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摘 要 在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)全球化、市場競爭日趨激烈的時代，新產(chǎn)品的開發(fā)時間成為企業(yè)能 否在激烈的市場競爭中取勝的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中重復(fù)計(jì)算、重復(fù)建 模等工作量很大，一直困擾著產(chǎn)品開發(fā)人員，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。 這種現(xiàn)象在凸輪的設(shè)計(jì)中尤為突顯。針對這一問題，本課題利用 Pro/E 軟件中的運(yùn) 動仿真模塊對凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動進(jìn)行模擬仿真。 本論文的主要研究內(nèi)容有： 1、溝槽凸輪設(shè)計(jì) 2、溝槽凸輪機(jī)構(gòu)的零部件的實(shí)體建模 3、溝槽凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真 關(guān)鍵詞：溝槽凸輪 實(shí)體建模 運(yùn)動仿真 ABSTRACT In the competitive era of economic globalization and increasingly markets, the development time for new product become a key factor to win in the fierce competition market. The traditional product design process of double counting, such as repeated heavy workload and modeling have troubled the product development staff, a serious impact on product design quality and efficienct. This phenomenon is particularly on the design of cam highlights. Address with this problem, the subject of using the movement simulation module of Pro / E software on the cam movement simulation. In this paper, the main research contents are as follows: 1. Designing the groove cam 2. Modeling the mechanism parts of groove cam 3. Motion simulating of the groove cam mechanism Key Words: Cam groove, Modeling, Motion Simulation 目 錄 緒 論 .1 1.1 本文研究的背景 .1 1.1.1 我國凸輪機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 .1 1.1.2 我國凸輪機(jī)構(gòu) CAD/CAM 的研究現(xiàn)狀 .1 1.1.3 國外凸輪機(jī)構(gòu)及其 CAD/CAM 的研究現(xiàn)狀 .2 1.1.4 我國凸輪 CAD 系統(tǒng)存在的問題 .2 1.2 本文研究的主要內(nèi)容 .2 1.3 本文意義 .3 1.4 本章小結(jié) .3 2 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 .4 2.1 從動件運(yùn)動規(guī)律的選取 .4 2.1.1 從動件常用的基本運(yùn)動規(guī)律 .4 2.1.2 從動件運(yùn)動規(guī)律的選取原則 .4 2.2 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的設(shè)計(jì) .5 2.2.1 凸輪機(jī)構(gòu)壓力角和基圓半徑 .5 2.2.2 凸輪機(jī)構(gòu)的偏距 .6 2.2.3 凸輪滾子半徑 .6 2.3 凸輪輪廓設(shè)計(jì) .7 2.4 機(jī)構(gòu)簡介 .8 2.5 本章小結(jié) .9 3 凸輪機(jī)構(gòu)的實(shí)體建模與裝配 .10 3.1 Pro/E 軟件簡介 .10 3.2 零部件的實(shí)體建模 .10 3.3 裝配原理簡介與裝配模型的建立 .12 3.3.1 Pro/E 仿真裝配原理介紹 .12 3.3.2 裝配模型建立 .14 3.4 本章小結(jié) .17 4 凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真 .18 4.1 計(jì)算機(jī)仿真概述 .18 4.1.1 計(jì)算機(jī)仿真的基本概念及特點(diǎn) .18 4.1.2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用 .18 4.2 Pro/E 運(yùn)動仿真簡介 .19 4.2.1 Pro/E 運(yùn)動仿真的特點(diǎn) .19 4.2.2 Pro/E 運(yùn)動仿真的基本術(shù)語 .20 4.2.3 Pro/E 運(yùn)動仿真的步驟 .21 4.3 凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真 .21 4.3.1 設(shè)置機(jī)構(gòu)環(huán)境 .21 4.3.2 分析 .25 4.4 本章小結(jié) .29 結(jié) 論 .30 致 謝 .31 參考文獻(xiàn) .32 0 緒 論 1.1 本文研究的背景 1.1.1 我國凸輪機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 凸輪機(jī)構(gòu)是典型的常用機(jī)構(gòu)之一。凸輪機(jī)構(gòu)是能使從動件按照給定的運(yùn)動 規(guī)律運(yùn)動的高副機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)任意給定的位移、速度、加速度等運(yùn)動規(guī)律， 而且與其它機(jī)構(gòu)配合可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動要求。工程中，幾乎所有簡單的、復(fù) 雜的重復(fù)性機(jī)械動作都可由凸輪機(jī)構(gòu)或者包括凸輪機(jī)構(gòu)的組合機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。又 由于凸輪機(jī)構(gòu)具有平穩(wěn)性好，重復(fù)精度高，運(yùn)動特性良好，機(jī)構(gòu)的構(gòu)件少，體 積小，剛性大，周期控制簡單，可靠性好，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因而是現(xiàn)代工業(yè)生 產(chǎn)設(shè)備中不可缺少的機(jī)構(gòu)之一，被廣泛用于各種自動機(jī)中。例如，自動包裝機(jī)、 自動成型機(jī)、自動裝配機(jī)、自動機(jī)床、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、印刷機(jī)械加工中 心環(huán)刀機(jī)構(gòu)、高速壓力機(jī)械等。 我國以前對凸輪機(jī)構(gòu)深入系統(tǒng)地研究較少，僅在內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)有較 深入研究。1990 年以來，有關(guān)凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用研究取得了一大批成果，許多己 應(yīng)用于生產(chǎn)。陜西科技大學(xué)完成的(高速高精度間歇轉(zhuǎn)位凸輪分度機(jī)構(gòu) CAD/CAM)， 1995 年獲陜西省科技進(jìn)步二等獎：開發(fā)的 “凸輪分度機(jī)構(gòu)傳動裝 置”獲中國輕工總會優(yōu)秀新產(chǎn)品一等獎；加工弧面凸輪的“XK5001 雙回轉(zhuǎn)坐標(biāo) 數(shù)控銑床”獲實(shí)用新型專利。天津大學(xué)關(guān)于分度凸輪機(jī)構(gòu)的研究，得到了國家 自然科學(xué)基金的支持；研究開發(fā)的兩片式平行分度凸輪機(jī)構(gòu)達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水 平。此外，上海交通大學(xué)、大連輕工業(yè)學(xué)院、合肥工業(yè)大學(xué)和山東大學(xué)(山東工 業(yè)大學(xué)) 等在理論應(yīng)用研究方面都取得了很多具有國際或國內(nèi)先進(jìn)水平的科研成 果。 