橢圓軌跡直擺凸輪組合機構(gòu)的設計剖析

1、本課題要求設計一直擺凸輪組合機構(gòu)，使給定在擺桿上的某個點實現(xiàn)預期橢圓軌跡，并在此基礎上進一步設計出整個機構(gòu)所需的所有零件的實體模型，然后將其裝配組合，并進行運動仿真。機構(gòu)示意圖如圖1-1:圖11直擺組合凸輪機構(gòu)示意圖眾所周知，人類創(chuàng)造發(fā)明機構(gòu)和機器的歷史十分悠久，并且隨著人們對不同機器和機構(gòu)的需求的日益增多，對它們的研究也在不斷的深入，特別是在近代，科學技術的飛速發(fā)展使得機構(gòu)和機器的種類和它們所能完成的功能得到了極大的豐富。也正因為如此，機構(gòu)和機器理論已經(jīng)發(fā)展成為一門重要的技術基礎學科。在這一學科中，進一步完善傳統(tǒng)典型機構(gòu)的分析與綜合方法，例如實現(xiàn)預期軌跡的機構(gòu)的類型和設計方法的創(chuàng)新，仍是值得

2、研究的課題。在這一方面，對本課題的研究就有著重要的意義?，F(xiàn)代化的生產(chǎn)，許多都要求設備能實現(xiàn)某種預期軌跡來更好的生產(chǎn)，比如在食品加工機械中的饅頭自動化生產(chǎn)線上，具饅頭堆放機構(gòu)就是一個利用組合機構(gòu)來完成預期的饅頭堆放軌跡的。在實現(xiàn)預期軌跡的組合機構(gòu)中，直擺凸輪組合機構(gòu)是一種非常實用的機構(gòu),通過不同輪廓的直動凸輪和擺動通論驅(qū)動連桿配合運動，既能實現(xiàn)連續(xù)性預期軌跡，如星形線、內(nèi)擺線、旋輪線、漸開線、正態(tài)曲線等；又能實現(xiàn)離散化預期軌跡，如人頭像、金魚、黑桃、三菱商標等。所涉及到的工業(yè)生產(chǎn)：如專用線切割機床、專用電火花加工機床、專用焊接焊切機械手、專用幾何測量儀器、行程控制機構(gòu)及各類輕工機械等。可以實現(xiàn)圖

3、案加工、電火花刻線等等。因此，研究本課題不僅有其理論意義，也有著其現(xiàn)實意義。該機構(gòu)是由直動從動件凸輪機構(gòu)與擺動從動件凸輪機構(gòu)組成的聯(lián)動凸輪機構(gòu)（圖一1）,該機構(gòu)具有3個活動構(gòu)件（n=3）,3個低副（Pi=3）,2個高副（Ph=2）,由平面機構(gòu)自由度計算公式n=3n-2Pi-Ph1故其機構(gòu)自由度”為："=3父3一2父3一2=1該機構(gòu)原動件數(shù)目為1,與其機構(gòu)自由度相等，故該機構(gòu)成立。通過建立直、擺組合凸輪機構(gòu)的設計公式，從而得出該機構(gòu)各構(gòu)件位置、大小及形狀尺寸、凸輪實際廓線、理論廓線。在此基礎上，再合理設計出機構(gòu)所需的每個零部件的結(jié)構(gòu)，之后將它們裝配組合，并進行運動彷真，驗證設計的正確性

4、。此機構(gòu)的設計可以分為如下幾個部分：直動從動件凸輪和擺動從動件凸輪的設計，直動桿和擺動桿的設計，直動導軌的設計，軸系零部件的設計和機架的設計。其中最為關鍵也最為困難的是直動從動件凸輪和擺動從動件凸輪的設計，而采用何種方法進行設計又是首先需要考慮的問題。因此在設計過程中應該先確定所要采用的凸輪設計方法。在以上部分設計完成后，機構(gòu)的運動仿真，包括機構(gòu)各個部件的裝配和裝配后的動態(tài)仿真。在這一階段需仔細計劃各個部件的安裝位置和安裝順序，將每一個部件都正確安裝到位。其中值得注意的是直動凸輪與擺動凸輪的安裝滯后角，這一角度需嚴格控制，稍微的誤差可能就直接影響預期的曲線。本課題所用到的硬件主要是計算機。用到

5、的軟件有：AutoCAD2004,ProeWildfire3.0,Word2000,Powerpoint2000。82橢圓軌跡直擺組合凸輪機構(gòu)理論設計由于該組合機構(gòu)綜合了單一的直動凸輪和擺動凸輪兩種機構(gòu)，具運動的復雜性，靠單純的傳統(tǒng)的方法求凸輪廓線，非常復雜，本課題采用一種準確、快捷，簡便的離散化方法2。2.1 直、擺組合凸輪機構(gòu)設計基本思想圖2-1直、擺組合凸輪機構(gòu)參數(shù)的幾何關系設Xi,yin為預期曲線上n+1個坐標點，它們與下列數(shù)值一一對應3,如圖21h；頂桿位移；qn擺桿轉(zhuǎn)角；rzi«zi0直動從動件凸輪向徑與極角；Bi,aBin擺動從動件凸輪向徑與極角；e直動凸輪偏心距；a,

