双轴双凸轮联动轨迹再现机构机械装置的设计.docx

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双轴双凸轮联动轨迹再现机构机械装置的设计

双轴双凸轮联动轨迹再现机构机械装置的设计

双轴双凸轮联动轨迹再现机构机械装置的设计基于PRO/E的双轴双凸轮联动轨迹再现机构机械装置的设计（Designofthebiaxialanddouble-camscombinedmachineequipmentbasedonPRO/E）摘要凸轮机构在各种自动机床中起着很重要的作用，在此次毕业设计中主要设计联动轨迹再现的凸轮机构。

本文详细介绍了设计中的每个步骤。

本次设计的主要任务有两个，一个是改进一个原有的计算机程序，能根据已知的点的轨迹，自动设计出联动凸轮机构中从动件运动规律；另一个是使用PRO/E软件从三维造型出发构造出机构的机械装置，再通过CAD软件绘制出双轴双凸轮联动轨迹再现机构机械装置装配工作图。

关键词：

联动凸轮；轨迹再现；机构；机械设计AbstractCamsplayanimportantroleinavarietyofautomatedmachinetools.Duringthisgraduationdesign,thelinkagetrackofreproductionofcamsismymaintask.Thispaperdescribesthedesignofeachstep.Thedesignhastwomaintasks:

oneistoimproveanexistingcomputerprogram,accordingtoaknownpointofthetrack,whichcandesignadouble-camscombinedmachineautomaticallybasedonthegivenlocus;theotheristodesignamachineequipmentbyPRO/EandthentodrawinganengineeringdrawingbyCAD.Keywords:

Linkagecam;trackofreproduction;institutions;mechanicaldesign目录1．毕业设计课题介绍……………………………………………………61．1课题的意义和目的………………………………………………………61．2凸轮研究的现状…………………………………………………………61．3凸轮机构的种类…………………………………………………………71.3.1凸轮机构的组成…………………………………………………71.3.2凸轮机构的特点…………………………………………………81.3.3凸轮机构的分类…………………………………………………91．4课题内容介绍……………………………………………………………101．5设计方案比较……………………………………………………………112．联动凸轮机构轨迹再现CAD及图形仿真算法………………132．1程序开发软件的选择……………………………………………………132．2总体算法…………………………………………………………………152．3程序界面及仿真模块介绍………………………………………………162．3．1程序界面………………………………………………………162．3．2仿真模块的设计分析…………………………………………203．应用实例………………………………………………………224．凸轮机构设计说明及主要部件的校核计算…………………244．1总体结构布局……………………………………………………………244．2电动机的类型选择………………………………………………………264．3带传动的类型选择与设计计算…………………………………………274．4轴的校核计算……………………………………………………………304．4．1轴的结构………………………………………………………304．4．2轴的校核计算…………………………………………………314．5轴承的选择………………………………………………………………324．6轴承密封装置的选择……………………………………………………344．7轴承润滑方式的选择……………………………………………………354．8离合器的类型选择………………………………………………………354．9齿轮的设计………………………………………………………………354．10拨叉的设计………………………………………………………………364．11凸轮的结构设计…………………………………………………………364．12连杆的结构设计…………………………………………………………375．凸轮机构主要部件的三维零件图及总装配图………………395．1齿轮零件图………………………………………………………………395．2电动机零件图……………………………………………………………395．3支座装配图………………………………………………………………395．4凸轮装配图………………………………………………………………405．5连杆装配图………………………………………………………………415．6离合器零件图……………………………………………………………415．7轴类零件图………………………………………………………………425．8凸轮机构总装配图………………………………………………………426．结束语…………………………………………………………44参考文献1．毕业设计课题介绍1．1课题的意义和目的凸轮连杆机构是重要的组合机构，通过选择合适的机构构件和设计凸轮的轮廓曲线，可在一定的范围内使执行构件上某点实现任意点的轨迹。

凸轮连杆机构构成的机械与数控机械相比具有成本低、工作速度快和工作可靠度高的优点，因而该机构在自动机、自动机床中有广泛的应用前景。

轨迹再现凸轮连杆机构使用CAD技术可解决凸轮连杆机构中构件尺寸的确定和凸轮轮廓设计的难点。

本课题的主要内容有三个：

一个是改进原有CAD中不合理部分，以使其更合理；第二个是使用PRO/E软件设计出该机构的三维模型，以使其更直观；第三个是使用AutoCAD绘制出相应的装配工作图，以使其更实用。

