加工中心凸轮式自动换刀装置的设计

第一章 绪论1.1 课题的研究背景和意义20 世 90 年代以来，数控加工技术得到迅速的普及和发展，数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用，如图 1 所示。带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用，产品的制造周期它能缩短，同时提高产品的加工精度，还适合柔性加工。图 1 数控机床加工中心是数控机床中较为复杂的加工设备，如图 2 所示，由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用，其强大的加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置(Automatic Tool Changer)。图 2 加工中心如图 3 所示，换刀装置作为加工中心的重要组成部分，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置，其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造的关键。加工中心的换刀过程较为复杂, 动作多, 动作间的相互协调关系多, 因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。图 3 换刀装置人们一直采用各种方式，以期提高加工中心的加工效率。如提高进给与移动速度、提高主轴转速、加大主轴电机功率、加大切削用量、采用高质量刀具等。在高节拍多次换刀的加工过程中，缩短换刀时间，可大大提高生产效率。国内外加工中心生产厂家都投入大量的资金和精力，研制自动换刀装置，以缩短换刀时间，提高工作效率和竞争力。自动换刀装置是专门为大中型加工中心配套，实现其刀具储备及自动交换功能的重要功能部件，是高档加工中心和重型加工中心的重要组成部分。其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率，降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。自动换刀装置的换刀速度和可靠性，是数控机床系统先进与否的一个重要标志。1.2 加工中心自动换刀装置传统的加工中心大多采用液压式 ATC，国内厂家目前基本上还采用和生产这种 ATC，如图 4 所示。根据加工中心应用与维修列出的技术参数显示 ,其换刀时间大多为 52 0 s，换刀时间较长 ，大大降低了经济效益。凸轮式ATC 的刀具交换时间已达到 2s 以内。如日本滨井产业的 DZ-16 型立式加工中心的换刀时间为 1s,日本丰和工业的 MMN- 400VCJ 型超小型高速加工中心的换刀时间为 0.8s。与液压式 ATC 相比，如图 5 所示，凸轮式 ATC 由于动作可重叠、运动规律可选择、几乎无定位误差以及没有中间环节的控制，具有更高的可靠性与较高的自动换刀速度，因而成为目前最为理想的 ATC。弧面凸轮分度装置的性图 4 液压是 ATC能优于其他凸轮分度装置，它有以下一些特点：(1)凸轮廓面是按最佳动力性能的运动规律设计的 ,又在数控机床上按包络原理加工出来 ,无理论误差，分度准确；(2 )中心距可调 ,能在凸轮与滚子之间施加预紧力 ,消除了传动间隙；(3)分度盘停歇时，分度盘上相邻两个滚子卡在凸轮的凸脊上 ,定位准确。图 5 凸轮式 ATC1.3 自动换刀装置工作原理自动换刀装置的职能是将机床主轴用过的刀具与刀库或刀具传送装置下一道工序要用的刀具进行交换。如图 6 所示，其动作循环是：拔刀-刀具交换-装刀。 （拔刀：主轴松开，机械手同时将主轴和刀库中的刀具拔出；换刀：手臂旋转 180 度，刀具交换；插刀：同时将刀具插入主轴和刀库，然后主轴夹紧刀具。）图 6 ATC 工作原理图机械凸轮联动驱动的自动换刀装置，插、拔刀动作通常由凸轮驱动摆杆来完成。回转动作常通过弧面分度凸轮或平行分度凸轮，滚子盘直接驱动机械手，或再通过一对齿轮驱动机械手旋转。未来的自动换刀装置，将根据不同的工作需要，进行多元化发展。自动换刀装置的换刀时间将越来越短，同时通用性和可靠性越来越强。传统装置将会采用动作速度更快的机构和驱动原件，凸轮结构近年来已被大量采用。同时新的材料和加工工艺，弥补凸轮机构磨损后可靠性降低到缺点。新的换刀方式的出现，也为自动换刀装置的进一步发展提出了新的思路。1.4 凸轮机构简介凸轮机构主要作用是使从动杆按照工作要求完成各种复杂的运动，包括直线运动、摆动、等速运动和不等速运动，如图 7 所示。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，可以定义为一个具有曲面或曲槽之机件，利用其摆动或回转，可以使另一组件从动子提供预先设定的运动。从动子之路径大部限制在一个滑槽内，以获得往覆运动。