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浙江理工大學
本科畢業(yè)設計（論文）
題 目 凸輪機構運動分析及創(chuàng)新設計試驗平臺研制
學 院 機械與自動控制學院
專業(yè)班級 09機械設計制造及其自動化（4）班
姓 名 景坷 學 號 B09300412
指導教師 唐浙東
系 主 任 胡明 學院院長 胡旭東
二〇一三年五月十九日
浙 江 理 工 大 學
機械與自動控制學院
畢業(yè)設計誠信說明
我謹在此保證：本人所做的畢業(yè)設計，凡引用他人的研究成果均已在參考文獻或注釋中列出。設計說明書與圖紙均由本人獨立完成，沒有抄襲、剽竊他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出現(xiàn)以上違反知識產(chǎn)權的情況，本人愿意承擔相應的責任。
聲明人（簽名）：
2013年5月19日
摘要
凸輪機構是工程中用來實現(xiàn)機械化和自動化的重要驅動和控制機構之一，在輕工、食品、紡織、印刷、醫(yī)藥、標準零件制造、交通運輸?shù)阮I域運行的工作機械中都獲得廣泛應用。但隨著社會發(fā)展和科技進步，為了提高產(chǎn)品的質量和生產(chǎn)率，作為機械設備核心部件的凸輪機構而言，必須進一步提高它的設計水平，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。
本文首先介紹了凸輪機構的發(fā)展概況，提出課題的背景和意義，接著指出國內外研究的趨勢和國內高校凸輪機構實驗僅局限于對運動參數(shù)的測量與分析，然后提出以現(xiàn)實生活中最常用的一些凸輪為基礎來研究凸輪機構試驗平臺中從凸輪輪廓設計到加工到試驗這一整個系統(tǒng)構成。凸輪輪廓線的設計在解析法的基礎上用計算機軟件進行繪制。凸輪加工的方法用最常見的線切割加工，用CAXA線切割軟件來輔助寫代碼。平臺可測量盤形凸輪，圓柱凸輪，直動從動件及擺動從動件組成的不同的凸輪機構的運動特性。從動件的回復力采用恒定重力的重力回復，直動的軌道用直線導軌，進一步的提高測量精度。在實驗臺中各個傳感器的設計位置，可以讓學生直觀去觀察從動件的速度、加速度；同時，為了讓實驗臺的測量數(shù)據(jù)更加豐富，在實驗臺上加上旋轉編碼器，就可以觀察和研究凸輪機構的在運行中輸入軸的速度，讓整個實驗臺的功能更加的強大，實驗內容更加豐富，對凸輪機構運動研究也很有幫助。
關鍵詞：凸輪機構；運動分析；解析法；試驗臺；軟件輔助設計
Abstract
The cam mechanism is one of the drive and control mechanism used to achieve the mechanization and automation project, running in the field of light industry, food, textile, printing, medicine, standard parts manufacturing, transportation machinery are widely available. With the social development and scientific and technological progress in order to improve product quality and productivity, as the core components of the cam mechanism of the machinery and equipment necessary to further improve the design level, on the basis of the analytical method designed to carry out the study of computer-aided design and application. Therefore, to carry out the analysis of motion of the cam mechanism to reveal the kinematic performance, the optimal design of the institutions and dynamics analysis has important practical significance.
This paper first introduces the overview of the development of the cam mechanism, put forward the background and significance of the topic, then pointed out that research trends at home and abroad and domestic universities cam mechanism experiment is only limited to the measurement and analysis of motion parameters, and then put forward to the most commonly used in real life cam based design of an innovative test platform to conduct a series of experiments to design, analysis and testing of the cam mechanism. Cam profile design computer software to draw on the basis of the analytical method. Cam processing method with the most common line cutting, with CAXA line cutting software to assist write code. Platform to measure disk cam, cylindrical cam, direct-acting the motion characteristics of the follower and oscillating follower cam mechanism. The restoring force of the driven member with constant gravity gravity reply movable straight track with a linear guide, and further improve the measurement accuracy. In the experimental Taichung sensor design, allows students intuitive to observe the follower velocity, acceleration; richer, in order to allow the measurement data of the bench, and rotary encoders, can be observed in the experimental stage, and research the cam mechanism in the operation of the speed of the input shaft, so that the entire bench more powerful experimental richer, the movement of the cam mechanism is also helpful.
