双联圆柱凸轮的参数化设计与运动仿真论文综述

1、圆柱凸轮的发展及参数化设计摘要：本文概述了近百年来凸轮机构研究的内容、特点及发展趋势,重点介绍了日本与中国在凸轮机构方面的研究，以及凸轮机构的参数化设计原理，通过电话听筒的设计实例来展示基于主控零件的设计思想。这样可以提高设计质量,缩短设计周期,降低试制成本,保存设计经验和提高管理水平,为产品的设计和制造的整个生命周期提供支持。关键词：圆柱凸轮；参数化；Pro/E引言机构学在广义上又称机构和机器理论(简称机械原理) 。机构学研究的对象目前仍以多刚体机械系统为主,但柔性机构学的雏型已开始提出,机电等多学科相结合的广义机构学的研究已引起人们的关注。机构是组成机器的基本单元。如凸轮机构、齿轮机构和连

2、杆机构等。从儿童玩具到产业机器人,从海洋开发的海底作业机械到登月行走机械都要用到各种机构。机构学是以运动学和力学为主要理论基础,以数学分析手段,研究各类机构基本规律以及运动和动力分析与综合方法的学科,是机械设计所依据的重要基础理论学科之一。它来源于机械设计及制造的实践总结,同时机构学的研究,又为发展创造新的机械和改进现有机械的性能提供正确有效的理论和方法。随着宇航技术、核技术、海洋开发、医疗器械、工业机器人及微技术等新科学技术的兴起和计算机的普遍应用,极大的促进了机构学的发展,创立了不少新理论和新方法, 开拓了一些新的研究领域【1】。凸轮机构是常用机构, 应用范围很广。自三十年代以来, 人们就

3、在不断地研究它, 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【2】。近年来，为了适应高速分度凸轮机构设计与制造的需要, 还开展了圆柱分度凸轮机构等的动力学理论和试验研究, 建立了动力学模型, 进行了动力特性分析, 这些研究有利于提高凸轮机构的运行速度和改善凸轮机构的动态性能【3】。圆柱凸轮机构具有体积小,结构紧凑、刚性好、运转可靠、传动转矩大等优点,因而在自动机械中被广泛应用。它们在实现间隙分度运动、较大运动升程方面具有很强的适应性【4】。但圆柱凸轮轮廓复杂，计算工作量大，传统的设计和加工方法通常采用手工描点、拟合轮廓、铣床粗铣及手工精锉等方法,因此制造周期长、劳动强度大、零件精度低

4、,已经不能满足现代工业发展的要求【5】。如果能够通过一个模板模型衍生出不同的模型,就会大大提高设计效率。参数化设计是将系列化、通用化和标准化的定型产品中随产品规格不同而变化的参数用相应的变量代替,通过对变量的修改,从而实现同类结构机械零件设计的参数化【6】。运用PRO/ENGINEER 参数化设计软件设计各种圆柱凸轮的方法,以及通过CIMATRON 软件调入IGES 代码进行数控加工编程和实际加工的方法,该方法具有高效、精密的特点【5】。1 凸轮机构的研究和发展概况凸轮机构结构简单、紧凑, 在自动机床进刀机构、上料机构, 内燃机配气机构、制动机构及印刷机, 纺织机, 插秧机, 闹钟和各种电器开

5、关中都有广泛的应用。正是它的广泛应用推了对它的研究和它自身的发展。最初, 人们只研究凸轮的简单几何形状和运动, 以满足对从动件运动的简单的位移要求。随着对各种机械在速度、效率、寿命、噪声和可靠性等方面要求的日益提高, 对凸轮机构的研究也逐步扩展与深化, 从简单地考虑几何尺寸、运动分析和静力分析, 发展到考虑动力学分析、润滑、误差影响、弹性变形等, 其研究方向已有数十个之多【2】。特别是五十年代以来, 由于计算机技术的发展, 使得计算机辅助设计系统及专家系统成为现代机构设计的主要手段。它将机构概念、知识、理论和方法以及设计专家的经验和智慧与计算机系统的逻辑推理、分析、判断、数据处理、图形显示等功