1．2凸轮研究的现状凸轮机构广泛的用于各种自动机中。

例如：

自动包装机、自动成形机、自动装配机、自动机床、纺织机械、农业机械、印刷机械、自动办公设备、自动售货机、陶瓷机械、加工中心换刀机构、高速压力机械、自动送料机械、食品机械、物流机械、电子机械、自动化仪表、服装加工机械、制革机械、玻璃机械、弹簧机械和汽车等。

凸轮机构之所以能够得到如此广泛的应用，是因为它具有传动、导向和控制等功能。

当它作为传动机构时，可以产生复杂的运动规律；当它作为导向机构时，可使工作机械的动作端产生复杂的运动轨迹；当它作为控制机构时，可控制执行机构的工作循环。

随着社会发展和科技进步，各种自动机正朝着高效率、高精度、自动化程度高、优良的性能价格比、寿命长、操作简单和维修方便等方向发展。

为适应这种发展形势，满足自动机的要求，作为自动机核心部件的分度凸轮机构必须具有优良的凸轮曲线和高速、高精度性能。

现代机械日益向高速发展，凸轮机构的运动速度也越来越高，因此高速凸轮的设计及其动力学问题的研究已引起普遍重视，并已提出了许多适于在高速条件下采用的推杆运动规律以及一些新型的凸轮机构。

另一方面，随着计算机的发展，凸轮机构的计算机辅助设计和制造已获得普遍的应用，从而提高了设计和加工的速度及质量，这也为凸轮机构的更广泛的应用创造了条件。

由于计算机软件和数控软件的普及，凸轮CAD和CAM软件的问世，为高速高精度凸轮机构的设计、制造和检测提供了有利条件。

凸轮曲线特性优良与否直接影响凸轮机构的精度、效率和寿命。

多年来，世界上许多凸轮专家创造了数十种特性优异的凸轮曲线。

这些凸轮曲线完全能够满足各种自动机的要求。

其中，最常用的有修正正弦曲线、修正梯形曲线和修正等速曲线等。

日本山梨大学牧野洋教授研发的三角函数通用凸轮曲线几乎包括全部凸轮曲线。

西冈雅夫博士开发了代数式通用凸轮曲线。

利用这些通用凸轮曲线，输入一定参数，就能得到满足工作特性要求的凸轮曲线，从而制造出满意的凸轮机构。

牧野洋教授于1976年出版的《自动机械机构学》一书在我国凸轮学术界影响深远，对我国自动机械的发展具有重要的指导意义。

我国在凸轮机构研究方面历史悠久，理论较深，但在设计、制造和检测等应用技术方面，与美德日等工业发达国家相比，差距较大。

随着改革开放的深入发展，我国在凸轮机构的的理论研究和实用技术方面取得了长足进展。

在20世纪90年代初期，西北轻工业学院（现在的陕西科技大学）彭国勋、刘昌祺、肖正扬和曹巨江等教授承担了国务院生产办特批的国家重点企业技术开发项目“高速高精度凸轮间隙分度机构CAD/CAM”的研究任务，成功的研制了平行分度、圆柱分度和弧面分度等凸轮机构的CAD/CAM软件。

在刘昌祺教授指导下，与南通机床厂合作，设计成功了我国第一台弧面凸轮数控铣床，使我国在弧面凸轮的设计与制造方面迈出了历史性的一步。

1．3凸轮机构的种类1．3．1凸轮机构的组成图1-1凸轮机构由凸轮1、从动件2、机架3三个基本构件组成，是一种高副机构。

其中凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，通常作连续等速转动，从动件则在凸轮轮廓的控制下按预定的运动规律作往复移动或摆动。

凸轮接触端的特征如下：

1）圆端。

凸轮滚子是滚动接触，磨损小。

当凸轮曲率半径较小时，容易发生根切。

2）尖端。

不产生根切，但磨损大。

3）平端。

摩擦较大，凸轮必须是全凸出的外轮廓。

图1-21．3．2凸轮机构的特点优点:

只要正确地设计和制造出凸轮的轮廓曲线，就能实现从动件所预期的复杂运动规律的运动；它具有传动、导向和控制功能。

凸轮机构结构简单、紧凑、运动可靠，体积小，刚性大，周期控制简单，可靠性好，寿命长。

缺点:

凸轮与从动件之间为点或线接触，故难以保持良好的润滑，容易磨损。

1．3．3凸轮机构的分类

（1）按照凸轮的形状不同可把凸轮分为以下几种:

