真 (27)
3.3.1创建伺服电动机 (27)
3.3.2完成定义后，就可以进行运动分析了 (27)
总结 (32)
致谢 (32)
参考文献 (33)
凸轮廓线精确设计及运动仿真
1绪论
1.1选题意义
在产品的开发过程中，有关产品的结构、功能、操作性能、生产工艺、装配性能，甚至维护性能等等许多问题都需要在开发过程的前期解决。

一般，人们借助理论分析、CAD系统和各种比例的实物模型，或参考先前产品的开发经验来解决有关新产品开发的各种问题。

由于有关装配、操作和维修的问题往往只会在产品开发的后期或在最终产品试车过程中、甚至在投入使用一段时间后才能暴露出来，尤其是有关维修的问题往往是在产品已经售出很长是以后才能被发现。

为了解决这些问题，有时产品就不得不返回到设计构造阶段以便进行必要的设计变更。

这样的产品开发程序不但效率低、耗时，费用也高。

为了解决这些问题，虚拟仿真技术应运而生。

仿真技术是利用计算机技术对所要进行的生产和制造活动进行全面的建摸和仿真，包括产品的设计、加工、装配、各参数的设定改进等等。

在产品的设计阶段就实时地模拟出产品的形状和工作状况、制造过程、检查产品的可制造性和设计合理性，以便及时修改设计，更有效地灵活组织生产，缩短产品研制周期，获得最好的产品质量和效益。

仿真技术这个术语在近两年的文献中已不罕见。

仿真技术是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工个具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验。

例如，汽车或飞机的驾驶训练模拟器，就是应用仿真技术的成果。

信息处理技术和网络技术的发展，实际上已经完全改变为仿真的概念。

将先进的仿真技术手网络技术相结合，由真实装备和计算机仿真系统综合仿真
系统组成仿真环境，用计算机网络把新武器系统和分散在不同地点的研制者、用户联系在一起，让用户在仿真环境中提前“使用”正在研制的武器，让研制者能提前了解武器的作战使用，双方共同研究，及时发现和解决问题。

