寬槽圓柱凸輪數(shù)控加工的研究

1、寬槽圓柱凸輪數(shù)控加工的研究作者：佚名來(lái)源：不詳發(fā)布時(shí)間：2006-8-13 1:00:23發(fā)布人：admin減小字體 增大字體 摘要針對(duì)傳統(tǒng)銑削方法加工圓柱凸輪所產(chǎn)生的一些問(wèn)題，提出了一種針對(duì)槽寬大于刀具直徑的圓柱凸輪槽的數(shù)控銑削加工方法。通過(guò)分析研究，建立了一種正確的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，并依此加工出符合要求的寬槽圓柱凸輪。 關(guān)鍵詞：數(shù)控加工坐標(biāo)轉(zhuǎn)換寬槽圓柱凸輪 圓柱凸輪槽一般是按一定規(guī)律環(huán)繞在圓柱面上的等寬槽。對(duì)圓柱凸輪槽的數(shù)控銑削加工必須滿足以下要求：1.圓柱凸輪槽的工作面即兩個(gè)側(cè)面的法截面線必須嚴(yán)格平行；2.圓柱凸輪槽在工作段必須等寬。這是保證滾子在圓柱凸輪槽中平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的必要條件。當(dāng)圓柱凸輪槽

2、寬度不大時(shí)，可以找到相應(yīng)直徑的立銑刀沿槽腔中心線進(jìn)行加工，比較容易加工出符合上述要求的圓柱凸輪槽。據(jù)現(xiàn)有資料介紹，目前圓柱凸輪的銑削加工都是用這種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于這種方法有太多的局限性，給實(shí)際銑削加工帶來(lái)許多困難。例如一旦找不到與槽寬尺寸相等的標(biāo)準(zhǔn)刀具時(shí)，就必須對(duì)刀具進(jìn)行改制。對(duì)于槽寬尺寸較大的圓柱凸輪槽，很難找到直徑與槽寬相等的標(biāo)準(zhǔn)刀具。即使有相應(yīng)的刀具，還要考慮機(jī)床主軸輸出功率及主軸和工裝夾具剛度的限制，特別是機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)對(duì)刀具的限制。例如數(shù)控機(jī)床主軸頭為724的40號(hào)內(nèi)錐，配用JT40的工具系統(tǒng)，則最大只能使用20mm的立銑刀(不論直柄還是錐柄)。這對(duì)于槽寬為38mm的圓柱凸輪(就是本文

3、所敘述的加工凸輪)來(lái)說(shuō)是無(wú)法加工的，必須尋求新的加工方法。下面根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和分析研究，介紹一種用直徑小于凸輪槽寬的立銑刀對(duì)圓柱凸輪槽進(jìn)行數(shù)控加工的方法，稱之為寬槽圓柱凸輪的數(shù)控加工。 一、加工工藝 圓柱凸輪槽是環(huán)繞在圓柱面上的等寬槽，其加工時(shí)沿圓周表面銑削的范圍往往大于360，適于用帶有數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)的立式數(shù)控銑床進(jìn)行加工。根據(jù)圓柱凸輪的實(shí)際結(jié)構(gòu)，選用帶鍵的心軸作凸輪加工時(shí)徑向和周向定位基準(zhǔn)，以心軸的臺(tái)肩作軸向定位基準(zhǔn)，并用心軸前端部的螺紋通過(guò)螺母壓緊圓柱凸輪。圓柱凸輪的軸向和徑向尺寸一般較大，為了克服由于懸臂加工時(shí)切削力所造成的心軸變形和加工過(guò)程中產(chǎn)生的振顫，使用一個(gè)支承于尾座上的、與數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的

4、回轉(zhuǎn)軸線同軸的頂尖頂住心軸中心孔作輔助支承。圓柱凸輪槽的底部在每一個(gè)截面 上通常是等深的，一般選用平底圓柱立銑刀加工。圓柱凸輪銑削加工前通常是一個(gè)實(shí)心的圓柱體，要經(jīng)過(guò)開(kāi)槽、粗加工、半精加工、精加工等工序；由于槽腔寬度較大，因此，除開(kāi)槽工序及粗加工工序的一部分刀位軌跡可以沿槽腔的中心線生成之外，其余刀位軌跡則必須是沿槽腔中心線向左、右兩邊按相應(yīng)的距離等距偏置生成，如圖1所示。 screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;圖 1圓柱凸輪槽的二維展開(kāi)圖 二、求解模型在圓柱凸輪槽的數(shù)控加工中，如何求出每道工序中加工兩個(gè)側(cè)表面的刀位軌跡是其中的關(guān)

5、鍵。對(duì)于圓柱表面上的凸輪槽，通常是先將圓柱面展開(kāi)，在XOS平面內(nèi)求出該工序加工兩個(gè)側(cè)表面的刀位軌跡的展開(kāi)曲線XS；然后通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將展開(kāi)曲線XS轉(zhuǎn)換為四坐標(biāo)機(jī)床上的刀位軌跡。下面討論任一加工工序中展開(kāi)曲線XS的求解方法，以及生成最后刀位軌跡的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。1.展開(kāi)曲線XS的求解如圖2所示，其中Lo為圓柱凸輪槽的中心線，對(duì)于第i道工序，Lli和Lri分別為該工序?qū)⒁庸さ牟矍坏淖?、右兩個(gè)側(cè)表面展開(kāi)曲線，此槽寬為Bi，加工刀具半徑為r(顯然2rBi)，加工此槽腔左、右側(cè)面的刀位軌跡展開(kāi)曲線為CLli和CLri，設(shè)Po為槽腔中心線上的一個(gè)點(diǎn)，no為槽腔中心線在Po點(diǎn)處的法矢，那么左、右刀位軌跡展開(kāi)

6、曲線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)Pli和Pri的計(jì)算方法為：screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;(1) screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;圖 2圓柱凸輪槽的二維展開(kāi)圖 將Po點(diǎn)沿著槽腔中心線移動(dòng)，即可以求出該工序刀位軌跡在XOS平面內(nèi)的展開(kāi)曲線XS；按照加工工序，依次改變每道工序中的槽寬度Bi，即可求出加工所需槽腔所有刀位軌跡的展開(kāi)曲線。2.沿凸輪槽中心線加工的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法以上計(jì)算是在圓柱面的展開(kāi)平面內(nèi)進(jìn)行的，為了求出加工圓柱凸輪槽腔的刀位軌跡，必須將平面內(nèi)的展開(kāi)曲線轉(zhuǎn)換到圓柱面上

7、。假設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸為繞X軸的A軸，Pi為刀位軌跡上的一個(gè)刀位點(diǎn)，它在二維平面展開(kāi)曲線上的坐標(biāo)為(x,s)，在四坐標(biāo)機(jī)床上的坐標(biāo)為(x,y,z,a)。由于圓柱凸輪槽腔通常是等深的，因此，z坐標(biāo)在設(shè)置為所需要加工的深度值之后，在加工中是不變的；對(duì)于其余三個(gè)坐標(biāo)，構(gòu)造出以下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式： screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;(2) 式中，R為圓柱凸輪軸的半徑。上式是目前普遍使用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，對(duì)于用標(biāo)準(zhǔn)刀具沿凸輪槽中心線銑削加工圓柱凸輪是正確的。3.對(duì)上式在寬槽圓柱凸輪加工中產(chǎn)生問(wèn)題的分析當(dāng)將上式推廣應(yīng)用于寬槽圓柱凸輪的數(shù)控加工時(shí)，通過(guò)坐標(biāo)