盘形凸轮盘形凸轮机构简单，应用广泛，但限于凸轮径向尺寸不能变化太大，故从动件的行程较短。

移动凸轮其凸轮是具有曲线轮廓、作往复直线移动的构件，可看成是转动轴线位于无穷远处的盘形凸轮。

圆柱凸轮其凸轮是圆柱面上开有凹槽的圆柱体，可看成是绕卷在圆柱体上的移动凸轮，利用它可使从动件得到较大的行程。

（2）按从动件末端形状分尖顶从动件凸轮机构实现预期的运动规律。

但从动件尖顶易磨损，故只能用于轻载低速场合。

滚子从动件凸轮机构其磨损显著减少，能承受较大载荷，应用较广。

但端部重量较大，又不易润滑，故仍不宜用于高速，只能用于中低速。

平底从动件凸轮机构若不计摩擦，凸轮对从动件的作用力始终垂直于平底，传力性能良好，且凸轮与平底接触面间易形成润滑油膜，摩擦磨损小、效率高，故可用于高速，缺点是不能用于凸轮轮廓有内凹的情况。

（3）按锁合方式分力锁合凸轮机构依靠重力、弹簧力或其他外力来保证锁合，如内燃机配气凸轮机构。

形锁合凸轮机构依靠凸轮和从动件几何形状来锁合。

（4）按从动件相对机架的运动方式分移动从动件凸轮机构按其从动件导路是否通过凸轮回转中心分为对心移动从动件和偏置移动从动件凸轮机构。

摆动从动件凸轮机构图1-31．4课题内容的介绍如图1-4所示为一个联动凸轮组合机构。

在这个机构中，想得到要求的轨迹y=y（x）的轨迹，我们可以分别算出两个凸轮的推杆位移于凸轮转角的关系x=x（φA）及y=y（φB），得到两凸轮的轮廓线，其中凸轮A控制其水平方向的位移，凸轮B控制其垂直方向的位移，通过凸轮A及B的协调配合，控制E点的x与y方向的运动，使其能准确的实现预定的轨迹y=y（x）。

图1-4我在本次设计中的任务安排：

1、用VBA软件改进部分程序，使程序能对已得到的凸轮数据进行运动仿真的再现。

2、运用CAD软件以及改进后的程序分别设计出三种能产生不同轨迹的三个凸轮机构运动简图。

3、运用PRO/E软件造型出联动凸轮轨迹机构机械装置三维模型。

4、使用AUTOCAD软件绘制出机械装置装配工作图。

5、书写出设计说明书、翻译有关英文资料。

下面本文将首先详述联动凸轮机构轨迹再现CAD的算法和程序设计要点，并列出轨迹再现设计的实例以说明CAD的算法和程序的正确性和有效性。

然后本文将详述能用以实现真实联动凸轮连杆机构机械装置的设计要点和设计说明。

最后本文将叙述设计体会并列出相关的设计资料。

1．5设计方案比较方案一：

单轴双凸轮联动图1-5优点：

结构紧凑，占地面积小。

缺点：

对电动机要求带有减速功能或转速小；开放式，所以容易磨损或沾到灰尘以至于精度不高。

适合应用场合：

对精度要求不高。

图1-6方案二：

开放式双轴双凸轮联动优点：

通过齿轮和皮带轮一起减速，对电动机要求少，经济性好。

缺点：

占地面积大，零件多。

开放式，所以精度不能很好的控制。

适合应用场合：

对精度要求不高。

方案三：

封闭式双轴双凸轮联动图1-7图1-8优点：

防尘，可以提高一定加工精度，也可使用润滑液进行润滑。

缺点：

体积大。

适合应用场合：

精度要求较高。

2．联动凸轮机构轨迹再现CAD及图形仿真算法2．1程序开发软件的选择程序开发软件有很多种，有VB、C++等，我们采用是VBA软件。

AutoCAD是美国Autodesk公司开发的一个图形设计软件，在全球CAD用户中拥有很大的影响。

该软件目前的最新版本是AutoCAD2007,它提供了强大的图形设计功能，是一个效率非常高的图形设计软件。

从早期的AutoLISP、ADS、DCL到现在流行的VisualLisp、VBA和ObjectARX（AutoCADRun-timeExtend）等，均可十分方便地对AutoCAD进行二次开发。

AutoCAD2000内嵌的VBA语言是在标准的VisualBasic基础上，结合AutoCAD的特点发展起来的一种Windows平台上的高效开发工具，它可以充分利用Windows操作系统提供的强大功能，且简单易用，非计算机专业人员也可以利用VBA语言，高效快速地对AutoCAD进行二次开发。