在其回复的行程中，有时依靠其本身之重量，但有些机构为获得确切的动作，常以弹簧作为回复之力，有些则利用导槽,使其在特定的路径上运动。凸轮一般可分为三类：盘形凸轮：凸轮为绕固定轴线转动且有变化直径的盘形构件；移动凸轮：凸轮相对机架作直线移动；圆柱凸轮：凸轮是圆柱体，可以看成是将移动凸轮卷成一圆柱体。按从动件的形状分类； 顶尖式从动件； 滚子式从动件； 平底式从动件。 曲底式从动件。图 7 凸轮机构示意图按从动件的运动形式分类： 直动从动件。 摆动从动件；按凸轮与从动件维持运动副接触的方式分类： 力封闭方式。 几何形封闭方式。凸轮机构一般是由凸轮，从动件和机架三个构件组成的高副机构，如图 8所示。凸轮通常作连续等速转动，从动件根据使用要求设计使它获得一定规律的运动。凸轮机构能实现复杂的运动要求，广泛用于各种自动化和半自动化机械装置中。图 8 凸轮机构简图图 9 凸轮机构三维实体图凸轮机构通常由两部份动件组成，即凸轮与从动子(follower)，如图 9 所示，两者均固定于座架上。凸轮装置是相当多变化的，故几乎所有任意动作均可经由此一机构产生。凸轮槽内外轮廓对侧面的垂直度要求，利用提高平面凸轮的装家精度，使零件侧面与铣刀轴线保持垂直即可保证；对侧面的垂直度要求由前道车削工序予以保证。1.5 虚拟样机与运动仿真虚拟样机技术是上世纪80年逐渐兴起、基于计算机技术的一个新概念。从国内外对虚拟样机技术 (Virtual Prototyping, VP)的研究可以看出，虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义。一般来讲，虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法。产品设计过程中进行虚拟样机制造和运动仿真，对于提高产品质量和降低成本具有重要的作用。本文将对凿岩机行走机构进行实体建模，制造虚拟样机，同时进行运动仿真。虚拟样机制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域，美国处于国际研究的前沿，福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术，大大缩短了产品的发布时间。波音公司设计的777型大型客机(如图10)是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。图 10 777 型大型客机 基于产品的数字化模型，应用先进的系统建模和仿真优化技术，虚拟制造实现了从产品的设计、加工、制造到检验全过程的动态模拟(如图11)，并对其运作进行了合理的决策与最优控制。虚拟制造以产品的“软”模型取代了实物样机，通过对模型的模拟测试进行产品评估，能够以较低的生产成本获得较高的设计质量，缩短了产品的发布周期，提高了效率，本文将实现马尾纱包芯纱纺纱机样机的虚拟制造和动态仿真。图 11 虚拟制造和动态模拟 1.6 Matlab 编程用于编程计算廓线各点坐标的程序的语言和多，但是MATLAB 以其强大的矩阵运算功能和运算速度二广泛运用于工程和科研领域。MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink 两大部分，如图12所示为MATLAB 工作界面。MATLAB主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计 的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、 Maple、MathCAD并称为四大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式 与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C ，FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple 等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA 的支持。可以直接调用 ,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。图 12 MATLAB 开发工作界面1.7 主要研究的内容1.7.1 平面槽凸轮机构设计对凸轮机构进行分析：根据要求确定机构的运动参数和几何尺寸；建立凸轮理论廓线和实际廓线方程，编制计算廓线各点坐标的程序；对凸轮廓线进行几何特性分析；对机构进行结构设计。加工中心的自动换刀装置, 能使加工中心在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序, 它能缩短辅助时间, 减少多次安装工件所引起的误差, 提高产品的加工精度。