8、轉(zhuǎn)換計(jì)算的刀位軌跡在實(shí)際加工中卻產(chǎn)生了一些問(wèn)題。在圓柱凸輪槽加工完畢后，為了檢驗(yàn)是否符合要求，用直徑等于圓柱凸輪滾子的檢具進(jìn)行檢驗(yàn)，卻發(fā)現(xiàn)所加工的槽寬窄不等、有卡殼的現(xiàn)象。仔細(xì)觀察，原來(lái)加工出來(lái)的槽腔的法截面并不總是上下等寬的矩形槽，而有時(shí)是上寬下窄的喇叭槽。為了弄清楚其中的原因，對(duì)公式(2)所表示的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了深入的分析和研究。如圖3所示，由公式(1)可知，加工槽腔兩個(gè)側(cè)表面的刀位軌跡線上的Pl和Pr點(diǎn)是由槽腔中心線上的Po等距偏置而得，按公式(2)轉(zhuǎn)換之后，Pl和Pr點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角并不等于Po點(diǎn)的轉(zhuǎn)角，也即Pl和Pr對(duì)應(yīng)的刀軸矢量VlVl與Po點(diǎn)對(duì)應(yīng)的刀軸矢量VoVo不平行，因此，加工

9、出來(lái)的槽腔自然就成了上寬下窄喇叭槽，而不是所需要的上下等寬的矩形槽。設(shè)截面與軸線的夾角為，圓柱凸輪軸的半徑為R，刀軸矢量VlVl與VoVo的角度誤差為： a(B/2r)sin/R(3) screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;圖 3圓柱凸輪槽加工示意圖 由公式(3)可知，當(dāng)0，也即凸輪槽中心線與圓柱軸線垂直時(shí)，角度誤差為零，即槽腔是上下等寬的矩形口；當(dāng)90，也即凸輪槽中心線與圓柱軸線平行時(shí)，角度誤差達(dá)到最大，此時(shí)槽腔的喇叭口現(xiàn)象最嚴(yán)重；當(dāng)090時(shí)，隨著的增大，角度誤差越大，喇叭口現(xiàn)象也就越嚴(yán)重。實(shí)際加工出現(xiàn)的現(xiàn)象與上述分析完全一致，

10、這說(shuō)明公式(3)的分析是完全正確的。4.寬槽圓柱凸輪數(shù)控加工的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法由上面的分析可知，公式(2)造成凸輪槽為上寬下窄喇叭口的主要原因是，Pl和Pr點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角是按照這兩個(gè)點(diǎn)自己的弧長(zhǎng)值Sl和Sr來(lái)計(jì)算的，而Sl和Sr是不等于槽腔中心點(diǎn)Po的弧長(zhǎng)值So。因此，如果Pl和Pr點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角均按照槽腔中心點(diǎn)Po的弧長(zhǎng)值So來(lái)計(jì)算，就可以消除這種喇叭槽現(xiàn)象。根據(jù)這種思路，重新構(gòu)造坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式。在圓柱面的二維展開(kāi)平面上，設(shè)槽腔中心線展開(kāi)曲線上的一個(gè)點(diǎn)為Po(xo,so)，加工兩個(gè)側(cè)表面上對(duì)應(yīng)刀位點(diǎn)在展開(kāi)曲線上的點(diǎn)為Pl(xl,sl)和Pr(xr,sr)，那么，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為： screen.widt

11、h-400)this.style.width=screen.width-400;(4) 應(yīng)用公式(4)生成的刀位軌跡加工圓柱凸輪槽時(shí)，結(jié)果完全符合上述的設(shè)想，加工出來(lái)的圓柱凸輪槽已經(jīng)沒(méi)有了上寬下窄的喇叭槽現(xiàn)象，而是真正的上下等寬矩形槽。 凸輪是一個(gè)具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件一般可分為三類：1. 盤形凸輪：凸輪為繞固定軸線轉(zhuǎn)動(dòng)且有變化直徑的盤形構(gòu)件； 2. 移動(dòng)凸輪：凸輪相對(duì)機(jī)架作真線移動(dòng)； 3. 圓柱凸輪：凸輪是圓柱體，可以看成是將移動(dòng)凸輪卷成一圓柱體。 凸輪機(jī)構(gòu)一般是由凸輪，從動(dòng)件和機(jī)架三個(gè)構(gòu)件組成的高副機(jī)構(gòu)。凸輪通常作連續(xù)等速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)使它獲得一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)復(fù)

12、雜的運(yùn)動(dòng)要求，廣泛用于各種自動(dòng)化和半自動(dòng)化機(jī)械裝置中。凸輪是一個(gè)具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件一般可分為三類：1. 盤形凸輪：凸輪為繞固定軸線轉(zhuǎn)動(dòng)且有變化直徑的盤形構(gòu)件； 2. 移動(dòng)凸輪：凸輪相對(duì)機(jī)架作直線移動(dòng)； 3. 圓柱凸輪：凸輪是圓柱體，可以看成是將移動(dòng)凸輪卷成一圓柱體。 1.本章的教學(xué)目的及教學(xué)要求 了解凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用及分類方法；對(duì)推桿常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其選擇原則、機(jī)構(gòu)壓力角等有明確的概念；掌握盤形凸輪廓線的設(shè)計(jì)方法和確定基本尺寸的主要原則。 2.本章教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)及難點(diǎn) 推桿的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律; 盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì);凸輪的基圓半徑與壓力角及自鎖問(wèn)題。 3.本章教學(xué)工作的組織及學(xué)時(shí)分配 本章理論

13、教學(xué)時(shí)數(shù)為4學(xué)時(shí)。 3.1第1講(3學(xué)時(shí)) 1)教學(xué)內(nèi)容 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類；推桿的常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其選擇原則;用作圖法設(shè)計(jì)平面凸輪的輪廓曲線。 2)教學(xué)方法 結(jié)合模型介紹凸輪機(jī)構(gòu)的組成，指出什么是凸輪，并說(shuō)明為什么凸輪機(jī)構(gòu)在各種機(jī)械，特別是自動(dòng)機(jī)械中得到廣泛的應(yīng)用。說(shuō)明凸輪機(jī)構(gòu)屬于高副機(jī)構(gòu)，它雖然可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)要求，但不宜承受大的載荷。介紹分類時(shí)，指出各種凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用的場(chǎng)合。 講述推桿常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，可簡(jiǎn)要說(shuō)明運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程式的建立過(guò)程，重點(diǎn)分析歸納各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用場(chǎng)合，并簡(jiǎn)要介紹運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇原則。 為了實(shí)現(xiàn)推桿預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就需設(shè)計(jì)出凸輪的廓線，即凸輪的

14、輪廓曲線決定了推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。設(shè)計(jì)凸輪廓線的方法有作圖法和解析法兩種。這兩種方法所依據(jù)的基本原理和方法相同，作圖法具有形象直觀的特點(diǎn)。講述作圖法時(shí)，以對(duì)心直動(dòng)尖端推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)為例，在選定推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和凸輪的基圓半徑的前提下，重點(diǎn)介紹“反轉(zhuǎn)法”原理。指出“反轉(zhuǎn)法”就是根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，給整個(gè)機(jī)構(gòu)加上一個(gè)與凸輪轉(zhuǎn)速相等轉(zhuǎn)向相反的繞凸輪軸的反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，前后各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系并未發(fā)生變化。在此過(guò)程中凸輪將“靜止不動(dòng)”，而推桿則一方面以反轉(zhuǎn)角速度繞凸輪軸反轉(zhuǎn)，另一方面又仍按其預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，即推桿的運(yùn)動(dòng)是其反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和預(yù)期運(yùn)動(dòng)合成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。推桿在這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)中，其尖端的運(yùn)動(dòng)軌跡即為凸輪的輪

