毕业设计（论文）文献综述-沟槽凸轮机构的设计和电子仿真.doc

文献综述1、课题研究背景1.1我国凸轮机构的研究现状凸轮机构是典型的常用机构之一。凸轮机构是能使从动件按照给定的运动规律运动的高副机构，可以实现任意给定的位移、速度、加速度等运动规律，而且与其它机构配合可以实现复杂的运动要求。工程中，几乎所有简单的、复杂的重复性机械动作都可由凸轮机构或者包括凸轮机构的组合机构来实现。又由于凸轮机构具有平稳性好，重复精度高，运动特性良好，机构的构件少，体积小，刚性大，周期控制简单，可靠性好，寿命长等优点，因而是现代工业生产设备中不可缺少的机构之一，被广泛用于各种自动机中。例如，自动包装机、自动成型机、自动装配机、自动机床、纺织机械、农用机械、印刷机械加工中心环刀机构、高速压力机械等。我国以前对凸轮机构深入系统地研究较少，仅在内燃机配气凸轮机构有较深入研究。1990年以来，有关凸轮机构的应用研究取得了一大批成果，许多己应用于生产。陕西科技大学完成的(高速高精度间歇转位凸轮分度机构 cad/cam)，1995年获陕西省科技进步二等奖:开发的“凸轮分度机构传动装置”获中国轻工总会优秀新产品一等奖;加工弧面凸轮的“xk5001双回转坐标数控铣床”获实用新型专利。天津大学关于分度凸轮机构的研究，得到了国家自然科学基金的支持;研究开发的两片式平行分度凸轮机构达到了国内领先水平。此外，上海交通大学、大连轻工业学院、合肥工业大学和山东大学(山东工业大学)等在理论应用研究方面都取得了很多具有国际或国内先进水平的科研成果。尽管我国对凸轮机构的应用和研究也有多年的历史，对凸轮机构的设计、运动规律、轮廓线、动力学、优化设计等方面的研究都取得了很多科研成果。但是，与先进国家相比，我国对凸轮机构的设计和制造上都还存在较大的差距，尤其在制造方面。在国外核心技术也只是集中在少数的几家公司和科研机构中，而且由于技术保密等因素，具有一定参考价值的相关资料很少公开发表。这样就在无形中制约着我国凸轮机构设计和制造水平的提高，造成高速、高精度的凸轮机构必须依赖进口的被动局面。1.2我国凸轮机构 cad/cam的研究现状我国凸轮机构运动学的理论研究己经达到了较高的水平，为凸轮机构设计奠定了坚实的理论基础。当今，凸轮机构设计己广泛采用解析法并借助于计算机来完成，数控机床用于凸轮加工也有很长的历史。我国发表的凸轮机构 cad/cam方面的文献较多。但这些凸轮的 cad/cam系统核心技术仅被某些企业所有，并未在市场上以商品软件的形式出现。迄今止我国凸轮机构 cad/cam技术仍未得到有效的推广应用。另外，由于凸轮专用软件开发更新的速度慢，远远跟不上当今计算机软、硬件的发展速度，使得现有凸轮机构cad/cam软件己大为落后，不能完全适应广大设计人员的要求。1.3国外凸轮机构及其 cad/cam的研究现状自上世纪三十年代以来，人们就开始了对凸轮机构的研究，并且研究工作随着新技术、新方法的产生和应用在不断深化。60年代后，对凸轮的研究逐步成熟起来，出现了较完整的运动规律的设计，在梯萨尔的著作中就采用了多项式运动规律。对凸轮机构的研究不断向纵深方向发展，开始对凸轮进行有限元分析及非线性问题的研究，同时，欧美各国学者对高速凸轮的研究也有新的突破，许多学者发表了关于凸轮机构的优化设计、凸轮振动、动态响应等方面的论文。日木在凸轮机构方面的研究也有巨大贡献。在机构设计方面，致力于寻求凸轮机构的精确解和使凸轮曲线多样化，以适应新的要求。并加强了对凸轮机构动力学和振动方面的研究和标准化研究，发展成批生产的标准凸轮机构，在此基础上进一步拓展凸轮机构 cad/cam系统。美国、日木等国家的一些凸轮制造企业开发了供木企业使用的凸轮 cad/cam系统，有的还形成了商业化软件，如日木suncall公司开发的 hymocam系统等。1.4我国平面盘形凸轮cad系统存在的问题通过调研以及查阅大量文献资料，我国现有的平面盘形凸轮cad系统存在如下问题:1)多数是在autocad基础上进行二次开发而成的，不具有三维建模功能。2)没有商品化的凸轮cad系统出现。