盘形凸轮的毕业设计

1【目录】第一章绪论1.1研究背景......................................31.2研究内容和意义................................41.2.1研究内容....................................41.2.2研究意义....................................5第二章应用形状2.1盘形凸轮基圆半径的确定………………………………62.2凸轮机构的应用和类型…………………………………82.3从动件常用运动规律…………………………………..12第三章盘形凸轮的设计方法3.1凸轮轮廓曲线分析..............................163.2凸轮机构基本尺寸的确定………………………………193.3凸轮机构的特点................................213.4凸轮轮廓曲线设计..............................223.5用图解法设计凸轮轮廓…………………………………23第四章盘形凸轮的机构设计范例4.1设计范例及结果................................254.2凸轮机构的材料选择……………………………………26第五章前景展望……………………………………………..27第六章致谢........................................282第七章参考文献....................................30第一章绪论1.1研究背景凸轮机构由于结构简单、易于实现复杂的运动规律,因此广泛应用于众多机械中。但是由于凸轮与从动件之间的高副接触方式会增加机构的功率损耗,因此对其在高效率传动系统中的使用形成了较大限制。如何实现直动从动件凸轮机构的纯滚动接触是解决相对滑动接触方式,并迅速提高凸轮机构工作效率的最有效途径。低副机构一般只能近似地实现给定运动规律，而且设计较为复杂。当从动件的位移、速度和加速度必须严格地按照预定规律变化，尤其当原动件作连续运动而从动件必须作间歇运动时，则以采用凸轮机构最为简便。凸轮机构由凸轮、从动件或从动件系统和机架组成，凸轮通过直接接触将预定的运动传给从动件。凸轮机构具有结构简单，可以准确实现要求的运动规律等优点。只要适当地设计凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律。在各种机械，特别是自动机械和自动控制装置中，广泛地应用着各种形式的凸轮机构。凸轮机构之所以能在各种自动机械中获得广泛的应用，是因为它兼有传动、导引及控制机构的各种功能。当凸轮机构用于传动机构时，可以产生复杂的运动规律，包括变速范围较大的非等速运动，以及暂时停留或各种步进运动；凸轮机构也适宜于用作导引机构，使工作部件产生复杂的轨迹或平面运动；当凸轮机构用作控制机构时，可以控制执行机构的自动工作循环。因此凸轮机构的设计和制造方法对现代制造业具有重要的意义。本文基于“两构件的相对运动可以用与这两构件相固连的一对瞬心线的纯滚动来实现”这一瞬心线性质,推导出能够满足预定的从动件运动规律要求的纯滚动接触直动从动件盘形凸轮机构轮廓曲线的计算公式,并分析了该种凸轮机构的临界压力角、许用压力角、机构效率、基圆半径等各项参数的特征和机构特征。根据分析结果,完成了一套能够实现预定从动件运动规律的纯滚动接触凸轮机构的完整轮廓曲线设计的方案,设计得到的凸轮机构不但能够在回程、近休止和推程的机构运动阶段保持纯滚动接触,还能实现远休止运动阶段,并且针对运动规律相同但行程大小不同的凸轮机构提出缩放轮廓的设计方式,大大简化了该种凸轮机构的制造工艺。最后,以一个实际凸轮机构的设计为例,设计出一套完整凸轮机构轮廓曲线,并在三维软件Solidworks中建立模型,利用COSMOSMotion软件对其进行运动学仿真,测量运动过程中从动件的运动特征,发现仿真结果与计算结果一致。