15、廓曲線。再適當(dāng)介紹其他類型凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟。使學(xué)生懂得凸輪的實(shí)際輪廓曲線是推桿在復(fù)合運(yùn)動(dòng)中其高副元素所形成的曲線族的包絡(luò)線。 3)教學(xué)手段 用凸輪機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行演示，講述“反轉(zhuǎn)法”原理。對(duì)于凸輪廓線的設(shè)計(jì)，以對(duì)心直動(dòng)尖端推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)為例，認(rèn)真仔細(xì)地講述凸輪廓線地繪制過(guò)程，線條力求正確，美觀，給學(xué)生起示范作用。為了使學(xué)生對(duì)于凸輪廓線的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)一步明晰，適當(dāng)進(jìn)行小結(jié)，找出規(guī)律。 4)注意事項(xiàng) 講述凸輪機(jī)構(gòu)類型時(shí)，先介紹凸輪機(jī)構(gòu)的命名規(guī)律。關(guān)于推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為了提高課堂講授效率，數(shù)學(xué)方程不必詳細(xì)推導(dǎo)，也不要求學(xué)生死記硬背，只要能正確理解運(yùn)動(dòng)方程中各個(gè)參數(shù)的含義，并能在設(shè)計(jì)時(shí)正確使用即可。 “

16、反轉(zhuǎn)法”原理學(xué)生雖已熟悉，但以下幾點(diǎn)需注意： i) 推桿在反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)向與凸輪的轉(zhuǎn)向相反。 ii) 在滾子推桿和平底推桿中，要注意理論廓線與實(shí)際廓線的區(qū)別與聯(lián)系。 iii) 在介紹偏置直動(dòng)推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，要著重說(shuō)明偏距圓的概念，指出推桿在反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中依次占據(jù)的位置都與偏距圓相切。 iv) 由于現(xiàn)在凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)是以解析法為主，故作圖法不宜講的過(guò)多過(guò)細(xì)。 3.2第2講(1學(xué)時(shí)) 1)教學(xué)內(nèi)容 用解析法設(shè)計(jì)平面凸輪的輪廓曲線；平面凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角、自鎖及其基本尺寸的合理選擇。 2)教學(xué)方法 講授用解析法設(shè)計(jì)平面凸輪的輪廓曲線這部分內(nèi)容時(shí)，先指出用作圖法設(shè)計(jì)的凸輪廓線由于存在誤差,因而對(duì)于精度

17、要求較高的凸輪不能應(yīng)用此方法,而且也不便于運(yùn)用現(xiàn)代的先進(jìn)加工 (如數(shù)控機(jī)床加工)方法進(jìn)行加工,所以現(xiàn)在凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)主要是采用解析法。那么，如何用解析法來(lái)設(shè)計(jì)凸輪廓線呢?方法仍為“反轉(zhuǎn)法”。解析法是根據(jù)推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和凸輪基圓的半徑等已知條件,建立凸輪廓線的數(shù)學(xué)方程式。在其方程中自變量為凸輪轉(zhuǎn)角 ，故其坐標(biāo)值是 的函數(shù)。采用直角坐標(biāo)便于在數(shù)控機(jī)床上加工凸輪,可將設(shè)計(jì)問(wèn)題與加工有機(jī)聯(lián)系起來(lái)。 在講述凸輪廓線的設(shè)計(jì)時(shí),都假設(shè)凸輪基圓半徑、推桿滾子的半徑等尺寸是已知的,而且對(duì)于平底推桿底部的尺寸、直動(dòng)推桿導(dǎo)軌的長(zhǎng)度等尺寸也未給出,但在具體凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),這些尺寸都必須已知。那么這些尺寸是根據(jù)什么

18、條件,考慮哪些因素,采用什么方法來(lái)確定的呢? 首先探討凸輪基圓半徑的確定問(wèn)題。為此需對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)中的作用力進(jìn)行分析，用一個(gè)直動(dòng)推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析,寫出壓力角與作用力和有關(guān)尺度參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。然后對(duì)該數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行分析討論,得出壓力角與凸輪基圓半徑等的關(guān)系式,并指明在其它條件相同時(shí),基圓半徑愈小會(huì)使壓力角變大。這樣就出現(xiàn)了為了減小機(jī)構(gòu)中的作用力希望壓力角小和為了減小凸輪基圓半徑會(huì)使壓力角變大的矛盾。自然就找到了解決此矛盾的辦法，即限制max。至于如何根據(jù)max來(lái)確定凸輪的基圓半徑有不少方法,不必深究。強(qiáng)調(diào)說(shuō)明按理論方法確定的凸輪最小基圓半徑一般都較小不實(shí)用，而在工程中,凸輪

19、的基圓半徑通常是先根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)條件(例如凸輪機(jī)構(gòu)所在的空間及凸輪軸的直徑等)來(lái)初步確定,然后再檢查其是否滿足max的條件。其次，再來(lái)討論尺寸的確定問(wèn)題，從上述的數(shù)學(xué)關(guān)系式可以看出,增大導(dǎo)軌長(zhǎng)度l和減小推桿的懸臂尺寸b,對(duì)于改善機(jī)構(gòu)的受力情況是有利的，所以在結(jié)構(gòu)許可的條件下應(yīng)選用較大的l較小的b。最后，在講授滾子半徑的確定問(wèn)題時(shí),先提出為了提高滾子的壽命及增大滾子軸的強(qiáng)度和剛度等,需選用半徑較大的滾子。但滾子半徑過(guò)大時(shí),對(duì)于外凸的凸輪廓線,當(dāng)滾子半徑rr等于凸輪理論廓線的曲率半徑時(shí),凸輪的實(shí)際廓線將“變尖”;而當(dāng)rr時(shí),凸輪的實(shí)際廓線將會(huì)產(chǎn)生“失真”現(xiàn)象。平底推桿凸輪機(jī)構(gòu)也有”失真”現(xiàn)象，通過(guò)

20、幻燈片可以發(fā)現(xiàn),平底推桿產(chǎn)生 “失真”的原因是凸輪的基圓半徑過(guò)小。最后歸納出確定凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的結(jié)論：凸輪基圓半徑不但與結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān),不僅影響到機(jī)構(gòu)傳力性能好壞,而且會(huì)引起“變尖”與“失真”問(wèn)題。所以設(shè)計(jì)時(shí)在結(jié)構(gòu)尺寸許可的條件下,應(yīng)盡可能取得較大的基圓半徑。 3)教學(xué)手段 講授本講時(shí)，用到的圖較多，利用幻燈片節(jié)省繪圖時(shí)間，提高講授效率。 4)注意事項(xiàng) 解析法以作圖法為基礎(chǔ),數(shù)學(xué)方程雖不復(fù)雜,但在推導(dǎo)公式過(guò)程時(shí),公式的正負(fù)號(hào)不能搞錯(cuò)。將凸輪的基圓半徑與壓力角作為重點(diǎn),把基圓半徑對(duì)機(jī)構(gòu)尺寸、傳力性能、自鎖現(xiàn)象與失真問(wèn)題的影響,自始至終貫穿起來(lái)。 組圖Pro/E在凸輪設(shè)計(jì)中的應(yīng)用作 者：樂(lè)崇年 文

21、章來(lái)源：寧波北侖職業(yè)高級(jí)中學(xué) 廣告位 傳統(tǒng)的凸輪設(shè)計(jì)方法（主要包括作圖法和解析法）由于設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，設(shè)計(jì)精度較低，而且設(shè)計(jì)結(jié)果不能直接應(yīng)用于凸輪的數(shù)控加工（凸輪的數(shù)控加工需要凸輪的三維CAD造型）等原因，已經(jīng)越來(lái)越不能適應(yīng)當(dāng)前對(duì)凸輪設(shè)計(jì)快速、精確及滿足數(shù)控加工的基本要求；采用CAD技術(shù)方法來(lái)替代傳統(tǒng)的凸輪設(shè)計(jì)方法可以大大縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，滿足凸輪數(shù)控加工的客觀實(shí)際需要，是凸輪設(shè)計(jì)方法的發(fā)展趨勢(shì)。本文介紹Pro/E (由美國(guó)PTC公司推出的專業(yè)CAD/CAE/CAM一體化軟件)在凸輪設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。如圖一所示為某一凸輪工作表面的s(角度位移)曲線?，F(xiàn)利用Pro/E軟件來(lái)完成工作表面滿足該

