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浙江理工大學(xué)
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)研制
學(xué) 院 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院
專(zhuān)業(yè)班級(jí) 09機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（4）班
姓 名 景坷 學(xué) 號(hào) B09300412
指導(dǎo)教師 唐浙東
系 主 任 胡明 學(xué)院院長(zhǎng) 胡旭東
二〇一三年五月十九日
浙 江 理 工 大 學(xué)
機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)誠(chéng)信說(shuō)明
我謹(jǐn)在此保證：本人所做的畢業(yè)設(shè)計(jì)，凡引用他人的研究成果均已在參考文獻(xiàn)或注釋中列出。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)與圖紙均由本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲、剽竊他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出現(xiàn)以上違反知識(shí)產(chǎn)權(quán)的情況，本人愿意承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。
聲明人（簽名）：
2013年5月19日
摘要
凸輪機(jī)構(gòu)是工程中用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化的重要驅(qū)動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)之一，在輕工、食品、紡織、印刷、醫(yī)藥、標(biāo)準(zhǔn)零件制造、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域運(yùn)行的工作機(jī)械中都獲得廣泛應(yīng)用。但隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率，作為機(jī)械設(shè)備核心部件的凸輪機(jī)構(gòu)而言，必須進(jìn)一步提高它的設(shè)計(jì)水平，在解析法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上開(kāi)展計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的研究和推廣應(yīng)用。因此，開(kāi)展對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的研究，對(duì)于揭示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析有著重要的實(shí)際意義。
本文首先介紹了凸輪機(jī)構(gòu)的發(fā)展概況，提出課題的背景和意義，接著指出國(guó)內(nèi)外研究的趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)高校凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)僅局限于對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量與分析，然后提出以現(xiàn)實(shí)生活中最常用的一些凸輪為基礎(chǔ)來(lái)研究凸輪機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)中從凸輪輪廓設(shè)計(jì)到加工到試驗(yàn)這一整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。凸輪輪廓線的設(shè)計(jì)在解析法的基礎(chǔ)上用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行繪制。凸輪加工的方法用最常見(jiàn)的線切割加工，用CAXA線切割軟件來(lái)輔助寫(xiě)代碼。平臺(tái)可測(cè)量盤(pán)形凸輪，圓柱凸輪，直動(dòng)從動(dòng)件及擺動(dòng)從動(dòng)件組成的不同的凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。從動(dòng)件的回復(fù)力采用恒定重力的重力回復(fù)，直動(dòng)的軌道用直線導(dǎo)軌，進(jìn)一步的提高測(cè)量精度。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)中各個(gè)傳感器的設(shè)計(jì)位置，可以讓學(xué)生直觀去觀察從動(dòng)件的速度、加速度；同時(shí)，為了讓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量數(shù)據(jù)更加豐富，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上加上旋轉(zhuǎn)編碼器，就可以觀察和研究凸輪機(jī)構(gòu)的在運(yùn)行中輸入軸的速度，讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的功能更加的強(qiáng)大，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加豐富，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)研究也很有幫助。
關(guān)鍵詞：凸輪機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)分析；解析法；試驗(yàn)臺(tái)；軟件輔助設(shè)計(jì)
Abstract
The cam mechanism is one of the drive and control mechanism used to achieve the mechanization and automation project, running in the field of light industry, food, textile, printing, medicine, standard parts manufacturing, transportation machinery are widely available. With the social development and scientific and technological progress in order to improve product quality and productivity, as the core components of the cam mechanism of the machinery and equipment necessary to further improve the design level, on the basis of the analytical method designed to carry out the study of computer-aided design and application. Therefore, to carry out the analysis of motion of the cam mechanism to reveal the kinematic performance, the optimal design of the institutions and dynamics analysis has important practical significance.
This paper first introduces the overview of the development of the cam mechanism, put forward the background and significance of the topic, then pointed out that research trends at home and abroad and domestic universities cam mechanism experiment is only limited to the measurement and analysis of motion parameters, and then put forward to the most commonly used in real life cam based design of an innovative test platform to conduct a series of experiments to design, analysis and testing of the cam mechanism. Cam profile design computer software to draw on the basis of the analytical method. Cam processing method with the most common line cutting, with CAXA line cutting software to assist write code. Platform to measure disk cam, cylindrical cam, direct-acting the motion characteristics of the follower and oscillating follower cam mechanism. The restoring force of the driven member with constant gravity gravity reply movable straight track with a linear guide, and further improve the measurement accuracy. In the experimental Taichung sensor design, allows students intuitive to observe the follower velocity, acceleration; richer, in order to allow the measurement data of the bench, and rotary encoders, can be observed in the experimental stage, and research the cam mechanism in the operation of the speed of the input shaft, so that the entire bench more powerful experimental richer, the movement of the cam mechanism is also helpful.
Keywords: cam mechanism; motion analysis; analytical method; test bench; software aided design
目 錄
摘 要
Abstract
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 凸輪機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 2