6、b預期曲線起始點坐標；R,R1,R2擺桿長度，擺桿上端長度，頂桿長度。依據(jù)預期曲線上的點Xi,yi0與頂桿位移hi0、擺桿轉(zhuǎn)角qi0之間的幾何關系，求出它們的變化規(guī)律幾-,qi0,再分別設計直動從動件凸輪廓形與擺動從動件凸輪廓形。2.2 直、擺組合凸輪機構(gòu)設計步驟2.2.1 在預期曲線L上求取坐標點預期曲線可以是由一條或若干條平面曲線組成的封閉曲線，首先寫出它的參數(shù)方程表達式,并且要求參數(shù)方程表示的曲線位于第I、第IV象限，初定其起始點為坐標原點。曲線方程為：(2-1)(2-2)x=%t；y=Wt)積分求弧長，得tnL=：t0,(t)2'(t)2dt其中,t0,tn分別表示曲線的起始參

7、數(shù)與終了參數(shù)。再按照設計要求將曲線分成若干段，其中任意一段定一位置ki,則有40,且n£ki=L,令k0=0。i=0下面采用勻速運動規(guī)律將預期曲線分段，ki求解公式為：ki=-n式中，i=0,1,2n。如果將預期曲線L對應的凸輪轉(zhuǎn)角都分成n等份，使之與：相對應，那么當凸輪軸勻速轉(zhuǎn)動時，通過組合凸輪機構(gòu)，將使從動點以預期的勻速運動規(guī)律沿預期曲線運動。2.2.2 機構(gòu)初始位置參數(shù)確定參看圖2-2,直、擺組合凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：直動凸輪基圓半徑Z0,擺動凸輪基圓半徑So,偏心距e以及擺桿長度R及Ri,頂桿長度R等。由這些機構(gòu)參數(shù)可得到如下機構(gòu)初始位置參數(shù)(初始位置h0=0):擺桿與頂桿在

8、初始位置的夾角4I2R2-r2q0=arccos|-%(2-3):2I。R一式中，=arctan且，I0=MR12+e2Ri從動點起始位置坐標a=Rsinqo(2-4)b=R.(1-cosqo)(2-5)圖2-2直、擺組合凸輪機構(gòu)初始位置參數(shù)考慮機構(gòu)的初始位置，應該將上節(jié)求到的坐標點Xj,yj；平移到從（a,b）為初始點的位置上來，于是有：xi,yi0ta+a,yi+b£.平移后的坐標點仍記作Xifi；。2.2.3 確定頂桿位移與擺桿轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律此處省略NNNNNNNNNNNN字口如需要完整說明書和CAD圖紙等I互聯(lián)網(wǎng)騰訊公司二四柒伍玖伍玖零玖捌小麥設計信的過.本設計已通過答辯！長

9、期有效分析圖2-1,可以得到以下關系式：聯(lián)接軸承座與座板用的螺栓：GB5780M12X45數(shù)量為4;其配合的螺母：GB41-86M12數(shù)量為4；凸輪的軸向定位用的軸端C型外擋圈：GB894.1-8615數(shù)量為1;擺桿的軸向定位用的軸端擋圈：GB895.1-867數(shù)量為1；凸輪與軸的周向定位用的A型普通平鍵：截面尺寸5X5數(shù)量為1;安裝在軸上的軸承：GB276-896205；與其配合的軸承座：GB7813-87SN103。4機構(gòu)實體的運動仿真為了驗證本課題所設計的直白組合凸輪機構(gòu)能否使擺桿的末端點實現(xiàn)預期的橢圓軌跡，現(xiàn)對該機構(gòu)的實體進行運動仿真。所有零件的實體模型構(gòu)建完成后，在Proe下將它們裝

10、配7組合，效果如圖4-1：圖4-1裝配效果圖其分解視圖如圖4-2:圖4-2分解視圖參考文獻1鄭文緯，吳克堅.機械原理（第七版）.高等教育出版社2周全申，郭建生.直、擺組合凸輪機構(gòu)設計.1992年，第9卷，第1期3鄒慧君，董師予.凸輪機構(gòu)的現(xiàn)代設計.1991年，上海交通大學出版社4趙韓.凸輪機構(gòu)運動幾何學的通用解析公式.1995年第31卷第3期5 楊明忠，朱家誠.機械設計.武漢理工大學出版社6 蔡春源.新篇機械設計手冊.遼寧科學技術出版社7 邵立新，夏素民，孫江宏.Pro/ENGINEERWildfire3.0標準教程.清華大學出版社致謝經(jīng)過一個多月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，以及一起做設計的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。在這里首先要感謝我的導師姚明印。她平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從給我們下放課題，設計前期的引導，中期檢查，后期詳細設計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導。我的設計一直都做得不太順利，但是姚老師仍然細心地糾正我設計中的錯誤，不厭其煩的給我悉心教導。她的治學嚴謹和科學研究的精神是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。