22、位移曲線的盤型凸輪和圓柱凸輪的設(shè)計(jì)。圖一 凸輪工作表面的s曲線一、盤型凸輪的設(shè)計(jì)（假定盤型凸輪的基圓直徑為70mm，中心孔的直徑為30mm，厚度為40mm）1開(kāi)啟Pro/E軟件，建立一個(gè)新的Part模塊，輸入名稱：TuLun1。 2執(zhí)行Insert（插入）Datum（基準(zhǔn)）Graph（圖形）命令，并輸入圖形特征的名稱“G1”。3選Top面為Sketch Plane（繪圖面）。 4以在繪圖面繪制一個(gè)坐標(biāo)，并以建立水平軸及垂直軸。5繪制如圖二所示的圖形并標(biāo)注各相關(guān)尺寸。需注意的是：圖二的圖形與圖一的圖形相比較，在垂直方向上移了20mm，這樣做是為了滿足下面的步驟中采用Pro/E軟件的Variabl

23、e Section Sweep（變截面掃描）方法設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，截面各相關(guān)尺寸值不能為零的要求以及直接做出直徑為30mm的中心孔的需要。圖二6單擊 按鈕完成圖形特征“G1”的創(chuàng)建。7執(zhí)行Insert（插入）Protrusion（加材料）Solid（實(shí)體）Variable Section Sweep（可變截面掃描）命令,選擇Nrm To Origin Traj（垂直于原始軌跡）、Done（確認(rèn)），選Sketch Trajetory（草繪軌跡）, 選Top面為繪圖面，繪制一直徑30mm的圓作為Origin Traj（原始軌跡），選 確定。再以Top面作為繪圖面繪制一直徑大于30mm的圓作為XTraje

24、ctory（X軌跡），選 確定，按Done（完成）進(jìn)入Section(截面)的繪制界面。8. 選 以矩形方式繪制掃描截面，執(zhí)行Sketch（草繪）Relation（關(guān)系式）進(jìn)入關(guān)系式界面，選Add（加），加入關(guān)系式，并在信息提示區(qū)輸入關(guān)系式：sd5=evalgraph(“G1”,360*trajpar)+20。如圖三所示。圖三 9連續(xù)按Enter鍵確認(rèn)輸入的關(guān)系式。選確定各截面參數(shù)的設(shè)置，按如圖三所示界面右上方的模型對(duì)話框中的Preview（預(yù)覽）預(yù)覽設(shè)計(jì)結(jié)果，按Done（完成）完成盤型凸輪的設(shè)計(jì)，得到如圖四所示的設(shè)計(jì)結(jié)果。圖四 盤型凸輪10選保存設(shè)計(jì)結(jié)果，把盤型凸輪的設(shè)計(jì)結(jié)果保存為Tulun

25、1。 二、圓柱凸輪的設(shè)計(jì) Pro/E具有強(qiáng)大的參數(shù)化功能，因此，我們只需在上述盤型凸輪設(shè)計(jì)過(guò)程中，編輯其中的相關(guān)參數(shù)，就可以方便地得到要求設(shè)計(jì)的圓柱凸輪。操作如下：1在Pro/E界面左側(cè)的Model tree(模型樹(shù)，如圖五所示)中選按鼠標(biāo)右鍵，點(diǎn)彈出式菜單中的Redefine(重定義)，進(jìn)入特征重定義界面。在界面右上方的模型對(duì)話框中選Section（截面）Define（定義），選Sketch（草繪），進(jìn)入Section（截面）重定義界面。執(zhí)行Sketch（草繪）Relation（關(guān)系式）進(jìn)入關(guān)系式界面。選Edit relations（編輯關(guān)系式）打開(kāi)記事本編輯原來(lái)的關(guān)系式，并把原關(guān)系式左側(cè)的

26、變量名sd5改成sd4。（如圖五所示）圖五 模型樹(shù)圖六 編輯關(guān)系式2選文件退出，選“是”保存上面的編輯改動(dòng)。選確定截面各參數(shù)的設(shè)置，按Preview（預(yù)覽）預(yù)覽設(shè)計(jì)結(jié)果，按Done（完成）完成圓柱凸輪的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖六所示。 圖七 圓柱凸輪3選另存文件為Tulun2，把圓柱凸輪的設(shè)計(jì)結(jié)果保存為：Tulun2。參考文獻(xiàn)：1、機(jī)械原理 孫桓 主編 高等教育出版社 19882、Pro/Engineer零件設(shè)計(jì) 林清安 著 北京大學(xué)出版社 2000.43、機(jī)械基礎(chǔ) 勞動(dòng)部培訓(xùn)司編 中國(guó)勞動(dòng)出版社 1996（編輯：張立明）Pro/E野火版2.0在凸輪加工和改進(jìn)中的應(yīng)用作 者：李麗 文章來(lái)源：中國(guó)空空

27、導(dǎo)彈研究院 廣告位 作者：中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 李麗 轉(zhuǎn)自：CAD/CAM與制造業(yè)信息化 這是一篇Pro/ENGINEER與Excel結(jié)合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)凸輪加工的典型案例。雖然用CAM軟件可以很容易地實(shí)現(xiàn)，本刊以前也曾刊出過(guò)“MasterCAM軟件在空間凸輪加工中的應(yīng)用”，但本文的作者另辟蹊徑，從文中介紹的效果來(lái)看，對(duì)于凸輪的加工，這的確也是一個(gè)很好的選擇。 筆者所在的中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院一車間承制的某設(shè)備上所用的一種凸輪，自20世紀(jì)90年代以來(lái)一直采用靠模法加工。由最初經(jīng)過(guò)多次試制和手工修銼并裝機(jī)試驗(yàn)，得到一個(gè)相對(duì)理想的模型，以后加工就采用按圖樣留一定余量先粗加工，然后有操作工人按模型進(jìn)行靠模加工和

28、修銼，最后把凸輪表面打磨光滑。這樣存在的問(wèn)題就是加工難度高，對(duì)操作工人技術(shù)水平要求高，并且加工周期長(zhǎng)，精度低，廢品率高。隨著數(shù)控機(jī)床和線切割設(shè)備的普及，采用線切割或數(shù)控加工的必要性和優(yōu)勢(shì)就越來(lái)越大。一、凸輪原始圖樣要求和加工方法改進(jìn)分析 1. 凸輪的原始圖樣資料和技術(shù)要求 凸輪的原始圖樣資料如圖1示，圖樣要求是：355185為R55的圓弧，185235為過(guò)渡段，235305為半徑為R37的圓弧，305355為過(guò)渡段。其中過(guò)渡段為5均分，各特征點(diǎn)間通過(guò)樣條曲線連接。圖1 凸輪原始圖樣 2. 線切割加工試制和問(wèn)題分析 我們的線切割機(jī)床所用的軟件為CAXA的電子圖板，按圖樣要求做出圖形，其中過(guò)渡段為

29、先做出特征點(diǎn)，然后通過(guò)各特征點(diǎn)做樣條與兩段圓弧相連，這樣鉬絲的軌跡曲線就形成了。隨后上毛胚試制，加工后發(fā)現(xiàn)凸輪輪廓表面有棱，不順滑。分析其原因?yàn)椋菏紫仍纪馆嗊^(guò)渡曲線特征點(diǎn)數(shù)值不合適，因原圖樣描繪時(shí)間較早，為手工繪制的樣條曲線，造成曲線上特征點(diǎn)取值誤差大；其次就是圓弧與樣條曲線為直接相連，無(wú)法保證相切，故接縫處凸棱和凹棱較明顯。另外，線切割加工的不足是無(wú)法滿足表面粗糙度和加工效率的協(xié)調(diào)。 3. 數(shù)控銑床加工凸輪的分析 若采用配備了數(shù)控分度頭的數(shù)控銑床代替原來(lái)的靠模加工方法和線切割，不僅大大提高加工效率，降低了對(duì)操作工人的技術(shù)水平要求，并且可以提高加工精度和保證表面光滑度要求。 但因?yàn)橥馆喌臄?shù)控