Keywords: cam mechanism; motion analysis; analytical method; test bench; software aided design
目 錄
摘 要
Abstract
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 凸輪機構的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2
1.1.1 國內外凸輪機構研究現(xiàn)狀 2
1.1.2 凸輪機構研究趨勢 3
1.3 課題設計的內容和意義 4
第2章 凸輪機構的設計理論 6
2.1凸輪機構的基本參數(shù) 6
2.2 從動件運動規(guī)律 7
2.3凸輪輪廓曲線設計 10
第3章 凸輪的加工方法 14
3.1 劃線加工 14
3.2 萬能銑床加工 14
3.3數(shù)控機床加工 15
3.4 仿形機床加工 16
3.5 電火花機床加工 17
第4章 凸輪機構實驗平臺 22
4.1 凸輪實驗平臺的組成 22
4.1.1直動從動件結構 22
4.1.2擺動從動件結構 24
4.1.3圓柱凸輪結構 24
4.2凸輪機構實驗臺傳動設計 25
4.2.1選擇傳動方案 25
4.2.2 選擇電動機 25
4.2.3渦輪蝸桿減速器 25
4.2.4同步帶傳動設計 26
4.2.5 從動件組件設計 30
4.3 傳感器選擇 32
4.3.1傳感器概述 32
4.3.2傳感器選用原則 33
4.3.3角位移傳感器的選擇 34
4.3.4直線位移傳感器選擇 36
第5章 試驗臺運動仿真 37
5.1運動仿真簡介 37
5.2Pro／ENGINEER仿真簡介 38
5.3凸輪機構試驗平臺運動仿真 38
第6章 總結和展望 41
參考文獻 42
致 謝 43
浙江理工大學本科畢業(yè)設計（論文）
第1章 緒論
1.1 引言
凸輪機構是一種重要的驅動和控制機構用來實現(xiàn)機械化跟自動化，廣泛的應用在輕工、發(fā)動機、紡織、印刷等工業(yè)機械中。凸輪機構是由凸輪、從動件和機架組成的傳動機構。三者之中凸輪是的主要運動方法是連續(xù)的等速回轉，因此設計不同形狀的凸輪輪廓曲線就可以使從動件按照你想要的運動規(guī)律來進行運動。
凸輪機構之所以能如此廣泛的應用是因為有許多其他機構比不上的優(yōu)點，如：
l、設計方便，適應性好，可以實現(xiàn)從動件的復雜運動規(guī)律的要求；
2、結構簡單緊湊，控制準確而有效，運動的特性好，使用方便；
3、性能穩(wěn)定， 故障少 ，維護保養(yǎng)方便。
實際中所使用的凸輪機構的形式繁多，對凸輪機構的分類方法有三種，按凸輪的幾何形狀可以分為平面凸輪、空間凸輪；按從動件的形狀可以分為尖底從動件、滾子從動件、平底從動件、曲面從動件、滑船式從動件；按凸輪與從動件維持接觸的方式可以分為力鎖合凸輪機構、幾何形狀鎖合凸輪機構。
凸輪機構具有傳動、導向及控制等功能，所以在各種需要實現(xiàn)機械自動化和半自動化的場合取得了廣泛的應用。當凸輪機構用作傳動機構時，可產(chǎn)生各種復雜的運動規(guī)律；當凸輪機構用于導向機構時，可以使工作機械的動作端產(chǎn)生復雜的軌跡或平面運動；當它作為控制機構時，可以控制執(zhí)行機構的自動工作循環(huán)。隨著工業(yè)自動化程度的提高和凸輪CAD／CAM技術水平的不斷增長，凸輪機構所能應用范圍將會變得更加廣泛。
1.2 凸輪機構的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.1.1 國內外凸輪機構研究現(xiàn)狀
雖然我們對凸輪機構的認識時間很長，但直到19世紀末人們都沒有對凸輪機構進行過系統(tǒng)的研究和分析。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，人們對自動化機械的需求量增加，在20世紀初期凸輪機構的研究才開始受到重視。凸輪機構應用的廣泛性推動了人們對它的研究。最初，人們只研究凸輪簡單的幾何形狀和運動，來滿足從動件運動的簡單位置要求。隨著各種機械在速度、效率、壽命、噪聲和可靠性等方面對凸輪的要求日益提高，對凸輪機構的研究也逐步擴展與深化，從簡單地考慮幾何尺寸、運動分析和靜力分析，發(fā)展到考慮動力學、潤滑、誤差影響、彈性變形等，其研究方向有數(shù)十個之多。
我國對凸輪機構的應用和研究已經(jīng)有許多年的歷史，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，涉及到了設計、運動規(guī)律、分析、廓線的綜合等四個方向。到了1988年的第六屆會議，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、食品、紡織、交通運輸、動力、印刷等機械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。
歐美各國對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。
(3)研究工作隨著新技術、新方法的產(chǎn)生和應用而深化。
(4)基礎理論的研究持續(xù)穩(wěn)定。
日本也特別重視凸輪機構的研究，有很多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，來適應新的要求。
(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)。