录制仿真了动画影象,通过在轮廓曲线上找特殊点的方法,验证了该凸轮机构在纯滚动接触阶段内接触点都在瞬心线上的特征。31.2研究内容及意义1.2.2研究意义可输入凸轮的基本参数值，求出任意转角时的凸轮轮廓所对应的位置，为以后数控加工提供有效的数据：(1)考虑凸轮机构的动力学因素，对压力角、曲率半径进行条件校核；1.2.1研究内容分析原有的凸轮拨叉机构以及间歇式摆动进纸机构设计存在的问题，提出一种新颖的进纸方式即超越式进纸机构。文中所研究的进纸运动机构的技术关键是一共轭盘形分度凸轮机构。该机构为国外印钞机械公司如KBA等拥有的独特专门技术。本论文对其进行了较为深入的研究分析，系统阐述了超越式进纸机构的设计原理和主关键机构共轭盘形分度凸轮机构的工作原理和参数化设计，推导出参数设计函数方程，并对共轭盘形分度凸轮的加速度通用公式做了详细的推导与实践应用。同时，文中还探讨研究了共轭盘形凸轮型面的数控加工工艺技术，三坐标精密测量程序与凸轮曲面加工误差修正方法，CAXA制造工程师软件在共轭盘形分度凸轮的曲线面高精度磨削技术的应用分析研究。考虑到共轭盘形分度凸轮机构的装配精度对超越式进纸的效果起着非常重要的影响，论文对于盘形分度凸轮机构的装配精度控制也做了较为详细的控制分析，建立合理可行的装配技术方案。装配完成后再与自行研制的SZP820型输纸机连接进行高速输纸试验，取得了很好的工程实际效果，达到了预期的设计目的。本学位论文以国产印钞机械中超越式进纸机构的设计、制造为出发点，探讨印钞机械中具有的通用而又关键的进纸机构的结构设计，分析原有的凸轮拨叉机构以及间歇式摆动进纸机构设计存在的问题，提出一种新颖的进纸方式即超越式进纸机构。文中所研究的进纸运动机构的技术关键是一共轭盘形分度凸轮机构。该机构为国外印钞机械公司如KBA等拥有的独特专门技术。本论文对其进行了较为深入的研究分析，系统阐述了超越式进纸机构的设计原理和主关键机构共轭盘形分度凸轮机构的工作原理和参数化设计，推导出参数设计函数方程，并对共轭盘形分度凸轮的加速度通用公式做了详细的推导与实践应用。同时，文中还探讨研究了共轭盘形凸轮型面的数控加工工艺技术，三坐标精密测量程序与凸轮曲面加工误差修正方法，CAXA制造工程师软件在共轭盘形分度凸轮的曲线面高精度磨削技术的应用分析研究。考虑到共轭盘形分度凸轮机构的装配精度对超越式进纸的效果起着非常重要的影响，论文对于盘形分度凸轮机构的装配精度控制也做了较为详细的控制分析，建立合理可行的装配技术方案。装配完成后再与自行研制的SZP820型输纸机连接进行高速输纸试验，取得了很好的工程实际效果，达到了预期的设计目的。论文中所涉及的理论分析和制造工艺，对此类平面凸轮的参数设计和制造提供了一条有效的工程技术途径。4(2)绘制不同类型的凸轮轮廓，绘制速度、加速度及位移曲线图；(3)能够设计出精确的凸轮轮廓曲线，大大提高了凸轮的设计精度；(4)能够将设计结果转换为数控加工代码，为数控加工做好的准备。除此之外，整个系统操作方式简单、用户界面良好并具有实用性。只需设计出适当的凸轮轮廓，就可使从动件实现各种预期的运动规律，结构简单、紧凑、设计方便。其缺点是：凸轮与从动件为点接触或线接触，压强大，易于磨损，难加工，成本高。所以通常多用于传力不大的控制机构凸轮机构由于结构简单、易于实现复杂的运动规律,因此广泛应用于众多机械中。但是凸轮与从动件之间的高副接触方式会增加机构的功率损耗,因此对其在高效率传动系统中的使用形成了较大限制。如何实现直动从动件凸轮机构的纯滚动接触是解决相对滑动接触方式,并迅速提高凸轮机构工作效率的最有效途径。基于“两构件的相对运动可以用与这两构件相固连的1对瞬心线的纯滚动来实现”这1瞬心线性质,推导出能够满足预定的从动件运动规律要求的纯滚动接触直动从动件盘形凸轮机构轮廓曲线的计算公式,并研究了该种凸轮机构的临界压力角、许用压力角、机构效率、基圆半径等各项参数的特征和机构特征。