自动换刀装置将满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、刀具储存量足够、刀具占地面积小以及安全可靠等要求。而本课题主要设计的驱动装置，主要是实现直线运动的平面槽凸轮装置。其与棘轮机构、槽轮机构等传统的间歇分度机构相比，具有独特的结构、分度精度高、动力学特性好、承载能力大等优点。凸轮的制造工艺水平和加工精度，直接影响自动换刀装置的换刀速度和可靠性等性能。凸轮的轮廓形状取决于从动件的运动规律，在设计凸轮轮廓曲线之前，应首先根据工作要求确定从动件的运动规律，其次要考虑由于加速突变所引起的冲击，从而保证从动件运动的平稳性。1.7.2 传动系统的设计1.7.3 确定自动换刀装置的机构设计，完成装置装配图及主要部件零件图第二章 凸轮运动分析与廓线设计2.1 从动件的运动规律如图 1 所示，由确定的设计方案可知，从动件做直线运动，其运动规律即从动件直线的运动规律。图 1 凸轮机构示意图根据设计要求，对从动件的运动规律做如下分析。1）推程时，摆线运动规律满足条件，运动的规律计算如下： 1231sinsin2mmcocod2218sinsin6mm3340cocod式中，推程角度 ，凸轮转角度 。,32）远休止时，运动的规律参数计算如下： m0d2d30d式中，远休止角度 ，凸轮转角度 。49s7,393）回程时，选用简谐运动规律满足条件，运动规律的参数计算如下： 1cos1cos22mm 9inin4md22 81coscos2m3 79inin6md式中，回程角度 ，凸轮转角度 ，对应 。29 20,7,94）近休止时，运动规律参数计算如下： 0d2d30近休止角度 ，对应凸轮转角度 。s,2取 为推程时和回程期计算步长，凸轮运动转角等于休止期的计算步5长。求得从动件的运动规律参数值列于下表 1。其中从动件的位移参数换算成以毫米为量纲的数值。表中类角速度和类角加速度、类角跃度分别用简化代号表示。,d求得从动件运动规律参数表 1 如下:表 1 从动件运动规律参数表凸轮转角/（/rad）角位移/（rad）类角速度 类角加速度 类角跃动度 d0.00（0.0000）5.00（0.0872）10.00（0.1744）15.00（0.2617）20.00（0.3488）25.00（0.4360）30.00（0.5232）35.00（0.6104）40.00（0.6976）45.00（0.7848）50.00（0.8720）55.00（0.9592）60.00（1.0464）0 0.0007 0.0056 0.0177 0.0380 0.06550.0972 0.1290 0.1566 0.1770 0.1891 0.19400.19480 0.0249 0.0929 0.1859 0.27870.3469 0.3720 0.3473 0.2795 0.18670.0936 0.0253 0.00000 0.5576 0.9660 1.1160 0.9674 0.5599 0.0027 -0.5553 -0.9647 -1.1160 -0.9687 -0.5622-0.00536.69605.80023.35260.0040-3.3387-5.7922-6.6960-5.8082-3.3665-0.02403.32485.78426.6959.180.00185.00190.00195.00200.00205.00210.00215.00220.00225.00230.00235.00240.00245.00250.00255.00260.00265.00270.00275.00280.00285.00290.00295.00300.00305.00310.00315.00320.00325.00330.00335.00340.00345.00350.00355.00360.000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00002.2 机构的基本尺寸设计2.2.1 压力角计算如下图 2，为凸轮机构的两种布置简图：图 2 凸轮机构布置的简图高副的接触点处的公共法线与连心线 OA 交点 P 是从动件与凸轮的速度瞬心。压力角的定义为：法线与滚子中心的线速度方向所加的锐角即为机构的压力角。作 PC AB,则有 ，因此：BPCtanBCPL式中： cos()BCAPbABinL因此，由瞬心的定义可知： (OPAPdLtt由于 ，有：OPAOL（引入符号）1OAAPLd则： cos()(1)artninOAbABbdLL ,2式中：22arcos()OABbbLR0,b和 是从动件的运动参量，根据所选从动件运动规律方程式计算确定。d而给定的数据有凸轮的基圆半径 =75mm，摆杆长度 =65mm，中心距bRABL=100mm。