日本學者非常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，比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，因此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
雖然已經(jīng)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，以下幾個研究方向還有待開發(fā)：
(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，還要研究多種有效的分析方法。當對從動件的運動軌跡有所要求時，能夠用這些方法求出滿足要求并且性能優(yōu)良的運動規(guī)律。
(2) 對各種凸輪機構要綜合考慮幾何學和運動學的研究，盡可能導出普遍適用的比較精確計算公式。已有的研究大多數(shù)集中于平面和圓柱凸輪，而且僅僅是一種凸輪一種研究方法，因而設計公式過多，近似公式比較多等情況，并會影響到其他方面(如CAD的應用等)的研究。
(3) 發(fā)展通用并且有效的CAD系統(tǒng)。由于以上原因和種種因素，在凸輪機構設計過程中計算機的應用一直被局限于幾種平面和圓柱凸輪機構，并且每一程序一般只能處理一到二種機構，對比較完整的CAD系統(tǒng)的研究，在近十幾年才開始，而且很不完善。
(4) 引入專家系統(tǒng)或人工智能CAD系統(tǒng)。由于凸輪機構并不是標準機構，種類有許多，應用廣，加之許多已有的知識不能公式化，凸輪設計質量與設計者的水平和經(jīng)驗有著密切的關系，所以應用普通的CAD系統(tǒng)，有時候效果并不很理想。如果引入專家系統(tǒng)，就可以獲得較為理想的結果。隨著專家系統(tǒng)的引入，必須注意收集吸取有關凸輪機構設計的知識及經(jīng)驗。
(5) 動力學研究的深化和研究成果的進一步實用化。 由于動力學問題自身的復雜性，導致凸輪機構研究主要集中于低、中速，對高速凸輪機構動力學的研究還不夠深入和完善，所以，人們對這些研究成果的可靠性存在懷疑，使得這些成果的應用并不廣泛。
(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，以提高設計質量和縮短產(chǎn)品研制的周期。
(7) 研究CAD/CAM的一體化，凸輪加工中數(shù)控已經(jīng)被應用了很長一段時間，也比較普遍，因此CAM是有一定的基礎。但因為對CAD的研究不足，所以CAD/CAM的成效也比較少?，F(xiàn)在數(shù)控機床已經(jīng)能夠使用高級語言編制的程序 和計算機圖形系統(tǒng)，估計這方面的研究也將很快的發(fā)展起來。
1.3 課題設計的內容和意義
一直以來，所做的凸輪機構實驗一直是驗證式實驗模式，就是由教師提前準備好相關的設備，學生根據(jù)實驗指導書和書上的教學參考步驟來完成實驗，設計性跟創(chuàng)新性少，學生中普遍有著實際知識不足、重理論輕實驗、實驗技能低等問題。大部分學校的凸輪機構實驗只局限于對運動參數(shù)的測量與分析，實驗過程都是一成不變的，對學生創(chuàng)新素質的培養(yǎng)是不利的。
本課題中我們先用解析法來用已知參數(shù)條件對凸輪的輪廓曲線進行設計，然后在Pro/Engineer中進行運動仿真，看是否能得到相應的運動規(guī)律，然后用CAXA線切割軟件進行代碼的編寫再輸送到線切割機將凸輪生產(chǎn)出來，最后在試驗平臺上進行測試，驗證是否滿足設計要求。
在這個試驗平臺中，將對凸輪的設計、分析，優(yōu)化及測試進行一系列的實驗，可供學生使用，增強他們的綜合設計及創(chuàng)新能力、實踐動手的能力、分析和解決問題的能力。實驗是高校在教學和科研上的重要組成部分。因此，實驗是理論聯(lián)系實際不可缺少的環(huán)節(jié)。凸輪機構實驗是工科院校的機械原理課程實踐教學的一個重要單元。通過該實驗，學生可以深入了解和掌握各種凸輪機構的性能，從而將書本知識聯(lián)系到工程實際，用書本上的知識來解決工程實際問題。所以，凸輪機構實驗的進一步完善和發(fā)展對提高學生的綜合能力和專業(yè)水平具有重要意義
第2章 凸輪機構的設計理論
2.1凸輪機構的基本參數(shù)
(1)基圓：以凸輪機構的回轉中心為圓心，凸輪輪廓的最小向徑為半徑所作的圓，用表示。
(2)推程：從動件從距凸輪回轉中心的最近點向最遠點運動的過程。
(3)回程：從動件從距凸輪回轉中心的最遠點向最近點運動的過程。
(4)行程：從動件從距凸輪回轉中心最近點到最遠點運動所通過的距離，或從最遠點回到最近點所通過的距離。行程通常指從動件的最大運動距離，用h表示。
(5)推程運動角：從動件從距凸輪回轉中心的最近點運動到最遠點時，對應凸輪所轉過的角度，用表示。
(6)回程運動角：從動件從距凸輪回轉中心的最遠點運動到最近點時，對應凸輪所轉過的角度，用表示。
(7)遠休止角：從動件在距凸輪回轉中心的最遠點靜止不動時，對應凸輪所轉過的角度，用表示。
(8)近休止角：從動件在距凸輪回轉中心的最近點靜止不動時，對應凸輪所轉過的角度，用表示。
(9)凸輪轉角：凸輪繞自身轉過的角度。一般情況下，凸輪轉角從行程的起始點在基圓上開始度量，它的值等于行程起點和從動件的運動方向線與基圓的交點所組成的圓弧對應的基圓圓心角，用表示。