1.1.1 國(guó)內(nèi)外凸輪機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀 2
1.1.2 凸輪機(jī)構(gòu)研究趨勢(shì) 3
1.3 課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容和意義 4
第2章 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論 6
2.1凸輪機(jī)構(gòu)的基本參數(shù) 6
2.2 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律 7
2.3凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì) 10
第3章 凸輪的加工方法 14
3.1 劃線加工 14
3.2 萬(wàn)能銑床加工 14
3.3數(shù)控機(jī)床加工 15
3.4 仿形機(jī)床加工 16
3.5 電火花機(jī)床加工 17
第4章 凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 22
4.1 凸輪實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成 22
4.1.1直動(dòng)從動(dòng)件結(jié)構(gòu) 22
4.1.2擺動(dòng)從動(dòng)件結(jié)構(gòu) 24
4.1.3圓柱凸輪結(jié)構(gòu) 24
4.2凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)設(shè)計(jì) 25
4.2.1選擇傳動(dòng)方案 25
4.2.2 選擇電動(dòng)機(jī) 25
4.2.3渦輪蝸桿減速器 25
4.2.4同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 26
4.2.5 從動(dòng)件組件設(shè)計(jì) 30
4.3 傳感器選擇 32
4.3.1傳感器概述 32
4.3.2傳感器選用原則 33
4.3.3角位移傳感器的選擇 34
4.3.4直線位移傳感器選擇 36
第5章 試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真 37
5.1運(yùn)動(dòng)仿真簡(jiǎn)介 37
5.2Pro／ENGINEER仿真簡(jiǎn)介 38
5.3凸輪機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真 38
第6章 總結(jié)和展望 41
參考文獻(xiàn) 42
致 謝 43
浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 緒論
1.1 引言
凸輪機(jī)構(gòu)是一種重要的驅(qū)動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化跟自動(dòng)化，廣泛的應(yīng)用在輕工、發(fā)動(dòng)機(jī)、紡織、印刷等工業(yè)機(jī)械中。凸輪機(jī)構(gòu)是由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。三者之中凸輪是的主要運(yùn)動(dòng)方法是連續(xù)的等速回轉(zhuǎn)，因此設(shè)計(jì)不同形狀的凸輪輪廓曲線就可以使從動(dòng)件按照你想要的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
凸輪機(jī)構(gòu)之所以能如此廣泛的應(yīng)用是因?yàn)橛性S多其他機(jī)構(gòu)比不上的優(yōu)點(diǎn)，如：
l、設(shè)計(jì)方便，適應(yīng)性好，可以實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求；
2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，控制準(zhǔn)確而有效，運(yùn)動(dòng)的特性好，使用方便；
3、性能穩(wěn)定， 故障少 ，維護(hù)保養(yǎng)方便。
實(shí)際中所使用的凸輪機(jī)構(gòu)的形式繁多，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的分類(lèi)方法有三種，按凸輪的幾何形狀可以分為平面凸輪、空間凸輪；按從動(dòng)件的形狀可以分為尖底從動(dòng)件、滾子從動(dòng)件、平底從動(dòng)件、曲面從動(dòng)件、滑船式從動(dòng)件；按凸輪與從動(dòng)件維持接觸的方式可以分為力鎖合凸輪機(jī)構(gòu)、幾何形狀鎖合凸輪機(jī)構(gòu)。
凸輪機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)、導(dǎo)向及控制等功能，所以在各種需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化和半自動(dòng)化的場(chǎng)合取得了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)用作傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，可產(chǎn)生各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)用于導(dǎo)向機(jī)構(gòu)時(shí)，可以使工作機(jī)械的動(dòng)作端產(chǎn)生復(fù)雜的軌跡或平面運(yùn)動(dòng)；當(dāng)它作為控制機(jī)構(gòu)時(shí)，可以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)工作循環(huán)。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高和凸輪CAD／CAM技術(shù)水平的不斷增長(zhǎng)，凸輪機(jī)構(gòu)所能應(yīng)用范圍將會(huì)變得更加廣泛。
1.2 凸輪機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
1.1.1 國(guó)內(nèi)外凸輪機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀
雖然我們對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的認(rèn)識(shí)時(shí)間很長(zhǎng)，但直到19世紀(jì)末人們都沒(méi)有對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的研究和分析。隨著工業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)自動(dòng)化機(jī)械的需求量增加，在20世紀(jì)初期凸輪機(jī)構(gòu)的研究才開(kāi)始受到重視。凸輪機(jī)構(gòu)應(yīng)用的廣泛性推動(dòng)了人們對(duì)它的研究。最初，人們只研究凸輪簡(jiǎn)單的幾何形狀和運(yùn)動(dòng)，來(lái)滿足從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單位置要求。隨著各種機(jī)械在速度、效率、壽命、噪聲和可靠性等方面對(duì)凸輪的要求日益提高，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的研究也逐步擴(kuò)展與深化，從簡(jiǎn)單地考慮幾何尺寸、運(yùn)動(dòng)分析和靜力分析，發(fā)展到考慮動(dòng)力學(xué)、潤(rùn)滑、誤差影響、彈性變形等，其研究方向有數(shù)十個(gè)之多。
我國(guó)對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和研究已經(jīng)有許多年的歷史，目前仍在繼續(xù)擴(kuò)展和深入。1983年全國(guó)第三屆機(jī)構(gòu)學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)上關(guān)于凸輪機(jī)構(gòu)的論文只有8篇，涉及到了設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、分析、廓線的綜合等四個(gè)方向。到了1988年的第六屆會(huì)議，已有凸輪機(jī)構(gòu)方面的論文20篇，增加了動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等研究方向。而1990年第七屆會(huì)議，凸輪機(jī)構(gòu)方面的論文22篇，又增加了CAD／CAM、誤差分析等研究方向。近幾年，對(duì)凸輪分度機(jī)構(gòu)方面的研究也不斷深入，并發(fā)表了一系列論文，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的共軛曲面原理、專(zhuān)家系統(tǒng)等方面也有了相當(dāng)?shù)难芯俊，F(xiàn)在凸輪機(jī)構(gòu)已經(jīng)在包裝、食品、紡織、交通運(yùn)輸、動(dòng)力、印刷等機(jī)械領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是，與先進(jìn)國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的研究和應(yīng)用還存在較在的差距，尤其是在對(duì)振動(dòng)的研究、凸輪機(jī)構(gòu)的加工及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等方面。
歐美各國(guó)對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)研究的特點(diǎn)大致如下；
(1)論文數(shù)量多，研究范圍廣。
(2)研究的連續(xù)性和發(fā)展性強(qiáng)。
(3)研究工作隨著新技術(shù)、新方法的產(chǎn)生和應(yīng)用而深化。
(4)基礎(chǔ)理論的研究持續(xù)穩(wěn)定。
日本也特別重視凸輪機(jī)構(gòu)的研究，有很多凸輪機(jī)構(gòu)研究的專(zhuān)家，早期有小才川介、中開(kāi)英一等，現(xiàn)在有牧野洋、西岡雅夫 筱原茂之等。還有許多專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)凸輪機(jī)構(gòu)的公司，如大冢公司、三共制作所等。日本經(jīng)常舉行討論凸輪機(jī)構(gòu)的學(xué)術(shù)會(huì)議。在有關(guān)的國(guó)際性刊物上也經(jīng)?？吹饺毡驹谕馆啓C(jī)構(gòu)研究方面的論文。日本近期在凸輪技術(shù)的發(fā)展上所做的工作主要有以下幾個(gè)方面：
(1)在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，致力于尋求凸輪機(jī)構(gòu)的精確解和使凸輪曲線多樣化，來(lái)適應(yīng)新的要求。
(2)加強(qiáng)了凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和振動(dòng)方面的研究．提高了機(jī)構(gòu)的速度，發(fā)展了高速凸輪。他們已經(jīng)生產(chǎn)出分度數(shù)每分鐘8000次的分度凸輪機(jī)構(gòu)。
