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浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 班 級 09機械類(4)班 姓 名 景坷 課題名稱 凸輪機構運動分析及創(chuàng)新設計試驗平臺研制 開題報告 目 錄 1 選題的背景與意義 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.2 凸輪機構試驗平臺研究意義 1.1.3 凸輪設計方法和設計軟件 2 研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題 2.1 基本內(nèi)容 2.2 擬解決的主要問題 3 研究思路方案、可行性分析及預期成果 3.1 研究思路方案 3.2 可行性分析 3.3 預期研究成果 4 研究工作計劃 參考文獻 （開題報告全文附后） 成績： 答 辯 意 見 答辯組長簽名： 年 月 日 系 主 任 審 核 意 見 簽名： 年 月 日 凸輪機構運動分析及創(chuàng)新設計試驗平臺研制 景坷 ( 09機械類（4）班 B09300412) 凸輪機構是工程中用以實現(xiàn)機械化和自動化的一種重要驅(qū)動和控制機構，在輕工、紡織、食品、醫(yī)藥、印刷、標準零件制造、交通運輸?shù)阮I域運行的工作機械中獲得廣泛應用。凸輪機構之所以能夠得到如此廣泛應用，是因為它具有傳動、導向和控制等功能。當它作為傳動機構時，可以產(chǎn)生復雜的運動規(guī)律：當它作為導向機構時，可使工作機械的動作端產(chǎn)生復雜的運動軌跡：當它作為控制機構時，可控制執(zhí)行機構的工作循環(huán)。隨著社會發(fā)展和科技進步為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率，對機械設備的性能指標提出更高的要求，作為機械設備核心部件的凸輪機構而言，必須進一步提高其設計水平，在解析法設計的基礎上開展計算機輔助設計的研究和推廣應用。因此，開展對凸輪機構運動分析的研究，對于揭示機構的運動性能，進行機構的優(yōu)化設計和動力學分析有著重要的實際意義。 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.1.1 凸輪機構國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國對凸輪機構的應用和研究已有多年的歷史，目前仍在繼續(xù)擴展和深入。1983年全國第三屆機構學學術討論會上關于凸輪機構的論文只有8篇，涉及設計、運動規(guī)律、分析、廓線的綜合等四個研究方向。到了．1988年第六屆會議，已有凸輪機構方面的論文20篇，增加了動力學、振動、優(yōu)化設計等研究方向。而1990年第七屆會議，凸輪機構方面的論文22篇，又增加了CAD／CAM、誤差分析等研究方向。近幾年，對凸輪分度機構方面的研究也不斷深入，并發(fā)表了一系列論文，對凸輪機構的共軛曲面原理、專家系統(tǒng)等方面也有了相當?shù)难芯俊，F(xiàn)在凸輪機構已經(jīng)在包裝機械、食品機械、紡織機械、交通運輸機械、動力機械、印刷機械等領域得到廣泛的應用。但是，與先進國家相比，我國對凸輪機構的研究和應用還存在較在的差距，尤其是在對振動的研究、凸輪機構的加工及產(chǎn)品開發(fā)等方面。 在歐美各國，很多學者為凸輪機構的研究作出了貢獻。早在三十年代，F(xiàn)．D．