(10)從動件的位移：凸輪轉過轉角時，從動件所運動的距離，用s表示。位移s從距凸輪回轉中心的最近點開始度量，對于擺動從動件，其位移為角位移，需要把直動從動件的運動參數(shù)轉化為相應的擺動運動參數(shù)。
2.2 從動件運動規(guī)律
從動件的運動一般作為凸輪機構的輸出運動，而且凸輪的輪廓曲線往往也由從動件的運動規(guī)律來確定，所以正確的選擇跟設計從動件的運動規(guī)律是凸輪設計的一項重要工作。
從動件的運動規(guī)律就是指的是從動件的位移s，速度v，加速度a和凸輪轉角或者時間t之間的 函數(shù)關系，從動件的運動規(guī)律的一般方程式為：、、。
凸輪機構的原動件是凸輪，并且一般作勻速回轉運動。假設凸輪的角速度為，那么從動件的位移、 速度和加速度與凸輪的轉角間的關系是
而對于擺動從動件，就需要把式子中的位移、速度和加速度替換為角位移、角速度和角加速度。
多項式類型運功規(guī)律和三角函數(shù)類型運動規(guī)律是常見的兩種從動件的運動規(guī)律。
1、多項式類型運動規(guī)律
多項式類型運動規(guī)律的從動件的一般形式為
(2-1)
式中，均為待定常（系）數(shù)。等速運動、等加速運動、等躍度運動、五次項運動和七次項運動等運動規(guī)律均屬于此種類型。
當n=1時，上述運動規(guī)律為1次項運動規(guī)律，就是等速運動規(guī)律，它的位移線圖為一條斜直線。該運動規(guī)律用于“停-升-?！鳖愋偷耐馆啓C構時，理論上從動件在行程的起點和終點處有無窮大的加速度。因此會導致劇烈的沖擊（剛性沖擊），所以單純采用等速運動規(guī)律來實現(xiàn)“停-升-停”規(guī)律是不合適的，需要在行程的起始部分和終點部分用其他類型的運動規(guī)律來進行修正。等速運動規(guī)律僅僅適用在低速運動，從動件質量不大的凸輪機構。
當n=2時，運動規(guī)律為2次項運動規(guī)律，也就是等加速等減速運動規(guī)律，其位移曲線為拋物線。等加速等減速運動在運動的起始位置、銜接點和終止位置上的加速度產(chǎn)生一定幅度的突變，使得從動系統(tǒng)的慣性力引起有限幅度的突變，從而導致所謂的柔性沖擊。此類運動規(guī)律不適合用在高速運轉的凸輪機構上。
當n=5時，上面的運動規(guī)律為5次項運動規(guī)律。當從動件按照5次項運動規(guī)律運動時，加速度曲線無突變現(xiàn)象，且其幅值較小。適用于高速凸輪機構。
2、 三角函數(shù)類型運動規(guī)律
三角函數(shù)類型的運動規(guī)律主要有簡諧運動、雙諧運動和擺線運動等。
（1） 簡諧運動規(guī)律
簡諧運動規(guī)律又稱余弦加速度運動規(guī)律。
推程階段運動方程式：
(2-2)
回程階段的運動方程式為：
(2-3)
簡諧運動規(guī)律的特征是從動件的加速度按照余弦運動規(guī)律變化，從動件在運動的始末位置有柔性沖擊。若推程和回程都采用簡諧運動規(guī)律，且運動角相等且無停留期，則滿足無沖擊條件，可用于高速凸輪。
（2）雙諧運動規(guī)律
推程階段的雙諧運動方程式：
(2-4)
在推程終止位置加速度幅度最大，用于“停-升?！鳖愋蜁r發(fā)生柔性沖擊，用于“停-升-回”類型時可以減小甚至消除柔性沖擊。適合高速下運轉的凸輪
（3） 擺線運動規(guī)律
擺線運動規(guī)律又稱正弦加速度運動規(guī)律。
推程階段運動方程為：
(2-5)
回程階段運動方程為：
(2-6)
速度和加速度均無突變，可適用于凸輪機構的高速運動場合。
上述多項式和三角函數(shù)運動規(guī)律是凸輪機構從動件運動規(guī)律的基本形式，各有各的優(yōu)缺點。為了揚長避短，常常將數(shù)種不同的運動規(guī)律拼接起來，構成新的組合型運動規(guī)律。又可稱為修正型運動規(guī)律。
本實驗臺所用的8種不同運動規(guī)律的盤形凸輪分別為：
（1） 等速運動規(guī)律：推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運動角φ＝150°；遠休止角φ＝60°；回程運動角φ＝150°.
（2） 等加速等減速運動規(guī)律:推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運動角φ＝180°；回程運動角φ＝180°。
（3） 正弦加速度運動規(guī)律:推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運動角φ＝180°；回程運動角φ＝180°。
（4） 余弦加速度運動規(guī)律：推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運動角φ＝180°；回程運動角φ＝180。
（5） 3－4－5多項式加速度運動規(guī)律：推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運動角φ＝150°；近休止角φ＝30°；回程運動角φ＝150°；遠休止角φ＝30°。
（6） 改進等速運動規(guī)律：推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運動角φ＝150°；近休止角φ＝30°；回程運動角φ＝150°；遠休止角φ＝30°。
（7） 改進正弦運動規(guī)律：推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運動角φ＝150°；近休止角φ＝60°；回程運動角φ＝150°。