OAL则： 2210756arcos()arcos0.764.5b因此： cs()(1)artnin10cos(4.5)7(1)artnin0.OAbABbdLLd 2.2.2 曲率半径条件如图所示，从动件平面凸轮机构中，凸轮理论轮廓曲线矢量式为： )()bbB jjjbOAABeLe图 3 凸轮机构简图将上式求得一阶导数、二阶导数后代入下面求曲率半径式子： 32/dPR因此，为了避免凸轮轮廓的冗切，滚子半径 需要根据凸轮的理论轮廓曲rR率半径 的大小选择。由下式有： BR 3222232(1)(1)cos()(1)sincos()OABOABbBOABAb bddLLd d 式中=b22arcos()arcos0.764.5OABbLR利用计算机 MATLAB 求得全工作循环中理论轮廓曲率半径值。2.3 凸轮廓线设计原始的数据：凸轮的基圆： ； 推杆的最大位移： ； 50mbr15hm推程的运动角： ； 回程的运动角： ；640，远休止角： ； 近休止角： ；18S 8S2.3.1 凸轮廓线曲线坐标计算在计算从动件平面凸轮机构的凸轮轮廓时，首先需要根据给定的从动件运动规律，求得从动件的位移函数 、 。（ ） ds（ ）下 图 4 给 出 从 动 件 平 面 凸 轮 机 构 4 种 不 同 的 形 式 。 为 了 统 一 计 算 公 式 ， 引 入相 对 位 置 符 号 系 数 和 凸 轮 轮 廓 类 型 符 号 系 数 加 以 鉴 别 。 和 的 值 如 图 中所注。图 4 滚子摆动从动件平面凸轮机构 4 种形式2.3.2 凸轮的轮廓线当计及图（b） （c ） （d）所示的三种形式时， “反转”过程中的中心距矢量OA 的方向角为（ ） ，从动件矢量 AB 的方向角 ，b()bb其中， 和 为起始位置时的角度，计算式为：b222265107arcosarcosarcos0.615.27bOABbRL,bb222210756arcosarcosarcos0.76.25OABbL b0,因此，可以列出矢量方程式： )()bbB jjjbOAABeLe从而，得到凸轮的轮廓坐标为 sin()sin)arct 0,2ocoOAbABbB BbBbLL 上式中 1,2.3.3 凸轮的实际轮廓凸轮的实际轮廓曲线上 K 点的极坐 标矢量可由矢量三角形 OBK 来 确定。矢量 为 轮廓的法向矢量，它的 B 点线速度方向的夹角为凸轮机构的压力角BK。压力角的数值和正负符号根据给定的从动件运动规律由下式求得：cos()(1)artninOAbABbdLL 其中，具体数值已在上面求知。由于摆杆上 B 点的线速度方向角为 ，则)2bb的方向角为 。BK )2b因此，可以列出矢量方程式为： )2bKBjjjreRe从而，得到凸轮的实际轮廓的极坐标计算式为 sinsi )2arct 0,2ocs()s)2BrbK KrKBKr bKR 第三章 廓线算法计算机程序实现3.1 MATLAB 简介MATLAB(MATrix LABoratory，即矩阵实验室)是 MathWork 公司推出的一套高效率的数值计算和可视化软件。MATLAB 是当今科学界最具影响力、也是最具活力的软件，它起源于矩阵运算，并已经发展成一种高度集成的计算机语言。 如图 1 所示，为 MATLAB 的编程界面。图 1 MATLAB 编程界面它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。 MATLAB 语言有如下优点：1.编程简单使用方便。MATLAB 的基本数据单元是既不需要指定维数、也不需要说明数据类型的矩阵，而且数学表达式和运算规则与通常的习惯相同。因此，在 MATLAB 环境下，数组的操作与数的操作一样简单。MATLAB 的矩阵和向量操作功能是其他语言无法比拟的。 2.函数库可任意扩充 由于 MATLAB 语言库函数与用户文件的形式相同，所以用户文件可以像库函数一样随意调用。所以用户可根据自己的需要任意扩充函数库。 3.语言简单内涵丰富 MATLAB 语言中最重要的成分是函数，其一般形式为： Function a,b,c=fun(d,e,f) fun 是自定义的函数名，只要不与库函数名相重，并且符合字符串的书写规则即可。这里的函数既可以是数学上的函数，也可以是程序块或子程序，内涵十分丰富。每个函数建立一个同名的 M 文件，如上述函数的文件名为 fun.m。这种文件简单、短小、高效，并且便于调试。 4.简便的绘图功能 MATLAB 具有二维和三维绘图功能，使用方法十分简便。而且用户可以根据需要在坐标图上加标题。坐标轴标记。文本注释及栅格等，也可一指定图线形式(如实线、虚线等) 和颜色，也可以在同一张图上画不同函数的曲线，对于曲面图还可以画出等高线。 5.丰富的工具箱 由于 MATLAB 的开放性，许多领域的专家都为 MATLAB 编写了各种程序工具箱。这些工具箱提供了用户在特别应用领域所需的许多函数，这使得用户不必花大量的时间编写程序就可以直接调用这些函数，达到事半功倍的效果。 3.2 MATLAB 基本语法1、标识符与数 标识符是标识变量名、常量名、函数名和文件名的字符串的总称。