Furman就寫了一本系統(tǒng)介紹凸輪設計的著作，當時的研究工作主要集中在低速凸輪機構，而且主要分析的是運動規(guī)律。到了四十年代，人們開始對配氣凸輪機構的振動進行深入研究，并從經(jīng)驗設計過渡到有理論根據(jù)的運動學和動力學分析。四十年代末，J．A．Hron~等人已經(jīng)注意到從動件的剛度對凸輪機構動力學響應有明顯的影響。五十年代初，D．B．Mitchell最先對凸輪機構進行實驗研究。后來不少學者采用多種儀器，如高速攝影機、加速度分析儀和動態(tài)應變儀等，對高速凸輪的動力學響應進行測量，并獲得了許多重要成果。 隨著計算機的發(fā)展，凸輪機構的CAD／CAM獲得巨大成功，凸輪機構的研究經(jīng)歷了從經(jīng)驗設計到優(yōu)化設計，從單純的運動分析到動力學研究，從手工加工到CAM等發(fā)展階段。僅八、九十年代，就有P．Diemtma，J．K．Mills ，Y．Peng ，V．Y ．Belrstij ，Y．W．Chan等人先后發(fā)表了有關凸輪機構優(yōu)化設計方面的論文，而Tsay，Bagci，Camil，Yilmaz，Yuksel，A．I．Mahyuddin，Cardona，Aiberto，T．L．Drenser 等人先后發(fā)表了有關凸輪振動、動態(tài)響應等動力學性能方面的論文。 歐美各國的學者還特別注重研究文獻的收集整理，P．W．Jensen在其專著《凸輪設計與制造》中幾乎列出了1984年以前的、有記載的、可以找得到的所有的文獻資料，共1817篇。根據(jù)該書和1984年以后出版的《Ei》，對歐美各國自1950年以來在各研究方向所發(fā)表的論文數(shù)量作了初略的統(tǒng)計，總結得出四十年來歐美各國凸輪機構研究的特點大致如下； (1)論文數(shù)量多，研究范圍廣。 (2)研究的連續(xù)性和發(fā)展性強。在每個研究方向上每年都有相當數(shù)量的論文發(fā)表，而且關于新技術應用的論文數(shù)量也逐年增多。如五十年代至六十年代，有關設計加工及刀具的論文是大量的，而有關優(yōu)化設計的論文幾乎沒有。到了七十至八十年代，這方面的論文顯著增多，而到了九十年代，有關凸輪機構動力學方面的研究論文大量發(fā)表，同時有關高速凸輪機構的新的分析方法和改善其動力學性能方面的研究論文也不斷涌現(xiàn)。因此可以認為，凸輪機構的研究是持續(xù)且有發(fā)展的。 (3)研究工作隨著新技術、新方法的產(chǎn)生和應用而深化。倒如凸輪機構的優(yōu)化設計，早期的優(yōu)化 目標極為簡單，主要是確定最小基圓半徑。隨著優(yōu)化方法和計算機的應用，優(yōu)化目標的選擇也越來越復雜，如可以是最小體積、最小接觸應力、最長壽命、從動件最小振動、最高效率、最小功耗等。 (4)基礎理論的研究持續(xù)穩(wěn)定。雖然凸輪機構的研究不斷有新的擴展，但是對其基礎理論如從動件運動規(guī)律、幾何學、運動學等方面的研究論文仍有相當多的數(shù)量，這是因為當其他方面的研究需要深化和擴展時，往往由于基礎理論研究得不夠而難以繼續(xù)。倒如采用優(yōu)化方法，如果數(shù)學模型誤差很大，再好的優(yōu)化方法也得不到好的結果。 日本也特別重視凸輪機構的研究，有很多從事凸輪機構研究的專家，早期有小才川介、中開英一等，現(xiàn)在有牧野洋、西岡雅夫 筱原茂之等}還有許多專門生產(chǎn)凸輪機構的公司，如大冢公司、三共制作所、 和凸輪公司等。日本經(jīng)常舉行討論凸輪機構的學術會議。在有關的國際性刊物上也經(jīng)?？吹饺毡驹谕馆啓C構研究方面的論文。