盡管我國對凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和研究也有多年的歷史，對凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、 運(yùn)動規(guī)律、輪廓線、動力學(xué)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的研究都取得了很多科研成果。 但是，與先進(jìn)國家相比，我國對凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造上都還存在較大的差距， 尤其在制造方面。在國外核心技術(shù)也只是集中在少數(shù)的幾家公司和科研機(jī)構(gòu)中， 而且由于技術(shù)保密等因素，具有一定參考價值的相關(guān)資料很少公開發(fā)表。這樣 就在無形中制約著我國凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造水平的提高，造成高速、高精度的 凸輪機(jī)構(gòu)必須依賴進(jìn)口的被動局面。 1.1.2 我國凸輪機(jī)構(gòu) CAD/CAM 的研究現(xiàn)狀 我國凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的理論研究己經(jīng)達(dá)到了較高的水平，為凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。當(dāng)今，凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)己廣泛采用解析法并借助于計(jì)算 機(jī)來完成，數(shù)控機(jī)床用于凸輪加工也有很長的歷史。我國發(fā)表的凸輪機(jī)構(gòu) CAD/CAM 方面的文獻(xiàn)較多。但這些凸輪的 CAD/CAM 系統(tǒng)核心技術(shù)僅被某些 1 企業(yè)所有，并未在市場上以商品軟件的形式出現(xiàn)。迄今為止我國凸輪機(jī)構(gòu) CAD/CAM 技術(shù)仍未得到有效的推廣應(yīng)用。另外，由于凸輪專用軟件開發(fā)更新 的速度慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上當(dāng)今計(jì)算機(jī)軟、硬件的發(fā)展速度，使得現(xiàn)有凸輪機(jī)構(gòu) CAD/CAM 軟件己大為落后，不能完全適應(yīng)廣大設(shè)計(jì)人員的要求。 1.1.3 國外凸輪機(jī)構(gòu)及其 CAD/CAM 的研究現(xiàn)狀 自上世紀(jì)三十年代以來，人們就開始了對凸輪機(jī)構(gòu)的研究，并且研究工作 隨著新技術(shù)、新方法的產(chǎn)生和應(yīng)用在不斷深化。60 年代后，對凸輪的研究逐步 成熟起來，出現(xiàn)了較完整的運(yùn)動規(guī)律的設(shè)計(jì)，在梯薩爾的著作中就采用了多項(xiàng) 式運(yùn)動規(guī)律。對凸輪機(jī)構(gòu)的研究不斷向縱深方向發(fā)展，開始對凸輪進(jìn)行有限元 分析及非線性問題的研究，同時，歐美各國學(xué)者對高速凸輪的研究也有新的突 破，許多學(xué)者發(fā)表了關(guān)于凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、凸輪振動、動態(tài)響應(yīng)等方面的 論文。日木在凸輪機(jī)構(gòu)方面的研究也有巨大貢獻(xiàn)。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，以適應(yīng)新的要求。并加強(qiáng)了對凸輪 機(jī)構(gòu)動力學(xué)和振動方面的研究和標(biāo)準(zhǔn)化研究，發(fā)展成批生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)凸輪機(jī)構(gòu)， 在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展凸輪機(jī)構(gòu) CAD/CAM 系統(tǒng)。美國、日木等國家的一些凸 輪制造企業(yè)開發(fā)了供木企業(yè)使用的凸輪 CAD/CAM 系統(tǒng)，有的還形成了商業(yè)化 軟件，如日木 SUNCALL 公司開發(fā)的 HYMOCAM 系統(tǒng)等。 1.1.4 我國凸輪 CAD 系統(tǒng)存在的問題 通過調(diào)研以及查閱大量文獻(xiàn)資料，我國現(xiàn)有的凸輪 CAD 系統(tǒng)存在如下問題： (1)多數(shù)是在 AutoCAD 基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)而成的，不具有三維建模功能； (2)沒有商品化的凸輪 CAD 系統(tǒng)出現(xiàn)； (3)現(xiàn)有的基于 Pro/ENGINEER 的凸輪 CAD 系統(tǒng)中，融入先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫管 理技術(shù)的還沒有主要原因是由于 Pro/TOOLKIT 開發(fā)界面的功能很弱，而且根木 沒有連接數(shù)據(jù)庫的功能； (4)由于凸輪專用軟件開發(fā)更新的速度慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上當(dāng)今計(jì)算機(jī)硬件的發(fā) 展速度，使得現(xiàn)有的平面凸輪機(jī)構(gòu) CAD 應(yīng)用軟件已大為落后，不能適應(yīng)實(shí)際生 產(chǎn)的需要； (5)集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化很不完善。 1.2 本文研究的主要內(nèi)容 本文研究的主要內(nèi)容是關(guān)于溝槽凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真。首先介紹了溝槽凸 輪的設(shè)計(jì)，然后在 Pro/E 軟件中實(shí)現(xiàn)其實(shí)體建模和裝配，最后才對裝配好的溝槽 凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。 2 1.3 本文意義 對凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真，可以根據(jù)仿真結(jié)果以及碰撞干涉檢查，對設(shè)計(jì) 的零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)等方面的修改，大大簡化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期， 減少開發(fā)費(fèi)用，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。 1.4 本章小結(jié) 首先本章對課題的研究背景進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，然后又對本文的研究內(nèi)容 和本文意義進(jìn)行介紹。 3 2 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 2.1 從動件運(yùn)動規(guī)律的選取 運(yùn)動規(guī)律設(shè)計(jì)包括對所設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)輸出件的運(yùn)動提出的所有給定要求。 例如，推程、回程運(yùn)動角、遠(yuǎn)休止角、近休止角、行程以及推程、回程的運(yùn)動 規(guī)律曲線形狀，都屬于運(yùn)動規(guī)律設(shè)計(jì)。所謂凸輪曲線并不是凸輪輪廓的形狀曲 線，而是凸輪驅(qū)動從動件的運(yùn)動曲線。研究凸輪曲線的目的在于用最短時間、 最圓滑、無振動、耗能少的方式來驅(qū)動從動件。凸輪曲線特性優(yōu)良與否直接影 響凸輪機(jī)構(gòu)的精度、效率和壽命。從動件的運(yùn)動情況，是由凸輪輪廓曲線的形 狀決定的。一定輪廓曲線形狀的凸輪，能夠使從動件產(chǎn)生一定規(guī)律的運(yùn)動；反 過來實(shí)現(xiàn)從動件不同的運(yùn)動規(guī)律，要求凸輪具有不同現(xiàn)狀的輪廓曲線，即凸輪 的輪廓曲線與從動件所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動規(guī)律之間存在著確定的依從關(guān)系。因此，凸 輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步，是根據(jù)工作要求和使用場合，選擇或設(shè)計(jì)從動件的運(yùn) 動規(guī)律。