（8） 改進梯形運動規(guī)律：推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運動角φ＝180°；回程運動角φ＝180°；
2.3凸輪輪廓曲線設計
凸輪輪廓曲線的設計是根據(jù)所選定的從動件運動規(guī)律和基本的尺寸，來求出凸輪的輪廓曲線。凸輪輪廓曲線設計的基本原理是反轉法原理，即設想給凸輪機構加上1個繞凸輪回轉中心的反轉運動，并且使反轉的角速度等于凸輪轉動的角速度。凸輪是靜止不動的，從動件一方面隨導路繞0點反方向轉動，同時又沿它的導路方向按預定的運動規(guī)律做相對運動。由于從動件始終與凸輪的輪廓曲線保持接觸。所以，從動件的底部在由反轉跟相對移動所組成的復合運動中的軌跡就是凸輪的輪廓曲線。
傳統(tǒng)的凸輪設計方法有作圖法繪制凸輪輪廓曲線和解析法計算凸輪輪廓坐標兩種。圖解法容易，直觀，但設計的精度不高，只適用一些設計精度要求低的凸輪；解析法的設計精度較高，但因為計算量比較大，往往需要編寫復雜的計算機程序。因為計算機技術的廣泛運用從而促進了機械設計和制造技術不斷地革新，各種CAD／CAE軟件的功能也日益完善，凸輪機構的設計技術也進入了新的階段。我們可以選用多種CAD／CAE軟件對凸輪機構進行三維實體建模和仿真分析，從而更好的提高設計質量，減少設計時間，獲得優(yōu)良的設計方案和精確的設計數(shù)據(jù)。本平臺用CAXA線切割來進行凸輪輪廓的繪制和線切割代碼編寫。
下面以2號盤形凸輪為例來說明凸輪輪廓曲線的設計過程：
設計一凸輪機構，要求從動件行程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運動角＝180°；回程運動角＝180°。從動件以等加速和等減速規(guī)律前進和返回。
（1） 根據(jù)從動件運動規(guī)律確定凸輪輪廓的公式曲線
根據(jù)等加速和等減速規(guī)律的運動方程確定本案例中凸輪的輪廓曲線的極坐標方程，其中等加速及等減速運動規(guī)律的運動方程如表2-1所示。
表2-1 等加速及等減速運動規(guī)律的運動方程
運動規(guī)律
運動方程
推程（）
回程（）
等加速運動規(guī)律 （）
（）
等減速運動規(guī)律 （）
（）
以角速度的變化量為參變量t，將基園半徑r=40mm、從動件行程h=15mm、推程角＝180°、回程角＝180°等參數(shù)代入到從動件運動規(guī)律的運動方程中，得到凸輪輪廓曲線的極坐標方程如表2-2所示。
表2-2 凸輪輪廓曲線的極坐標方程
凸輪輪廓
從動件運動規(guī)律
參變量（t）
凸輪輪廓曲線極坐標方程
推程前半段
推程后半段
回程前半段
回程后半段
等加速運動規(guī)律
等減速運動規(guī)律
等加速運動規(guī)律
等減速運動規(guī)律
（2） 用CAXA公式曲線功能繪制凸輪輪廓推程曲線
打開CAXA線切割軟件，選擇繪制→高級曲線→公式曲線命令，系統(tǒng)彈出“公式曲線”對話框，在該對話框中選擇坐標系為極坐標系，選擇參變量t的單位為角度。按照表2-2所示的推程段凸輪輪廓確定參變量的起始為0、終止值為90°，設置曲線精度為0.001，在極坐標公式欄中輸入該段凸輪輪廓曲線方程為，如圖2-1所示。
圖2-1 公式曲線對話框
完成公式曲線的各項設置后，可以點擊預顯鍵預覽下該段曲線有無錯誤，確定無誤后，點擊對話框中的確定鍵，系統(tǒng)提示讓你選擇“曲線定位點”，輸入坐標“0，0”或者點擊坐標原點，就可完成該段的輪廓曲線創(chuàng)建。
重復上面的步驟，按照表2-2所示的極坐標方程一一把凸輪剩下的各段輪廓曲線都創(chuàng)建完畢，曲線的定位點都為原點，最終完成的凸輪輪廓曲線如圖2-2所示。
圖2-2凸輪輪廓曲線
第3章 凸輪的加工方法
凸輪的輪廓切削加工的方法很多，如果按照加工設備的要求來劃分，有劃線加工、萬能銑床加工、數(shù)控銑床加工、數(shù)控磨床加工、電火花切割加工和仿形加工。
3.1 劃線加工
用劃線加工是指加工好凸輪基準面以后，用鉗工劃出凸輪工作型面線，然后按照線粗銑或鉆孔后鋸開，最后進行必要的熱處理和修磨，用金屬板劃線后按線檢驗。劃線加工的精度難控制，消耗的工時多，通常只適用在單件修配的凸輪加工，也用于緊密的凸輪的毛胚加工。圓柱和圓錐凸輪可以根據(jù)展開面上面的輪廓曲線坐標數(shù)據(jù)進行劃線加工。
3.2 萬能銑床加工
萬能銑床用于加工平面凸輪和空間凸輪。加工的時候，刀具和毛胚之間的現(xiàn)對位置和相對運動狀況如圖3-1~圖3~3所示。刀具回轉產(chǎn)生切削運動；凸輪輪廓的形狀是根據(jù)分度頭的旋轉和工作臺相對于刀具軸線移動所形成的。
圖3-1 平面凸輪輪廓銑削加工
圖3-2 圓柱凸輪輪廓銑削加工
圖3-3 圓錐凸輪輪廓銑削加工
3.3數(shù)控機床加工
數(shù)控機床通常用于單件或小批量制造精密凸輪或靠模凸輪。加工方案仍然按照圖3-1~圖3-3所示。工作臺移動和工件的回轉都由步進電動機或伺服電動機驅動。根據(jù)機床的控制方式，把刀具中心軌跡坐標數(shù)據(jù)變成控制機床運動所需要的格式數(shù)據(jù)文件后，輸入到機床中，就可以加工出所需要的凸輪輪廓。
3.4 仿形機床加工
通用或者專用的仿形機床可以加工各種類型的凸輪輪廓，也叫復制加工，按照靠?；蛘邩影逋馆喌脑图庸?，生產(chǎn)率高，單件的成本低，是批量生產(chǎn)經(jīng)常適用的加工設備。
屬于仿形法加工的有以下集中：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。