30、加工程序一般采用手工編制，其缺點(diǎn)是數(shù)控銑床軟件編譯采用直線插補(bǔ)，特征點(diǎn)間為直線連接，因手工編程方式的局限性，無(wú)法得到足夠的坐標(biāo)點(diǎn)，這樣就導(dǎo)致加工后的凸輪輪廓有一定偏差，導(dǎo)致凸輪表面出現(xiàn)接棱。原圖樣是按5為間隔進(jìn)行分度，間隔較大，數(shù)據(jù)不能直接使用，若編程員對(duì)凸輪輪廓進(jìn)行手工插值細(xì)化，則編程復(fù)雜，工作量太大，且數(shù)據(jù)校對(duì)困難，易出錯(cuò)。若能通過(guò)軟件獲得數(shù)控銑床可識(shí)別的文件，則將大大簡(jiǎn)化編程過(guò)程。二、運(yùn)用Pro/ENGINEER野火2.0 針對(duì)傳統(tǒng)的線切割與數(shù)控銑床加工方法的綜合對(duì)比，以及對(duì)線切割試制樣品的分析，決定充分利用Pro/ENGINEER野火2.0和Excel軟件完成凸輪數(shù)據(jù)完善、軟件模擬和自

31、動(dòng)生成數(shù)控銑床可以識(shí)別和使用的數(shù)據(jù)表。 1. 使用Pro/ENGINEER進(jìn)行原始數(shù)據(jù)分析和校正 根據(jù)線切割試制結(jié)果，我們初步斷定原始數(shù)據(jù)取值不合適。為了驗(yàn)證此推論，我們決定按照凸輪圖樣在Pro/ENGINEER野火2.0版中進(jìn)行三維仿真。 進(jìn)入軟件后點(diǎn)擊文件、新建，選新建零件，在名稱中輸入CAM001后進(jìn)入繪圖模式，然后點(diǎn)拉伸特征并進(jìn)入草繪環(huán)境。在草繪環(huán)境下，按設(shè)計(jì)圖樣進(jìn)行繪圖，先作出內(nèi)孔55以及R55和R37大小兩個(gè)圓弧，接著按圖給出過(guò)渡段5一個(gè)特征點(diǎn)共18個(gè)。然后通過(guò)大小圓弧的端點(diǎn)和特征點(diǎn)作出兩段樣條曲線，這樣拉伸用草圖就生成了，如圖2所示。點(diǎn)擊確定后進(jìn)行實(shí)體拉伸，輸入拉伸厚度尺寸10得

32、到三維模型如圖3示。圖2 凸輪草繪圖圖3 原始的凸輪三維圖 從圖3中可以明顯看出凸輪表面凹凸明顯，不順滑，尤其是過(guò)度段與圓弧相接處明顯有棱邊，與采用線切割加工出的凸輪輪廓十分接近。 根據(jù)仿真效果和凸輪的工作時(shí)序要求，現(xiàn)決定用Pro/ENGINEER軟件在保證大小圓弧段的時(shí)序前提下進(jìn)行數(shù)值微調(diào)，使凸輪曲面更滑順。把明顯的凹凸部位數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，并增加樣條曲線和圓弧連接點(diǎn)為相切關(guān)系，修改后的圖樣和三維模型如圖4、圖5示。圖4 修改特征點(diǎn)后的圖樣圖5 數(shù)據(jù)修正后的凸輪三維圖 從圖5可以明顯看出，修正后凸輪三維效果已經(jīng)非常接近理想值，表面比較光順，接下來(lái)就是如何把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成數(shù)控銑床可識(shí)別的文本坐標(biāo)格式，并

33、進(jìn)行校正了。 2. 利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算并轉(zhuǎn)換成點(diǎn)坐標(biāo)尺寸 為了便于數(shù)據(jù)導(dǎo)入Pro/ENGINEER進(jìn)行驗(yàn)證，并生成數(shù)控所用的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)文本，同時(shí)為保證凸輪表面光滑度，需要給出足夠多的坐標(biāo)點(diǎn)，通常按照1的間隔把圓周分為360個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，此時(shí)把圓弧部分也給均分的目的是保證與樣條連接近似為相切關(guān)系，同時(shí)也可以一次把整個(gè)輪廓給加工出來(lái)。 這里我們借助Excel表格的統(tǒng)計(jì)和函數(shù)關(guān)系便可方便地得出點(diǎn)的坐標(biāo)，所用的Excel計(jì)算表如圖6示。 其中，A項(xiàng)為均分360個(gè)點(diǎn)的角度；B項(xiàng)為點(diǎn)的弧度（使用函數(shù)Fx=RADIANS（A：A）；C項(xiàng)為點(diǎn)的角度對(duì)應(yīng)得余玄值，使用函數(shù)Fx=COS（B：B）；D項(xiàng)為點(diǎn)的角

34、度對(duì)應(yīng)得正玄值，使用函數(shù)Fx=SIA（B：B）；E項(xiàng)為點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極徑，其中樣條曲線段采用一條極徑按角度陳列后與曲線所截成的線段長(zhǎng)；F項(xiàng)為點(diǎn)的橫坐標(biāo)，使用函數(shù)Fx=E*C；G項(xiàng)為點(diǎn)的縱坐標(biāo)，使用函數(shù)Fx=E*D；H、L項(xiàng)為點(diǎn)的第三方向坐標(biāo)均為0（此項(xiàng)目的是為數(shù)據(jù)倒入Pro/ENGINEER中校核使用）；J、K兩項(xiàng)為圓整小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)，使用函數(shù)Fx=ROUND（F，3）和 Fx=ROUND（G，3）。這樣就完成數(shù)據(jù)計(jì)算和轉(zhuǎn)換。圖6 Excel點(diǎn)坐標(biāo)值計(jì)算 3. 利用Pro/ENGINEER進(jìn)行修正后數(shù)據(jù)校驗(yàn) 經(jīng)過(guò)Excel轉(zhuǎn)換后圓周360個(gè)特征點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)就得到了。為了校驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性和進(jìn)一步完善凸輪表

35、面順滑度，現(xiàn)利用Pro/ENGINEER軟件生成通過(guò)360個(gè)點(diǎn)的曲線得到三維實(shí)體。 進(jìn)入Pro/ENGINEER程序，新建零件CAM002，然后進(jìn)入草繪，建一個(gè)水平和垂直的中心線，在交點(diǎn)上放置一個(gè)坐標(biāo)系，再用樣條曲線在屏幕上任意點(diǎn)擊幾下作一個(gè)封閉曲線，此時(shí)注意必須保證剛建立的坐標(biāo)系在曲線框內(nèi)部如圖7示。選中曲線，按下鼠標(biāo)右鍵選修改進(jìn)入曲線屬性界面，展開(kāi)文件菜單如圖8示，再點(diǎn)箭頭選中圖中所建坐標(biāo)系。最后再點(diǎn)擊保存按鈕，就把此曲線的上幾個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值保存下來(lái)，名稱可設(shè)為CAM_line.pts。圖7 封閉曲線圖8 曲線屬性 使用記事本程序打開(kāi)CAM_line.pts文件，可以看到Pro/ENGI