6、能密切结合,以简便、快速地完成设计任务【4】。2 欧美国家凸轮机构研究的总体情况和特点在欧美各国, 很多学者为凸轮机构的研究作出了贡献。早在三十年代, F.D.Furman就写了一本系统介绍凸轮设计的著作, 当时的研究工作主要集中在低速凸轮机构, 而且主要分析的是运动规律。到了四十年代, 人们开始对配气凸轮机构的振动进行深入研究, 并从经验设计过渡到有理论根据的运动学和动力学分析。四十年代末,J.A.Hrones 等人已经注意到从动件的刚度对凸轮机构动力学响应有明显的影响。五十年代初,D.B.Mitchell 最先对凸轮机构进行实验研究。后来不少学者采用多种仪器, 如高速摄影机、加速度分析仪和

7、动态应变仪等, 对高速凸轮的动力学响应进行测量,并获得了许多重要成果【2】。随着计算机的发展, 凸轮机构的CAD/CAM获得巨大成功, 凸轮机构的研究经历了从经验设计到优化设计, 从单纯的运动分析到动力学研究, 从手工加工到CAM等发展阶段。在高速凸轮机构的研究方面, 欧美各国也取得了巨大的成就。Tesar在其著作【7】中对高速凸轮机构采用的多项式运动规律有较详述,T.Weber, A.S. Gutman,F.Freadunstein 等人提出了付氏级数y.运动规律,D.A. Stoddart与 G.F .Fawcett 等提出了多项式动力运动规律等等，最近, 德国、英国在高速凸轮机构的研究方

8、面又有了新的突破, 对凸轮机构的研究采用了谐分析、谐综合等分析设计方法，使得高速凸轮机构的动力学性能有了很大的改善。欧美各国的学者还特别注重研究文献的收集整理, 在P.W.Jensen其专著凸轮设计与制造中几乎列出了年1984以前的、有记载的、可以找得到的所有的文献资料, 共1817篇。根据该书和1984年以后出版的Ei, 对欧美各国自1950年以来在各研究方向所发表的论文数量作了初略的统计, 总结得出四十年来欧美各国凸轮机构研究的特点大致如下:(1)论文数量多, 研究范围广。(2)研究的连续性和发展性强。在每个研究方向上每年都有相当数量的论文发表, 而且关于新技术应用的论文数量也逐年增多。如

9、五十年代至六十年代, 有关设计加工及刀具的论文是大量的,而有关优化设计的论文几乎没有。到了七十至八十年代, 这方面的论文显著增多, 而到了九十年代,有关凸轮机构动力学方面的研究论文大量发表, 同时有关高速凸轮机构的新的分析方法和改善其动力学性能方面的研究论文也不断涌现。因此可以认为, 凸轮机构的研究是持续且有发展的。(3)研究工作随着新技术、新方法的产生和应用而深化。例如凸轮机构的优化设计, 早期的优化目标极为简单, 主要是确定最小基圆半径。随着优化方法和计算机的应用, 优化目标的选择也越来越复杂, 如可以是最小体积、最小接触应力、最长寿命、从动件最小振动、最高效率、最小功耗等。(4)基础理论

10、的研究持续稳定。虽然凸轮机构的研究不断有新的扩展, 但是对其基础理论如从动件运动规律、几何学、运动学等方面的研究论文仍有相当多的数量, 这是因为当其他方面的研究需要深化和扩展时, 往往由于基础理论研究得不够而难以继续。例如采用优化方法, 如果数学模型误差很大, 再好的优化方法也得不到好的结果【2】。圆柱凸轮作为凸轮机构一个分支它随着凸轮机构的发展而发展，圆柱凸轮机构的发展也带动了凸轮机构的发展。3 日本凸轮机构研究的大体情况日本也特别重视凸轮机构的研究, 有很多从事凸轮机构研究的专家, 早期有小才川介、中开英一等, 现在有牧野洋、西冈雅夫、筱原茂之等还有许多专门生产凸轮机构的公司, 如大家公司