根据研究结果,完成了1套能够实现预定从动件运动规律的纯滚动接触凸轮机构的完整轮廓曲线设计的方案,设计得到的凸轮机构不但能够在回程、近休止和推程的机构运动阶段保持纯滚动接触,还能实现远休止运动阶段,并且针对运动规律相同但行程大小不同的凸轮机构提出缩放轮廓的设计方式,大大简化了该种凸轮机构的制造工艺。最后,以1个实际凸轮机构的设计为例,设计出1套完整凸轮机构轮廓曲线,并在3维软Solidworks中建立模型,利用COSMOSMotion软件对其进行运动学仿真,测量运动过程中从动件的运动特征,发现仿真结果与计算结果1致。录制仿真了动画影象,通过在轮廓曲线上找特殊点的策略,验证了该凸轮机构在纯滚动接触阶段内接触点都在瞬心线上的特征早期的工程技术人员大多采用作图法绘制凸轮轮廓，这种方法的效率低、精度差、很难精确地得到压力角和曲率半径等设计参数。在CAD二维设计阶段，CAD的作用仅仅是使工程人员得以摆脱烦琐、精度低的手工绘图，可重复利用已有的设计方案。而如今的CAD三维设计与CAM集成化，使工程人员可以从三维建模开始，进行产品构思设计和制图，实现了设计数据直接传输到生产的过程，大大简化了手工工作环节。由于计算机技术和各种数值计算的发展，使得很多方面的研究得以深入。利用参数化技术三维CAD可以绘制精确的凸轮。参数化设计具有造型精确，造型速度快，避免了手工取点造型的复杂过程，完成三维实体模型可以不断的修改的特点。由于电子技术的发展，现在某些设备的控制元件可以采用电子元器件，但他们一般只能传递较小的功率，而凸轮机构却能在实现控制功能的同时传递较大的功率。因此，凸轮机构在生产中具有无可替代的优越性，尤其在高速度、高精度传动与分度机构及引导机构中，更有突出的优点。可以说，对凸轮机构的进一步研究，特别是对高速凸轮机构及其动力学问题的进一步研究，是长期、持续并有重大意义的工作。现代三维CAD已经辐射到对整个制造企业生产、管理进行全方位的辅助，对制造业的发展具有深远的影响。5第二章盘形凸轮的应用性状2.1盘形凸轮基圆半径的确定确定摆动从动件凸轮机构基圆半径及中心距的图解法进行凸轮机构设计时，往往是已知从动件的运动规律。在一定的条件下设计出较合理的凸轮机构。我们知道．从减小凸轮机构的作用力出发，凸轮压力角的数值愈小愈好，但压力角的减小将导致整个机构尺寸。对心尖顶直动从动件中推程角Φo=90ﾟ从动件在推程时按等速、等加速、等减速及按正弦加速度、余弦加速度运动，取凸轮机构的许用压力角[α]=30ﾟ根据诺模图可确定其最小基圆半径，即h/rb=0.6,由此可近似的确定最小基圆半径为rmin=h/0.6=2/0.6即取rmin=r0。64.2如下图所示，对心尖顶盘形凸轮机构以角速度ω逆时针方向转动，从动件受载荷Q凸轮加给从动件的作用力F,压力角为α，基圆半径为rb,从动件瞬时速度为V，位移为S，接触电B，凸轮轮廓的法线n-n，不考虑运动副的摩擦将里F分解为Fx=PsinαFy=Pcosα其中Fy克服载荷Q是推动从动件运动的有效驱动力，Fx是道路的正压力在导路中产生产生摩擦阻力的有害分力，显然α越大，Fx越大，Fx越小，从动件运动越费劲当α达到临界压力角时，无论用力F多大，都不能推动从动件，即发生自锁，凸轮机构被卡死且α与凸轮尺寸的关系过凸轮轴心O作直线Ox垂直于从动件的运动方向，根据三心定理得：则该直线与法线n-n的交点P就是凸轮与从动件的相对瞬时，因此得OP=V/ω=ds/dt×dt/dΦ=ds/dΦ由直角三角形OBP得tanα=OP/OB=V/rω=V/(S+SO)×dΦ又因为r=rb+s所以rb=V/（ωtanα）-s=ds/dΦ×tanα-S故凸轮基圆半径rb越大，压力角α越小，反之，rb越小，α越大7ω2.2凸轮机构的应用和类型一、凸轮机构的应用在各种机器中，为了实现各种复杂的运动要求经常用到凸轮机构，在自动化和半自动化机械中应用更为广泛。图2.1所示为内燃机配气凸轮机构。凸轮1以等角速度回转，它的轮廓驱使从动件2（阀杆）按预期的运动规律启