毕业设计---圆柱凸轮分度机构的设计计算及运动仿真.docx

毕业设计说明书选取日期圆柱凸轮分度机构的设计计算及运动仿真摘要：圆柱凸轮分度机构主要用于两垂直轴间的运动。当主动轴连续旋转运动时，从动件是装有多个滚子的转盘，可按设计要求作间歇步进分度转位运动，从而把连续旋转地输入运动形式转化为具有停歇区的分度运动输出形式。本文主要介绍了圆柱凸轮分度机构方案的选择，理论廓线和工作廓线的计算方法。利用c语言程序编写圆柱凸轮轨道的计算程序及利用matlab绘出凸轮轮廓曲线，同时利用三维造型软件完成主要零部件建模及利用Pro/E完成零部件装配及运动仿真。本文还介绍了凸轮分度机构常用运动规律的主要特性比较及其使用场合，以及在设计过程中遇到的一些问题及解决方法。关键词：圆柱凸轮分度机构，设计计算，实体建模，运动仿真1 总述1.1 前言凸轮机构是使从动件作预期规律运动的高副机构。其主要优缺点如下。优点：从动件的运动规律可以任意拟定，凸轮机构可用于对从动件要求严格的地方，也可以用于要求从动件作间歇运动的地方，其运动时间与停歇时间比例以及次数都可以任意拟定。可以高速启动，动作准确可靠。只要设计相应的凸轮轮廓，就可以使从动件按拟定的规律运动。一般中、低速凸轮的运动设计比较简单。由于数控机床及计算机的广泛应用，特别是近些年来可以实现计算机辅助设计与制造使凸轮轮廓的加工并不十分困难。缺点：在高副接触处难以保证良好的润滑，又因其压力较大，故容易磨损，为了保持必要的寿命，传递动力不能过大。高速凸轮机构中，其高副接触处的动力学特性比较复杂，精确分析与设计都比较困难。而在许多机械设备中，特别是自动化半自动化机械设计中，由于生产工艺的要求，往往需要机构来实现周期性的转位，分度动作以及带有瞬间停顿或停歇区的断续性运动。这种输出曲线呈现周期性的机构称为间歇运动机构。间歇运动机构广泛应用于机床、化工、轻工、印刷、电子、包装、食品机械、计量器具等行业。机械运动机构种类繁多，随着科学技术的发展，加工效率的提高，高速、精密的间歇运动机构越来越多的得到使用。用于间歇运动的机构有：棘轮机构、槽轮机构、针轮机构、不完全齿轮机构和凸轮分度机构。棘轮机构用于将摇杆的周期性摆动转换为棘轮的单向间歇转动，也常作为防逆转装置；槽轮机构（又称马尔他机构）能把主动轴的单向匀速连续转动转换为从动轴的单向周期性间歇运动。常用于各种转位机构中；不完全渐开线齿轮机构能将主动轮的等速连续转动转换为从动轮的间歇转动。其动停时间比不受机构结构的限制，制造方便，但是从动轮在每次间歇运动的始、末有剧烈冲击，故一般只用于低速、轻载及机构冲击不影响正常工作的场合。若设置缓冲结构可改善机构的动力性能；针轮机构分为外啮合和内啮合，其主要结构特点是主动针轮上有针齿和一段锁止凸圆弧，而从动星轮上有锁止凹圆弧，每俩段锁止弧之间有摆线齿廓的轮齿和过渡曲线，从动件的运动规律为开始啮合时逐渐加速，中间为等速，啮合终了时为逐渐减速；凸轮分度机构中，主动件是凸轮，一般作等速连续旋转，从动件是装有多个滚子的转盘，可按设计要求作间歇步进分度转位运动。这种机构不需其他附属装置即可完成较精确的分度定位。而间歇运动的形式是动-停-动，这样运动过程中必然产生加速度和冲击，对工作过程是非常不利的，因此，对于使用于高速、精密的间歇运动机构多采用凸轮机构，而凸轮的设计要求是非常高的，常采用的凸轮机构有弧面分度凸轮机构，圆柱凸轮分度机构，平行凸轮分度机构等。本课题针对圆柱凸轮分度机构进行理论分析和具体结构设计。圆柱凸轮分度机构的主动件为圆柱凸轮，从动盘上装有若干个沿转盘圆周方向均匀分布的滚子，滚子的轴线与转盘轴线平行，凸轮和转盘两轴线间垂直交错。当滚子旋转时，其分度段凸轮轮廓推动滚子使转盘分度转位，当凸轮转到其停歇段轮廓时，转盘上的两个相邻滚子跨夹在凸轮的圆环面的突脊上，是转盘停止转动。所以这种机构不需要附加其他装置，就能获得良好的定位作用。