这样不仅加快了武器系统的研制进度，也缩短了新武器形成战斗力的时间。

在部队训练方面，仿真技术同样大有用武之地。

美国陆军到80年代末，训练士兵还是采用野战训练和模拟训练两种方法。

战训练的主要问题是燃料、弹药消耗大，场地、都有困难，组织大规模演习费时又费力；模拟训练，所用的模拟器可能比其它所模拟的真实装备还要贵。

为了解决部队训练问题，美国国防部高级研究计划局1983年开始实施模拟器联网计划，把分散在各地的训练器用计算机联成网络，形成分布式交互仿真，实现异地联通与互操作。

仿真技术是一项国防关键技术，对提高武器系统的研制效率、改善部队训练和提高战斗力将发挥越来越大的作用，已成为发达国家实现质量建军的一种重要手段。

目前，机械行业有多款仿真设计软件，但其中功能最为强大，使用最广的是一款名为Pro/Engineer的软件，此次设计也使用该软件。

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。

但是在凸轮的传统设计过程中，设计着主要根据以往的设计经验，结合大量的经验公式和设计参数来进行具体的设计，很难实现凸轮的优化设计。

加上凸轮在加工过程中也比较复杂的问题，造成了凸轮的设计周期长，设计成本高，传动质量较低的问题。

本文把仿真技术应用到凸轮轮廓线设计中，实现对凸轮轮廓的优化，了解其运动的各参数，如速度、加速度、转角等等。

1.2 仿真技术的发展
仿真技术经过半个多世纪的发展，从研究简单系统到现在已经成为人们研究复杂系统的有力工具，大致经历了三个阶段。

发展阶段二次大战末期，火炮控制与飞行控制动力学系统的研究促进了仿真技术的发展，20世纪40年代研制成功第一台通用电子模拟计算机。

50年代末期到60年代，导弹和宇宙飞船的姿态及轨道动力学的研究。

仿真技术在阿波罗登月计划及核电站的广泛应用。

以及50年代末第一台混合计算机系统用于洲际导弹的仿真，促进了仿真技术的发展。

这是仿真技术的发展阶段。

成熟阶段在军事需求推动下，70年代中期，仿真技术不但在军事领域迅速发展，而且扩展到许多领域。

在这个时期出现了用于培训民航客机驾驶员和军用飞机飞行员的飞行训练模拟器和培训复杂工业系统操作人员的仿真系统等产品。

相继出现了一些从事仿真设备和仿真系统生产的专业化公司。

例如美国的GSE公司。

E＆S公司。

ABB公司。

Dynetics公司等，使仿真技术达到了产业化阶段。

这标志着仿真技术进入了成熟阶段。

70年代末，国际政治军事格局的改变，为仿真技术的发展创造了新的机遇。

一方面，随着世界范围内冷战状态的缓和，各国政府纷纷把投资重点转向了本国的经济建设，并开始大规模地削减常规军队，大规模的军事演习不仅受到政治环境的约束，同时也受到经济状况的制约，与之相矛盾的是现代战争越来越强调部队联合作战能力的培训以及战略战术的运用；另一方面，现代武器系统装备越来越复杂，武器系统研制的费用越来越高，研制周期越来越长，培训使用操作人员的时间也越来越长，必须找到研制开发新武器系统的更加有效的途径和方法，形
成一个新武器的决策者。

开发者与使用者协调配合。

共同参与的武器研制体系，缩短武器系统研制开发的周期和成本，这成为各国军方都在探索的问题。

仿真技术为解决这些问题提供了一条有效的技术途径。

同样，随着技术进步，工业生产设备越来越复杂，操作水平要求越来越高，面临着与武器系统装备同样的问题。

这种技术需求推动了仿真技术快速发展。

高级阶段 20世纪80年代初以美国国防高级研究计划局(DARPA)和美国陆军共同制定和执行的SIMNET(SimMlators Network)研究计划和美国三军建立先进的半实物仿真试验室为标志，标志着仿真技术发展到了一个新的高级阶段。

SIMNET计划是分布交互仿真的初型和开始。

到90年代，各个部门相继建设分布交互仿真系统。

并行分布交互仿真系统。

聚合级仿真系统。

这些仿真系统绝大多数是针对某领域的具体需求而建立的，它们之间不能互操作，其应用和各组件也不能在新的仿真应用和开发中得到重用。

随着国防工业和工业系统的发展，被仿真的系统日益复杂，规模越来越大，若各应用部门根据各自的需要完全从头开始开发大型仿真系统，工作效率低，财力人力浪费大，且模型和仿真结果的准确性。

可信度难以保证。

为了更好的实现信息。

资源共享，促进仿真系统的互操作和重用，到90年代，以美国为代表的发达国家在分布交互仿真。

先进的并行分布交互仿真以及聚合级仿真的基础上，仿真技术开始向仿真的高层体系结构
(HLA)发展。

HLA是促进所有类型仿真之间互操作。

仿真模型组件重用的高级协议。

仿真技术应用随着仿真技术的发展，仿真技术应用目的趋于多样化。

全面化。

最初仿真技术是作为对实际系统进行试验的辅助工具而应用的，而后又用于训练目的，现在仿真系统的应用包括：系统概念研究。

系统的可行性研究。

系统的分析与设计。

系统开发。

系统测试与评估。

系统操作人员的培训。

系统预测。

系统的使用与维护等各个方面。

它的应用领域已经发展到军用以及与国民经济相关的各个重要领域。

仿真作为一门综合性科学，将随着其相关领域技术的深入发展，继续向纵深快速发展，同时将扩大其综合应用的领域，在国防建设和国民经济建设中发挥更大的作用。

但是，作为一门综合性技术学科，仿真技术还有许多理论及技术问题需要继续进行深入的研究探讨。

我国应大力开展仿真技术的理论研究和技术应用研究，尽快缩短与先进发达国家在技术上的差距。

系统仿真技术的发展，必将推动我国科学技术水平的进一步提高。

1.3 Pro/Engineer在机械制造中的应用
1.3.1 Pro/Engineer软件介绍
Pro/Engineer软件系统是美国参数化技术公司PTC（Parametric Technology Corporation）的优秀产品，提供了集成产品的三维造型设计、加工、分析及绘图等功能的完整的CAD/CAM解决方案。

该软件以使用方便、参数化造型和系统的全相关性而著称。

目前Pro/Engineer软件在我国的机械、电子、家电、塑料摸具、工业设计、汽车、航天、玩具等行业取得了广泛的应用，该软件在国内的应用数量大大超过了同类型的其他国外产品。

Pro/Engineer可谓是个全方位的3D产品开发软件，集合了零件设计、产品组合、摸具开发、NC加工，饭金件设计，铸造设计、造型设计、逆向工程，自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据管理于一体，其模块众多。

主要由以下六大模块组成：工业设计（LAID）模块、机械设计（CAD）模块、功能仿真（CAE）模块、制造（CAM）模块、数据管理（PDM）模块和数据交换（Geometry Translator）模块。