(3)研制新的凸輪加工設(shè)備，以適應(yīng)新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品 實(shí)現(xiàn)了凸輪機(jī)構(gòu)的小型化和大型化，已經(jīng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出了世界上最小和最大的蝸桿凸輪機(jī)構(gòu)，中心距前者為28mm，后者為800mm。
(4)加強(qiáng)凸輪機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，發(fā)展成批生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)凸輪機(jī)構(gòu)。
(5)發(fā)展凸輪機(jī)構(gòu)的CAD/CAM系統(tǒng)。
日本學(xué)者非常注重將各方面的研究成果應(yīng)用到實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中去，比如他們充分地認(rèn)識(shí)到凸輪機(jī)構(gòu)作為控制機(jī)構(gòu)具有高速下的穩(wěn)定性、優(yōu)良的再現(xiàn)性、良好的運(yùn)動(dòng)特性和可靠性、易于實(shí)現(xiàn)同步控制、剛度高等優(yōu)越性，因此十分重視將凸輪機(jī)構(gòu)與電子技術(shù)相結(jié)合，在控制機(jī)構(gòu)上作廣泛的研究，從而拓寬了凸輪機(jī)構(gòu)的用途。
1.1.2 凸輪機(jī)構(gòu)研究趨勢(shì)
雖然已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的研究做了相當(dāng)多的工作，但在各研究方向仍有許多可繼續(xù)進(jìn)行的工作，并有一些研究工作有待開(kāi)發(fā)。從設(shè)計(jì)的角度考慮，以下幾個(gè)研究方向還有待開(kāi)發(fā)：
(1) 在從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究方面，除了繼續(xù)尋找更好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律外，還要研究多種有效的分析方法。當(dāng)對(duì)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)軌跡有所要求時(shí)，能夠用這些方法求出滿足要求并且性能優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
(2) 對(duì)各種凸輪機(jī)構(gòu)要綜合考慮幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究，盡可能導(dǎo)出普遍適用的比較精確計(jì)算公式。已有的研究大多數(shù)集中于平面和圓柱凸輪，而且僅僅是一種凸輪一種研究方法，因而設(shè)計(jì)公式過(guò)多，近似公式比較多等情況，并會(huì)影響到其他方面(如CAD的應(yīng)用等)的研究。
(3) 發(fā)展通用并且有效的CAD系統(tǒng)。由于以上原因和種種因素，在凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)算機(jī)的應(yīng)用一直被局限于幾種平面和圓柱凸輪機(jī)構(gòu)，并且每一程序一般只能處理一到二種機(jī)構(gòu)，對(duì)比較完整的CAD系統(tǒng)的研究，在近十幾年才開(kāi)始，而且很不完善。
(4) 引入專(zhuān)家系統(tǒng)或人工智能CAD系統(tǒng)。由于凸輪機(jī)構(gòu)并不是標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，種類(lèi)有許多，應(yīng)用廣，加之許多已有的知識(shí)不能公式化，凸輪設(shè)計(jì)質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的水平和經(jīng)驗(yàn)有著密切的關(guān)系，所以應(yīng)用普通的CAD系統(tǒng)，有時(shí)候效果并不很理想。如果引入專(zhuān)家系統(tǒng)，就可以獲得較為理想的結(jié)果。隨著專(zhuān)家系統(tǒng)的引入，必須注意收集吸取有關(guān)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)。
(5) 動(dòng)力學(xué)研究的深化和研究成果的進(jìn)一步實(shí)用化。 由于動(dòng)力學(xué)問(wèn)題自身的復(fù)雜性，導(dǎo)致凸輪機(jī)構(gòu)研究主要集中于低、中速，對(duì)高速凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究還不夠深入和完善，所以，人們對(duì)這些研究成果的可靠性存在懷疑，使得這些成果的應(yīng)用并不廣泛。
(6) 加強(qiáng)對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性的計(jì)算機(jī)模擬，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和縮短產(chǎn)品研制的周期。
(7) 研究CAD/CAM的一體化，凸輪加工中數(shù)控已經(jīng)被應(yīng)用了很長(zhǎng)一段時(shí)間，也比較普遍，因此CAM是有一定的基礎(chǔ)。但因?yàn)閷?duì)CAD的研究不足，所以CAD/CAM的成效也比較少?，F(xiàn)在數(shù)控機(jī)床已經(jīng)能夠使用高級(jí)語(yǔ)言編制的程序 和計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)，估計(jì)這方面的研究也將很快的發(fā)展起來(lái)。
1.3 課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容和意義
一直以來(lái)，所做的凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)一直是驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，就是由教師提前?zhǔn)備好相關(guān)的設(shè)備，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)和書(shū)上的教學(xué)參考步驟來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性跟創(chuàng)新性少，學(xué)生中普遍有著實(shí)際知識(shí)不足、重理論輕實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)技能低等問(wèn)題。大部分學(xué)校的凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)只局限于對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量與分析，實(shí)驗(yàn)過(guò)程都是一成不變的，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)是不利的。
本課題中我們先用解析法來(lái)用已知參數(shù)條件對(duì)凸輪的輪廓曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后在Pro/Engineer中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，看是否能得到相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后用CAXA線切割軟件進(jìn)行代碼的編寫(xiě)再輸送到線切割機(jī)將凸輪生產(chǎn)出來(lái)，最后在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)要求。
在這個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)中，將對(duì)凸輪的設(shè)計(jì)、分析，優(yōu)化及測(cè)試進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)，可供學(xué)生使用，增強(qiáng)他們的綜合設(shè)計(jì)及創(chuàng)新能力、實(shí)踐動(dòng)手的能力、分析和解決問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)是高校在教學(xué)和科研上的重要組成部分。因此，實(shí)驗(yàn)是理論聯(lián)系實(shí)際不可缺少的環(huán)節(jié)。凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)是工科院校的機(jī)械原理課程實(shí)踐教學(xué)的一個(gè)重要單元。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以深入了解和掌握各種凸輪機(jī)構(gòu)的性能，從而將書(shū)本知識(shí)聯(lián)系到工程實(shí)際，用書(shū)本上的知識(shí)來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題。所以，凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步完善和發(fā)展對(duì)提高學(xué)生的綜合能力和專(zhuān)業(yè)水平具有重要意義
第2章 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論
2.1凸輪機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)
(1)基圓：以凸輪機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)中心為圓心，凸輪輪廓的最小向徑為半徑所作的圓，用表示。
(2)推程：從動(dòng)件從距凸輪回轉(zhuǎn)中心的最近點(diǎn)向最遠(yuǎn)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。
(3)回程：從動(dòng)件從距凸輪回轉(zhuǎn)中心的最遠(yuǎn)點(diǎn)向最近點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。
(4)行程：從動(dòng)件從距凸輪回轉(zhuǎn)中心最近點(diǎn)到最遠(yuǎn)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)所通過(guò)的距離，或從最遠(yuǎn)點(diǎn)回到最近點(diǎn)所通過(guò)的距離。行程通常指從動(dòng)件的最大運(yùn)動(dòng)距離，用h表示。
(5)推程運(yùn)動(dòng)角：從動(dòng)件從距凸輪回轉(zhuǎn)中心的最近點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)凸輪所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，用表示。