11、、三共制作所、协和凸轮公司等。日本经常举行讨论凸轮机构的学术会议。在有关的国际性刊物上也经常看到日本在凸轮机构研究方面的论文。日本近期在凸轮技术的发展上所做的工作主要有以下几个方面：（1）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。（2）加强了凸轮机构动力学和振动方面的研究, 提高了机构的速度, 发展了高速凸轮。他们已经生产出分度数每分钟8000次的分度凸轮机构。（3）研制新的凸轮加工设备, 以适应新开发的产品。实现了凸轮机构的小型化和大型化, 已经设计生产出了世界上最小和最大的蜗杆凸轮机构, 中心距前者为28mm, 后者为800mm。(4)加强凸轮机构的标

12、准化, 发展成批生产的标准凸轮机构。(5)发展凸轮机构的CAD/CAM系统。日本学者特别注重将各方面的研究成果应用到实际的产品开发中去, 如他们充分地认识到凸轮机构作为控制机构具有高速下的稳定性、优良的再现性、良好的运动特性和可靠性、易于实现同步控制、刚度高等优越性, 因而十分重视将凸轮机构与电子技术相结合, 在控制机构上作广泛的研究, 从而拓宽了凸轮机2的用途【2】。4 我国凸轮机构研究的总体情况我国对凸轮机构的应用和研究已有多年的历史, 目前仍在继续扩展和深入。1983年全国第三届机构学学术讨论会上关于凸轮机构的论文只有8篇, 涉及设计、运动规律、分析、廓线的综合等四个研究方向。到了198

13、8年第六届会议, 已有凸轮机构方面的论文20篇, 增加了动力学、振动、优化设计等研究方向。而1990年第七届会议, 凸轮机构方面的论文22篇, 又增加了CAD/CAM、误差分析等研究方向【2】。目前，凸轮机构己有多本著作, 对推动凸轮机构设计起着重要的作用。参考文献【8】全面阐述凸轮机构的新理论与新方法以及有关材料、制造技术问题。从满足实际需要还附有一些实用的图、表和设计实例。参考文献【9】在建立较为通用的解析公式和应用各种计算机辅助设计系统均有一定的新意【1】。近几年，为了适应高速分度凸轮机构设计与制造的需要, 还开展了圆柱分度凸轮机构等的动力学理论和试验研究, 建立了动力学模型, 进行了动

14、力特性分析, 这些研究有利于提高凸轮机构的运行速度和改善凸轮机构的动态性能【3】。计算机辅助设计系统及专家系统也有了相当的研究，计算机辅助设计系统及专家系统成为现代机构设计的主要手段。它将机构概念、知识、理论和方法以及设计专家的经验和智慧与计算机系统的逻辑推理、分析、判断、数据处理、图形显示等功，能密切结合,以简便、快速地完成设计任务【1】。现在凸轮机构已经在包装机械、食品机械、纺织机械、交通运输机械、动力机械、印刷机械等领域的到了广泛的应用。但是，与先进国家相比，我国对凸轮机构的研究和应用还存在较大的差距，尤其是在对振动的研究、凸轮机构的加工及产品开发等方面【2】。5 凸轮机构有待进一步研究

15、和发展的方向虽然已有很多学者对凸轮机构的研究做了相当多的工作, 但在各研究方向仍有许多可继续进行的工作, 并有一些研究工作有待开发。从设计的角度考虑, 大致有以下几点：（1）在从动件运动规律的研究方面, 除了继续寻找更好的运动规律外, 要研究有效的分析方法。(2)在几何学和运动学的研究方面, 要综合考虑各种凸轮机构, 尽可能导出普遍适用的计算公式。已有研究大多集中于平面和圆柱凸轮, 而且是一种凸轮一种研究方法, 因而设计公式过多, 近似较多, 并影响到其他方面(如CAD的应用等)的研究。(3)发展通用而有效的CAD系统。由于种种原因, 计算机在凸轮机构设计中的应用一直被局限于几种平面和圆柱凸轮