在設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)基木尺寸和凸輪輪廓之前，必須根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)的工作 性能要求選擇從動件的運(yùn)動規(guī)律方程式，選擇不同的從動件運(yùn)動規(guī)律將直接影 響凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸設(shè)計(jì)、輪廓設(shè)計(jì)及凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性能等。 2.1.1 從動件常用的基本運(yùn)動規(guī)律 幾種常見的基木運(yùn)動規(guī)律有三角函數(shù)運(yùn)動規(guī)律(簡諧運(yùn)動規(guī)律、擺線運(yùn)動規(guī) 律及雙諧運(yùn)動規(guī)律等)；簡單多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律；等速運(yùn)動規(guī)律(一次項(xiàng)運(yùn)動規(guī)律)、 等加等減速運(yùn)動規(guī)律(二次項(xiàng)運(yùn)動規(guī)律)等。 2.1.2 從動件運(yùn)動規(guī)律的選取原則 從動件運(yùn)動規(guī)律的選擇或設(shè)計(jì)，涉及到許多因素。除了需要滿足機(jī)械的具 體工作要求外，還應(yīng)使凸輪機(jī)構(gòu)具有良好的動力特性，同時又要考慮所設(shè)計(jì)的 凸輪廓線便于加工，這些因素又往往是互相制約的。因此在選擇或設(shè)計(jì)運(yùn)動規(guī) 律時，必須根據(jù)使用場合、工作條件等分清主次，綜合考慮。下面是一些常用 運(yùn)動規(guī)律的適用場合： (l)等速運(yùn)動規(guī)律在很多情況下能滿足凸輪機(jī)構(gòu)推程的工作要求，但是在從 動件行程的開始和終止位置存在剛性沖擊，是運(yùn)動特性最差的曲線，所以等速 運(yùn)動規(guī)律很少單獨(dú)使用，且不適用于中、高速。 (2)等加速等減速運(yùn)動規(guī)律的速度曲線連續(xù)，在所有曲線中其最大加速度值 為最小，但在從動件行程的開始、終止和由正加速度變?yōu)樨?fù)加速度的中間位置， 加速度的有限值突變將導(dǎo)致柔性沖擊，因而不能在中、高速場合使用。 (3)余弦加速度運(yùn)動規(guī)律消除了行程中間位置的加速度突變，且易于計(jì)算和 加工，在中速時也能獲得合理的從動件的運(yùn)動。但當(dāng)這種運(yùn)動規(guī)律用于升停 回停運(yùn)動時，在行程的起始和終止位置因加速度突變而仍有柔性沖擊。當(dāng) 4 這種規(guī)律用于升回升型運(yùn)動時，則加速度曲線連續(xù)，沒有柔性沖擊。 (4)正弦加速度運(yùn)動規(guī)律用于升?；赝＿\(yùn)動時，從動件在行程的起始 和終止位置加速度無突變，因而無柔性沖擊，有利于機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。但它用于 升?；赝＿\(yùn)動時，在推程與回程的連接點(diǎn)處，躍度從有限的正值變?yōu)樨?fù) 值，因而加速度曲線不連續(xù)。這種曲線要求機(jī)械加工的準(zhǔn)確性高于其他曲線。 正弦加速度運(yùn)動規(guī)律廣泛用于中速凸輪機(jī)構(gòu)，但不適于高速場合。 2.2 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的設(shè)計(jì) 凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸對凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、傳力性能都有重要的影響。凸輪 機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)選擇的不恰當(dāng)，則可能造成壓力角過大或產(chǎn)生運(yùn)動失真現(xiàn)象。 凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸之間互相影響、互相制約，所以如何合理地設(shè)計(jì)這些基本 尺寸，也是凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中要解決的重要問題。 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的設(shè)計(jì)問題是在給定從動件運(yùn)動規(guī)律和許用壓力角的條 件下尋求一組適用的尺寸，從而使設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)性能佳、壽命長。溝槽凸輪 機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)有：基圓半徑和偏距，滾子半徑，擺桿長度等。為提高凸輪 機(jī)構(gòu)傳力效果，希望機(jī)構(gòu)在推程中壓力角盡量小。一般來講，這些參數(shù)的選擇， 除應(yīng)保證使從動件能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律外，還應(yīng)當(dāng)使機(jī)構(gòu)具有良好 的受力狀況和緊湊的尺寸。 2.2.1 凸輪機(jī)構(gòu)壓力角和基圓半徑 凸輪壓力角是從動件運(yùn)動(速度)方向與傳動軸線方向之間的夾角。壓力角是 衡量凸輪機(jī)構(gòu)傳力特性好壞的一個重要參數(shù)。從減小推力、避免自鎖，使機(jī)構(gòu) 具有良好的受力狀況來看，壓力角應(yīng)越小越好。同時設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時，除了使 機(jī)構(gòu)具有良好的受力狀況外，還希望機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊。在實(shí)現(xiàn)相同運(yùn)動規(guī)律的情 況下，基圓半徑越大，凸輪的尺寸也越大。因此，要獲得輕便緊湊的凸輪機(jī)構(gòu)， 就應(yīng)當(dāng)使基圓半徑盡可能地小。而基圓半徑 r 及偏距 e 與凸輪壓力角 有如下0 關(guān)系： tan = = (21)0seds20ers 當(dāng)凸輪逆時針轉(zhuǎn)動、從動件偏于凸輪軸心左側(cè)或當(dāng)凸輪順時針轉(zhuǎn)動，從動 件偏于凸輪軸心右側(cè)時，壓力角的計(jì)算公式： tan = (22)20ersds 5 由計(jì)算公式可知壓力角和基圓半徑兩者是互相制約的，在一般情況下，為 了保證設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)既有較好的傳力特性又具有較緊湊的尺寸，設(shè)計(jì)時兩者 應(yīng)同時考慮。為了保證凸輪機(jī)構(gòu)順利工作，規(guī)定了壓力角的許用值 ，在使 的前提下，選取盡可能小的基圓半徑。推薦推程的許用壓力角為：移max 動推桿 =30 38 ；當(dāng)要求凸輪尺寸盡可能小時可取 =45 ；擺動推桿0 0 =40 45 ；回程時，由于推桿通常受力較小而無自鎖問題，故許用壓力角 可以取大一點(diǎn)，通常取 =70 80 。0 在實(shí)際工作中，一般都是先根據(jù)具體情況預(yù)選一個凸輪的基圓半徑，待凸 輪輪廓曲線設(shè)計(jì)完成后，在檢查其最大壓力角是否滿足 。max 2.2.2 凸輪機(jī)構(gòu)的偏距 由式(2 1)和式 (22)可看出，凸輪的轉(zhuǎn)動方向和從動件的偏置方向不同， 增大偏距。壓力角的變化就不同。若推程壓力角減小，則回程壓力角將增大， 即通過增加偏距來減小推程壓力角，是以增大回程壓力角為代價的。在設(shè)計(jì)凸 輪機(jī)構(gòu)時，如果壓力角超過了許用值、而機(jī)械的結(jié)構(gòu)空間又不允許增大基圓半 徑，則可通過選取從動件適當(dāng)?shù)钠梅较騺慝@取較小的推程壓力角。即在移動 滾子從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的情況下，選擇從動件偏置的主要目的是為了減小機(jī) 構(gòu)推程時的壓力角。 從動件偏置方向選擇的原則是：若凸輪逆時針回轉(zhuǎn)，則應(yīng)使從動件軸線偏 于凸輪軸心右側(cè)；若凸輪順時針回轉(zhuǎn)，則應(yīng)使從動件軸線偏于凸輪軸心左側(cè)。 2.2.3 凸輪滾子半徑 當(dāng)凸輪廓線為內(nèi)凹廓線時，實(shí)際廓線的曲率半徑 、理論廓線的曲率半徑a 、滾子半徑 r 三者之間有如下的關(guān)系： = +r 。而當(dāng)凸輪廓線為外凸廓線 ar 時，實(shí)際廓線的曲率半徑 、理論廓線的曲率半徑 、滾子半徑 r 三者之間的a 關(guān)系是 = r ，當(dāng) =r 時，則 =0，即實(shí)際廓線將出現(xiàn)尖點(diǎn)，由于尖點(diǎn)處ara 極易磨損，故不能實(shí)用；若 r ，則 0，這時實(shí)際廓線將出現(xiàn)交叉，當(dāng)進(jìn)行 加工時，交點(diǎn)以外的部分將被刀具切去，使凸輪廓線產(chǎn)生過度切割，致使從動 件不能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律，這種現(xiàn)象稱為運(yùn)動失真。