(6)回程運(yùn)動(dòng)角：從動(dòng)件從距凸輪回轉(zhuǎn)中心的最遠(yuǎn)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最近點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)凸輪所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，用表示。
(7)遠(yuǎn)休止角：從動(dòng)件在距凸輪回轉(zhuǎn)中心的最遠(yuǎn)點(diǎn)靜止不動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)凸輪所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，用表示。
(8)近休止角：從動(dòng)件在距凸輪回轉(zhuǎn)中心的最近點(diǎn)靜止不動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)凸輪所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，用表示。
(9)凸輪轉(zhuǎn)角：凸輪繞自身轉(zhuǎn)過(guò)的角度。一般情況下，凸輪轉(zhuǎn)角從行程的起始點(diǎn)在基圓上開(kāi)始度量，它的值等于行程起點(diǎn)和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)方向線與基圓的交點(diǎn)所組成的圓弧對(duì)應(yīng)的基圓圓心角，用表示。
(10)從動(dòng)件的位移：凸輪轉(zhuǎn)過(guò)轉(zhuǎn)角時(shí)，從動(dòng)件所運(yùn)動(dòng)的距離，用s表示。位移s從距凸輪回轉(zhuǎn)中心的最近點(diǎn)開(kāi)始度量，對(duì)于擺動(dòng)從動(dòng)件，其位移為角位移，需要把直動(dòng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。
2.2 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律
從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)一般作為凸輪機(jī)構(gòu)的輸出運(yùn)動(dòng)，而且凸輪的輪廓曲線往往也由從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)確定，所以正確的選擇跟設(shè)計(jì)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是凸輪設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作。
從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就是指的是從動(dòng)件的位移s，速度v，加速度a和凸輪轉(zhuǎn)角或者時(shí)間t之間的 函數(shù)關(guān)系，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一般方程式為：、、。
凸輪機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件是凸輪，并且一般作勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。假設(shè)凸輪的角速度為，那么從動(dòng)件的位移、 速度和加速度與凸輪的轉(zhuǎn)角間的關(guān)系是
而對(duì)于擺動(dòng)從動(dòng)件，就需要把式子中的位移、速度和加速度替換為角位移、角速度和角加速度。
多項(xiàng)式類(lèi)型運(yùn)功規(guī)律和三角函數(shù)類(lèi)型運(yùn)動(dòng)規(guī)律是常見(jiàn)的兩種從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
1、多項(xiàng)式類(lèi)型運(yùn)動(dòng)規(guī)律
多項(xiàng)式類(lèi)型運(yùn)動(dòng)規(guī)律的從動(dòng)件的一般形式為
(2-1)
式中，均為待定常（系）數(shù)。等速運(yùn)動(dòng)、等加速運(yùn)動(dòng)、等躍度運(yùn)動(dòng)、五次項(xiàng)運(yùn)動(dòng)和七次項(xiàng)運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)規(guī)律均屬于此種類(lèi)型。
當(dāng)n=1時(shí)，上述運(yùn)動(dòng)規(guī)律為1次項(xiàng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就是等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它的位移線圖為一條斜直線。該運(yùn)動(dòng)規(guī)律用于“停-升-?！鳖?lèi)型的凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，理論上從動(dòng)件在行程的起點(diǎn)和終點(diǎn)處有無(wú)窮大的加速度。因此會(huì)導(dǎo)致劇烈的沖擊（剛性沖擊），所以單純采用等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)“停-升-?！币?guī)律是不合適的，需要在行程的起始部分和終點(diǎn)部分用其他類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)進(jìn)行修正。等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律僅僅適用在低速運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)件質(zhì)量不大的凸輪機(jī)構(gòu)。
當(dāng)n=2時(shí)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律為2次項(xiàng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也就是等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其位移曲線為拋物線。等加速等減速運(yùn)動(dòng)在運(yùn)動(dòng)的起始位置、銜接點(diǎn)和終止位置上的加速度產(chǎn)生一定幅度的突變，使得從動(dòng)系統(tǒng)的慣性力引起有限幅度的突變，從而導(dǎo)致所謂的柔性沖擊。此類(lèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律不適合用在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的凸輪機(jī)構(gòu)上。
當(dāng)n=5時(shí)，上面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為5次項(xiàng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。當(dāng)從動(dòng)件按照5次項(xiàng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，加速度曲線無(wú)突變現(xiàn)象，且其幅值較小。適用于高速凸輪機(jī)構(gòu)。
2、 三角函數(shù)類(lèi)型運(yùn)動(dòng)規(guī)律
三角函數(shù)類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要有簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、雙諧運(yùn)動(dòng)和擺線運(yùn)動(dòng)等。
（1） 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律
簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律又稱(chēng)余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
推程階段運(yùn)動(dòng)方程式：
(2-2)
回程階段的運(yùn)動(dòng)方程式為：
(2-3)
簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特征是從動(dòng)件的加速度按照余弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律變化，從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)的始末位置有柔性沖擊。若推程和回程都采用簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且運(yùn)動(dòng)角相等且無(wú)停留期，則滿足無(wú)沖擊條件，可用于高速凸輪。
（2）雙諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律
推程階段的雙諧運(yùn)動(dòng)方程式：
(2-4)
在推程終止位置加速度幅度最大，用于“停-升?！鳖?lèi)型時(shí)發(fā)生柔性沖擊，用于“停-升-回”類(lèi)型時(shí)可以減小甚至消除柔性沖擊。適合高速下運(yùn)轉(zhuǎn)的凸輪
（3） 擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律
擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律又稱(chēng)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
推程階段運(yùn)動(dòng)方程為：
(2-5)
回程階段運(yùn)動(dòng)方程為：
(2-6)
速度和加速度均無(wú)突變，可適用于凸輪機(jī)構(gòu)的高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。
上述多項(xiàng)式和三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本形式，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。為了揚(yáng)長(zhǎng)避短，常常將數(shù)種不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律拼接起來(lái)，構(gòu)成新的組合型運(yùn)動(dòng)規(guī)律。又可稱(chēng)為修正型運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所用的8種不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律的盤(pán)形凸輪分別為：
（1） 等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律：推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運(yùn)動(dòng)角φ＝150°；遠(yuǎn)休止角φ＝60°；回程運(yùn)動(dòng)角φ＝150°.