标识符可以是英文字母、数字和下划线等符号。标识符第 1 个字符必须是英文字母，MATLAB 对大、小写敏感。 MATLAB 只有一种数据格式，双精度（即 64 位）二进制，对应于十进制 16 位有效数和308 次幂。 2、矩阵及其元素的赋值变量=表达式（数） ，例如：a=1 2 3; 4 5 6;7 8 9； x=-1.3 sqrt(3) (1+2+3)/5*4；x(5)=abs(x(1)； a(4,3)=6.5； a = 1.0000 2.0000 3.0000 4.0000 5.0000 6.0000 7.0000 8.0000 9.0000 0 0 6.5000 3、复数复数的虚数部分用 i 或 j 表示，如曾用过 i, j 作变量，用 clear i,j 复数矩阵有两种赋值方法：将其元素逐个赋予复数； 将其实部和虚部矩阵分别赋值。3.3 MATLAB 绘图功能语法1直角坐标中的曲线 （1）plot(y)输入一个数组的情况，如图 2 所示。图 2 plot 绘图（2）空间曲面的绘制主要有函数 Mesh 和 surf，如图 3 所示。图 3 mesh 函数绘图3.4 MATLAB 凸轮廓线的坐标计算根据第二章的计算结果，编程实现凸轮廓线坐标和从动件位移。经过上述设计计算，关键尺寸的选取之后，分别进行了从动件运动规律，压力角设计，曲率设计都符合设计要求，选取基本数据如下：凸轮：半径 Rb=50mm转角 推程角 60，远休止角 80回程角 40，近休止角 180滚子：半径 Rr=15mm 杆：L AB=75mm LDA=150mm凸轮基圆： ； 推杆最大位移： ； 50mb15hm推程运动角： ； 回程运动角： ；640，远休止角： ； 近休止角： ；18S 8S第二章设计中确定出凸轮的各参数之后, 即可按图 4 所示流程图编程计算凸轮工作廓线坐标、压力角和从动件位移。编程思路如下：输入 A,L,rb,r0计算 , 循环 =0 到 2计算 ,d /d计算O1P,OP,O2P,MP计算 ,计算 ,轮廓线上各点的坐标和最大压力角结束图 4 程序流程图 计算结果如下表 1 和表 2 所示。表 1 从动件运动规律参数表凸轮转角/（/rad）位移Mm速度 加速度 跃动度 d0.00（0.0000）5.00（0.0872）10.00（0.1744）15.00（0.2617）20.00（0.3488）25.00（0.4360）30.00（0.5232）0 0.0007 0.0056 0.0177 0.0380 0.06550.0972 0.1290 0.1566 0.1770 0.1891 0.19400.19480 0.0249 0.0929 0.1859 0.27870.3469 0.3720 0.3473 0.2795 0.18670.0936 0.0253 0.00000 0.5576 0.9660 1.1160 0.9674 0.5599 0.0027 -0.5553 -0.9647 -1.1160 -0.9687 -0.5622-0.00536.69605.80023.35260.0040-3.3387-5.7922-6.6960-5.8082-3.3665-0.02403.32485.78426.695935.00（0.6104）40.00（0.6976）45.00（0.7848）50.00（0.8720）55.00（0.9592）60.00（1.0464）60.00（1.0464）65.0070.0075.0080.0085.0090.00100.00105.00110.00115.00120.00125.00130.00135.00140.000.19480.19480.19480.19480.19480.19480.19480.19480.19480.19480.19480.19480.19480.19480.19480.19480.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.0000140.00（0.000）145.00150.000.1948 0.1874 0.1663 0 -0.1676 -0.3097 -1.9721 -1.8222 -1.3953 0 3.3936 6.2714 155.00160.00165.00170.00175.00180.000.1347 0.0975 0.06030.0286 0.0075 0.0000-0.4048 -0.4382 -0.4051-0.3104 -0.1686 -0.0010-0.7555 -0.0024 0.75201.3920 1.8204 1.97218.1973 8.87438.2039 6.2864 3.4132 