市场上琳琅满目的商品，多半是自动机生产的。而自动机在工作时要周期性的运动和停歇，运动时为了把产品转移到下一个工位，间歇是为了给不同工位上的机械手以足够的作业时间。这样，半成品在经过多个工位的加工之后，就成了完整的成品。机械工业是重要的基础工业，由于现代科技的迅猛发展，机械工业已发生极为深刻的变化，特别是与计算机技术的紧密结合，是现代机械技术较以往更为复杂和先进，与此同时，对在各种自动机，自动线，半自动线中将连续运动转变为间歇运动的机构也提出越来越高的要求。一台自动机能否高效而平稳的工作，关键取决于凸轮分度机构的技术性能及其所提供的运动是否平稳，所提供的间歇是否准确，因此说，凸轮分度机构是自动机核心部件。1.2 分度运动在机械设计中，分度运动主要有直线式的传送带或旋转式的工作台两类。这两类运动都必须满足精密的位置精度的要求。凸轮驱动的精密间歇机构具有较高的分度精度，适用于高速生产，并具有高承载能力和低维修，能满足用户所需的特殊运动特性，是一种很有发展前途的新兴的凸轮驱动分度机构。这种机构是由凸轮、从动件、行动系统以及驱动系统组成的。1.3 从动系统工作原理分度系统的从动件一般为圆柱型滚子，滚子固定在从动盘上，而从动盘多固定在输出轴上，此轴支撑在固定于箱体内的轴承上，从而构成了从动系统。当电动机作用于驱动系统，使运动按一定的要求输出到凸轮轴上，凸轮轴便以一定的速度旋转，通过凸轮的轮廓带动与之啮合的从动轮上，从而是精密间歇分度运动由输出轴完成。在啮合过程中，通过凸轮轮廓的变换来控制和引导从动件的旋转和停顿，来完成预先要求的间歇运动。凸轮以固定的速度旋转、输出、停顿和启动，这个工程周期性循环。1.4 凸轮驱动系统分度机构的特点 凸轮分度系统是自动化机械中实现高速、高精度间歇分度运动的新型传动装置。应用高等数学理论和现代数控技术进行优化设计与精密加工，使之具有分度精度高、高速、性能好，运转平稳，结构紧凑，体积小，重量轻，噪音低，寿命长等优点，广泛应用于各种自动机械的间歇转位分度及自动生产线步进输出机构，是在轻工，包装，制药，烟草，电子，化工等行业中实现自动、高效生产的首选核心部件。凸轮分度驱动系统机构可以设计成最能满足精密精度和刚度要求的机构，在凸轮分度中，凸轮从动件总是和凸轮保持啮合的，从动件在啮合中有预载，这是采用变化轴间距的方法在凸轮和从动件间建立一个微小的干扰，微小干扰消除了任何制造公差和间隙。这种预紧的方法产生轴向力是依靠输入轴和输出轴上的锥形滚子轴承支撑。这个预加载荷是输出运动的整个工程都是由凸轮控制，从而保证机构精度。为了特殊运动达到需要，简单的修正凸轮。并对精密凸轮的分度和分度机构中的从动件，对从动系统以及驱动系统进行精心设计，就可以使啮合中的冲击保持最小，级度可达精密级。与齿轮啮合的滚子采用滚针轴承，形成滚动接触，减少摩擦和磨损，从而延长了寿命，减小了震动，提高了精度，该分度机构的速度和从动件的加速度曲线也可以人为控制，所以称为当今最好的机构之一。1.5 常用的凸轮分度机构1.5.1 弧面分度凸轮机构弧面凸轮分度机构如图1-1所示，用于两垂直交错轴间的间歇分度步进传动。主动凸轮为圆弧回转体，凸轮轮廓制成突脊状，类似于一个具有变螺旋角的弧面蜗杆。从动转盘外圆上装有沿轴线径向均匀分布的滚子。转盘相当于涡轮，滚子相当于蜗轮的齿。所以弧面凸轮也有单头、多头和左旋、右旋之分，凸轮和转盘转动方向间的关系，可用类似于蜗杆蜗轮传动的方法来判定。当蜗轮旋转时，其分度段轮廓推动滚子，使转盘分度转位；当凸轮转到其停歇段轮廓时，转盘上的两个滚子跨夹在凸轮的圆环面突脊上，使转盘停止转动。所以这种机构不必附加其他装置就能获得很好的定位作用；又可以通过调整中心距来消除滚子与凸轮突脊间的间隙和补偿磨损；转盘在分度期的运动规律，可按转速、载荷等工作要求进行设计；特别使用于高速、重载、高精度等分度场合。凸轮一般作是、连续旋转，有时由于需要转盘有较长的停歇时间，也可使凸轮作间断性旋转。