（2） 等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律:推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運(yùn)動(dòng)角φ＝180°；回程運(yùn)動(dòng)角φ＝180°。
（3） 正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律:推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運(yùn)動(dòng)角φ＝180°；回程運(yùn)動(dòng)角φ＝180°。
（4） 余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律：推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運(yùn)動(dòng)角φ＝180°；回程運(yùn)動(dòng)角φ＝180。
（5） 3－4－5多項(xiàng)式加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律：推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運(yùn)動(dòng)角φ＝150°；近休止角φ＝30°；回程運(yùn)動(dòng)角φ＝150°；遠(yuǎn)休止角φ＝30°。
（6） 改進(jìn)等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律：推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運(yùn)動(dòng)角φ＝150°；近休止角φ＝30°；回程運(yùn)動(dòng)角φ＝150°；遠(yuǎn)休止角φ＝30°。
（7） 改進(jìn)正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律：推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運(yùn)動(dòng)角φ＝150°；近休止角φ＝60°；回程運(yùn)動(dòng)角φ＝150°。
（8） 改進(jìn)梯形運(yùn)動(dòng)規(guī)律：推程h=15mm；回程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運(yùn)動(dòng)角φ＝180°；回程運(yùn)動(dòng)角φ＝180°；
2.3凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)
凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)是根據(jù)所選定的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律和基本的尺寸，來(lái)求出凸輪的輪廓曲線。凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)的基本原理是反轉(zhuǎn)法原理，即設(shè)想給凸輪機(jī)構(gòu)加上1個(gè)繞凸輪回轉(zhuǎn)中心的反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且使反轉(zhuǎn)的角速度等于凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。凸輪是靜止不動(dòng)的，從動(dòng)件一方面隨導(dǎo)路繞0點(diǎn)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又沿它的導(dǎo)路方向按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于從動(dòng)件始終與凸輪的輪廓曲線保持接觸。所以，從動(dòng)件的底部在由反轉(zhuǎn)跟相對(duì)移動(dòng)所組成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)中的軌跡就是凸輪的輪廓曲線。
傳統(tǒng)的凸輪設(shè)計(jì)方法有作圖法繪制凸輪輪廓曲線和解析法計(jì)算凸輪輪廓坐標(biāo)兩種。圖解法容易，直觀，但設(shè)計(jì)的精度不高，只適用一些設(shè)計(jì)精度要求低的凸輪；解析法的設(shè)計(jì)精度較高，但因?yàn)橛?jì)算量比較大，往往需要編寫(xiě)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序。因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛運(yùn)用從而促進(jìn)了機(jī)械設(shè)計(jì)和制造技術(shù)不斷地革新，各種CAD／CAE軟件的功能也日益完善，凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)也進(jìn)入了新的階段。我們可以選用多種CAD／CAE軟件對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模和仿真分析，從而更好的提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)時(shí)間，獲得優(yōu)良的設(shè)計(jì)方案和精確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。本平臺(tái)用CAXA線切割來(lái)進(jìn)行凸輪輪廓的繪制和線切割代碼編寫(xiě)。
下面以2號(hào)盤(pán)形凸輪為例來(lái)說(shuō)明凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)過(guò)程：
設(shè)計(jì)一凸輪機(jī)構(gòu)，要求從動(dòng)件行程h=15mm；凸輪基圓半徑r=40mm；推程運(yùn)動(dòng)角＝180°；回程運(yùn)動(dòng)角＝180°。從動(dòng)件以等加速和等減速規(guī)律前進(jìn)和返回。
（1） 根據(jù)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定凸輪輪廓的公式曲線
根據(jù)等加速和等減速規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程確定本案例中凸輪的輪廓曲線的極坐標(biāo)方程，其中等加速及等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程如表2-1所示。
表2-1 等加速及等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程
運(yùn)動(dòng)規(guī)律
運(yùn)動(dòng)方程
推程（）
回程（）
等加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律 （）
（）
等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律 （）
（）
以角速度的變化量為參變量t，將基園半徑r=40mm、從動(dòng)件行程h=15mm、推程角＝180°、回程角＝180°等參數(shù)代入到從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程中，得到凸輪輪廓曲線的極坐標(biāo)方程如表2-2所示。
表2-2 凸輪輪廓曲線的極坐標(biāo)方程
凸輪輪廓
從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律
參變量（t）
凸輪輪廓曲線極坐標(biāo)方程
推程前半段
推程后半段
回程前半段
回程后半段
等加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律
等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律
等加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律
等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律
（2） 用CAXA公式曲線功能繪制凸輪輪廓推程曲線
打開(kāi)CAXA線切割軟件，選擇繪制→高級(jí)曲線→公式曲線命令，系統(tǒng)彈出“公式曲線”對(duì)話框，在該對(duì)話框中選擇坐標(biāo)系為極坐標(biāo)系，選擇參變量t的單位為角度。按照表2-2所示的推程段凸輪輪廓確定參變量的起始為0、終止值為90°，設(shè)置曲線精度為0.001，在極坐標(biāo)公式欄中輸入該段凸輪輪廓曲線方程為，如圖2-1所示。
圖2-1 公式曲線對(duì)話框