0.0212180.00185.00190.00195.00200.00205.00210.00215.00220.00225.00230.00235.00240.00245.00250.00255.00260.00265.00270.00275.00280.00285.00290.00295.00300.00305.00310.00315.00320.00325.00330.00335.00340.00345.00350.00355.00360.000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.0000表 2 凸轮轮廓曲线参数凸轮转角/（）位移/（） 压力角 BBKK0.00（0.0000）5.00（0.0872）10.00（0.1744）15.00（0.2617）20.00（0.3488）25.00（0.4360）30.00（0.5232）35.00（0.6104）40.00（0.6976）45.00（0.7848）50.00（0.8720）55.00（0.9592）60.00（1.0464）0 0.0007 0.0056 0.0177 0.0380 0.06550.0972 0.1290 0.1566 0.1770 0.1891 0.19400.19480.0154-0.0141-0.0962 -0.2065 -0.3091 -0.3796-0.4111 -0.4061 -0.3695 -0.3097 -0.2409 -0.1851-0.16290.00030.08730.17260.25610.33600. 41240.48490.55290.61570.67220.72530.77240.815365.0013 65.0538 65.4211 66.3276 67.8451 69.890272.2213 74.5059 76.3916 77.6166 78.1013 77.873177.14550.004.86 8.08 12.3116.31 19.79 22.6524.43 27.09 31.1235.63 40.7645.8935.0152 35.0537 35.604637.2483 40.0787 39.737043.2666 51.5108 53.908054.7261 54.3952 53.307252.1544 60.00（1.0464）70.00（1.2217）80.00（1.3952）90.00（1.5708）100.00（1.7453）110.00（1.9197）120.00（2.0944）130.00（2.2689）140.00（2.4435）0.19480.19480.19480.19480.19480.19480.19480.19480.1948-0.1629-0.1629-0.1629-0.1629-0.1629-0.1629-0.1629-0.1629-0.16290.81530.89100.95402.12932.19752.26282.34052.43302.542477.1455 74.8339 71.4025 68.0978 72.0759 75.312377.4387 78.6690 79.270365.3479.56 89.94 98.90112.74129.12139.23140.34141.0844.0364 33.335626.0019 19.3132 41.352545.1950 46.3595 48.596350.7953 140.00（2.4435）145.00（2.5307）150.00（2.6180）155.00（2.7053）160.00（2.7925）165.00（2.8798）170.00（2.9671）175.00（3.0543）180.00（3.1416）0.1948 0.1874 0.1663 0.1347 0.0975 0.06030.0286 0.0075 0.0000-0.1629 0.0017 0.1592 0.2786 0.3460 0.35860.3114 0.1781 0.01652.54242.60372.66692.73632.80912.88662.96903.05473.141579.2703 78.8636 77.380375.0632 72.3011 69.521567.1461 65.5637 65.0013143.41 145.19151.55 158.44 165.30171.14 175.00 175.00172.3650.4030 49.279747.3325 45.4166 43.385241.0389 38.4012 35.841135.0864 180.00（3.1416）190.00（3.3161）200.00（3.4907）210.00（3.6652）220.00（3.8397）230.00（4.0143）240.00（4.1888）250.00（4.3633）260.00（4.5379）270.00（4.7124）280.00（4.8869）290.00（5.0615）300.00（5.2360）0.