1.5.2 平行凸轮分度机构平行凸轮分度机构，又称共轭凸轮分度机构，其机构用于两平行轴间的间歇分度步进传动。如图1-2所示，主动凸轮1由前后两片盘型凸轮组成。这两片凸轮在制造时廓线形状完全相同，安装时，使前后两片成镜像对称错开一定相位角安装，故称为共轭凸轮分度机构。从动盘2的前后两端面上也各装有几个径向均匀分布的滚子。当凸轮旋转时，其前后两侧的廓线分别与相应的滚子接触，相继推动转盘分度转位或抵住滚子起限位作用。当凸轮转到其圆弧形廓线与滚子接触时，转盘停止不动。由于机构工作时是由两片凸轮按设计要求同时控制从动转盘的运动，因此凸轮与滚子之间能保持良好的形封闭，不必附加弹簧等其他装置就能获得较好的几何锁合。当然，对凸轮加工精度和安装要求也较高。其主要性能特点：1.结构简单，成本低，维护方便2.分度精度高3.机构使用于分度次数100次分，中、轻载场合，分度凸轮机构是利用一组平面共轭凸轮为主动件进行连续均匀转动，凸轮共轭曲面与从动盘上各层滚子于此相啮合，来实现输出轴的分度运动与定位的，从而将连续的回转运动转变为间歇运动输出。其特点是输入轴与输出轴平行，通常在水平状态下安装使用，广泛应用于各种翻转和摇摆机构。 1.5.3 圆柱凸轮分度机构如图1-3所示，圆柱凸轮分度机构的主动运动体为圆柱体，从动盘上装有若干个沿着转盘圆周方向均匀分布的滚子，滚子的轴线与转盘轴线平行，凸轮轴线和 转盘轴线垂直交错。当滚子旋转时，其分度段轮廓推动滚子使转盘分度转位；当凸轮转到停歇段轮廓是，转盘上的两个滚子跨夹在凸轮的圆环面的突脊上使转盘停止转动。所以这种机构不必附加其他装置，就能获得良好的定位作用。滚子可以使圆柱形或圆锥形与凸轮工作面啮合的若干个点的磨损较均匀，为了消除滚子与定位环面的磨损，滚子盘应能作轴向调整。方不能保证各个滚子在滚子盘上的轴向位置保持一致时，则对每个滚子盘上轴向位置都要求能轴向调整，因此结构较复杂。圆柱滚子与凸轮工作面啮合的各点磨损不均匀，滚子与定位环面的啮合间隙靠工艺保证，间隙大时会影响定位精度，圆柱形滚子不必作轴向位置调整，结构简单，类似于变螺旋角的圆柱蜗杆，所以其分度段的轮廓也有左旋和右旋，单头和多头之分，但一般采用单头。凸轮与转盘间的转动方 向关系，可采用类似于蜗轮蜗杆传动的方法加以判定。凸轮一般作等速连续旋转运动，但有时又会需要转盘有较长的停歇时间，也可以使凸轮作间歇性的旋转。圆柱凸轮分度机构具有较高的转动精度，其精度主要靠凸轮的加工艺和机构的装配保证，凸轮的加工成本较高，通常采用数控铣床加工。2 圆柱凸轮分度机构的计算2.1 圆柱凸轮分度机构的主要运动参数由于圆柱滚子与凸轮轮廓间的间隙较难补偿，容易产生跨越冲击，滚子轴的刚度及与凸轮的啮合性能均不及弧面分度凸轮机构，故一般多用于中、低速及中轻载荷场所。低速n100rmin,中速100rminn200rmin，故取凸轮转速n=100rmin 凸轮角速度转速 n=100rmin凸轮角速度 1=n30=10.467rs （2-1）凸轮分度期转角f，常用的为120240，在满足动停比k的要求下，选定f=120凸轮停歇期转角d，d=360-f （2-2） d=360-120=240凸轮和转盘的分度期时间tf, tf=f/1 (2-3) tf=23103=0.2 s凸轮和转盘的停歇期时间td， td=21-tf (2-4) td=210/3-0.2=0.4 s凸轮分度廓线旋向及旋向系数p L-左旋，p=+1；R-右旋，p=-1 选用右旋R,则p=-1凸轮分度廓线头数H 单头H=1；双头H=2，较少用，选用H=1转盘分度数I I为转盘转一周中的停歇次数，按设计要求的工位数，选定I=12转盘滚子数z z=HI (2-5) Z=1*12=12转盘分度期转位角f f=360/I (4-6) f=360/12=30动停比k,运动系数 K=tftd, =tf/(tf+td) (4-7) K=0.5 =1/32.2 圆柱凸轮分度机构的主要几何参数（1） 中心距C，基距A，凸轮节圆半径rP1和转盘节圆半径rp2凸轮轴线Z1与转盘轴线Z2间的垂直距离称为中心距C。