完成公式曲線的各項(xiàng)設(shè)置后，可以點(diǎn)擊預(yù)顯鍵預(yù)覽下該段曲線有無(wú)錯(cuò)誤，確定無(wú)誤后，點(diǎn)擊對(duì)話框中的確定鍵，系統(tǒng)提示讓你選擇“曲線定位點(diǎn)”，輸入坐標(biāo)“0，0”或者點(diǎn)擊坐標(biāo)原點(diǎn)，就可完成該段的輪廓曲線創(chuàng)建。
重復(fù)上面的步驟，按照表2-2所示的極坐標(biāo)方程一一把凸輪剩下的各段輪廓曲線都創(chuàng)建完畢，曲線的定位點(diǎn)都為原點(diǎn)，最終完成的凸輪輪廓曲線如圖2-2所示。
圖2-2凸輪輪廓曲線
第3章 凸輪的加工方法
凸輪的輪廓切削加工的方法很多，如果按照加工設(shè)備的要求來(lái)劃分，有劃線加工、萬(wàn)能銑床加工、數(shù)控銑床加工、數(shù)控磨床加工、電火花切割加工和仿形加工。
3.1 劃線加工
用劃線加工是指加工好凸輪基準(zhǔn)面以后，用鉗工劃出凸輪工作型面線，然后按照線粗銑或鉆孔后鋸開(kāi)，最后進(jìn)行必要的熱處理和修磨，用金屬板劃線后按線檢驗(yàn)。劃線加工的精度難控制，消耗的工時(shí)多，通常只適用在單件修配的凸輪加工，也用于緊密的凸輪的毛胚加工。圓柱和圓錐凸輪可以根據(jù)展開(kāi)面上面的輪廓曲線坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃線加工。
3.2 萬(wàn)能銑床加工
萬(wàn)能銑床用于加工平面凸輪和空間凸輪。加工的時(shí)候，刀具和毛胚之間的現(xiàn)對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀況如圖3-1~圖3~3所示。刀具回轉(zhuǎn)產(chǎn)生切削運(yùn)動(dòng)；凸輪輪廓的形狀是根據(jù)分度頭的旋轉(zhuǎn)和工作臺(tái)相對(duì)于刀具軸線移動(dòng)所形成的。
圖3-1 平面凸輪輪廓銑削加工
圖3-2 圓柱凸輪輪廓銑削加工
圖3-3 圓錐凸輪輪廓銑削加工
3.3數(shù)控機(jī)床加工
數(shù)控機(jī)床通常用于單件或小批量制造精密凸輪或靠模凸輪。加工方案仍然按照?qǐng)D3-1~圖3-3所示。工作臺(tái)移動(dòng)和工件的回轉(zhuǎn)都由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)機(jī)床的控制方式，把刀具中心軌跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)變成控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)所需要的格式數(shù)據(jù)文件后，輸入到機(jī)床中，就可以加工出所需要的凸輪輪廓。
3.4 仿形機(jī)床加工
通用或者專(zhuān)用的仿形機(jī)床可以加工各種類(lèi)型的凸輪輪廓，也叫復(fù)制加工，按照靠?；蛘邩影逋馆喌脑图庸?，生產(chǎn)率高，單件的成本低，是批量生產(chǎn)經(jīng)常適用的加工設(shè)備。
屬于仿形法加工的有以下集中：靠模車(chē)削、仿形銑削和仿形磨削?，F(xiàn)代的凸輪仿形法加工，多用液壓仿形銑床、光電跟蹤仿形銑床和傷形磨床等加工。
圖3-4 靠模車(chē)凸輪
（1）靠模車(chē)凸輪：在普通的車(chē)床上，利用仿形裝置可以加工具有封閉輪廓的平面和圓柱形的凸輪，如圖3-4所示。
圖中在普通的車(chē)床上安裝了具有滾子的靠模裝置，通過(guò)靠模2把凸輪工作表面的尺寸轉(zhuǎn)換到刀具的運(yùn)動(dòng)上去，滾子3借助彈簧的作用力始終保持與靠模接觸。切削的時(shí)候縱向進(jìn)給自動(dòng)(或手動(dòng))進(jìn)行，而橫向上的進(jìn)給由靠?？刂?，從而加共出工作表面。
圖3-5 機(jī)械式靠模銑凸輪示意圖
（2） 仿形銑凸輪：利用靠模夾具銑削凸輪的工作情況可參見(jiàn)圖3-5。
機(jī)械式仿形加工凸輪的時(shí)候，靠模的磨損快，加工的精度低?，F(xiàn)代的仿形銑床，都采用液壓或電液仿形系統(tǒng)，跟光電跟蹤仿形系統(tǒng)等。采用液壓或電液仿形銑床時(shí)，因?yàn)榭磕Ｋ軌毫O小，使用壽命長(zhǎng)，所以可以采用鑄鐵、鋁合金、木材或者石膏等。
（3）仿形磨削凸輪：仿形磨削適用于加工凸輪的型面已淬硬且粗糙度要求比較小，輪廓功線的向徑精度要求比較高的凸輪。
仿形磨削可以在通用機(jī)床上安裝仿形裝置和磨頭進(jìn)行加工，也可在專(zhuān)門(mén)的仿形磨床上加工，它們的構(gòu)造與工作原理基本上與仿形銑削相同。
3.5 電火花機(jī)床加工
用在凸輪加工的電火花機(jī)床有線切割機(jī)和電火花成形加工機(jī)床。
本試驗(yàn)臺(tái)的8種平面凸輪的加工就是使用線切割機(jī)進(jìn)行加工。
以第二章中設(shè)計(jì)的2號(hào)凸輪為例來(lái)說(shuō)明凸輪的線切割加工
電火花線切割加工一般為工件加工的最后工序。該例中要達(dá)到的凸輪的加工精度及表面粗糙度要求，除了要合理的控制線切割加工的時(shí)候的各種工藝的參數(shù)，還要安排好凸輪加工的工藝路線和線切割加工前的準(zhǔn)備工作。
（1） 凸輪坯料的準(zhǔn)備
凸輪坯料的準(zhǔn)備工序是指的是凸輪加工之前的全部工序。
圖3-6 凸輪穿絲孔位置及坯料圖
凸輪坯料的準(zhǔn)備工序包括：下料：用鋸床切斷所需要的材料；鍛造：改善材料內(nèi)部組織，并且將其鍛成所需要的坯料形狀，如圖3-6所示；退火：消除鍛造工序所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，改善材料的加工性能；銑六面：留下磨削余量0.8mm~1.0mm；磨上下平面及相鄰兩側(cè)面，留下精磨余量0.4mm~0.6mm；鉗工操作：劃線來(lái)確定穿絲孔的位置，鉆穿絲孔并去掉毛刺；熱處理：淬火及回火；精磨：精磨上下平面和相鄰兩個(gè)側(cè)面；退磁處理。
（2）凸輪線切割加工代碼編制
按照?qǐng)D3-6所示，在CAXA線切割中繪制好凸輪的坯料圖，選擇“線切割”→“軌跡生成”，系統(tǒng)彈出“線切割軌跡生成參數(shù)表”，按照?qǐng)D3-7及圖3-8設(shè)置線切割軌跡生成參數(shù)表中的相關(guān)參數(shù)，點(diǎn)擊“確定”按鈕，軟件提示拾取輪廓，分別選擇凸輪輪廓線、鏈?zhǔn)叭》较?、加工的?cè)邊或補(bǔ)償方向、穿絲點(diǎn)位置、退絲點(diǎn)位置、切入點(diǎn)位置等參數(shù)，就可以完成線切割加工軌跡的選取工作。
圖3-7線切割軌跡生成參數(shù)表中切割參數(shù)
圖3-8 線切割軌跡生成參數(shù)表中偏移量和補(bǔ)償值
然后選擇“線切割”→“生成3B代碼”，然后輸入要保存的代碼文件名，再選擇上一步所生成的線切割加工軌跡，按回車(chē)就可以生成線切割加工程序代碼，如下所示：
****************************************
CAXAWEDM -Version 2.0 , Name : tulunjiagong.3B
Conner R= 0.00000 , Offset F= 0.10000 ,Length= 330.889 mm
****************************************
Start Point = 55.00000 , 0.00000 ; X , Y
N 1: B 14900 B 0 B 14900 GX L3 ; 40.100 , 0.000
N 2: B 47365 B 3 B 2950 GY NR1 ; 40.008 , 2.950
N 3: B 47175 B 2949 B 2942 GY NR1 ; 39.731 , 5.892
N 4: B 46982 B 5901 B 2924 GY NR1 ; 39.271 , 8.816
N 5: B 46570 B 8835 B 2898 GY NR1 ; 38.626 , 11.714
N 6: B 46014 B 11755 B 2863 GY NR1 ; 37.799 , 14.577
N 7: B 45289 B 14651 B 2818 GY NR1 ; 36.788 , 17.395
N 8: B 44403 B 17518 B 2765 GY NR1 ; 35.595 , 20.160
N 9: B 43354 B 20350 B 2700 GY NR1 ; 34.222 , 22.860
N 10: B 42143 B 23138 B 2628 GY NR1 ; 32.668 , 25.488
N 11: B 40768 B 25879 B 2544 GY NR1 ; 30.937 , 28.032
N 12: B 39230 B 28563 B 2450 GY NR1 ; 29.031 , 30.482
N 13: B 37528 B 31183 B 2345 GY NR1 ; 26.951 , 32.827
N 14: B 35662 B 33731 B 2250 GX NR1 ; 24.701 , 35.057
N 15: B 33632 B 36198 B 2415 GX NR1 ; 22.286 , 37.159
.....................................................