下面介绍Pro/Engineer的重要特性：
(1)相关性（Full Associativity）
相关性是指所有的Pro/Engineer的功能都相互关联。

这就意味着在产品开发过程中，用户任何时候所作的变更，都会扩展到整个设计中，同时自动更新所有工程文档。

Pro/Engineer系统开发环境最突出的特点就在于它能够支持并行工程，通过一系列足以表现外形、装配性能的全相关性的解决方案，可以让用户同时在几个技术领域处理一个产品模型。

这些能力包括造型设计、机械设计、功能设计、以
及产品信息管理等。

Pro/Engineer提供的参数化设计的最大的特点就是单一数据库，所有设计过程所使用的尺寸（参数）都存在设计库中，修改CAD模型及工程图不再是一件难事，设计者只要更改3D零件的尺寸，则2D工程图就会依照尺寸的修改做集合形状的变化，同样修改2D工程图的尺寸，3D实体模型也会自动修改，同时装配、制造等相关设计也会自动修改，这样可确保数据的正确性，达到设计修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏漏情形，减少许多人为改图的时间和精力的消耗。

也正因为有参数式设计，用户才可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系式使得模型可自动计算出应有的外型，减少尺寸逐一修改的繁琐费时并减少错误的发生。

(2)基于特征的参数化建摸
参数式设计就是将零件尺寸的设计用参数来描述，并在设计修改时通过修改参数的数值来更改零件的外形。

参数化设计的思想在工业界传播了许多年，1988年，Pro/Engineer以参数设计的思想问世以后，业内人士即对参数式设计的思想翘首以待。

Pro/Engineer对于传统机械设计工作来说，有相当大的帮助作用，因为Pro/Engineer中参数不只代表设计对象的外观相关尺寸，并且具有实质上的物理意义。

例如我们可以运用系统参数（System parametes）如体积、表面积、重心、三维坐标等，或用户依设计流程所定义的用户定义参数（Use defined parameters）如密度、厚度等具有设计意义的物理量或字符串加入设计构思中来表达设计思想。

这项参数化设计的功能不但改变了设计的概念，并且将设计的便捷性推进了一大步。

(3) 数据管理
为了在最短的时间内完成最多的开发工作，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。

Pro/Engineer数据管理功能可以管理并行工程所要求的并行作业程序，并通过全相关性达到并行工程的目的。

(4) 装配管理
Pro/Engineer能够让用户使用贴合、插入、对齐等直觉式指令，轻松装配零部件，保持设计意图，达到设计目的。

而高级的功能则支持大型复杂装配体的创建与管理，并且零件数目不受限制。

(5) 工程数据库重用
工程数据库重用就是为了达到大幅提高生产力、降低成本的目的，而以标准、公认的设计作为新产品设计的基础，它能够让用户快速开发整个产品系列。

Pro/Engineer的基本结构使EDR易于实现。

随着将来几代产品的创建，会发现从Pro/Engineer中获得的益处将大大超过最初的投资。

(6) 易用性
Pro/Engineer独有的自动导引菜单为拥护提供了使用方便的选项，也可以预先选定最常用的功能。

此外，系统还提供了简短的功能菜单说明和完整的在线帮助。

这些都使得Pro/Engineer具有非常好的易用性。

(7) 硬件独立性
Pro/Engineer可以在UNIX和Windows98/2000/XP平台下运行，并在每个系统中都维持相同的界面，使用的感觉也一样。

用户可以根据自己的需求，选购最经济的硬件配置，再混用或搭配任何一种平台组合。

由于Pro/Engineer可以运行在不同环境中，具有独特的数据结构模式，因此可以方便地让信息在不同平台的机器之间相互转换。

1.3.2Pro/E在我国机械行业中的应用
随着我国汽车、家电等工业的迅速发展，工业产品的外形在满足性能要求的同时，变得越来越复杂，而这些产品的出现离不开机械制造，这就要求机械制造行业以最快的速度、最低的成本、最高的质量生产出产品。

为了达到上述的要求，机械制造企业只有运用先进的管理手段和CAD/CAM集成制造技术，才能在激烈的时常竞争中立于不败之地。

例如，广州型腔模具厂在92年开始应用Pro/Engineer软件进行压铸模具的设计及制造，并应用该软件先后完成了国家“八五”重点企业技术攻关课题《大型复杂压铸模的研制开发》及广州市重点科技攻关项目《计算机辅助模具设计、制造及分析的应用研究》等科研开发项目，先后两次引起Pro/Engineer软件，应用该软件开发出了摩托车发动机、齿轮箱、汽车离合器壳体、家电等大型复杂压铸模具，完成了一百多套模具的三维造型、模具设计、数控加工编程，取得了巨大的经济效益。