圖3-4 靠模車凸輪
（1）靠模車凸輪：在普通的車床上，利用仿形裝置可以加工具有封閉輪廓的平面和圓柱形的凸輪，如圖3-4所示。
圖中在普通的車床上安裝了具有滾子的靠模裝置，通過靠模2把凸輪工作表面的尺寸轉換到刀具的運動上去，滾子3借助彈簧的作用力始終保持與靠模接觸。切削的時候縱向進給自動(或手動)進行，而橫向上的進給由靠?？刂疲瑥亩庸渤龉ぷ鞅砻?。
圖3-5 機械式靠模銑凸輪示意圖
（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3-5。
機械式仿形加工凸輪的時候，靠模的磨損快，加工的精度低?，F(xiàn)代的仿形銑床，都采用液壓或電液仿形系統(tǒng)，跟光電跟蹤仿形系統(tǒng)等。采用液壓或電液仿形銑床時，因為靠模所受壓力極小，使用壽命長，所以可以采用鑄鐵、鋁合金、木材或者石膏等。
（3）仿形磨削凸輪：仿形磨削適用于加工凸輪的型面已淬硬且粗糙度要求比較小，輪廓功線的向徑精度要求比較高的凸輪。
仿形磨削可以在通用機床上安裝仿形裝置和磨頭進行加工，也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。
3.5 電火花機床加工
用在凸輪加工的電火花機床有線切割機和電火花成形加工機床。
本試驗臺的8種平面凸輪的加工就是使用線切割機進行加工。
以第二章中設計的2號凸輪為例來說明凸輪的線切割加工
電火花線切割加工一般為工件加工的最后工序。該例中要達到的凸輪的加工精度及表面粗糙度要求，除了要合理的控制線切割加工的時候的各種工藝的參數(shù)，還要安排好凸輪加工的工藝路線和線切割加工前的準備工作。
（1） 凸輪坯料的準備
凸輪坯料的準備工序是指的是凸輪加工之前的全部工序。
圖3-6 凸輪穿絲孔位置及坯料圖
凸輪坯料的準備工序包括：下料：用鋸床切斷所需要的材料；鍛造：改善材料內部組織，并且將其鍛成所需要的坯料形狀，如圖3-6所示；退火：消除鍛造工序所產(chǎn)生的內應力，改善材料的加工性能；銑六面：留下磨削余量0.8mm~1.0mm；磨上下平面及相鄰兩側面，留下精磨余量0.4mm~0.6mm；鉗工操作：劃線來確定穿絲孔的位置，鉆穿絲孔并去掉毛刺；熱處理：淬火及回火；精磨：精磨上下平面和相鄰兩個側面；退磁處理。
（2）凸輪線切割加工代碼編制
按照圖3-6所示，在CAXA線切割中繪制好凸輪的坯料圖，選擇“線切割”→“軌跡生成”，系統(tǒng)彈出“線切割軌跡生成參數(shù)表”，按照圖3-7及圖3-8設置線切割軌跡生成參數(shù)表中的相關參數(shù)，點擊“確定”按鈕，軟件提示拾取輪廓，分別選擇凸輪輪廓線、鏈拾取方向、加工的側邊或補償方向、穿絲點位置、退絲點位置、切入點位置等參數(shù)，就可以完成線切割加工軌跡的選取工作。
圖3-7線切割軌跡生成參數(shù)表中切割參數(shù)
圖3-8 線切割軌跡生成參數(shù)表中偏移量和補償值
然后選擇“線切割”→“生成3B代碼”，然后輸入要保存的代碼文件名，再選擇上一步所生成的線切割加工軌跡，按回車就可以生成線切割加工程序代碼，如下所示：
****************************************
CAXAWEDM -Version 2.0 , Name : tulunjiagong.3B
Conner R= 0.00000 , Offset F= 0.10000 ,Length= 330.889 mm
****************************************
Start Point = 55.00000 , 0.00000 ; X , Y
N 1: B 14900 B 0 B 14900 GX L3 ; 40.100 , 0.000
N 2: B 47365 B 3 B 2950 GY NR1 ; 40.008 , 2.950
N 3: B 47175 B 2949 B 2942 GY NR1 ; 39.731 , 5.892
N 4: B 46982 B 5901 B 2924 GY NR1 ; 39.271 , 8.816
N 5: B 46570 B 8835 B 2898 GY NR1 ; 38.626 , 11.714
N 6: B 46014 B 11755 B 2863 GY NR1 ; 37.799 , 14.577
N 7: B 45289 B 14651 B 2818 GY NR1 ; 36.788 , 17.395
N 8: B 44403 B 17518 B 2765 GY NR1 ; 35.595 , 20.160
N 9: B 43354 B 20350 B 2700 GY NR1 ; 34.222 , 22.860
N 10: B 42143 B 23138 B 2628 GY NR1 ; 32.668 , 25.488
N 11: B 40768 B 25879 B 2544 GY NR1 ; 30.937 , 28.032
N 12: B 39230 B 28563 B 2450 GY NR1 ; 29.031 , 30.482
N 13: B 37528 B 31183 B 2345 GY NR1 ; 26.951 , 32.827
N 14: B 35662 B 33731 B 2250 GX NR1 ; 24.701 , 35.057
N 15: B 33632 B 36198 B 2415 GX NR1 ; 22.286 , 37.159
.....................................................