VBA是通过AutoCADActiveXAutomation接口来建立和AutoCAD对象间的联系。

ActiveX是建立在COM对象模型之上的一个标准通信协议，它允许对象之间通过一定的接口相互通信。

而AutoCADActiveX提供在AutoCAD外控制编程的机制，通过使用AutoCAD对象，实现控制AutoCAD。

在Office97、AutoCADR14.1和AutoCAD2000中使用的VBA是基于VB5.0版本、完全面向对象体系的一种编程语言。

换言之，作为主程序，Office97和AutoCAD根据自身的特点，提供对象体系结构，然后均可用相同的VBA格式调用，因而可以说VBA是一个万能开发工具。

当然，主程序能开发的功能到底有多强大，与它所提供的对象体系有直接的关系，但VBA的强大开发能力却是不容置疑的。

下面是VBA的主要功能：

1）VBA可提供强大的窗体创建功能，为应用程序建立对话框及其他屏幕界面。

2）可创建自己的工具条。

3）可创建功能强大的模块级宏指令，宏名实质上就是模块的过程名。

4）提供建立类模块的功能，这对开发大型工程非常有用，因此类可提供重用组件。

另外，对于AutoCADActiveX技术中的应用程序级和对象级事件调用，将使用类模块。

5）具备完善的数据访问与管理能力，通过DAO（数据访问对象），可以对Access数据库或其他外部数据库（像dBase,FoxPro等）实现访问与管理。

此功能比直接使用AutoCAD的数据库管理系统要方便，且功能强大。

6）可以使用SQL语句检索数据，与RDO（远程数据对象）结合起来，能够建立客户机/服务机的数据通信。

7）能够使用Win32API提供的功能，建立应用程序与操作系统之间的通信。

VisualBasicforApplication（VBA）作为AutoCAD开发工具的优势：

1）可视化的编程环境。

2）数据集成和共享。

3）扩展了AutoCAD集成化用户工具的能力。

4）可与其他Windows的应用软件方便的进行交互。

VBA与VisualBasic的区别：

就实质而言，可以毫不夸张地说，VBA是“寄生于”VB应用程序的版本。

也就是说，VBA和VB的语法、语言结构、编程思想等几乎是完全一致的。

因此，如果用户已经了解了VB，那么则会发现学习VBA非常的快；相应的，学会VBA会给学习VB打下坚实的基础。

它们的区别，主要体现在如下几个方面：

1）VB是设计用于创建标准的应用程序；而VBA是使已有的应用程序（如Excel、AutoCAD等）自动化。

2）VB具有自己的开发环境；而VBA必须“寄生”于已有的应用程序，因为它已经内嵌在应用程序之中。

3）要运行VB开发的应用程序，用户不必安装VB，因为VB开发出的应用程序是可执行文件（*.EXE）；而VBA开发的程序必须依赖于它的应用程序，例如Excel、AutoCAD等，必须由其应用程序来打开。

2．2总体算法在开发应用程序中我采用了以下的步骤：

l建立窗体和设置窗体属性；l添加控件和其它对象并设置控件属性；l编写代码和编写计算过程；l调试程序、保存程序及编译程序。

按上述步骤设计出的联动凸轮机构轨迹再现CAD总体算法框图如图2-1所示。

从总体算法框图可看出，该算法被分成四个模块，即用捕捉方式输入轨迹点数值模块、构造与绘制从动件运动规律模块、构造与绘制凸轮轮廓曲线模块以及联动凸轮组合机构轨迹再现运动仿真模块。

总体算法的主要特点是各模块均采用数据文件调用和存盘方式进行输入和输出，因而各模块均可独立及分别多次运行。

图2-12．3程序界面及仿真模块的介绍2．3．1程序界面打开CAD软件，先加载应用程序，然后开始运行。

如图2-2所示，为该VBA程序的主界面，运行后就进入到这个界面。

按开始即可进去到功能菜单，按退出即结束程序的运行，回到CAD模型空间中。

图2-2按了主界面的开始之后进入，如图2-3所示的功能模块的选择，通过选择模块，可实现不同的功能，共有四大模块，在下文中将一一介绍。

图2-3如图2-4，为输入和绘制轨迹点参数模块，将需要实现的轨迹以CAD文件保存，然后可通过此模块打开，并设置等分点，按“打开图形，输入轨迹点，保存轨迹”即可进入CAD模型空间取点，待取完所有的点后按回车即可保存轨迹点为txt格式的数据文件，此时点“打开空白图形，绘制保存的轨迹点”可以查看取的点是否正确。