36、NEER中樣條曲線特征所使用的文件格式如圖9示。圖9樣條曲線特征所使用的文件格式 然后把Excel得到的360個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)X、Y、Z按次序通過(guò)寫字板程序轉(zhuǎn)換后，粘貼到CAM_line.pts文件，替換掉其中點(diǎn)坐標(biāo)值后再保存CAM_line.pts文件。此時(shí)要注意，必須保證第一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)與最后一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)一致，才能形成封閉曲線。 接下來(lái)再次回到Pro/ENGINEER中的圖8界面，選OPEN文件打開(kāi)剛保存的CAM_line.pts文件，出現(xiàn)“文件包含不同的點(diǎn)數(shù)，是否繼續(xù)?”提示，選取是。此時(shí)凸輪數(shù)據(jù)就調(diào)入Pro/ENGINEER中，若數(shù)據(jù)正確就可以得到如圖10示的規(guī)則曲線圖。圖10 凸輪曲線調(diào)入 此時(shí)再

37、利用曲線屬性中的曲率顯示，對(duì)曲率變化轉(zhuǎn)折大的地方進(jìn)行拖動(dòng)，使整體曲率變化平穩(wěn)，曲率圖越規(guī)則，則表示凸輪光順度越好，再次選取3點(diǎn)擬合，修改后凸輪曲線就和理想狀態(tài)就十分接近。最后確定退出草繪，拉伸后就得到校正后的凸輪模型。經(jīng)過(guò)修正后凸輪的三維模型如圖11所示，從圖中可以看出凸輪表面光順度比較理想。圖11 修正后凸輪模型 4. 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)控銑床識(shí)別格式 我們采用的數(shù)控銑床可識(shí)別的文件為點(diǎn)的坐標(biāo)尺寸文本表，可識(shí)別格式為：X+點(diǎn)的橫坐標(biāo)+空格+Y+點(diǎn)的縱坐標(biāo)。下面就是導(dǎo)出數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成數(shù)控文本格式的過(guò)程。 把修改后凸輪曲線數(shù)據(jù)重新保存一次，用寫字板打開(kāi)后，復(fù)制粘貼到Excel中，用合并字符串函數(shù)，CON

38、CATENATE進(jìn)行合并，如圖12示。圖12 數(shù)據(jù)合并 現(xiàn)把圖12中C列第二項(xiàng)邊框向下拉伸，所有特征點(diǎn)坐標(biāo)就完成合并，把C例復(fù)制粘貼到新文檔中單獨(dú)保存為純文本文件后，即可直接輸入數(shù)控銑床，利用銑床程序添加刀補(bǔ)半徑，即可顯示出完整的刀具軌跡了。而對(duì)操作工人的技術(shù)水平要求就相對(duì)低的多，主要任務(wù)就是把零件找正裝卡到位即可。 通過(guò)對(duì)加工后零件的檢測(cè)和裝機(jī)試驗(yàn)，改善效果比較理想，滾子在凸輪表面運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，達(dá)到預(yù)期效果。三、結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)Pro/ENGINEER、Excel、寫字板軟件的綜合應(yīng)用，完成凸輪的仿真、改進(jìn)、校正和數(shù)控?cái)?shù)據(jù)的輸出，大大降低了手工編程的復(fù)雜程度，保證零件的加工精度，提高效率，降低對(duì)操作

39、工人技術(shù)水平的要求。凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦學(xué)設(shè)計(jì)曲慶文 柴山山東理工大學(xué)精密模具重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東淄博，255012摘要：凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)主要被應(yīng)用于機(jī)械控制系統(tǒng)，控制精度是其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，凸輪廓線精確設(shè)計(jì)是運(yùn)動(dòng)方式的基本保證，摩擦學(xué)問(wèn)題是系統(tǒng)正常工作的重要條件，是系統(tǒng)失效的重要因素，決定系統(tǒng)的使用壽命。本文綜述和分析凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題，提出設(shè)計(jì)研究的方向。關(guān)鍵詞：凸輪，摩擦學(xué)設(shè)計(jì)，潤(rùn)滑1. 前言凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)主要用于機(jī)械控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)化和運(yùn)動(dòng)方式的控制。在輕工、紡織、食品等行業(yè)應(yīng)用廣泛，與其它機(jī)構(gòu)的組合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)為主體，以實(shí)現(xiàn)精

40、確控制的目的。但凸輪的摩擦、磨損影響運(yùn)動(dòng)精度和控制質(zhì)量，是凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)失效的主要原因。目前對(duì)凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的研究集中在對(duì)摩擦學(xué)特性的研究，特別是內(nèi)燃機(jī)的配氣系統(tǒng)1。摩擦學(xué)特性研究是在運(yùn)動(dòng)特性研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。由于凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)的特殊性，從動(dòng)件在工作過(guò)程中的變速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生慣性沖擊，在分析凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷時(shí)要考慮這一作用23。凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)在每一輪廓點(diǎn)上的受力是不均勻的，所以造成不均勻的磨損。由于每一點(diǎn)的廓線曲率不同，能產(chǎn)生的油膜厚度也是變化的，因此增加分析的難度。本文分析總結(jié)凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法，提出目前設(shè)計(jì)要考慮的內(nèi)容，以供設(shè)計(jì)者參考。2. 凸輪設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.1 凸輪廓線設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)

41、的設(shè)計(jì)主要包括基本尺寸的確定和凸輪輪廓的設(shè)計(jì)。基本尺寸主要是根據(jù)壓力角等因素來(lái)確定，凸輪輪廓是根據(jù)基本尺寸和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)的。過(guò)去這兩部分的設(shè)計(jì)常常采用圖解法，雖然圖解法簡(jiǎn)單、直觀，但精度低，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)控機(jī)床的普及,凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的解析法正逐步取代傳統(tǒng)的圖解法。凸輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是凸輪的輪廓曲線，關(guān)系到運(yùn)動(dòng)的控制、運(yùn)動(dòng)的失真和摩擦學(xué)特性。廓線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的確定，運(yùn)動(dòng)規(guī)律影響凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，也即影響運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。因此，凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律和基本尺寸的確定（基圓半徑、偏置、擺動(dòng)中心等），決定了輪廓曲線的形狀。2.2 凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)特性分析凸

42、輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的就是使工作端再現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)低速運(yùn)轉(zhuǎn)或其剛度很大而質(zhì)量較小時(shí)，其工作端的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本上受所設(shè)計(jì)的凸輪廓線控制。然而,當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)高速運(yùn)轉(zhuǎn)或系統(tǒng)固有頻率較低時(shí)，工作端的運(yùn)動(dòng)規(guī)律將發(fā)生畸變，產(chǎn)生不容忽視的動(dòng)態(tài)偏差，影響機(jī)構(gòu)的實(shí)施性能。對(duì)于彈性凸輪機(jī)構(gòu)而言,抑制其動(dòng)態(tài)響應(yīng)的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較之彈性連桿機(jī)構(gòu)要少得多。Grewal等4比較了不同凸輪廓線下高速?gòu)椥酝馆啓C(jī)構(gòu)的性能。Chew等5提出了一種減少凸輪殘余振動(dòng)的直接方法。Wiederrich6對(duì)多自由度凸輪系統(tǒng)殘余振動(dòng)準(zhǔn)則進(jìn)行了分析。Chew等7運(yùn)用優(yōu)化理論依靠控制從動(dòng)件上有效的彈簧力來(lái)實(shí)施凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。Yamada等

43、8則應(yīng)用反饋控制來(lái)減少殘余振動(dòng)以獲得系統(tǒng)的精確定位。總之，凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的特性分析包含運(yùn)動(dòng)特性、速度特性、加速度特性和載荷特性，其分析的目的是控制凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的精度，由于凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)本身的特性決定了工作過(guò)程中存在動(dòng)態(tài)變化，這些動(dòng)態(tài)特性將影響凸輪的傳動(dòng)精度，必須綜合分析以解決動(dòng)態(tài)控制的穩(wěn)定性，同時(shí)為強(qiáng)度設(shè)計(jì)和摩擦學(xué)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。2.3 凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的失效分析凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的失效包括凸輪及與其相聯(lián)系的相關(guān)零部件的失效。其主要形式為零部件的磨損、零部件的變形、振動(dòng)穩(wěn)定性、零部件的疲勞點(diǎn)蝕及一般的強(qiáng)度問(wèn)題。磨損是發(fā)生在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部位，包括凸輪旋轉(zhuǎn)軸與軸承、凸輪與從動(dòng)件之間的接觸、從動(dòng)件的支撐等，產(chǎn)生磨損將