凸轮轴线Z1到转盘基准端面X2Y2Z2间的垂直距离称为基距A。凸轮的基准尺寸用节圆半径rP1表示，它是在垂直凸轮轴线的平面上。根据设计要求，取中心距C=200mm,基距A=180mm许用压力角p/() 一般p=3040 取p=32转盘节圆半径 rp2 rp22C1+cos(f/2)=2*2001+cos(/12)=203 (4-8)凸轮节圆半径rp1 rp1fftanpVmaxrp2=6*1.76*2032/3tan32=142.945 (4-9) 取rp1=150滚子中心角z z=360z=36012=30 (4-10)滚子半径po po=0.40.6rp2sin180/z=(0.40.6)*203*sin180/z =21.01631.524 取滚子半径po=20 (4-12)滚子宽度b b=(1.01.4) po=(1.01.4)*20=20 取b=25滚子与凸轮槽底间的间隙e e=(0.20.4)b=(0.20.4)*25,但至少e为510 取e=10 凸轮定位环面径向深度h h=b+e=35 凸轮定位环面的外圆直径DO DO=2rp1+b=325 凸轮定位环面的内圆直径DI Di=DO-2h=255 凸轮宽度l 2rp2sin(f/2)l1的非对称运动规律，效果较好，如非对称改进梯形规律。分度凸轮机构中克服从动盘惯性力矩所需要的驱动功率与（AV）m成正比，故在高速、重载时应选择（AV）m值较小的运动规律。由于在许多运动规律中，Vm和Am不一定出现在同一时刻，故应注意（AV）m值与Vm和Am值并不相同。分度凸轮机构运动规律选择时，一般总要求满足从动盘在分度开始和终了时的速度和加速度等于零，在分度期间速度和加速度连续变化而无突变，跃度值尽量小些，并最好选用最大速度和最大加速度值均较小的运动规律。对于中、高速情况下工作的分度凸轮机构，更应着重考虑其应具有较好的动力学性能。4.圆柱凸轮分度机构的设计计算4.1 圆柱凸轮分度机构主要参数集合 凸轮转速，有设计条件给定， n=100(r/min) 机构分度数I， I=12 凸轮分度廓线头数H， H=1,故滚子数Z=12 凸轮分度期转角f， f=120 凸轮停歇期转角d， d=360-f 凸轮和转盘的分度期时间tf, tf=0.2 凸轮和转盘的停歇期时间td， td=0.4 转盘分度期转位角f， f=30 动停比k,运动系数, K=0.5 =1/3 选定的运动规律， 改进正弦加速度转盘分度期任意时刻的角位置i, i=S f当0T1/8 S = 14+(T-14sin4T)当1/8T7/8 S=14+(2+T-94sin+4T3)当7/8T1 S= 14+(4+T-14sin4T)转盘分度期角速度2， 2=Vf/tf转盘与分度期的最大角速度比（2/1）max= Vf/f当0T1/8 V = +4（1-cos4T）当1/8T7/8 V=+4(1-3cos+4T3) 当7/8T1V = +4（1-cos4T）4.2 圆柱凸轮分度机构工作轮廓设计(1)选取坐标系（均以右手直角坐标系） 与机架相连的定坐标系o0x0y0z0 与机架相连的辅助定坐标系o0x0y0z0选择z0的方向时，应使面对z0 的箭头看，1为逆时针方向。 与凸轮相连的动坐标系o1x1y1z1 与转盘相连的动坐标系o2x2y2z2（2） 转盘滚子圆柱面在动坐标系o2x2y2z2中的方程式 x2 = rp2+p0cos y2=p0sin z2=-r (3) 凸轮与滚子的共轭接触方程式 Tan=p rp2(A-r)cos21-tan 式中 - 滚子的位置角(4) 凸轮工作轮廓在动坐标系o1x1y1z1中的方程式 x1= x2cos+p y2sin-Ccos+( z2+A)sin y1=(-x2cos-p y2sin+C)sin+( z2+A)cos z1=px2sin- y2cos(5) 求解凸轮工作轮廓的三维坐标值 滚子位置角为 =0-pi而各个滚子的起始位置角0按下表求得：滚子代号 No.1 No.2 No.3 0 -pz/2 pz/2 3pz/2计算程序 其中，ai代表旋转角。