N 75: B 36715 B 31860 B 2417 GY NR4 ; 30.323 , -28.857
N 76: B 38486 B 29296 B 2515 GY NR4 ; 32.113 , -26.342
N 77: B 40096 B 26661 B 2601 GY NR4 ; 33.726 , -23.741
N 78: B 41543 B 23965 B 2678 GY NR4 ; 35.160 , -21.063
N 79: B 42828 B 21213 B 2744 GY NR4 ; 36.413 , -18.319
N 80: B 43950 B 18413 B 2801 GY NR4 ; 37.484 , -15.518
N 81: B 44909 B 15573 B 2848 GY NR4 ; 38.372 , -12.670
N 82: B 45702 B 12698 B 2887 GY NR4 ; 39.078 , -9.783
N 83: B 46339 B 9796 B 2916 GY NR4 ; 39.599 , -6.867
N 84: B 46798 B 6871 B 2936 GY NR4 ; 39.937 , -3.931
N 85: B 47161 B 3934 B 3932 GY NR4 ; 40.101 , 0.001
N 86: B 14899 B 1 B 14899 GX L4 ; 55.000 , 0.000
N 87: DD
(3) 凸輪的線切割加工
CAXA線切割軟件提供的代碼傳輸方式有應答傳輸、同步傳輸、串口傳輸和紙帶穿孔4種方式。國內快走絲線切割控制器大多用的是應答傳輸和同步傳輸這兩種方式。其中應答傳輸是將加工的代碼用模擬電報頭的方式傳輸給線切割控制器，由機床輸出的脈沖信號來控制計算機發(fā)送的速度。在進行程序代碼傳輸?shù)臅r候，應該要點擊“線切割”→“代碼傳輸”→“應答傳輸”，選擇要傳輸?shù)木€切割加工代碼文件，將線切割機床控制器置于接收信號狀態(tài)后按回車鍵就可以開始傳輸。
用兩端支撐方式裝夾工件，并用百分表對工件進行找正，使工件的定位基準平面與工作臺面和XY軸平行。
裝夾完成后，把電極絲安裝到圖3-6位置，并采用電火花法對電極絲進行位置調整，使用自動找中心功能確定電極絲在穿絲孔中心位置。然后選擇好線切割加工的脈沖參數(shù)。最后啟動線切割機床對凸輪坯料進行加工。
線切割機床為DK7740E，主要技術規(guī)格及參數(shù)要求如表3-1
表3-1 DK7740E技術規(guī)格和參數(shù)要求
指標
技術規(guī)格
工作臺行程
最大切割厚度
最大加工錐度
最大切割效率
加工表面粗糙度
電極線（鉬絲）直徑范圍
加工精度
工作電源
控制方式
編程語言
顯示器
通訊接口
主要功能
X×Y 400×500 mm
400mm
6°/100
140mm2/min
Ra<2.5um（GB7926-2005）
0.1-0.20mm
<0.015mm（GB7926-2005）
AC380V/415V 50HZ 三相
可實現(xiàn)X,Y,U,V四軸聯(lián)動控制方式。
G 代碼，ISO代碼,兼容3B代碼
15寸液晶彩顯
采用標準的RS-232C接口:USB接口（兼容AUTOCAD/CAM的DXF圖形文件）
具有繪圖，編程功能短路自動處理，加工結束自動停機功能，反向加工，任意段加工功能，比例縮放功能，斷電保護功能，自動找中心功能，人機對話功能,系統(tǒng)具有自診斷功能。
第4章 凸輪機構實驗平臺
4.1 凸輪實驗平臺的組成
4.1.1直動從動件結構
圖4-1 柜式凸輪實驗平臺俯視圖
圖4-2 柜式凸輪實驗平臺正視圖
1-試驗臺底板，2-旋轉編碼器，3-帶輪1，4-渦輪蝸桿減速器，5-凸輪底盤，6-盤形凸輪，7-直動從動件，8-從動件支架，9-帶輪2，10-電動機，11-柜，12-光柵尺，13-重錘
從動件支架
直線導軌
從動件
電動機
帶輪
凸輪
渦輪蝸桿減速器
柜式凸輪機構實驗臺的組成如圖4-1所示，由柜子，電動機，皮帶輪，旋轉編碼器，渦輪蝸桿減速器，凸輪，從動件，從動件支架，光柵尺，重錘等主要部分組成。其主要功能為：測量盤形凸輪的角輸出軸的角位移、角速度和直動從動件的位移和速度加速度，完成輪廓線的測量及凸輪運動曲線測量。三維圖如圖4-3所示。
圖4-3 凸輪機構試驗臺的三維簡圖
4.1.2擺動從動件結構
圖4-4擺動從動件結構圖
擺動從動件的安裝結構圖如圖4-4所示，擺動從動件的角位移等也是用旋轉編碼器進行測量。
4.1.3圓柱凸輪結構
圖4-5圓柱凸輪結構圖
圓柱凸輪的安裝結構圖如圖4-5所示，從動件支架的組件和直動從動件的組件一樣。
從動件支架和渦輪蝸桿減速器和電動機的位置在測量3種不同凸輪機構時位置無需改變。圓柱凸輪和擺動從動件在需要時可安裝和拆卸。
4.2凸輪機構實驗臺傳動設計
4.2.1選擇傳動方案
由電動機到凸輪的傳動，可選擇帶、鏈和齒輪減速器。由于凸輪轉速低、速比大，采用渦輪蝸桿減速器比較合理，它具有選型方便，價格合理，結構緊湊等多種優(yōu)點。確定采用采用直流電動機通過同步帶輪連接渦輪蝸桿減速器，實現(xiàn)大傳動比的傳動方案。由于渦輪蝸桿減速器的輸入軸和輸出軸形成90°夾角，所以直流電動機應橫向的放置，它的輸出軸為縱向，方便凸輪的安裝與更換。
4.2.2 選擇電動機
為了滿足凸輪轉速可調節(jié)的要求，從變頻調速和直流調速兩種中選取較方便、價格低的直流調速電動機作為本實驗平臺的原動件。又由于實驗臺僅僅用于測量運動(位移量)，而實際所需的負荷較小，所以在選擇電動機的型號時，更多的是考慮到結構和安裝等方面的要求，經(jīng)過反復比較，確定采用的電機型號為直流伺服電動機SZ94-2 雙輸出軸，輸出軸的長度按照要求制造。轉速為1500r/min，額定功率為80W。一頭連帶輪，一頭連接手輪，手輪用來檢驗機構是否卡死。