确认后按结束完成第一模块的设置。

图2-5就是绘制的轨迹点。

在取点时要注意均匀、对称，不然同一张图取的点不同，凸轮的轨迹也是不同的。

如果不均匀对称随便乱取，会导致凸轮曲线不圆滑，奇形怪状。

图2-4图2-5如图2-6为构造与绘制从动件的运动规律的模块，此模块的功能是将采集的数据绘制成如图2-7所示的运动规律图，以便分析与研究，是由所编好的程序自动生成规律曲线图形。

图2-6图2-7如图2-8为构造与绘制凸轮轮廓曲线的模块，可以设置基圆半径，圆心的X、Y坐标，滚子半径，此模块可以根据之前得到的数据，画出凸轮的轮廓以及连杆与滚子的外形。

基圆半径一般不要过大，但是如果凸轮轮廓不圆滑，可适当放大基圆半径。

图2-82．3．2仿真模块的设计分析最后接着凸轮组合机构轨迹再现图形仿真模块，如图2-9为该模块的流程图，图2-10、图2-11为该模块的界面及结果图，首先选择“浏览”按钮选择满足的凸轮轮廓曲线数值文件，为了不增加程序的计算负担此处的模拟机构运动的等分点数默认为72点基本可以满足需求。

接着选择“联动凸轮机构轨迹再现运动仿真”按钮，程序就会自动进入仿真系统，用户只需按照提示敲打回车键，即可看到模拟联动凸轮机构轨迹再现运动仿真的效果。

选择“退出”按钮返回上级窗口即图2-3，进行进一步操作。

图2-9图2-10图2-113．应用实例图3-1图3-2图3-3图3-4图3-5图3-6图3-74．凸轮机构设计说明及主要部件的校核计算4．1总体结构布局先由电动机1转动，接着电动机1输出轴带动皮带轮2转动，通过皮带3的带动使皮带轮4通过平键5带动转轴6转动，此时拨叉8左右移动，拨叉8的左右移动又会带动离合器7吸合。

图4-1图4-2离合器7吸合后，带动离合器9，通过平键带动转轴10转动，转轴10通过齿轮11带动其他齿轮，继而带动各自的轴，使凸轮13，14转动，凸轮13，14转动后就会带动滚子15，17按照预定的轨迹在凸轮槽内移动，从而带动连杆左右移动，连杆12上下移动，从而达到联动的目的，最后在连杆的交点处插入指针，即可指示或画出预想的所需轨迹。

图4-3图4-44．2电动机的类型选择电动机的类型和结构形式应根据电源种类（直流或交流）、工作条件（环境、温度等）、工作时间的长短（连续或间歇）及载荷的性质、大小、起动性能和过载情况等条件来选择。

电动机的功率选的过小，不能保证工作机的正常工作或使电动机长期过载而过早损坏；功率选的过大，则电动机价格高，且经常不在满载下运行，电动机效率和功率因数都较低，造成很大的浪费。

在本次毕业设计中我选用的电动机为三相异步电动机A07114型，该电动机的电压U为380V，电流I为116A，E级绝缘，是属于南京微分电机厂的产品。

电动机的功率为370W，每分钟转速为1400转。

还有KA-75三相按钮开关，380V电压，10A电流，属于江苏海安张垛朝阳综合厂。

图4-54．3带传动的类型选择与设计计算普通V形带和平带相比，普通V形带摩擦力大，允许包角小，传动比大，预紧力小，外廓尺寸小。

速度V所以我选择普通的V形带。

设计普通V形带传动必须确定的内容是：

带的型号、长度、根数，带轮的直径、宽度和轴孔直径，中心距，初拉力及作用在轴上的力的大小和方向等。

在确定带轮轴孔直径时，应根据带轮的安装情况来考虑。

当带轮直接装在电动机轴上时，应取带轮轴孔直径等于电动机轴的直径。

在设计时要注意大带轮外圆是否与其他零件（如机座）相碰。

V形带的设计计算：

1.确定计算功率计算功率是根据传递的功率P，并考虑到载荷性质和每天运转时间长短等因素的影响而确定的。

即：

式中是计算功率，它的单位是KW；P是电动机的额定功率，它的单位也是KW；是工作情况系数。

由《机械设计》（第七版）表8-6查得：

=1.02.选择带的型号根据计算功率和小带轮转速n1由《机械设计》（第七版）图8-8普通V带选形图，查得：

Z带形，3.确定带轮的基准直径和1）初选小带轮的基准直径根据V带轮的型号查表8-3V带轮的最小基准直径及表8-7V带轮的基准直径系列选取，为了提