16、机构, 且每一程序一般只能处理一、二种机构, 对比较完整的CAD系统的研究, 在近十几年才开始, 且很不完善。(4)引入专家系统或人工智能CAD系统。由于凸轮机构不是标准机构, 种类多, 应用广, 加之许多已有的知识不能公式化, 所以应用普通的CAD系统, 有时效果并不很理想。如果引入专家系统, 则可以获得较为理想的结果。(5)动力学研究的深化及研究成果的进一步实用化。由于动力学问题本身的复杂性, 导致研究主要集中于低、中速凸轮机构, 对高速凸轮机构的动力学研究还不够深入、完善, 所以, 人们对这些研究成果的可靠性存在怀疑, 这些成果的应用尚不广泛。(6)加强对凸轮机构的运动学特性和动力学特性

17、的计算机模拟, 以提高设计质量和缩短产品研制周期。(7)研究CAD/CAM的一体化。(8)凸轮机构作为引导机构的研究和应用【2】。6 参数化设计方法传统设计中,一般都采用自上而下的设计方法。即先绘制产品的装配图,然后依据装配图绘制出产品的部件图和零件图。在Pro/ E 中,以主控零件进行产品设计,正是采用了自上而下的设计方法。首先从产品的顶层开始,通过在装配中建立零件来完成整个产品设计的方法,这种方法在产品的概念设计环节尤为重要。为此,在产品设计的最初阶段,按照该产品的最基本功能和要求,在设计顶层构筑一个主控零件,随后的设计过程基本上都是在该基础上进行复制、修改、细化、完善并最终完成整个设计过

18、程。即首先根据产品功能需求建立产品的装配图,然后依据装配图再绘制产品的部件图,根据参数模型通过系统提供的参数零件的建模工具生成参数零件。整个过程反映了自上而下的设计思想,体现了设计约束的自上而下的传递过程,即使在零件的详细设计阶段,也可以反映总体功能需求的约束。下面通过一个具体产品电话听筒的设计实例来展示基于主控零件的设计思想。此产品含有4个零件,分别为“电话上盖”、“电话下盖”、“线路门盖”及“电池盖”。整个产品构思如下:(1) 先创建主控零件的三维零件模型。主控零件除了将4个零件融为一体外,另含有两个分模面及一个分模线。主控零件含有重要的设计基准(位置、外形、装配关系等) ,零件及设计参数

19、(重要尺寸,所需空间要求等) ,零件之间的相互关联性和依赖性(相互配合的孔等) 。创建缺省的坐标系及基准面;以拉伸方式创建电话筒本体,同时做出电话上下盖的分模面;以拉伸的方式做出电池盖的分模面;以投影的方式做出线路门盖的切模线和号码按键的切割曲线。(2) 将主控零件与仅含缺省坐标系PRT - CSYS - DEF 及缺省基准面RIGHT、TOP 及FRONT 的电话上盖零件装配在一起,然后将主控零件合并至电话上盖零件,此时电话上盖零件即含有主控零件的几何模型。(3) 以电话上盖零件复制出3个完全相同的零件作为“电话下盖”、“线路门盖”、“电池盖”的雏形零件,因此每个零件都有从主控零件所合并过来

20、的几何模型。(4) 再进入个别零件中做局部设计。电话上盖:以电话上下盖的分模面切除下盖的体积,创建薄壳特征,以Cut 特征形成号码键及线路门盖;电话下盖:以电话上下盖的分模面切除上盖的体积,创建薄壳特征,以Cut 特征挖出电池缺口;线路门盖:以Cut 特征挖出线路门盖所需的体积,创建薄壳特征;电池盖:以Cut 特征挖出电池盖所需的体积,创建薄壳特征;最后将4 个零件以坐标系装配为完整的电话听筒产品;(5) 进行产品的设计变更时,直接在主控零件上做设计变更,由于由主控零件所衍生出来的4个零件都含有主控零件的几何模型,因此主控零件的变化会完全反映至个别零件上【10】。7 凸轮参数化设计与实体建模参