為了避免凸輪實(shí) 際廓線產(chǎn)生過度切割，有兩種途徑：一是減小滾子半徑 r ；二是增大理論輪廓 線的最小曲率半徑 。min 實(shí)際凸輪時應(yīng)保證凸輪實(shí)際廓線的最小曲率半徑不小于某一許用值。 = r (2.3)minaia 一般取 =35(mm) 用解析法設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時，通常是先根據(jù)機(jī)構(gòu)和強(qiáng)度條件選擇滾子半徑 r ，然后校核 = r ，若不滿足，則應(yīng)增大基圓半徑重新設(shè)計(jì)。minaia 6 2.3 凸輪輪廓設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)從動件運(yùn)動規(guī)律主要依賴于凸輪輪廓曲線形狀，因而輪廓曲線設(shè)計(jì)是 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)便是凸輪輪廓曲線的設(shè) 計(jì)。傳統(tǒng)的凸輪輪廓設(shè)計(jì)方法通常采用作圖法或解析計(jì)算的方法描點(diǎn)。作圖法 雖簡便易行，但其效率低，繪出的凸輪輪廓不夠準(zhǔn)確。所謂用解析法設(shè)計(jì)輪廓 線，就是根據(jù)人們所要求的從動件的運(yùn)動規(guī)律和已知的機(jī)構(gòu)參數(shù)，求出凸輪廓 線的方程式，并精確地計(jì)算一出輪廓線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值。解析法繪出的凸輪輪 廓誤差相對較小，但計(jì)算量大。目前精確設(shè)計(jì)凸輪輪廓的方法有包絡(luò)法、速度 瞬心法、等距曲面法等等。包絡(luò)法利用凸輪和從動件的幾何關(guān)系導(dǎo)出接觸點(diǎn)的 軌跡方程；速度瞬心法利用凸輪和從動件瞬時速度中心確定凸輪和從動件在某 一瞬時接觸點(diǎn)的位置。在滾子從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪的實(shí)際廓線是以理 論廓線上各點(diǎn)為圓心、作一系列滾子圓，然后作該圓族的包絡(luò)線得到的。因此， 實(shí)際廓線與理論廓線在法線方向處處等距，該距離均等于滾子半徑。 下面介紹的是滾子擺動從動件凸輪輪廓曲線參數(shù)方程的建立： 圖 21 擺動滾子從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu) 圖 21 所示為一擺動滾子從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。已知凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動軸心 O 與擺桿擺動軸心 A 間的中心距為 a，擺桿長度為 l，選取直角坐標(biāo)系 XOY 如圖0 21 所示。當(dāng)從動件處于起始位置時，滾子中心處于 B 點(diǎn)，擺桿與連心線 OA0 之間的夾角為 ；當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過 角后，從動件擺過 角。由反轉(zhuǎn)法原理作圖可00 以看出，此時滾子中心將處于 B 點(diǎn)。 由圖可知，B 點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y）分別為： x=asin lsin（ + + ）0 y=acos lcos（ + + ） (2.4) 從動件凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪的實(shí)際輪廓線是以理論輪廓線上各點(diǎn)為圓心作一 系列滾子圓，然后作該圓族的包絡(luò)線得到的。因此，實(shí)際輪廓線與理論輪廓線 在法線方向上處處等距，該距離均等于滾子半徑。所以如果已知理論輪廓線上 7 任意一點(diǎn) B 的坐標(biāo)（x，y）時，只要沿理論輪廓線在該點(diǎn)的法線方向取距離為 r ，即可得到實(shí)際輪廓線上相應(yīng)點(diǎn) B的坐標(biāo)值（x，y） 。r 理論輪廓線上 B 點(diǎn)處的法線的斜率為 tan = = (2.5)yxd)(dyx 實(shí)際輪廓線上對應(yīng)點(diǎn) B的坐標(biāo)可由下式求出： x=x r cos y=y r sin (2.6) 其中，cos ，sin 可由公式（ 2.5）求的： cos =22)(dyx sin = (2.7)22)(dyx 將式（2.7）代入式（2.6）得到： x=x r22)(dyx y=y r (2.8)22)(dyx 式（2.8）即為凸輪實(shí)際輪廓曲線方程。式中“+”號用于外包絡(luò)線， “-”號 用于內(nèi)包絡(luò)線。 2.4 機(jī)構(gòu)簡介 本文要求機(jī)構(gòu)輸出端能實(shí)現(xiàn)升?；赝５耐鶑?fù)運(yùn)動，并要求行程的起 始和終止位置加速度無突變，加速度曲線連續(xù)，無柔性沖擊，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。為了 達(dá)到這個要求，本文采用的方案為凸輪機(jī)構(gòu)。根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動的要求和凸輪機(jī)構(gòu) 從動件運(yùn)動規(guī)律的選取原則，本文選取的凸輪機(jī)構(gòu)從動件的運(yùn)動規(guī)律為正弦加 8 速度規(guī)律。但正弦加速度運(yùn)動規(guī)律用于升?；赝＿\(yùn)動時，在推程與回程 的連接點(diǎn)處，躍度從有限的正值變?yōu)樨?fù)值，因而加速度曲線不連續(xù)。為此本為 選取的凸輪機(jī)構(gòu)從動件的運(yùn)動規(guī)律為修正正弦加速度規(guī)律。 在設(shè)計(jì)具體的凸輪機(jī)構(gòu)時，本文考慮了兩種方案：第一種是滑塊直接與凸 輪連接的空間凸輪機(jī)構(gòu)，第二種是凸輪與滑塊并排的平面溝槽凸輪機(jī)構(gòu)?？紤] 到安裝尺寸和裝配要求，本文選取第二種方案。在第二種方案中滑塊和凸輪機(jī) 構(gòu)是并排的，不易連接，因此在兩者間加了個連桿。具體的原理示意圖如圖 2 2 所示： 圖 22 擺動滾子從動件平面槽凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)原理示意圖 這個機(jī)構(gòu)由兩部分組成：溝槽凸輪和連桿滑塊機(jī)構(gòu)。其中主動件為由電動 機(jī)驅(qū)動的溝槽凸輪，從動件為由溝槽凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動連桿滑塊機(jī)構(gòu)中的擺桿，運(yùn) 動輸出端為滑塊。其中 OB=245mm、 OD=550mm、AB=220mm、BC=380mm、CD=135mm。由原理示 意圖可作出擺動滾子從動件平面槽凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)（以后簡稱為溝槽凸輪機(jī) 構(gòu)）的機(jī)構(gòu)簡圖。機(jī)構(gòu)簡圖如圖 23 所示： 圖 23 溝槽凸輪機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)簡圖 2.5 本章小結(jié) (1)分析了從動件基本運(yùn)動規(guī)律和組合運(yùn)動規(guī)律，歸納了運(yùn)動規(guī)律選取的原 則。 (2)介紹了常用凸輪機(jī)構(gòu)壓力角、基圓半徑、偏距和滾子半徑等基本尺寸的 設(shè)計(jì)要求。 1 (3)對凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)進(jìn)行簡單的分析，列出了凸輪輪廓曲線方程。 10 3 凸輪機(jī)構(gòu)的實(shí)體建模與裝配 3.1 Pro/E 軟件簡介 Pro/E（Pro/Engineer 操作軟件）是美國參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation，簡稱 PTC）的重要產(chǎn)品。在目前的三維造型軟件領(lǐng)域 中占有著重要地位，并作為當(dāng)今世界機(jī)械 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到 業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今最成功的 CAD/CAM 軟件之一。 Pro/E 第一個提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征 的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇， 而不必安裝所有模塊。Pro/E 的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過程集成到 一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī) 上。 