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.0154 0.0154 0.0154 0.0154 0.0154 0.0154 0.0154 0.0154 0.0154 0.0154 0.0154 0.0154 0.0154 0.0154 0.0154 0.01540.0154 0.0154 0.0154 3.1415 3.31473.47783.62423.75123.85933.95024.02674.09075.27955.33415.39855.47495.56595.67395.80115.94766.11086.283265.0013 65.0012 64.995664.9459 64.7453 64.219363.1556 61.3478 58.601554.8356 58.6168 61.350863.1593 64.2207 64.746764.9460 64.9956 65.001265.0013178.52 173.07182.89 191.54 198.12202.52 205.03 205.92205.46 328.00325.70 324.41 324.03324.72 326.71 330.35339.96 343.72 360.0034.9802 35.574035.5795 35.6241 35.6844 35.6950 35.5850 35.318834.8613 -18.5778 33.586933.8588 34.0717 34.264934.4724 34.6926 34.440935.0088 34.0517310.00（5.4105）320.00（5.5851）330.00（5.7596）340.00（5.9341）350.00（6.1087）360.00（6.2832）下程序可以对以上各个量进行计算：clc;clear;beta=60*pi/180;phi=linspace(0,beta,40);phi2=beta+phi;ph=phi phi2*180/pi;arg=2*pi*phi/beta;arg2=2*pi*(phi2-beta)/beta;s=phi/beta-sin(arg)/2/pi 1-(arg2-sin(arg2)/2/pi;v=(1-cos(arg)/beta-(1-cos(arg2)/beta;a=2*pi/(beta2)*sin(arg)*2*pi/(beta2)*sin(arg2);j=4*pi2/beta3*cos(arg)*4*pi2/beta3*cos(arg2):subplot(2,2,1)plot(ph,s,K)xlabel(Cam angle(degrees)ylabel(Displacement(S)g=axis; g(2)=120; axis(g)subplot(2,2,2)plot(ph,v,k,0 120,0 0,k-)xlabel(Cam angle(degrees)ylabel(Velocity(V)g=axis; g(2)=120; axis(g)subplot(2,2,3)plot(ph,a,k,0 120,0 0,k-)xlabel(Cam angle(degrees)ylabel(Acceleration(A)g=axis;g(2)=120;axis(g)subplot(2,2,4)plot(ph,j,k,0 120,0 0,k-)xlabel(Cam angle(degrees)ylabel(Jerk(J)g=axis;g(2)=120;axis(g)以从动件位移和压力角为例，绘制从动件位移压力角的随角度变化的图形，如图 5 和图 6 所示。图 5 压力角的随角度变化的图形y/mm图 6 位移的随角度变化的图形第四章 凸轮机构建模装配和运动仿真4.1 实体造型概述计算机实体造型进行虚拟制造，是借助电子计算机及相关技术，对复杂的真实系统和状态进行数字模拟，具有经济、安全、快捷、具有优化设计和预测的特殊功能。借助计算机进行虚拟制造，具有以下优点：将新产品维修和维护的方法直观地演示给观众，使观众更容易理解，以便能准确操作；很多复杂的设备，由于在其设计阶段，其工作过程中的状态无法具体化，采用三维抽象模拟，就可以解决此类问题，大大节省了成本和时间，让设计者能轻易地理解运行状态中产品的实际情况，改进设计； 大型设备的运送、现场安装、安装过程、现场工作实景，特别是一些特殊场景，无法以传统的拍摄模式将设备信息展现给观众，而采用三维模拟，可以将这些难以表达清楚的场景和过程，一一列举，清晰准确。 本章将以第二章完成的设计方案为依据，通过计算机进行虚拟样机的设计和验证所设计机构的正确性和有效性。4.2 凸轮机构机构零部件造型零件的几何造型与虚拟装配是动画仿真的基础，为了凸轮机构工作过程的动画仿真，首先得建立凸轮机构的三维几何模型。凸轮机构三维模型的建立主要包括各个零部件的