单位（），步长取2。 bj代表转盘滚子角位置，单位（） one、two、three分别代表转盘上三个滚子的角位置，单位（） ck代表角速度比2/1#include#includevoid main()double b61,c61,S,T,V,f,X1,Y1,Z1,X2,Y2,Z2;double one=15.0;double two=-15.0;double three=-45.0;double rp2=203.0;double A=180.0;double p0=20.0;double pi=3.1415;double C=200.0;double r=50.0; int i,j,k;/staticdoublea61;/0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32,34,36,38,40,42,44,46,/48,50,52,54,56,58,60,62,64,66,68,70,72,74,76,78,80,82,84,86,88,90,92,94,96,98,/100,102,104,106,108,110,112,114,116,118,120; j=0;k=0; for(i=0;i=60;i+) ai=2*i;T=ai/120;if(T=0.875)S=1/(4+pi)*(4+pi*T-0.25*sin(4*pi*T);V=pi/(4+pi)*(1-cos(4*pi*T);if(T=0.125&T=0.875)S=1/(4+pi)*(2+pi*T-9/4*sin(pi+4*pi*T)/3);V=pi/(4+pi)*(1-3*cos(pi+4*pi*T)/3);bj=S*360/12;one=15.0+bj;two=-15.0+bj;three=-45.0+bj;ck=V*1/4;printf(a%d=%f,b%d=%f,one=%f,two=%f,three=%f,c%d=%fn,i,ai,j,bj,one,two,three,k,ck);f=atan(tan(two*pi/180)*(A-r)*cos(two*pi/180)-rp2*ck)/(A-r)*cos(two*pi/180);X2=rp2+p0*cos(f);Y2=p0*sin(f);Z2=-r;X1=(X2*cos(two*pi/180)-Y2*sin(two*pi/180)-C)*cos(ai*pi/180)+(Z2+A)*sin(ai*pi/180);Y1=(-X2*cos(two*pi/180)+Y2*sin(two*pi/180)+C)*sin(ai*pi/180)+Z2*cos(ai*pi/180);Z1=-X2*sin(ai*pi/180)-Y2*cos(two*pi/180);printf(f=%f,X2=%f,Y2=%f,Z2=%f,X1=%f,Y1=%f,Z1=%fn,f,X2,Y2,Z2,X1,Y1,Z1); j+; k+; /getch(); 运行结果：a0=0.000000,b0=0.000000,one=15.000000,two=-15.000000,three=-45.000000,c0=0.000000f=-0.261792,X2=222.318556,Y2=-5.176232,Z2=-50.000000,X1=13.404011, 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