日本近期在凸輪技術的發(fā)展上所做的工作主要有以下幾個方面： (1)在機構設計方面，致力于尋求凸輪機構的精確解和使凸輪曲線多樣化，以適應新的要 求。 (2)加強了凸輪機構動力學和振動方面的研究．提高了機構的速度，發(fā)展了高速凸輪。他們已經(jīng)生產(chǎn)出分度數(shù)每分鐘8000次的分度凸輪機構。 (3)研制新的凸輪加工設備，以適應新開發(fā)的產(chǎn)品 實現(xiàn)了凸輪機構的小型化和大型化，已經(jīng)設計生產(chǎn)出了世界上最小和最大的蝸桿凸輪機構，中心距前者為28mm，后者為800mm。 (4)加強凸輪機構的標準化，發(fā)展成批生產(chǎn)的標準凸輪機構。 (5)發(fā)展凸輪機構的CAD/CAM系統(tǒng)。 日本學者特別注重將各方面的研究成果應用到實際的產(chǎn)品開發(fā)中去，如他們充分地認識到凸輪機構作為控制機構具有高速下的穩(wěn)定性、優(yōu)良的再現(xiàn)性、良好的運動特性和可靠性、易于實現(xiàn)同步控制、剛度高等優(yōu)越性，因而十分重視將凸輪機構與電子技術相結合，在控制機構上作廣泛的研究，從而拓寬了凸輪機構的用途。 1.1.2 凸輪機構研究趨勢 雖然已有很多學者對凸輪機構的研究做了相當多的工作，但在各研究方向仍有許多可繼續(xù)進行的工作，并有一些研究工作有待開發(fā)。從設計的角度考慮，大致有以下幾點： (1)在從動件運動規(guī)律的研究方面，除了繼續(xù)尋找更好的運動規(guī)律外，要研究有效的分析方法。 (2)在幾何學和運動學的研究方面，要綜合考慮各種凸輪機構，盡可能導出普遍適用的計算公式。已有研究大多集中于平面和圓柱凸輪，而且是一種凸輪一種研究方法，因而設計公式過多，近似較多，并影響到其他方面(如CAD的應用等)的研究。 (3)發(fā)展通用而有效的CAD系統(tǒng)。由于種種原因，計算機在凸輪機構設計中的應用一直被局限于幾種平面和圓柱凸輪機構，且每一程序一般只能處理一、二種機構，對比較完整的CAD系統(tǒng)的研究，在近十幾年才開始，且很不完善。 (4)引入專家系統(tǒng)或人工智能CAD系統(tǒng)。由于凸輪機構不是標準機構，種類多，應用廣，加之許多已有的知識不能公式化，所以應用普通的CAD系統(tǒng)，有時效果并不很理想。如果引入專家系統(tǒng)，則可以獲得較為理想的結果。 (5)動力學研究的深化及研究成果的進一步實用化 由于動力學問題本身的復雜性，導致研究主要集中于低、中速凸輪機構，對高速凸輪機構的動力學研究還不夠深入、完善，所以，人們對這些研究成果的可靠性存在懷疑，這些成果的應用尚不廣泛。 (6)加強對凸輪機構的運動學特性和動力學特性的計算機模擬，以提高設計質(zhì)量和縮短產(chǎn)品研制周期。 1.1.3 凸輪設計方法和設計軟件 凸輪機構分類如圖1-1 圖1-1 凸輪機構的分類 設計凸輪機構時，首先應根據(jù)工作要求確定從動件的運動規(guī)律，然后再按照這一運動規(guī)律設計凸輪廓線。 凸輪廓線的設計方法有作圖法和解析法，其基本原理相同。 為了便于在圖紙上繪制出凸輪的輪廓曲線，可采用反轉法。圖1-2表示的是對心直動尖底從動件盤形凸輪機構為例來說明其基本原理。 圖1-2 反轉法畫凸輪 真實運動：凸輪以等角速度ω 繞軸 O 逆時針轉動，推動從動件在導路中上、下往復移動。 反轉法：整個機構加上一個（-ω）的轉動→凸輪靜止固定不動→→從動件隨導路一起以角速度（-ω）轉動，同時又按原來的運動規(guī)律相對導路作移動→→→從動件尖端參與復合運動所劃出的軌跡即為凸輪廓線。 