21、数化设计是在为了实现加快新产品开发周期,提高设计效率,减少重复劳动的目的下诞生的。Pro/E是常用参数化设计软件，它集于CAD/CAM/CAE一体的大型设计软件, 用其对设计模型进行仿真, 能够模拟真实环境中的工作状况并对其进行分析和判断, 以尽早发现设计缺陷和潜在的失败可能, 提前改善和修正, 从而减少后期修改而付出的昂贵代价, 减少设计的周期【11】。零件设计是Pro/ E 最基本的功能之一。Pro/ E 的3D 实体模型将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现出来,在计算机上观察参数化模型非常直观、清晰,便于表达设计意图,并可随时由3D 实体模型产生2D 工程图形,而且自动标示工程图

22、尺寸。Pro/ E 以最自然的思考方式从事设计工作,如打孔、开槽、做成圆角等均被视为零件设计的基本特征,除了充分掌握设计思想之外,还在设计过程中导入设计的制造思想,因此可随时对特征做合理的、不违反几何顺序的调整、插入、删除、重新定义等修正。在实际的产品设计过程中,一个产品的设计首先考虑的是该产品的功能及装配方面的事项,然后才对组成装配体的零部件进行详细设计。产品是根据用户的要求满足某种功能的、蕴涵了生产活动丰富信息的物化对象的总称。而产品模型则是指在信息理论和计算机技术的支持下,以一定的数据对象,对一个或一些具体产品对象进行定义,表达产品数据和数据关系的信息表达模型。与零件的参数化设计不同,产

23、品的参数化设计是一个更加复杂的过程,它除了要考虑用参数驱动尺寸或拓扑结构外,更多的是产品的功能、规格、材料、工艺等参数,以及各个零部件之间的装配关系,另外,在设计阶段由于许多问题不能得到完整的解决,因而产品的参数化模型不仅要能表示设计者的思想,还应该能表示设计者提出的问题,其它解决方案等。即功能需求的改动直接影响着整个产品模型的高层结构,进而影响到产品配置中各个零部件的改变。针对这种情况,自上而下地对产品按功能进行分解,通过功能映射寻找到可以实现这些子功能的零部件模型,并将其整合为一个经济可用的产品,必将成为产品参数化设计的追求目标【10】。凸轮的参数化设计加快了产品的开发周期，提高设计效率,

24、运用Pro/E进行实体建模， 能够模拟真实环境中的工作状况并对其进行分析和判断, 以尽早发现设计缺陷，提前改善和修正。8 结束语圆柱凸轮经历了百年发展，从传统低速凸轮设计发展到现在的高速度优化凸轮设计，从手工设计到现代的计算机辅助设计，随着科技的发展，圆柱凸轮还将继续发展下去，以适应现代工业的需要，尽管电子技术的发展, 某些设备的控制元件可以采用电子元器件, 但它们一般只能传递较小的功率, 而凸轮机构却能在实现控制功能的同时传递较大的功率, 因此, 凸轮机构在生产中具有无可替代的优越性, 尤其在高速度、高精度传动与分度机构及引导机构中, 更有突出的优点【2】。但是，传统的设计和制造周期长，劳动

25、强度大，运用Pro/E不但能缩短产品开发周期，提高设计质量, 降低试制成本,而且还保存设计经验和提高管理水平。参考文献【1】陆凤仪,徐格宁.机构学研究现状与展望.太原重型机械学院学报:Vol,2002（6）.【2】莫亚梅.凸轮机构研究的现状及发展趋势.南通工学院报:15（1）,1999(3),21.【3】邹慧君,李瑞琴,郭为忠,张青.机构学10年来主要研究成果和发展展望J.机械工程学报:2003（12）,22.【4】陆凤仪,徐格宁.机构学研究现状与展望J.太原重型机械学院学报:2002（6）,231.【5】童森林，陈俊华，陈俊龙. 圆柱凸轮的参数化设计和数控加工J. 组合机床与自动化加工技术，2002(9).【6】刘德福,潘晋平,周贤.圆柱凸轮数控加工的几键问题J. 机械传动,2003(3).【7】Tesar, Matthew G K. The dynamic synthesis