Pro/E 采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑 金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。 Pro/Engineer 是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括 參數(shù)化功能定義、實(shí)體零件及組裝造型，三維上色實(shí)體或線框造型棚完整工程 圖產(chǎn)生及不同視圖（三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉(zhuǎn)） 。Pro/Engineer 是 一個功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設(shè)計(jì)專用功能來實(shí)現(xiàn)，其中包括： 筋（Ribs） 、槽（ Slots） 、倒角（ Chamfers）和抽空（Shells）等，采用這種手段 來建立形體，對于使用者來說是更自然，更直觀，無需采用復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)方 式。 3.2 零部件的實(shí)體建模 （1）溝槽凸輪的建模 溝槽凸輪零件的三維實(shí)體模型如圖 31 所示： 圖 31 溝槽凸輪 11 （2）擺桿的建模 擺桿零件的三維實(shí)體模型如圖 32 所示： 圖 32 擺桿 （3）連桿的建模 連桿零件的三維實(shí)體模型如圖 33 所示： 圖 33 連桿 （4）滑塊的建模 滑塊零件的三維實(shí)體模型如圖 34 所示： 圖 34 滑塊 （5）機(jī)架的建模 機(jī)架零件的三維實(shí)體模型如圖 35 所示： 圖 35 機(jī)架 12 3.3 裝配原理簡介與裝配模型的建立 3.3.1 Pro/E 仿真裝配原理介紹 （1）裝配模型的配合聯(lián)接信息 裝配體的配合聯(lián)接信息即為構(gòu)成裝配體的所有零部件間的互相關(guān)聯(lián)的信息， 它包括三維幾何約束和拓?fù)渎?lián)接關(guān)系。 三維幾何約束就是裝配體內(nèi)各零部件的幾何配合關(guān)系，它把零部件約束在 某個三維幾何空間中，使這些零部件只能在此特定的三維空間中或固定或運(yùn)動。 裝配體中的各個零件是不可能孤立存在的，它總是和周圍的零件有聯(lián)系，各個 零部件是有機(jī)的統(tǒng)一在一起的。只有這樣，裝配體才能完成人們賦予它的預(yù)期 功能。零部件間的這種關(guān)聯(lián)性和有機(jī)統(tǒng)一性體現(xiàn)于各個零部件間的約束之中。 這些約束包括設(shè)計(jì)變量約束和三維幾何約束，設(shè)計(jì)變量約束控制裝配體中零件 的實(shí)體，三維幾何約束確定零件的位置。 部件和部件之間的幾何空間關(guān)系籠統(tǒng)來說是一種拓?fù)渎?lián)接關(guān)系，它描述的 是一個零件在另一個零件的內(nèi)部、外部、上面、下面等的定性關(guān)系和它們相互 之間的距離、角度等定量關(guān)系。這種關(guān)系可以通過約束關(guān)系來描述，這種約束 關(guān)系最終反映到零件的最基本的元素上：一個裝配約束作用于兩個零件，實(shí)質(zhì) 上就是約束分屬于兩個零件上的兩個幾何元素，這些幾何元素主要有點(diǎn)、直線、 二次曲線、平面、二次曲面等，它可以是零件上實(shí)際存在的元素，也可以是零 件的延伸或擴(kuò)展，或者說是零件的虛擬部分，如基準(zhǔn)和參考元素等。對這些虛 擬元素的約束其實(shí)也就是對實(shí)體零件的約束。 上面我們論述過，點(diǎn)、線、面等幾何元素之間的關(guān)系又存在著定性關(guān)系和 定量關(guān)系兩種，所以我們又把約束分為定性約束和定量約束。定性約束表示零 件間的一種配合性質(zhì)，如兩平面共面，兩軸同線等，是一種零件接觸的關(guān)系， 不能用數(shù)量來描述；定量約束表示零件之間的一種配合量。如兩平面的距離、 兩線間的夾角等，能用數(shù)量來表達(dá)。定量約束有時也隱含著定性約束，如兩平 面間的距離約束首先必須要求兩平面平行，才可能有平面之間的距離，這種平 行約束就是一種定性約束。定性約束不能修改(Modify)，只能重新定義 （Redefine)；定量約束的量可以修改，這種定量約束的可變性就是三維幾何約 束的動態(tài)性。 13 表 31 面向工程的約束分類 約束類型 約束量 約束元素 同向共面（Mate） 無 平面，基準(zhǔn)面 非接觸共面（Mate Offset） 有 平面，基準(zhǔn)面 同向?qū)R（Align） 無 平面，基準(zhǔn)面，邊，軸線 同向距離對齊（Align Offset） 有 平面，基準(zhǔn)面，邊，軸線 坐標(biāo)系對齊（Coord Sys） 無 坐標(biāo)系 插入（Insert） 無 回轉(zhuǎn)面 同向（Orient） 無 平面，基準(zhǔn)面 相切（Tangent） 無 平面，基準(zhǔn)面，邊，軸線， 回轉(zhuǎn)面 點(diǎn)在線上（Pnt on Line） 無 頂點(diǎn)，邊，軸線 點(diǎn)在面上（Pnt on Srt） 無 頂點(diǎn)，平面，基準(zhǔn)面 點(diǎn)在邊上（Edge on Srt ） 無 邊，平面，基準(zhǔn)面 定性約束包括下面幾種：同向共面、反向共面、共線、共點(diǎn)、線在面內(nèi)、 點(diǎn)在線上、點(diǎn)在面上、線面相切；定量約束包括面間距離、面間夾角、線間距 離、線間夾角、點(diǎn)點(diǎn)距離、線面距離及夾角、點(diǎn)線距離。我們可以看出，定量 約束的量為零時，定量約束就轉(zhuǎn)化為定性約束，這種性質(zhì)使約束可以替代、簡 化、分解。綜合了以上幾種定性和定量的約束，可以將它們歸納成如表所示的 面向工程的約束形式，即為 Pro/E 中提供的裝配約束形式，零部件之間的三維幾 何約束信息的總和。三維幾何約束是維系裝配體中各零部件間的空間位置和相 對運(yùn)動的紐帶。 一般來說，一個部件的定位必須由兩個或兩個以上的三維約束完成。這些 約束在建立裝配模型，確定零部件在裝配體中的相對空間位置時就建立起來了。 它們是裝配模型的重要組成信息之一。 （2）裝配模型中的語義信息 裝配模型中的語義信息即附加于裝配模型的一些輔助語義信息，它在裝配 模型中也同樣具有比較重要的作用。如：把每個零部件分類，并冠以不同的類 別名稱，這樣便于對不同類別零部件采取不同的處理方法。裝配工藝路徑規(guī)劃 模塊可依據(jù)該語義信息按照一定的判別使序列規(guī)劃更合理更具智能型，如遇到 的子裝配體是標(biāo)準(zhǔn)件(如軸承)或作為整體的外購裝配體，則當(dāng)作不可拆分的零件 處理直接拆卸；如遇到聯(lián)接件、緊固件則應(yīng)當(dāng)首先拆卸。這些分類在實(shí)現(xiàn)裝配 規(guī)劃時有利于提高各個模塊的運(yùn)算效率。還有零件的材料、重量、體積、重心 與熱處理方法等，也是屬于裝配模型中的語義信息。這些信息對零件的裝配特 性有一定的影響，如體積或重量很大的零件其裝配性能差；同樣，體積很小的 零件裝配性能也差。 14 （3）裝配規(guī)則 裝配規(guī)劃即裝配工藝規(guī)劃形象的描述，就是指裝配過程中按要求制定的裝 配計(jì)劃，它研究產(chǎn)品裝配體是用什么工具、沿怎樣的路徑、按照怎樣的次序裝 配起來的。 裝配規(guī)劃研究的重點(diǎn)是裝配過程設(shè)計(jì)。裝配過程設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，它不但要 受零部件設(shè)計(jì)的幾何和功能的影響，而且受制造、裝配過程以及經(jīng)濟(jì)性的影響。 由于裝配設(shè)計(jì)是一個創(chuàng)造性相當(dāng)強(qiáng)的過程，而目前計(jì)算機(jī)的創(chuàng)造能力仍無法與 人的創(chuàng)造能力相比擬，所以，目前的裝配規(guī)劃基本上都是以自動裝配規(guī)劃為輔、 以計(jì)算機(jī)輔助裝配規(guī)劃為主。用戶在進(jìn)行裝配規(guī)劃時，可以隨意的調(diào)入任意裝 配模型進(jìn)行零部件的拆卸與路徑的調(diào)整，并可以根據(jù)個人的意愿任意的選擇所 要拆卸的零部件數(shù)目，如果用戶不想繼承建模者所建立的裝配模型，也可以很 方便的打破原有模型的子裝配體等框架進(jìn)行裝配。同時也可以通過實(shí)時仿真功 能可視化的驗(yàn)證規(guī)劃的合理性與可行性，由于在這個模塊中采用了一種特殊的 動畫生成模式，所以在整個仿真過程中，整個界面保持了激活狀態(tài)，便于用戶 隨時調(diào)整視角進(jìn)行觀察。 3.3.2 裝配模型建立 （1）設(shè)置工作目錄 依次單擊主菜單中的“文件（File） ”“設(shè)置工作目錄（Set Working Directory.） ”命令,在彈出 “選取工作目錄（Select Working Directory） ”對話框 中選擇*：結(jié)果，單擊 按鈕。 （2） 建立新的裝配文件 單擊工具欄中的 （新建）工具，彈出“新建（New ） ”對話框，在“類型 （Type ） ”欄選擇“組件（ Assembly） ”，在“子類型（Sub-type ） ”欄選擇 “設(shè) 計(jì)（Design） ”，在“名稱（Name ） ”處接受默認(rèn)名稱 “asm0001”，取消對“使用 缺省模板（Use default template） ”復(fù)選框的勾選，單擊 按鈕。在出現(xiàn)“新文 件選項(xiàng)（New File Options） ”對話框中選擇“mmns_asm_design”作為模板，單 擊 按鈕，即進(jìn)入裝配環(huán)境，此時工作區(qū)顯示坐標(biāo)系 ASM_DEF_CSYS 及基 準(zhǔn)平面 ASM_FRONT、ASM_RIGHT、ASM_TOP。 （3）裝配零件 單擊工具欄中的 （裝配）工具，在彈出的“打開（ Open） ”對話框中 1 選擇*：結(jié)果jijia.prt，單擊 按鈕。在“元件放置（Component Placement） ”操控板的對話欄中單擊 “約束（Constraint） ”列表，在列表中選擇 “缺省（Default ） ”項(xiàng)，單擊 （確認(rèn)）按鈕，完成主體零件的放置，如圖 36 所示。 15 圖 36 主題零件的放置 單擊工具欄中的 （裝配）工具，在彈出的“打開（ Open） ”對話框中選 2 擇*：結(jié)果cam.prt，單擊 按鈕。在“元件放置（Component Placement） ”操控板的對話欄中單擊 “預(yù)定義集（ Predefine Set） ” 列表，在列 表中選擇“銷釘（Pin ） ”選項(xiàng)，設(shè)置如圖 37 所示的約束。 圖 37 銷釘約束 單擊 （確認(rèn)）按鈕，完成凸輪的放置，如圖 38 所示。 圖 38 凸輪的放置 單擊工具欄中的 （裝配）工具，在彈出的“打開（ Open） ”對話框中選 3 擇*：結(jié)果baigan.prt ，單擊 按鈕。在“元件放置（Component Placement） ”操控板的對話欄中單擊 “預(yù)定義集（ Predefine Set） ”列表，在列表 中選擇“銷釘（Pin ） ”選項(xiàng)，設(shè)置如圖 39 所示的約束。 16 圖 39 銷釘約束 單擊 （確認(rèn)）按鈕，完成擺桿的放置，如圖 310 所示。 圖 310 擺桿的放置 單擊工具欄中的 （裝配）工具，在彈出的 “打開（Open） ”對話框中選 4 擇*：結(jié)果liangan.prt ，單擊 按鈕。在“元件放置（Component Placement） ”操控板的對話欄中單擊 “預(yù)定義集（ Predefine Set） ”列表，在列表 中選擇“銷釘（Pin ） ”選項(xiàng)，設(shè)置如圖 311 所示的約束。單擊 （確認(rèn)）按鈕， 完成連桿的放置，如圖 312 所示。 圖 311 銷釘約束圖 312 連桿的放置 單擊工具欄中的 （裝配）工具，在彈出的“打開（Open） ”對話框中選 5 擇*：結(jié)果huakuai.prt ，單擊 按鈕。在 “元件放置（Component Placement） ”操控板的對話欄中單擊 “預(yù)定義集（ Predefine Set） ”列表，在列表 中選擇“銷釘（Pin ） ”選項(xiàng)，設(shè)置如圖 313 所示的約束。 17 圖 313 銷釘約束 在“元件放置（Component Placement） ”操控板中單擊“放置（Placement） ” 上滑面板，單擊該上滑面板中的“新設(shè)置（New Set） ”，然后在對話欄中單擊 “預(yù)定義集（Predefine Set） ”列表，在列表中選擇 “滑動桿（Slider） ”選項(xiàng)，設(shè) 置如圖 314 所示的約束。單擊 （確認(rèn)）按鈕，完成滑塊的放置，如圖 315 所示。 圖 314 滑動桿約束圖 315 滑塊的放置 3.4 本章小結(jié) 本章首先就 Pro/E 軟件進(jìn)行了簡單的介紹，然后又對溝槽凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡 單的分析，最后進(jìn)行機(jī)構(gòu)部零件的實(shí)體建模和裝配。 18 4 凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真 4.1 計(jì)算機(jī)仿真概述 4.1.1 計(jì)算機(jī)仿真的基本概念及特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)仿真(Computer Simulation)是指對于某個待研究的系統(tǒng)模型建立其仿 真模型進(jìn)而在子計(jì)算機(jī)上對該仿真模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)(仿真實(shí)驗(yàn))研究的過程。所 以計(jì)算機(jī)仿真是通過對系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)去研究一個真實(shí)系統(tǒng)。從 20 世紀(jì) 80 年 代后期開始，計(jì)算機(jī)仿真在諸多方面都發(fā)生了十分重大的轉(zhuǎn)變：仿真研究的對 象己由對連續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向離散事件系統(tǒng)；由重視實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向重視建模與結(jié)果分析： 由強(qiáng)調(diào)并重視與人工智能結(jié)合轉(zhuǎn)向強(qiáng)調(diào)與圖形技術(shù)和對象技術(shù)結(jié)合，使仿真的 交互性大大增強(qiáng)。就應(yīng)用領(lǐng)域方面而言，計(jì)算機(jī)仿真己由航空航天轉(zhuǎn)向制造業(yè)， 并從研究制造對象(產(chǎn)品) 的動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)特性及加工、裝配過程，擴(kuò)大到研究 制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，并進(jìn)一步擴(kuò)大到后勤供應(yīng)、庫存管理、產(chǎn)品開發(fā)過程 的組織、產(chǎn)品測試等，涉及到企業(yè)制造活動的各個方面?，F(xiàn)代制造的分布性也 使得計(jì)算機(jī)仿真與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，出現(xiàn)了分布式仿真技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) 集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、多媒體、軟件 工程、信息處理、自動控制等多個高新技術(shù)領(lǐng)域的知識。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是以 數(shù)學(xué)理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基 礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際的或設(shè)想的系 統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)還有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： （1）模型參數(shù)任意調(diào)整：模型參數(shù)可根據(jù)要求通過計(jì)算機(jī)程序隨時進(jìn)行調(diào) 整、修改或補(bǔ)充，使人們能掌握各種可能的仿真結(jié)果，為進(jìn)一步完善研究方案 提供了極大的方便。這使得計(jì)算機(jī)仿真與通常的實(shí)物實(shí)驗(yàn)相比，具有運(yùn)行費(fèi)用 低、無風(fēng)險以及方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。 （2）系統(tǒng)模型快速求解：利用計(jì)算機(jī)，在較短時間內(nèi)就能知道仿真運(yùn)算的 結(jié)果( 數(shù)據(jù)或圖像) 。 （3）運(yùn)算結(jié)果可靠：只要系統(tǒng)模型、仿真模型和仿真程序是科學(xué)合理的， 那么計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果一定是準(zhǔn)確無誤的。 正是基于這些優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)仿真方法能優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低實(shí)驗(yàn)成本，減 少失敗風(fēng)險，提高預(yù)測能力。目前，無論在科學(xué)研究還是技術(shù)開發(fā)或工業(yè)設(shè)計(jì) 中，計(jì)算機(jī)仿真方法都顯示出強(qiáng)大的威力，已成為人們研究復(fù)雜系統(tǒng)時不可或 缺的一種手段。 