凸輪機構的形式多種多樣，反轉法原理適用于各種凸輪輪廓曲線的設計。 1． 作圖法設計凸輪廓線 1.對心直動尖底從動件盤形凸輪廓線的設計 已知:基圓半徑ro、從動件的運動規(guī)律、凸輪逆時針方向轉動;試設計凸輪廓線。如圖1-3所示。 圖1-3 對心直動尖底從動件盤形凸輪廓線的設計 2. 偏置直動尖底從動件盤形凸輪廓線的設計如圖1-4所示。 圖1-4 偏置直動尖底從動件盤形凸輪廓線的設計 3.平底從動件 平底從動件盤形凸輪機構凸輪輪廓曲線的設計思路與上述滾子從動件盤形凸輪機構相似,不同的是:應畫出一系列平底，作平底直線族的包絡線，即得到凸輪的實際廓線。如圖1-5所示。 圖1-5 平底從動件凸輪輪廓線設計 4.擺動從動件盤形凸輪廓線的設計 圖示為一尖端擺動從動件盤形凸輪機構。已知凸輪軸心與從動件轉軸之間的中心距為a凸輪基圓半徑為rb，從動件長度為l，凸輪以等角速度ω 逆時針轉動，從動件的運動規(guī)律如1-6所示。設計該凸輪的輪廓曲線。 注意：圖中凸輪廓線與擺桿AB在某些位置已經(jīng)相交。故在考慮機構的具體結構時，應將從動件做成彎桿形式，以避免機構運動過程中凸輪與從動件發(fā)生干涉。 圖1-6 擺動從動件盤形凸輪廓線的設計 5. 圓柱凸輪輪廓曲線的設計 圓柱凸輪機構是一種空間凸輪機構。其輪廓曲線為一條空間曲線，不能直接在平面上表示。但是圓柱面可以展開成平面，圓柱凸輪展開后便成為平面移動凸輪。平面移動凸輪是盤形凸輪的一個特例。因此可用前述盤形凸輪輪廓曲線設計的原理和方法，來繪制圓柱凸輪輪廓曲線的展開圖。 1）直動推桿圓柱端面凸輪設計 實際上，在作推桿位移線圖時，若取橫軸長為圓柱體周長的話，即畫出該凸輪的理論廓線。如圖1-7所示。 圖1-7 直動推桿圓柱端面凸輪設計 2） 擺動推桿圓柱凸輪設計 圖1-8 擺動推桿圓柱凸輪設計 二．用解析法設計凸輪廓線 用解析法設計凸輪廓線，就是根據(jù)從動件的運動規(guī)律和已知的機構參數(shù)，求出凸輪廓線的方程式，并精確地計算出凸輪廓線上各點的坐標值。 設計凸輪的軟件 為了必須進一步提高凸輪機構設計水平，在解析法設計的基礎上產(chǎn)生了許多計算機輔助設計軟件，基于pro/e，solidwork，UG，MachineCam，F(xiàn)eatureCAM，CAXA，MATLAB等 1.1.4凸輪加工方法 凸輪加工的關鍵是型面加工。加工凸輪型面的方法可分為兩類：一類是用手工、機床掛輪和數(shù)控機床等直接加工；另一類是用仿形法間接加工。仿形法生產(chǎn)率高，適于成批大量生產(chǎn)。由于按靠模仿形時，靠模的制造誤差和仿形過程的誤差，都會影響到工件加工精度，所以凸輪的直接加工法一般要比間接加工法容易控制加工精度，生產(chǎn)率一般較低，多用于單件、小批生產(chǎn)。但數(shù)控機床加工也用于中批生產(chǎn)。 一:直接加工法 (1) 按劃線加工 按劃線加工是指加工好凸輪基準面后，由鉗工劃出凸輪工作型面線，然后按線粗銑或鉆孔后鋸開，最后由鉗工修挫成形，用金屬板劃線后按線檢驗。此法生產(chǎn)率低，只適宜單件生產(chǎn)精度較低的凸輪。 (2)在銑床上用分度頭及掛輪銑 凸輪工作型面為阿基米德螺旋線和漸開線時，可在銑床上利用分度頭和掛輪銑削，如圖1-9所示。加工時，工件裝在分度頭上，并與水平線傾斜。角，工作臺由絲杠掛輪傳動。隨著分度頭的旋轉，分度頭與工作臺帶動凸輪坯逐漸向銑刀靠近，從而銑出各種型面曲線。分度頭主軸傾斜角是為了確定掛輪齒數(shù)時便于計算和利用一套掛輪銑出多種曲線而設的。