44、使間隙增大，造成運(yùn)動(dòng)控制精度下降，這是摩擦學(xué)設(shè)計(jì)主要解決的問(wèn)題，也是凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵；零部件的變形分為彈性變形和塑性變形，為了控制運(yùn)動(dòng)精度，彈性變形必須被限制，由于凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性，要充分考慮到極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的彈性變形；塑性變形是由于材料在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性流動(dòng)，通過(guò)材料的選擇和處理將予以解決；振動(dòng)穩(wěn)定性是考慮凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)在不穩(wěn)定載荷和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題，特別是高速凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)尤其重要，穩(wěn)定性分析不僅解決凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，同時(shí)可分析載荷的變化特性及極限載荷，對(duì)磨損和潤(rùn)滑設(shè)計(jì)提供依據(jù)；疲勞點(diǎn)蝕是高副接觸的主要失效形式，影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性；其它強(qiáng)度問(wèn)題以力學(xué)基本計(jì)算解決

45、。3. 潤(rùn)滑計(jì)算3.1 凸輪潤(rùn)滑分析的簡(jiǎn)化凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)以凸輪副為主體進(jìn)行，當(dāng)然其它導(dǎo)軌的潤(rùn)滑對(duì)凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的影響也是不可忽視的。凸輪副為高副接觸，除尖頂從動(dòng)件外，其它為線接觸，對(duì)于這樣的運(yùn)動(dòng)副，可以被簡(jiǎn)化為平面與滾子的接觸問(wèn)題，凸輪當(dāng)量機(jī)構(gòu)圖如圖1所示。圓柱的曲率中心就是接觸點(diǎn)的曲率中心，將凸輪機(jī)構(gòu)高副低代后，可求得圓柱的曲率半徑R和滾動(dòng)速度V(1)(2)式中：j1為凸輪轉(zhuǎn)角，w1為凸輪角速度，r0凸輪基圓半徑，S(j1)為推桿的位移函數(shù)（從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律），h為最小油膜厚度。3.2 最小油膜厚度的計(jì)算分析凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的最小油膜厚度計(jì)算方程的確定，必須根據(jù)凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的工作條件來(lái)決定

46、，確定其潤(rùn)滑特性。高副彈流潤(rùn)滑的最小油膜厚度計(jì)算所適用的方程根據(jù)彈性和粘性的主導(dǎo)地位而變化，對(duì)于凸輪機(jī)構(gòu)大多屬于控制系統(tǒng)，載荷小，其彈性效應(yīng)可以忽略；在高速重載下要考慮粘彈性等。為了方便計(jì)算將彈流潤(rùn)滑計(jì)算方程轉(zhuǎn)化為通式形式(3)式中：a為壓粘系數(shù)，h0為潤(rùn)滑劑的常規(guī)粘度，w為單位長(zhǎng)度的載荷，Ci為油膜計(jì)算系數(shù)，為綜合彈性模量，其值為(4)公式在使用中，系數(shù)C1C7的選擇根據(jù)粘性參數(shù)和彈性參數(shù)來(lái)確定。，。根據(jù)彈性流體潤(rùn)滑狀態(tài)圖的簡(jiǎn)單直線劃分成的四個(gè)區(qū)，可以四條線的交點(diǎn)的基準(zhǔn)，以角度來(lái)表達(dá)區(qū)域范圍，即令，其中和為交點(diǎn)坐標(biāo)值。由此可得各系數(shù)在不同區(qū)域的選值與d 的對(duì)應(yīng)關(guān)系。3.3 失效準(zhǔn)則凸輪傳動(dòng)系

47、統(tǒng)的失效是以磨損失效為主，通常判斷能否產(chǎn)生磨損是有膜厚比，即(5)式中：s1和s2分別是凸輪和從動(dòng)件接觸表面的均方根粗糙度，其值與加工和跑合情況有關(guān)。當(dāng)l3時(shí)，處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生磨損。從上述方程可知，影響油膜厚度的因素都將影響凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦學(xué)特性。在凸輪設(shè)計(jì)中，由于各接觸點(diǎn)的曲率半徑不同，速度的變化等使得油膜厚度變化，是一種不穩(wěn)定的運(yùn)行工況，所以凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的潤(rùn)滑狀態(tài)由lmin決定。3.4 基本尺寸對(duì)潤(rùn)滑的影響影響凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)lmin的因素很多，加工表面粗糙度、潤(rùn)滑劑的特性（如粘度、添加劑等）、工作條件等與齒輪等高副系統(tǒng)分析相似。以下僅討論凸輪的基圓半徑、轉(zhuǎn)速和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)潤(rùn)

48、滑狀態(tài)的影響?；鶊A半徑是凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)，影響運(yùn)動(dòng)和傳力，增加基圓半徑，可增大油膜厚度，同時(shí)可減少接觸應(yīng)力和消除運(yùn)動(dòng)失真。潤(rùn)滑狀態(tài)與推桿的速度無(wú)關(guān)。凸輪的轉(zhuǎn)速增加，油膜厚度增大，但轉(zhuǎn)速的增加還應(yīng)考慮不平衡慣性力的影響。從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)潤(rùn)滑的影響也比較大，在推程加速區(qū)，加速度的方向與位移增量方向相同，油膜厚度隨j1增加而增加；在推程減速區(qū)，加速度方向與位移增量方向相反，加速度對(duì)油膜有減薄作用。在回程，加速區(qū)油膜減薄，而減速區(qū)，油膜增加。所以可知油膜減薄區(qū)的加速度是改善潤(rùn)滑狀態(tài)的關(guān)鍵。3.5 潤(rùn)滑設(shè)計(jì)的基本思想摩擦學(xué)設(shè)計(jì)主要是以摩擦學(xué)的基本理論來(lái)分析傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)，以解決機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)失

49、效的最關(guān)鍵的問(wèn)題磨損，這也是失效概率最大的、最難于解決的問(wèn)題。在以往的計(jì)算中，都是在基本參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行摩擦學(xué)核算，作為分析的次要條件，如凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以運(yùn)動(dòng)規(guī)律及不失真為條件，兼顧壓力角的特性，設(shè)計(jì)凸輪的廓線，分析其傳動(dòng)特性，必要時(shí)計(jì)算最小油膜厚度，分析凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)所處的工作狀態(tài)。潤(rùn)滑設(shè)計(jì)的基本思想是以潤(rùn)滑條件為主體進(jìn)行凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，即首先確定潤(rùn)滑狀態(tài)，然后依次進(jìn)行凸輪尺寸的確定，保證工作過(guò)程中達(dá)到一定的摩擦學(xué)特性，限制失效發(fā)生，得到最佳的壽命。4. 摩擦學(xué)設(shè)計(jì)需商討的問(wèn)題隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)計(jì)、加工的不斷完善，潤(rùn)滑方式、潤(rùn)滑劑、添加劑及表面處理技術(shù)的進(jìn)展和廣泛應(yīng)用，