3)现有的基于pro/engineer的凸轮cad系统中，融入先进的数据库管理技术的还没有主要原因是由于pro/toolkit开发界面的功能很弱，而且根木没有连接数据库的功能。4)由于凸轮专用软件开发更新的速度慢，远远跟不上当今计算机硬件的发展速度，使得现有的平面凸轮机构cad应用软件已大为落后，不能适应实际生产的需要。5)集成化、智能化和网络化很不完善。2、计算机仿真概述2.1计算机仿真的基本概念及特点计算机仿真(computersimulation)是指对于某个待研究的系统模型建立其仿真模型进而在子计算机上对该仿真模型进行模拟实验(仿真实验)研究的过程。所以计算机仿真是通过对系统模型的实验去研究一个真实系统。从20世纪80年代后期开始，计算机仿真在诸多方面都发生了十分重大的转变:仿真研究的对象己由对连续系统转向离散事件系统;由重视实验转向重视建模与结果分析:由强调并重视与人工智能结合转向强调与图形技术和对象技术结合，使仿真的交互性大大增强。就应用领域方面而言，计算机仿真己由航空航天转向制造业，并从研究制造对象(产品)的动力学、运动学特性及加工、装配过程，扩大到研究制造系统的设计和运行，并进一步扩大到后勤供应、库存管理、产品开发过程的组织、产品测试等，涉及到企业制造活动的各个方面。现代制造的分布性也使得计算机仿真与网络技术相结合，出现了分布式仿真技术。计算机仿真技术集成了计算机技术、网络技术、图形图像技术、面向对象技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。计算机仿真技术还有以下几个优点:1.）模型参数任意调整模型参数可根据要求通过计算机程序随时进行调整、修改或补充，使人们能掌握各种可能的仿真结果，为进一步完善研究方案提供了极大的方便。这使得计算机仿真与通常的实物实验相比，具有运行费用低、无风险以及方便灵活等优点。2.）系统模型快速求解利用计算机，在较短时间内就能知道仿真运算的结果(数据或图像)。3.）运算结果可靠只要系统模型、仿真模型和仿真程序是科学合理的，那么计算机的运算结果一定是准确无误的。正是基于这些优点，计算机仿真方法能优化系统设计，降低实验成本，减少失败风险，提高预测能力。目前，无论在科学研究还是技术开发或工业设计中，计算机仿真方法都显示出强大的威力，已成为人们研究复杂系统时不可或缺的一种手段。2.2计算机仿真技术在制造业中的应用计算机仿真技术作为一门新兴的高科技技术，在制造业产品设计和制造，尤其在航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，一直是不可缺少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大的作用。在从产品的设计、制造至测试维护的整个生命周期中，计算机仿真技术贯穿始终。1.）虚拟制造(vm)虚拟制造是在二十世纪九十年代提出的一种全新的制造理念，虚拟制造采用计算机虚拟仿真技术，以新产品及其制造系统的全局最优化为目标，通过仿真模型，在计算机上仿真生产全过程，实现产品的工艺规程、加工制造、装配和调试，预估产品的功能、性能和加工性等方面可能存在的问题，从而更加有效地组织生产，增强决策与控制水平，缩短产品开发周期，提高产品质量。目前虚拟制造技术的研究和应用主要侧重于运动仿真、加工模拟、装配检查、性能评测等方面，其核心技术包括虚拟现实技术、仿真技术、建模技术和可制造性评价。可制造性评价是在给定的环境信息和制造资源下，确定设计特性(如形状、尺寸、公差等)是否是可制造的及制造的难易程度。2.)虚拟产品开发(vpd)虚拟产品开发是实际产品开发过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验等。虚拟产品开发源于并行工程(ce)思想。ce的思想是将现代先进的组织形式跟现代的哲学、文化混合为一体，是对产品设计及其相关过程进行并行的、一体化设计的一种系统化工作模式。虚拟产品开发技术从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产和产品维护的传统模式，在产品开发的前期即考虑了投资、生产、装配、销售及维修等问题，因而能够大大提高产品质量，降低产品成本，缩短产品开发周期，提高其市场的竞争能力。