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安徽科技学院 工学院 毕业设计（论文）

圆柱凸轮的发展及参数化设计

摘要：本文概述了近百年来凸轮机构研究的内容、特点及发展趋势,重点介绍了日本与中国在凸轮机构方面的研究，以及凸轮机构的参数化设计原理，通过电话听筒的设计实例来展示基于主控零件的设计思想。这样可以提高设计质量,缩短设计周期,降低试制成本,保存设计经验和提高管理水平,为产品的设计和制造的整个生命周期提供支持。

关键词：圆柱凸轮；参数化；Pro/E

引言

机构学在广义上又称机构和机器理论(简称机械原理) 。机构学研究的对象目前仍以多刚体机械系统为主,但柔性机构学的雏型已开始提出,机电等多学科相结合的广义机构学的研究已引起人们的关注。机构是组成机器的基本单元。如凸轮机构、齿轮机构和连杆机构等。从儿童玩具到产业机器人,从海洋开发的海底作业机械到登月行走机械都要用到各种机构。机构学是以运动学和力学为主要理论基础,以数学分析手段,研究各类机构基本规律以及运动和动力分析与综合方法的学科,是机械设计所依据的重要基础理论学科之一。它来源于机械设计及制造的实践总结,同时机构学的研究,又为发展创造新的机械和改进现有机械的性能提供正确有效的理论和方法。随着宇航技术、核技术、海洋开发、医疗器械、工业机器人及微技术等新科学技术的兴起和计算机的普遍应用,极大的促进了机构学的发展,创立了不少新理论和新方法, 开拓了一些新的研究领域【1】。

凸轮机构是常用机构, 应用范围很广。自三十年代以来, 人们就在不断地研究它, 并且研究工作随着新技术、新方法的产生和应用在不断深化【2】。近年来，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【3】。

圆柱凸轮机构具有体积小,结构紧凑、刚性好、运转可靠、传动转矩大等优点,因而在自动机械中被广泛应用。它们在实现间隙分度运动、较大运动升程方面具有很强的适应性【4】。但圆柱凸轮轮廓复杂，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【5】。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【6】。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【5】。

1 凸轮机构的研究和发展概况

凸轮机构结构简单、紧凑, 在自动机床进刀机构、上料机构, 内燃机配气机构、制动机构及印刷机, 纺织机, 插秧机, 闹钟和各种电器开关中都有广泛的应用。正是它的广泛应用

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推了对它的研究和它自身的发展。最初, 人们只研究凸轮的简单几何形状和运动, 以满足对从动件运动的简单的位移要求。随着对各种机械在速度、效率、寿命、噪声和可靠性等方面要求的日益提高, 对凸轮机构的研究也逐步扩展与深化, 从简单地考虑几何尺寸、运动分析和静力分析, 发展到考虑动力学分析、润滑、误差影响、弹性变形等, 其研究方向已有数十个之多【2】。特别是五十年代以来, 由于计算机技术的发展, 使得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【4】。

2 欧美国家凸轮机构研究的总体情况和特点

在欧美各国, 很多学者为凸轮机构的研究作出了贡献。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, 当时的研究工作主要集中在低速凸轮机构, 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响应有明显的影响。五十年代初,D.B.Mitchell 最先对凸轮机构进行实验研究。后来不少学者采用多种仪器, 如高速摄影机、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【2】。

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

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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。

欧美各国的学者还特别注重研究文献的收集整理, 在P.W.Jensen其专著《凸轮设计与制造》中几乎列出了年1984以前的、有记载的、可以找得到的所有的文献资料, 共1817篇。根据该书和1984年以后出版的《Ei》, 对欧美各国自1950年以来在各研究方向所发表的论文数量作了初略的统计, 总结得出四十年来欧美各国凸轮机构研究的特点大致如下:

(1)论文数量多, 研究范围广。

(2)研究的连续性和发展性强。在每个研究方向上每年都有相当数量的论文发表, 而且关于新技术应用的论文数量也逐年增多。如五十年代至六十年代, 有关设计加工及刀具的论文是大量的,而有关优化设计的论文几乎没有。到了七十至八十年代, 这方面的论文显著增多, 而到了九十年代,有关凸轮机构动力学方面的研究论文大量发表, 同时有关高速凸轮机构的新的分析方法和改善其动力学性能方面的研究论文也不断涌现。因此可以认为, 凸轮机构的研究是持续且有发展的。

(3)研究工作随着新技术、新方法的产生和应用而深化。例如凸轮机构的优化设计, 早

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期的优化目标极为简单, 主要是确定最小基圆半径。随着优化方法和计算机的应用, 优化目标的选择也越来越复杂, 如可以是最小体积、最小接触应力、最长寿命、从动件最小振动、最高效率、最小功耗等。

(4)基础理论的研究持续稳定。虽然凸轮机构的研究不断有新的扩展, 但是对其基础理论如从动件运动规律、几何学、运动学等方面的研究论文仍有相当多的数量, 这是因为当其他方面的研究需要深化和扩展时, 往往由于基础理论研究得不够而难以继续。例如采用优化方法, 如果数学模型误差很大, 再好的优化方法也得不到好的结果【2】。

圆柱凸轮作为凸轮机构一个分支它随着凸轮机构的发展而发展，圆柱凸轮机构的发展也带动了凸轮机构的发展。

3 日本凸轮机构研究的大体情况

日本也特别重视凸轮机构的研究, 有很多从事凸轮机构研究的专家, 早期有小才川介、中开英一等, 现在有牧野洋、西冈雅夫、筱原茂之等还有许多专门生产凸轮机构的公司, 如大家公司、三共制作所、协和凸轮公司等。日本经常举行讨论凸轮机构的学术会议。在有关的国际性刊物上也经常看到日本在凸轮机构研究方面的论文。日本近期在凸轮技术的发展上所做的工作主要有以下几个方面：

（1）在机构设计方面, 致力于寻求凸轮机构的精确解和使凸轮曲线多样化。以适应新的要求。

（2）加强了凸轮机构动力学和振动方面的研究, 提高了机构的速度, 发展了高速凸轮。他们已经生产出分度数每分钟8000次的分度凸轮机构。

（3）研制新的凸轮加工设备, 以适应新开发的产品。实现了凸轮机构的小型化和大型化, 已经设计生产出了世界上最小和最大的蜗杆凸轮机构, 中心距前者为28mm, 后者为800mm。

(4)加强凸轮机构的标准化, 发展成批生产的标准凸轮机构。 (5)发展凸轮机构的CAD/CAM系统。

日本学者特别注重将各方面的研究成果应用到实际的产品开发中去, 如他们充分地认识到凸轮机构作为控制机构具有高速下的稳定性、优良的再现性、良好的运动特性和可靠性、易于实现同步控制、刚度高等优越性, 因而十分重视将凸轮机构与电子技术相结合, 在控制机构上作广泛的研究, 从而拓宽了凸轮机2的用途【2】。

4 我国凸轮机构研究的总体情况

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。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只有8篇, 涉及设计、运动规律、分析、廓线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【2】。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【8】全面阐述凸轮机构的新理论与新方法以及有关材料、制

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