50、對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入，摩擦學(xué)問(wèn)題越來(lái)越被重視，摩擦學(xué)設(shè)計(jì)成為設(shè)計(jì)發(fā)展的新亮點(diǎn)。目前摩擦學(xué)設(shè)計(jì)還停留在核算水平，主要是摩擦學(xué)設(shè)計(jì)的影響因素多而雜，參數(shù)的設(shè)計(jì)范圍寬而廣，表面質(zhì)量難于精確控制，潤(rùn)滑劑及添加劑的特性隨工況變化的復(fù)雜性等等。在此提出幾個(gè)值得商討的問(wèn)題。4.1 粗糙度粗糙度是評(píng)價(jià)潤(rùn)滑狀態(tài)的主要指標(biāo)，是以均方根值與油膜厚度進(jìn)行比較，在凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)工作中，由于跑合或工作一定時(shí)間后，其粗糙度將可能產(chǎn)生變化，凸峰將磨平，因此將達(dá)到比較好的潤(rùn)滑狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)如何考慮這一現(xiàn)象，將影響設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。4.2 潤(rùn)滑劑粘度納米摩擦學(xué)的研究證明，潤(rùn)滑劑的特性將隨油膜厚度的變化而變化，對(duì)于高副傳動(dòng)，油膜厚

51、度很小，潤(rùn)滑劑的這一特性必須被考慮，目前潤(rùn)滑劑隨膜厚變化的修正公式還不是十分成熟，但已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到這一關(guān)鍵的問(wèn)題，它將大大改變潤(rùn)滑狀態(tài)的劃分。4.3 薄膜潤(rùn)滑薄膜潤(rùn)滑是九十年代的新興科學(xué)，介于彈流潤(rùn)滑與邊界潤(rùn)滑，隨著加工技術(shù)的不斷發(fā)展，精密或超精密加工，使得薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)成為現(xiàn)實(shí)，使得流體潤(rùn)滑區(qū)域增加，磨損的可能性減小，這也是設(shè)計(jì)要考慮的問(wèn)題。5. 結(jié)論摩擦學(xué)設(shè)計(jì)是解決摩擦磨損問(wèn)題的有效方法，其涉及的因素多，要考慮設(shè)備的跑合性、潤(rùn)滑劑及添加劑的性能變化、薄膜潤(rùn)滑的實(shí)現(xiàn)條件，同時(shí)考慮凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)特性和強(qiáng)度設(shè)計(jì)問(wèn)題，系統(tǒng)的分析所涉及的問(wèn)題，明確公式的使用范圍及修正參數(shù)的變化，得出理想的傳動(dòng)系統(tǒng)

52、。凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)newmaker當(dāng)根據(jù)使用要求確定了凸輪機(jī)構(gòu)的類型、基本參數(shù)以及從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，即可進(jìn)行凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法有幾何法和解析法，兩者所依據(jù)的設(shè)計(jì)原理基本相同。幾何法簡(jiǎn)便、直觀，但作圖誤差較大，難以獲得凸輪輪廓曲線上各點(diǎn)的精確坐標(biāo)，所以按幾何法所得輪廓數(shù)據(jù)加工的凸輪只能應(yīng)用于低速或不重要的場(chǎng)合。對(duì)于高速凸輪或精確度要求較高的凸輪，必須建立凸輪理論輪廓曲線、實(shí)際輪廓曲線以及加工刀具中心軌跡的坐標(biāo)方程，并精確地計(jì)算出凸輪輪廓曲線或刀具運(yùn)動(dòng)軌跡上各點(diǎn)的坐標(biāo)值，以適合在數(shù)控機(jī)床上加工。 圓柱凸輪的廓線雖屬空間曲線，但由于圓柱面可展成平面，所以也可以借用平面盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)

53、計(jì)方法設(shè)計(jì)圓柱凸輪的展開(kāi)輪廓。本節(jié)分別介紹用幾何法和解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線的原理和步驟。 1 幾何法 反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)原理： 以尖底偏置直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)為例： 凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)，凸輪和從動(dòng)件都在運(yùn)動(dòng)。為了在圖紙上畫出凸輪輪廓曲線，應(yīng)當(dāng)使凸輪與圖紙平面相對(duì)靜止，為此，可采用如下的反轉(zhuǎn)法：使整個(gè)機(jī)構(gòu)以角速度(-w)繞O轉(zhuǎn)動(dòng)，其結(jié)果是從動(dòng)件與凸輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)并不改變，但凸輪固定不動(dòng)，機(jī)架和從動(dòng)件一方面以角速度(-w)繞O轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)從動(dòng)件又以原有運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)機(jī)架往復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這種關(guān)系，不難求出一系列從動(dòng)件尖底的位置。由于尖底始終與凸輪輪廓接觸，所以反轉(zhuǎn)后尖底的運(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪輪廓曲線。 1). 直動(dòng)從動(dòng)件

54、盤形凸輪機(jī)構(gòu) 尖底偏置直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)： 已知從動(dòng)件位移線圖，凸輪以等角速w順時(shí)針回轉(zhuǎn)，其基圓半徑為r0，從動(dòng)件導(dǎo)路偏距為e，要求繪出此凸輪的輪廓曲線。 運(yùn)用反轉(zhuǎn)法繪制尖底直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)凸輪輪廓曲線的方法和步驟如下： 1) 以r0為半徑作基圓，以e為半徑作偏距圓，點(diǎn)K為從動(dòng)件導(dǎo)路線與偏距圓的切點(diǎn)，導(dǎo)路線與基圓的交點(diǎn)B0(C0)便是從動(dòng)件尖底的初始位置。 2) 將位移線圖s-f的推程運(yùn)動(dòng)角和回程運(yùn)動(dòng)角分別作若干等分（圖中各為四等分）。 3) 自O(shè)C0開(kāi)始，沿w的相反方向取推程運(yùn)動(dòng)角(1800)、遠(yuǎn)休止角(300)、回程運(yùn)動(dòng)角(1900)、近休止角(600)，在基圓上得C4、C5、C

55、9諸點(diǎn)。將推程運(yùn)動(dòng)角和回程運(yùn)動(dòng)角分成與從動(dòng)件位移線圖對(duì)應(yīng)的等分，得C1、C2、C3和C6、C7、C8諸點(diǎn)。 4) 過(guò)C1、C2、C3、.作偏距圓的一系列切線，它們便是反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件導(dǎo)路的一系列位置。 5) 沿以上各切線自基圓開(kāi)始量取從動(dòng)件相應(yīng)的位移量，即取線段C1B1=11 、C2B2=22、.，得反轉(zhuǎn)后尖底的一系列位置B1、B2、.。 6) 將B0、B1、B2、.連成光滑曲線（B4和B5之間以及B9和B0之間均為以O(shè)為圓心的圓?。愕玫剿蟮耐馆嗇喞€。 滾子直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)： 首先取滾子中心為參考點(diǎn)，把該點(diǎn)當(dāng)作尖底從動(dòng)件的尖底，按照上述方法求出一條輪廓曲線h。再以h上各點(diǎn)為中心畫一

56、系列滾子，最后作這些滾子的內(nèi)包絡(luò)線h（對(duì)于凹槽凸輪還應(yīng)作外包絡(luò)線h）。它便是滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)凸輪的實(shí)際輪廓曲線，或稱為工作輪廓曲線，而h稱為此凸輪的理論輪廓曲線。由作圖過(guò)程可知，在滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，r0是指理論輪廓曲線的基圓半徑。 在以上兩例中，當(dāng)e=0時(shí)，即得對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)。這時(shí)，偏距圓的切線化為過(guò)點(diǎn)O的徑向射線，其設(shè)計(jì)方法與上述相同。 平底從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)： 凸輪實(shí)際輪廓曲線的求法也與上述相仿。首先取平底與導(dǎo)路的交點(diǎn)B0為參考點(diǎn)，將它看作尖底，運(yùn)用尖底從動(dòng)件凸輪的設(shè)計(jì)方法求出參考點(diǎn)反轉(zhuǎn)后的一系列位置B1、B2、B3.；其次，過(guò)這些點(diǎn)畫出一系列平底，得一直線族；最后作此直線族的