Pro/Engineer软件的集成制造技术目前是我国机械制造行业研究应用的热点。

机械产品CAD/CAE/CAM系统的集成关键是建立单一的图形数据库、在CAD、CAE、CAM各单元之间实现数据的自动传递与转换，使CAE、CAM阶段完全吸收CAD 阶段的三维图形，减少中间建模的时间和误差；借助计算机对产品性能、产品结构、加工精度、金属液体在机械零件中的流动情况及机械零件工作过程中的温度分布情况等进行反复修改和优化，将问题发现于正式生产前，大大缩短机械制造时间，提高机械制造加工精度。

Pro/Engineer软件采用面向对象的同意数据库和参数化造型技术，具备概念
设计、基础设计和详细设计的功能，为机械产品的集成制造提供了优良的平台。

Pro/Engineer的并行工程技术在机械制造中应用也是非常重要的。

机械制造是面向单式的生产方式，属于单性生产，制造过程复杂，要求交货时间短。

如果利用CAD、CAM单元技术制造机械产品，制造精度低、周期长，为了解决上述难题，我们将并行工程技术引入到机械制造过程中。

在实际生产过程中，应用Pro/Engineer软件，我们将原来机械产品设计，机械产品型腔，型芯二维设计，工艺准备，机械产品型腔，型芯设计三维造型，数控加工指令编程，数控加工的串行工艺路线改为由不同的工程师同时进行设计、工艺准备的并行路线，不但提高了产品的制造精度，而且能缩短设计、数控编程时间达40%以上。

要实施并行工程关键要实现零件三纬图形数据共享，使每个工程师用的图形数据是绝对相同，并使每个工程师所做的修改自动反映到其他有关的工程师那里，保证数据的唯一性和可靠性。

Pro/Engineer软件具有单一的数据库、参数化实体特征造型技术为实现并行工程提供了可靠的技术保证。

建立标准零件库也是Pro/Engineer在我国机械制造行业广泛应用的一个方面。

利用Pro/Engineer软件的参数化功能或指令编程技术，建立符合自身要求的常用的标准零件库，减少重复建模时间，提高设计效率。

2凸轮轮廓线的设计
2.1绪论
凸轮是一具有曲面轮廓的构件，一般多为原动件（有时为机架）；当凸轮为原动件时，通常作等速连续转动或移动，而从动件则按预期输出特性要求作连续或间隙的往复摆动、移动或平面复杂运动。

凸轮机构则是含有凸轮的一种高副机构，也是一种常用机构。

在凸轮机构中，凸轮可为原动件也可为机架；但多数情况下，凸轮为原动件。

在自动机械和半自动机械中得到了广泛的应用
比如冲窗装卸凸轮机构中，原动件凸轮固定与冲头上，当其随冲头往复上下运动时，通过凸轮高副驱动从动件以一定
规律往复水平移动，从而使机械手按预期
的输出特性装卸工件。

如右图2-1所示的自动机床进刀机构，
当圆柱凸轮绕其轴线转动时，通过其沟槽与
摇杆一端的滚子接触，并推动遥杆绕固定轴按特定的规律做往复摆动，同时通过遥杆的另一端的扇形齿轮驱动刀架实现退刀或进刀运动。

自动机床进刀机构
图2-1
2.2 凸轮机构的分类
从不同的角度出发，凸轮机构可作如下分类。

2.2.1 按两活动构件之间的相对运动特性分类
平面凸轮机构两活动构件之间的相对运动为平面运动的凸轮机构。

其按凸轮形状又可分为盘形凸轮、移动凸轮。

其中，盘形凸轮为凸轮的基本形式。

是一个相对机架作定轴转动或为机架且具有变化向径的盘形构件；而移动凸轮则可视为盘形凸轮的演化形式。

是一个相对机架作直线移动或为机架且具有变化轮廓的构件。

空间凸轮机构两活动构件之间的相对运动为空间运动的凸轮机构。

按其形状又可分为圆柱凸轮，圆锥凸轮，弧面凸轮和球面凸轮等。

2.2.2 按从动件运动副元素形状分类
尖顶从动件尖顶能与任意复杂凸轮轮廓保持接触，因而能实现任意预期的运动规律。

尖顶与凸轮呈点接触，易磨损，故只宜用于受力不大的场合。

滚子从动件为克服尖顶从动件的缺点，在尖顶处安装一个滚子。

它改善了从动件与凸轮轮廓间的接触条件，耐磨损，可承受较大载荷，故在工程实际中应用最为广泛。

平底从动件平底从动件与凸轮轮廓接触为一平面，显然它只能与全部外凸的凸轮轮廓作用。

其优点是：压力角小，效率高，润滑好，故常用于高速运动场合。

2.2.3 按凸轮高副的锁合方式分类
力锁合：利用重力、弹簧力或其他外力使组成凸轮高副的两。