4.1.2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為一門新興的高科技技術(shù)，在制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造， 尤其在航空、航天、國防及其他大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的研制開發(fā)過程中，一直是不 19 可缺少的工具，它在減少損失、節(jié)約經(jīng)費(fèi)、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方 面發(fā)揮了巨大的作用。在從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造至測試維護(hù)的整個生命周期中， 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)貫穿始終。 （1）虛擬制造(VM) 虛擬制造采用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，以新產(chǎn)品及其制造系統(tǒng)的全局最優(yōu)化 為目標(biāo)，通過仿真模型，在計(jì)算機(jī)上仿真生產(chǎn)全過程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)程、 加工制造、裝配和調(diào)試，預(yù)估產(chǎn)品的功能、性能和加工性等方面可能存在的問 題，從而更加有效地組織生產(chǎn)，增強(qiáng)決策與控制水平，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提 高產(chǎn)品質(zhì)量。目前虛擬制造技術(shù)的研究和應(yīng)用主要側(cè)重于運(yùn)動仿真、加工模擬、 裝配檢查、性能評測等方面，其核心技術(shù)包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、仿真技術(shù)、建模 技術(shù)和可制造性評價。 （2）虛擬產(chǎn)品開發(fā)(VPD) 虛擬產(chǎn)品開發(fā)是實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)，即采用計(jì)算機(jī) 仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上群組協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、 加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗(yàn)等。 （3）虛擬樣機(jī) 虛擬樣機(jī)技術(shù)是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技 術(shù)揉合在一起，在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型，并對該產(chǎn)品在投入使用后 的各種工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn) 品性能的一種新技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)采用了計(jì)算機(jī)仿真與虛擬技術(shù)，在計(jì)算機(jī) 上通過 CAD/CAM/CAE 等技術(shù)把產(chǎn)品的資料集成到一個可視化的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn) 產(chǎn)品的仿真、分析。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用貫串在整個設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，它可以用 在概念設(shè)計(jì)和方案論證中。 用虛擬樣機(jī)來代替物理樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)時，不但可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和效 率，而且大幅度地縮短產(chǎn)品研制周期和費(fèi)用。 4.2 Pro/E 運(yùn)動仿真簡介 4.2.1 Pro/E 運(yùn)動仿真的特點(diǎn) 在 Pro/E 中，我們可以通過對機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動副、驅(qū)動器使其運(yùn)動起來，以實(shí) 現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真。而機(jī)構(gòu)又是由構(gòu)件組合而成的，其中每個構(gòu)件都是以一定 的方式至少與另一個構(gòu)件相連接，這種連接既使兩個構(gòu)件直接接觸，又使兩個 構(gòu)件產(chǎn)生一定的相對運(yùn)動。創(chuàng)建機(jī)構(gòu)的過程與零件裝配的過程極為相似。與其 他的軟件相比較，用 Pro/E 做運(yùn)動仿真的主要特點(diǎn)如下： （1）運(yùn)動輸入 20 運(yùn)動輸入(Motion Input)是賦給運(yùn)動副控制運(yùn)動的運(yùn)動副參數(shù)。當(dāng)創(chuàng)建或編 輯調(diào)用一個運(yùn)動副時，就會彈出運(yùn)動驅(qū)動對話框。使用者可以根據(jù)需要選擇無 運(yùn)動驅(qū)動、運(yùn)動函數(shù)、恒定運(yùn)動、簡諧運(yùn)動驅(qū)動以及關(guān)節(jié)運(yùn)動驅(qū)動等 5 種可能 的運(yùn)動驅(qū)動中的一種。 （2）關(guān)節(jié)運(yùn)動分析 當(dāng)使用者只需要了解某一關(guān)節(jié)的運(yùn)動情況時，可以選擇分析工具條中的關(guān) 節(jié)運(yùn)動分析圖標(biāo)，并輸入步長和步數(shù)進(jìn)行分析。 （3）靜力學(xué)分析 靜力學(xué)分析(Static Analysis)將模型移動到平衡位置，并輸入運(yùn)動副上的反作 用力。當(dāng)選擇靜力學(xué)分析后，時間和步數(shù)的輸入項(xiàng)將不可選。 （4）機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)/機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析 機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)/機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析(Kinematic/Dynamci Analysis)按輸入的時間和步 數(shù)進(jìn)行仿真分析。時間值代表運(yùn)動分析模型所分析的時間段內(nèi)的時間，步數(shù)值 代表在此時間段內(nèi)分幾個瞬態(tài)位置進(jìn)行分析或顯示。 （5）設(shè)計(jì)位置和裝配位置 模型的裝配位置可能不同于模型的設(shè)計(jì)位置。裝配位置與設(shè)計(jì)位置的區(qū)別 是:裝配位置是在裝配機(jī)構(gòu)時產(chǎn)生的，與使用者裝配時所選取的配合面有關(guān)；而 設(shè)計(jì)位置是使用者在運(yùn)動仿真前人為設(shè)置的，使用者可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定或 者調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)位置。 （6）多種形式輸出 Pro/E 運(yùn)動仿真的結(jié)果可以以多種格式進(jìn)行輸出，這些形式主要有 MPEG、Animated GFI 以及 VRML 等。 （7）預(yù)測工程和工程判斷準(zhǔn)則 Pro/E 的運(yùn)動分析模塊是用于預(yù)測工程的應(yīng)用軟件。就是說，在許多情況下， 在機(jī)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)前或者說在機(jī)構(gòu)真正生產(chǎn)出來前，用該軟件預(yù)測機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特 性，即它類似于有限元分析 Pro/E 有限元分析模塊 )和注塑流動分析(Pro/E 塑料 零件分析顧問模塊)。這些預(yù)測都是基于非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論以及公認(rèn)的物理和 工程原理。 4.2.2 Pro/E 運(yùn)動仿真的基本術(shù)語 在機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真過程中經(jīng)常會用到以下的基本術(shù)語： （1）放置約束：件中放置元件并限制該元件是否運(yùn)動的圖元。 （2）自由度：構(gòu)件所具有的獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)目(或是確定構(gòu)件位置所需要的獨(dú) 立參變量的數(shù)目) 稱為構(gòu)件的自由度。 （3）主體：元件或相對不動的一組元件。 （4）連接：成為聯(lián)接。它是定義并限制相對運(yùn)動的構(gòu)件的關(guān)系。聯(lián)接的作 21 用是約束構(gòu)件之間的相對運(yùn)動，減少機(jī)構(gòu)的總自由度。 （5）環(huán)連接：加到運(yùn)動環(huán)中的最后一個連接。 （6）接頭：連接類型，例如:銷連接、滑塊桿連接等。乃基礎(chǔ) :即大地或者 機(jī)架，它是一個固定不移動的零件。其他構(gòu)件相對于基礎(chǔ)運(yùn)動。在一個運(yùn)動仿 真機(jī)構(gòu)中，可以定義多個基礎(chǔ)。 （7）運(yùn)動：從驅(qū)動器的構(gòu)件運(yùn)動方式。 （8）拖動：鼠標(biāo)點(diǎn)取并在屏幕上移動機(jī)構(gòu)。 （9）驅(qū)動器：義一個構(gòu)件相對于另一個構(gòu)件的運(yùn)動方式?？梢栽诮宇^或幾 何圖元上放置驅(qū)動器，并指定構(gòu)件之間的位置、速度或加速度運(yùn)動。 （10）回放：錄并重新演示機(jī)構(gòu)運(yùn)動。 4.2.3 Pro/E 運(yùn)動仿真的步驟 Pro/E 運(yùn)動仿真的步驟的流程圖： 4.3 凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真 4.3.1 設(shè)置機(jī)構(gòu)環(huán)境 依次單擊主菜單中的“應(yīng)用程序（Applications） ”“機(jī)構(gòu)（Mechanism） ” 命令，進(jìn)入機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真環(huán)境，進(jìn)行機(jī)構(gòu)環(huán)境的設(shè)置。 （1）定義凸輪機(jī)構(gòu)連接 單擊工具欄中的 （凸輪）工具，系統(tǒng)彈出 “凸輪從動機(jī)構(gòu)連接定義 （Cam-Follower Connection Definition） ”對話框，在 “凸輪 1（Cam1） ”選項(xiàng)卡 中鉤選“自動選?。ˋuto select） ”復(fù)選框，如圖 41 所示。 22 圖 41 “凸輪從動機(jī)構(gòu)連接定義”對話框 點(diǎn)選如圖 42 所示的曲面作為凸輪 1 的曲面，然后單擊“選?。⊿elect） ” 對話框中的 按鈕。 圖 42 凸輪 1 曲面 在“凸輪從動機(jī)構(gòu)連接定義（Cam-Follower Connection Definition） ”對話框 中點(diǎn)選 “凸輪 2（Cam2） ”選項(xiàng)卡，并鉤選“自動選?。ˋuto select） ”復(fù)選框， 接著點(diǎn)選如圖 43 所示的曲面作為凸輪 2 的曲面，然后單擊“選?。⊿elect） ” 對話框中的 按鈕。最后單擊“凸輪從動機(jī)構(gòu)連接定義（Cam-Follower Connection Definition） ”對話框中的 按鈕，完成凸輪從動機(jī)構(gòu)連接的定義， 如圖 44 所示。 圖 43 凸輪 2 曲面 圖 44 凸輪從動機(jī)構(gòu)連接 23 （2）定義伺服電動機(jī) 單擊工具欄中的 （伺服電機(jī)）工具，系統(tǒng)彈出“ 伺服電動機(jī)定義（Servo Motor Definition） ”對話框，在“類型（Type） ”選項(xiàng)卡中選擇“運(yùn)動軸 （Motion Axis） ”，如圖 45 所示，然后在工作區(qū)點(diǎn)選如圖 44 所示的運(yùn)動軸， 保證凸輪沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)方向可根據(jù)右手螺旋定則判斷） ，否則需反向。 圖 45 “伺服電動機(jī)定義”對話框一 接著單擊“輪廓（Profile） ”選項(xiàng)卡，在“規(guī)范（Specification） ”欄中選擇 “速度（Velocity） ”，模的大小 A：300，如圖 46 所示，單擊 按鈕，完成 伺服電動機(jī)的定義。 圖 46 “伺服電動機(jī)定義”對話框二 24 （3）定義快照 單擊工具欄中的 (拖動元件）工具，系統(tǒng)彈出 “拖動（Drag ） ”對話框，單 擊對話框中的 ，然后單擊對話框中的 （快照）工具，拍下快照，名稱接 受默認(rèn)：Snapshot1，如圖 47 所示，然后單擊“選取（Select） ”對話框中的 按鈕，并單擊“拖動（Drag） ”對話框中的 按鈕，完成快照的定義。 圖 47 “拖動”對話框 （4）定義分析 單擊工具欄中的 （分析）工具，系統(tǒng)彈出“分析定義（Analysis Definition） ”對話框，名稱接受默認(rèn)：AnalysisDefinition1，在“類型（Type ”） 欄選擇“運(yùn)動學(xué)（Kinematic） ”，在“圖形顯示（Graphical Display） ”的“終止 時間（End Time） ”處輸入： 2， “幀頻（Frame Rate） ”處輸入：900，并在初 “始位置（Initial Configuration） ”欄選擇“快照（ Snapshot） ”單選框，起用定 義的快照：Snapshot1，并單擊對話框中的 （預(yù)覽）工具，預(yù)覽快照，其余接 受默認(rèn)，如圖 48 所示。單擊 按鈕，便可在工作區(qū)觀看到機(jī)構(gòu)在運(yùn)動， 運(yùn)動仿真結(jié)束之后，單擊 按鈕，完成分析的定義。 25 圖 48 “分析定義”對話框 4.3.2 分析 （1）測量定義 單擊工具欄中的 （測量）工具，統(tǒng)彈出“測量結(jié)果（Measure Results） ” 對話框，如圖 49 所示，在該對話框中單擊對話框中的 （新建）工具，系統(tǒng) 彈出“測量定義（Measure Definition） ”對話框，如圖 410 所示。 圖 49 “測量結(jié)果”對話框 圖 410 “測量定義”對話框 在“測量定義（Measure Definition） ”對話框中的名稱接受默認(rèn)： “xf1_位 移” ， “類型（Type） ”欄處選 “位置（Position ） ”， “評估方法（Evaluation Method） ”處選擇“每個時間步長（Each Time Step） ”，然后在工作區(qū)選擇如圖 411 所示的運(yùn)動軸，單擊對話框中的 按鈕，完成“xf1_位移”的定義。 26 圖 411 點(diǎn)選運(yùn)動軸 用同樣的方法分別繼續(xù)定義“xf2_速度”和“xf3_加速度” ，與“xf1_位移” 不同的地方是“類型（Type ） ”欄處分別選“速度（Velocity） ”和“加速度 （Acceleration） ”。即“xf1_位移” 、 “xf2_速度”和 “xf3_加速度”分別表示凸輪 從動件的位移、速度和加速度。 在“測量定義（Measure Definition） ”對話框中的“名稱（Name ） ”輸入： “xf4_行程” ， “型（Type ） ”處選“位置（Position） ”， “評估方法（Evaluation Method） ”處選擇“每個時間步長（Each Time Step） ”，在“分量（Component ） ” 欄處選擇“Y 分量（Y-component ） ”，如圖 412 所示，然后在工作區(qū)選擇如圖 413 所示的測量點(diǎn)，即滑塊一角點(diǎn)，單擊對話框中的 按鈕，完成執(zhí)行 端“xf4_ 行程 ”的定義。 圖 412 “測量定義”對話框 圖 413 點(diǎn)選測量點(diǎn) 用同樣的方法進(jìn)行該測量點(diǎn)的 Y 方向速度的定義，名稱為： “xf5_速度” ， “測量定義（Measure Definition） ”對話框如圖 414 所示。 27 圖 414 “測量定義”對話框 圖 415 “測量結(jié)果”對話框 （2）測量結(jié)果 在“測量結(jié)果（Measure Results） ”對話框中的“圖形類型（Graph Type） ” 欄中選擇“測量與時間（Measure vs. Time） ”，在“測量（Measure） ”欄中按著 鍵選擇 “xf1_位移” 、 “xf2_速度”和“xf3_ 加速度 ”，鉤選“分別繪制測量 圖形（Graph measures separately） ”項(xiàng)，在“結(jié)果集（Result Set） ”欄中選中 AnalysisDefinition1，如圖 415 所示。 然后單擊該對話框中的 （圖形）工具，系統(tǒng)彈出“圖形工具（Graph tool） ” 窗口，如圖 416 所示，在該窗口中顯示了凸輪機(jī)構(gòu)從動件的位移曲線、速度 曲線和加速度曲線。 圖 416 從動件實(shí)際運(yùn)動規(guī)律 28 從圖 416 所示可知：凸輪是逆時針方向旋轉(zhuǎn)，經(jīng)回程到近程休止，再經(jīng) 推程到遠(yuǎn)程休止，如此循環(huán)運(yùn)動?；爻踢^程中位移逐漸減少，直到達(dá)到近程休 止，近程休止內(nèi)位移不變，推程過程中位移逐漸增大，直到達(dá)到遠(yuǎn)程休止，遠(yuǎn) 程休止內(nèi)位移不變。速度在