這種凸輪型面加工方法因受傳動精度等影響，型面精度不很高，主要用于不淬硬凸輪的加工和型面磨削前的預加工 圖1-9 用分度頭和掛輪銑削銑凸輪 (3)用數(shù)控機床加工 隨著數(shù)控機床的日益發(fā)展和普及，中小批量凸輪越來越多地利用數(shù)控機床進行加工。在數(shù)控機床上加工凸輪型面時，先根據(jù)凸輪型面的參數(shù)編制程序，輸入到數(shù)控裝置中，控制機床的縱橫進給運動，完成凸輪型面的自動加工。其精度和可靠性大為提高。 二：仿型加工法 仿型加工法也叫復制加工，它是按靠模或樣板凸輪的原型加工。廣泛應用于凸輪的中批及大批生產(chǎn)中。 屬于仿形法加工的有：靠模車削、仿形銑削和仿形磨削。現(xiàn)代的凸輪仿形法加工，多用液壓仿形銑床、光電跟蹤仿形銑床和傷形磨床等加工。 （1） 靠模車凸輪 在普通車床上，利用仿形裝置可以加工具有封閉輪廓的盤形和圓柱形的凸輪，如圖1-10所示。 圖1-10靠模車凸輪 圖中在普通車床上安裝了帶有滾子的靠模裝置，通過靠模2把凸輪工作表面尺寸轉換到刀具的運動上去，橫拖板上的滾子3借助于彈簧的作用始終保持與靠模接觸。切削時縱向進給自動(或手動)進行，而橫向進給由靠?？刂疲瑥亩由铣龀尚凸ぷ鞅砻?。 （2） 仿形銑凸輪 利用靠模夾具銑削凸輪的工作情況可參見圖1-11 圖1-11 仿形銑凸輪 機械式仿形加工凸輪時，靠模磨損快，加工精度低?，F(xiàn)代的仿形銑床，采用液壓或電液仿形系統(tǒng)，光電跟蹤仿形系統(tǒng)等。采用液壓或電液仿形銑床時，由于靠模所受壓力極小，使用壽命長，因而可以采用鑄鐵、鋁合金、木材、石膏等容易加工的材料制造。采用光電跟蹤仿形時，由于光電系統(tǒng)可跟蹤白色背景上的黑線、工藝人員只需繪制凸輪的輪廓圖，就可按圖進行輪廓仿形加工。 （3）仿形磨削凸輪 仿形磨削用于加工凸輪型面已淬硬且粗糙度要求小，輪廓功線的向徑精度要求較高的凸輪。 仿形磨削可在通用機床上安裝仿形裝置和磨頭進行加工，亦可在專門的仿形磨床上加工，它們的構造與工作原理基本上與仿形銑削相同。 使用數(shù)控機床加工凸輪目前漸漸增多，是一種較新的加工方法。 三：用專用靠模、專用夾具枉普通立銑床上銑削 在立銑床上松開刀架橫向進給的螺絲，靠配通產(chǎn)生的力迫使?jié)L于一直靠緊靠模。這種方法在工廠既沒靠模銑床， 又沒有數(shù)控機床的條件下而生產(chǎn)批量又較大的場合下使用。 四：在萬能銑床上加工 從動桿作勻速運動的凸輪，盤狀凸輪的輪廓曲線是阿基米德螺線，圓柱凸輪的槽展開圖為一斜直線。 這兩種凸輪的輪廓曲線可以在萬能銑床上加工，只要計算好配換齒輪，刀具即能按上述曲線運動，加工比較方便。 1.2 凸輪機構試驗臺研究意義 在這個實驗平臺中，將凸輪的設計、分析，優(yōu)化及測試進行一系列的綜合性實驗，不僅可供學生使用，增強他們的綜合設計與創(chuàng)新能力、實踐動手能力、分析和解決問題能力，而且還可以為凸輪機構的進一步研究提供一個平臺。通過這個實驗平臺，可以研究凸輪的輪廓曲線，分析各種運動學和動力學參數(shù)，然后進行凸輪機構的優(yōu)化設計。因此，凸輪機構創(chuàng)新設計試驗平臺研制對于凸輪機構的深入研究和生產(chǎn)制造都會起著重要的作用。 2 研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問題 2.1 基本內(nèi)容 本課題主要內(nèi)容有： 1、了解凸輪機構運動及特性測試試驗臺研制，研究目的。理解各種典型凸輪機構結構及其特點。確定完整實驗系統(tǒng)總體方案； 2、實驗臺機械裝配圖一份及主要零件加工圖若干份； 3、相關測試用傳感器、型號選定及按裝機架設計； 4、凸輪機構運動學分析及運動仿真設計。 