N 75: B 36715 B 31860 B 2417 GY NR4 ; 30.323 , -28.857
N 76: B 38486 B 29296 B 2515 GY NR4 ; 32.113 , -26.342
N 77: B 40096 B 26661 B 2601 GY NR4 ; 33.726 , -23.741
N 78: B 41543 B 23965 B 2678 GY NR4 ; 35.160 , -21.063
N 79: B 42828 B 21213 B 2744 GY NR4 ; 36.413 , -18.319
N 80: B 43950 B 18413 B 2801 GY NR4 ; 37.484 , -15.518
N 81: B 44909 B 15573 B 2848 GY NR4 ; 38.372 , -12.670
N 82: B 45702 B 12698 B 2887 GY NR4 ; 39.078 , -9.783
N 83: B 46339 B 9796 B 2916 GY NR4 ; 39.599 , -6.867
N 84: B 46798 B 6871 B 2936 GY NR4 ; 39.937 , -3.931
N 85: B 47161 B 3934 B 3932 GY NR4 ; 40.101 , 0.001
N 86: B 14899 B 1 B 14899 GX L4 ; 55.000 , 0.000
N 87: DD
(3) 凸輪的線切割加工
CAXA線切割軟件提供的代碼傳輸方式有應(yīng)答傳輸、同步傳輸、串口傳輸和紙帶穿孔4種方式。國(guó)內(nèi)快走絲線切割控制器大多用的是應(yīng)答傳輸和同步傳輸這兩種方式。其中應(yīng)答傳輸是將加工的代碼用模擬電報(bào)頭的方式傳輸給線切割控制器，由機(jī)床輸出的脈沖信號(hào)來(lái)控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的速度。在進(jìn)行程序代碼傳輸?shù)臅r(shí)候，應(yīng)該要點(diǎn)擊“線切割”→“代碼傳輸”→“應(yīng)答傳輸”，選擇要傳輸?shù)木€切割加工代碼文件，將線切割機(jī)床控制器置于接收信號(hào)狀態(tài)后按回車(chē)鍵就可以開(kāi)始傳輸。
用兩端支撐方式裝夾工件，并用百分表對(duì)工件進(jìn)行找正，使工件的定位基準(zhǔn)平面與工作臺(tái)面和XY軸平行。
裝夾完成后，把電極絲安裝到圖3-6位置，并采用電火花法對(duì)電極絲進(jìn)行位置調(diào)整，使用自動(dòng)找中心功能確定電極絲在穿絲孔中心位置。然后選擇好線切割加工的脈沖參數(shù)。最后啟動(dòng)線切割機(jī)床對(duì)凸輪坯料進(jìn)行加工。
線切割機(jī)床為DK7740E，主要技術(shù)規(guī)格及參數(shù)要求如表3-1
表3-1 DK7740E技術(shù)規(guī)格和參數(shù)要求
指標(biāo)
技術(shù)規(guī)格
工作臺(tái)行程
最大切割厚度
最大加工錐度
最大切割效率
加工表面粗糙度
電極線（鉬絲）直徑范圍
加工精度
工作電源
控制方式
編程語(yǔ)言
顯示器
通訊接口
主要功能
X×Y 400×500 mm
400mm
6°/100
140mm2/min
Ra<2.5um（GB7926-2005）
0.1-0.20mm
<0.015mm（GB7926-2005）
AC380V/415V 50HZ 三相
可實(shí)現(xiàn)X,Y,U,V四軸聯(lián)動(dòng)控制方式。
G 代碼，ISO代碼,兼容3B代碼
15寸液晶彩顯
采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C接口:USB接口（兼容AUTOCAD/CAM的DXF圖形文件）
具有繪圖，編程功能短路自動(dòng)處理，加工結(jié)束自動(dòng)停機(jī)功能，反向加工，任意段加工功能，比例縮放功能，斷電保護(hù)功能，自動(dòng)找中心功能，人機(jī)對(duì)話功能,系統(tǒng)具有自診斷功能。
第4章 凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
4.1 凸輪實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成
4.1.1直動(dòng)從動(dòng)件結(jié)構(gòu)
圖4-1 柜式凸輪實(shí)驗(yàn)平臺(tái)俯視圖
圖4-2 柜式凸輪實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正視圖
1-試驗(yàn)臺(tái)底板，2-旋轉(zhuǎn)編碼器，3-帶輪1，4-渦輪蝸桿減速器，5-凸輪底盤(pán)，6-盤(pán)形凸輪，7-直動(dòng)從動(dòng)件，8-從動(dòng)件支架，9-帶輪2，10-電動(dòng)機(jī)，11-柜，12-光柵尺，13-重錘
從動(dòng)件支架
直線導(dǎo)軌
從動(dòng)件
電動(dòng)機(jī)
帶輪
凸輪
渦輪蝸桿減速器
柜式凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的組成如圖4-1所示，由柜子，電動(dòng)機(jī)，皮帶輪，旋轉(zhuǎn)編碼器，渦輪蝸桿減速器，凸輪，從動(dòng)件，從動(dòng)件支架，光柵尺，重錘等主要部分組成。其主要功能為：測(cè)量盤(pán)形凸輪的角輸出軸的角位移、角速度和直動(dòng)從動(dòng)件的位移和速度加速度，完成輪廓線的測(cè)量及凸輪運(yùn)動(dòng)曲線測(cè)量。三維圖如圖4-3所示。
圖4-3 凸輪機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)的三維簡(jiǎn)圖
4.1.2擺動(dòng)從動(dòng)件結(jié)構(gòu)
圖4-4擺動(dòng)從動(dòng)件結(jié)構(gòu)圖
擺動(dòng)從動(dòng)件的安裝結(jié)構(gòu)圖如圖4-4所示，擺動(dòng)從動(dòng)件的角位移等也是用旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行測(cè)量。
4.1.3圓柱凸輪結(jié)構(gòu)
圖4-5圓柱凸輪結(jié)構(gòu)圖
圓柱凸輪的安裝結(jié)構(gòu)圖如圖4-5所示，從動(dòng)件支架的組件和直動(dòng)從動(dòng)件的組件一樣。
從動(dòng)件支架和渦輪蝸桿減速器和電動(dòng)機(jī)的位置在測(cè)量3種不同凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)位置無(wú)需改變。圓柱凸輪和擺動(dòng)從動(dòng)件在需要時(shí)可安裝和拆卸。
4.2凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)設(shè)計(jì)
4.2.1選擇傳動(dòng)方案
由電動(dòng)機(jī)到凸輪的傳動(dòng)，可選擇帶、鏈和齒輪減速器。由于凸輪轉(zhuǎn)速低、速比大，采用渦輪蝸桿減速器比較合理，它具有選型方便，價(jià)格合理，結(jié)構(gòu)緊湊等多種優(yōu)點(diǎn)。確定采用采用直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步帶輪連接渦輪蝸桿減速器，實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比的傳動(dòng)方案。由于渦輪蝸桿減速器的輸入軸和輸出軸形成90°夾角，所以直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)橫向的放置，它的輸出軸為縱向，方便凸輪的安裝與更換。
4.2.2 選擇電動(dòng)機(jī)