3.)虚拟样机虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。虚拟样机技术采用了计算机仿真与虚拟技术，在计算机上通过cad/c川四cae等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中，实现产品的仿真、分析。虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持产品的全方位测试、分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程当中，它可以用在概念设计和方案论证中。设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机内的虚拟样机里，让想象力和创造力充分发挥。用虚拟样机来代替物理样机验证设计时，不但可以提高产品设计质量和效率，而且大幅度地缩短产品研制周期和费用。目前，世界上使用范围最广、最负盛名的虚拟样机软件是美国mehcnaiacld”maicsinc.研制的adams，它集建模、求解、可视化技术于一体，能产生复杂机械系统的虚拟样机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参数方案，直至获得最优化的工作性能。3、pro/e运动仿真的特点在pro /e中，我们可以通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来，以实现机构的运动仿真。而机构又是由构件组合而成的，其中每个构件都是以一定的方式至少与另一个构件相连接，这种连接既使两个构件直接接触，又使两个构件产生一定的相对运动。创建机构的过程与零件装配的过程极为相似。与其他的软件相比较，用pro/e做运动仿真的主要特点如下:1. )运动输入运动输入(motofnnipu)是赋给运动副控制运动的运动副参数。当创建或编辑调用一个运动副时，就会弹出运动驱动对话框。使用者可以根据需要选择无运动驱动、运动函数、恒定运动、简谐运动驱动以及关节运动驱动等5种可能的运动驱动中的一种。2. )关节运动分析当使用者只需要了解某一关节的运动情况时，可以选择分析工具条中的关节运动分析图标，并输入步长和步数进行分析。3. )静力学分析静力学分析(statcianalys)si将模型移动到平衡位置，并输入运动副上的反作用力。当选择静力学分析后，时间和步数的输入项将不可选。4. )机构运动学/机构动力学分析机构运动学/机构动力学分析(幻nematicldynamcianalys)si按输入的时间和步数进行仿真分析。时间值代表运动分析模型所分析的时间段内的时间，步数值代表在此时间段内分几个瞬态位置进行分析或显示。5. )设计位置和装配位置模型的装配位置可能不同于模型的设计位置。装配位置与设计位置的区别是:装配位置是在装配机构时产生的，与使用者装配时所选取的配合面有关;而设计位置是使用者在运动仿真前人为设置的，使用者可以根据需要进行设定或者调节设计位置。6. )多种形式输出pore/运动仿真的结果可以以多种格式进行输出，这些形式主要有mpeg、anlmatedgfi以及vrml等。7. )预测工程和工程判断准则proe/的运动分析模块是用于预测工程的应用软件。就是说，在许多情况下，在机构进行生产前或者说在机构真正生产出来前，用该软件预测机构的运动特性，即它类似于有限元分析p(roe/有限元分析模块)和注塑流动分析(proe/塑料零件分析顾问模块)。这些预测都是基于非常复杂的数学理论以及公认的物理和工程原理。4、pro /e运动仿真的基本术语在机构运动仿真过程中经常会用到以下的基本术语:l.)放置约束:向组件中放置元件并限制该元件是否运动的图元。2.)自由度:构件所具有的独立运动的数目(或是确定构件位置所需要的独立参变量的数目)称为构件的自由度。3.)主体:一个元件或相对不动的一组元件。4.)勺连接:也成为联接。它是定义并限