2.2 擬解決的主要問題 設計一臺小型凸輪機構運動分析及創(chuàng)新設計試驗平臺, 完成凸輪機構運動規(guī)律及傳動機構傳動特性參數(shù)可測試。利用計算機對凸輪機構結構參數(shù)進行優(yōu)化設計，然后，通過計算機對凸輪機構的運動進行仿真和測試分析，從而實現(xiàn)計算機輔助設計與計算機仿真和測試分析有效的結合，實現(xiàn)理論與實際的緊密結合。從而深入了解不同規(guī)律的盤形凸輪和圓柱凸輪機構的運動特點。進一步提高其設計水平，在解析法設計的基礎上開展計算機輔助設計的研究和推廣應用。 3 研究思路方案、可行性分析及預期成果 3.1 研究思路方案 3.1.1 凸輪機構工作的基本原理 凸輪機構的類型眾多，輪廓曲線通常也比較復雜，本課題所選用的是最常用的盤形凸輪機構，直動從動件盤形凸輪，如圖3-1所示。當凸輪l繞軸O旋轉時，推動從動件2沿導軌3(機架)做往復直線運動。通常，凸輪為機構的原動件。 圖3-1 凸輪機構 3.1.2 試驗臺系統(tǒng)組成 試驗臺系統(tǒng)框圖如圖3-2所示，它由以下設備組成： 1、凸輪綜合實驗臺（凸輪實驗臺的機械結構）。 2、凸輪軸角位移傳感器、角度盤, 各 1個，測量凸輪回轉軸角位移。 3、直動從動件位移傳感器、百分表, 各 1個，測量直動從動件位移。 4、擺動從動件角位移傳感器。 5、凸輪運動精密測量儀（單片機系統(tǒng)）。 6、計算機 7、打印機 圖3-2 試驗臺系統(tǒng)框圖 3.2 可行性分析 凸輪機構是最簡單的平面機構之一。在前人研究工作基礎上，本設計論文進行凸輪機構運動分析及創(chuàng)新設計試驗平臺研制，在基本原理上是可行的。 本設計的工作主要涉及力學、機械原理和機械設計等方面的知識,CAD等設計軟件，本人已學習了這些相關課程，并取得了較好的成績，掌握了本設計所需的基本知識。 指導老師及其課題組在相關研究方面具有很多成功的經(jīng)驗，本設計的研究方法思路經(jīng)過深思熟慮，切實可行，能夠確保畢業(yè)設計的順利完成并取得預期的研究成果。 3.3 預期研究成果 完成實驗臺相應傳感器的按裝設計、機械結構設計，保證設計能較好的滿足設計要求。 ４ 研究工作計劃 起止時間 內(nèi)容 2012.11.17~2012.12.03 調(diào)研、信息匯總，文獻查閱分析 2012.12.07~2013.01.03 外文翻譯、文獻綜述、開題報告，并熟悉理論力學、機械原理等相關知識 2013.01.04~2013.01.14 提交開題報告、文獻綜述及外文翻譯 2013.01.16~2013.01.16 開題答辯 2013.01.18~2013.03.10 凸輪機構運動分析及創(chuàng)新設計試驗平臺的整體方案設計 2013.03.11~2013.03.28 試驗平臺設計及零部件設計 2013.03.29~2013.04.11 試驗平臺裝配 2013.04.12~2013.04.24 繪制裝配圖及主要零件圖 2013.04.25~2013.05.02 結構改進設計及畢業(yè)論文撰寫 2013.05.03~2013.05.10 完成并提交畢業(yè)論文 2013.05.11~2013.05.24 整理材料準備答辯 2013.05.25~2013.05.29 論文答辯 參考文獻 [1] 劉昌祺，（日）牧野洋，曹西京，凸輪機構設計[M]，北京市：機械工業(yè)出版社，2005，1. 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