4.2.3渦輪蝸桿減速器
根據(jù)轉速的要求，考慮了結構、價格等方面的因素，決定選擇渦輪蝸桿減速器。綜合分析了凸輪機構實驗平臺的要求后，決定選用傳動比為20的渦輪蝸桿減速器，減速器的型號：WPA-40。如圖4-6所示
圖4-6 WPA-40渦輪蝸桿減速器
4.2.4同步帶傳動設計
電動機和渦輪蝸桿減速器采用帶輪連接，原動機為電動機，額定功率80W，轉速，斷續(xù)使用每日3-5h。中心距為125mm。
（1） 確定設計功率，載荷修正系數(shù)=1.3，設計功率=0.104。
（2） 選定帶型節(jié)距，根據(jù)由圖4-7選取5M型圓弧齒同步帶，
圖4-7 圓弧齒同步帶選型圖
（3）小帶輪齒數(shù)，由，得。
（4）小帶輪節(jié)圓直徑，
（5）大帶輪齒數(shù)，
（6）大帶輪節(jié)圓直徑mm
（7）帶速v，
（8）初定軸間距，
取
（9） 帶長（節(jié)線長度），
取標準節(jié)線長度
（10） 帶齒數(shù)Z，
（11） 實際中心距，
（12） 安裝量I、調整量S ，I=1.02mm，S=0.76mm
（13） 嚙合齒數(shù)，
（14） 嚙合齒數(shù)系數(shù)，當，所以
（15） 基本額定功率，
（16） 要求帶寬，
，，
。
（17） 緊邊張力
松邊張力
（18） 壓軸力，，=0.98
（19） 作用在軸上的力
（20） 同步帶齒形尺寸如圖4-8所示，齒高，節(jié)距，齒頂圓角半徑，齒根圓角半徑，齒根厚s=3.05mm，齒形角，帶高
圖4-8 同步帶齒形尺寸
（21） 同步帶輪幾何尺寸如圖4-9所示，節(jié)距，齒槽深，齒槽圓弧半徑，齒頂圓角半徑，齒槽寬s=3.25mm，兩倍節(jié)頂距，齒形角
同步帶輪寬度，如圖4-10所示，選擇帶擋圈的帶輪，，
圖4-9同步帶輪尺寸
圖4-10 帶輪寬度尺寸
帶輪擋圈尺寸如圖4-11所示，擋圈最小高度K=2.5~3.5mm，R=1.5mm，擋圈厚度t=1.5~2.0mm
圖4-11 帶輪擋圈尺寸
4.2.5 從動件組件設計
凸輪機構試驗臺的從動件組件的位置圖如圖4-12所示，主要由支座，直線導軌和從動件組成。
M8螺桿
滑塊
支座
直線導軌
從動件套
從動件
圖4-12 從動件組件三維圖
滑塊的上升和下降由M8螺桿的旋轉控制，升降螺母上升和下降帶動滑塊上升下架，從而調節(jié)從動件的對心和偏置，螺桿和升降螺母如圖4-13所示。
圖4-13 螺桿和升降螺母組件
從動件和直線導軌用一個從動件套來連接，結構如圖4-14所示，通過從動件套用螺釘把從動件和直線導軌固定，可以更換從動件的類型，如尖頂從動件，平底從動件，滾動從動件來觀察不同的運動規(guī)律。
圖4-15 從動件和直線導軌組件
從動件的上下移動的最大位置為，20mm和-20mm。通過支座上的孔來控制。
從動件的左右位移由定位板來確定，試驗臺可測試的最小的凸輪基圓半徑要大于40mm，基圓加推程小于70mm。
4.3 傳感器選擇
4.3.1傳感器概述
傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測的裝置，能夠感受到被測量的信息，并且能將檢測感受到的信息，按照一定的規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息來輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。國家標準GB7665-87對傳感器所下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律(數(shù)學函數(shù)法則)轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。
一般來講，典型的傳感器由敏感元件、轉換元件和轉換電路這三部分所組成，有時還需要加上輔助電源，它們組成的框圖如圖4-16所示
圖4-16 傳感器的組成框圖
傳感器的種類非常多，目前沒有統(tǒng)一的分類方法，常用的分類方法有下面幾種。
（1） 按用途分類
壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、能耗傳感器、速度傳感器加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器。
（2） 按測量原理分類
振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。
（3）按輸出信號為標準分類
模擬傳感器：將被測量的非電學量轉換成模擬電信號
數(shù)字傳感器：將被測量的非電學量轉換成數(shù)字輸出信號（包括直接和間接轉換）。
膺數(shù)字傳感器：將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出。
開關傳感器：當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。
4.3.2傳感器選用原則
現(xiàn)代傳感器在原理與結構上千差萬別，我們要根據(jù)具體的測量目的、測量對象與測量環(huán)境合理的選擇傳感器，是在進行測量某個量時要首先解決的問題。在傳感器確定之后與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。傳感器的選用是否合理在很大程度上影響著測量結果的成敗。
（1）根據(jù)測量的對象和測量環(huán)境確定傳感器的類型
進行