為了滿足凸輪轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)的要求，從變頻調(diào)速和直流調(diào)速兩種中選取較方便、價(jià)格低的直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)作為本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的原動(dòng)件。又由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)僅僅用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)(位移量)，而實(shí)際所需的負(fù)荷較小，所以在選擇電動(dòng)機(jī)的型號(hào)時(shí)，更多的是考慮到結(jié)構(gòu)和安裝等方面的要求，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較，確定采用的電機(jī)型號(hào)為直流伺服電動(dòng)機(jī)SZ94-2 雙輸出軸，輸出軸的長(zhǎng)度按照要求制造。轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定功率為80W。一頭連帶輪，一頭連接手輪，手輪用來(lái)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)是否卡死。
4.2.3渦輪蝸桿減速器
根據(jù)轉(zhuǎn)速的要求，考慮了結(jié)構(gòu)、價(jià)格等方面的因素，決定選擇渦輪蝸桿減速器。綜合分析了凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的要求后，決定選用傳動(dòng)比為20的渦輪蝸桿減速器，減速器的型號(hào)：WPA-40。如圖4-6所示
圖4-6 WPA-40渦輪蝸桿減速器
4.2.4同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
電動(dòng)機(jī)和渦輪蝸桿減速器采用帶輪連接，原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，額定功率80W，轉(zhuǎn)速，斷續(xù)使用每日3-5h。中心距為125mm。
（1） 確定設(shè)計(jì)功率，載荷修正系數(shù)=1.3，設(shè)計(jì)功率=0.104。
（2） 選定帶型節(jié)距，根據(jù)由圖4-7選取5M型圓弧齒同步帶，
圖4-7 圓弧齒同步帶選型圖
（3）小帶輪齒數(shù)，由，得。
（4）小帶輪節(jié)圓直徑，
（5）大帶輪齒數(shù)，
（6）大帶輪節(jié)圓直徑mm
（7）帶速v，
（8）初定軸間距，
取
（9） 帶長(zhǎng)（節(jié)線長(zhǎng)度），
取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)度
（10） 帶齒數(shù)Z，
（11） 實(shí)際中心距，
（12） 安裝量I、調(diào)整量S ，I=1.02mm，S=0.76mm
（13） 嚙合齒數(shù)，
（14） 嚙合齒數(shù)系數(shù)，當(dāng)，所以
（15） 基本額定功率，
（16） 要求帶寬，
，，
。
（17） 緊邊張力
松邊張力
（18） 壓軸力，，=0.98
（19） 作用在軸上的力
（20） 同步帶齒形尺寸如圖4-8所示，齒高，節(jié)距，齒頂圓角半徑，齒根圓角半徑，齒根厚s=3.05mm，齒形角，帶高
圖4-8 同步帶齒形尺寸
（21） 同步帶輪幾何尺寸如圖4-9所示，節(jié)距，齒槽深，齒槽圓弧半徑，齒頂圓角半徑，齒槽寬s=3.25mm，兩倍節(jié)頂距，齒形角
同步帶輪寬度，如圖4-10所示，選擇帶擋圈的帶輪，，
圖4-9同步帶輪尺寸
圖4-10 帶輪寬度尺寸
帶輪擋圈尺寸如圖4-11所示，擋圈最小高度K=2.5~3.5mm，R=1.5mm，擋圈厚度t=1.5~2.0mm
圖4-11 帶輪擋圈尺寸
4.2.5 從動(dòng)件組件設(shè)計(jì)
凸輪機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)的從動(dòng)件組件的位置圖如圖4-12所示，主要由支座，直線導(dǎo)軌和從動(dòng)件組成。
M8螺桿
滑塊
支座
直線導(dǎo)軌
從動(dòng)件套
從動(dòng)件
圖4-12 從動(dòng)件組件三維圖
滑塊的上升和下降由M8螺桿的旋轉(zhuǎn)控制，升降螺母上升和下降帶動(dòng)滑塊上升下架，從而調(diào)節(jié)從動(dòng)件的對(duì)心和偏置，螺桿和升降螺母如圖4-13所示。
圖4-13 螺桿和升降螺母組件
從動(dòng)件和直線導(dǎo)軌用一個(gè)從動(dòng)件套來(lái)連接，結(jié)構(gòu)如圖4-14所示，通過(guò)從動(dòng)件套用螺釘把從動(dòng)件和直線導(dǎo)軌固定，可以更換從動(dòng)件的類(lèi)型，如尖頂從動(dòng)件，平底從動(dòng)件，滾動(dòng)從動(dòng)件來(lái)觀察不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
圖4-15 從動(dòng)件和直線導(dǎo)軌組件
從動(dòng)件的上下移動(dòng)的最大位置為，20mm和-20mm。通過(guò)支座上的孔來(lái)控制。
從動(dòng)件的左右位移由定位板來(lái)確定，試驗(yàn)臺(tái)可測(cè)試的最小的凸輪基圓半徑要大于40mm，基圓加推程小于70mm。
4.3 傳感器選擇
4.3.1傳感器概述
傳感器（英文名稱(chēng)：transducer/sensor）是一種檢測(cè)的裝置，能夠感受到被測(cè)量的信息，并且能將檢測(cè)感受到的信息，按照一定的規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息來(lái)輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器所下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量件并按照一定的規(guī)律(數(shù)學(xué)函數(shù)法則)轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。
一般來(lái)講，典型的傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路這三部分所組成，有時(shí)還需要加上輔助電源，它們組成的框圖如圖4-16所示
圖4-16 傳感器的組成框圖
傳感器的種類(lèi)非常多，目前沒(méi)有統(tǒng)一的分類(lèi)方法，常用的分類(lèi)方法有下面幾種。
（1） 按用途分類(lèi)
壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、能耗傳感器、速度傳感器加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器。
（2） 按測(cè)量原理分類(lèi)
振動(dòng)傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等。
（3）按輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)
模擬傳感器：將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)
數(shù)字傳感器：將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(hào)（包括直接和間接轉(zhuǎn)換）。
膺數(shù)字傳感器：將被測(cè)量的信號(hào)量轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)或短周期信號(hào)的輸出。
開(kāi)關(guān)傳感器：當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。
4.3.2傳感器選用原則
現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別，我們要根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境合理的選擇傳感器，是在進(jìn)行測(cè)量某個(gè)量時(shí)要首先解決的問(wèn)題。在傳感器確定之后與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。傳感器的選用是否合理在很大程度上影響著測(cè)量結(jié)果的成敗。
（1）根據(jù)測(cè)量的對(duì)象和測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類(lèi)型
進(jìn)行