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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題目 溝槽凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真
專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)學(xué)號(hào) 068105116
學(xué)號(hào)姓名 胡 裕
指導(dǎo)老師 于 斐
填 表 日 期 2011 年 3 月 25 日
說 明
開題報(bào)告應(yīng)結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（含文獻(xiàn)綜述）、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度、參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。以下填寫內(nèi)容各專業(yè)可根據(jù)具體情況適當(dāng)修改。但每個(gè)專業(yè)填寫內(nèi)容應(yīng)保持一致。
一、課題研究背景及國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)
凸輪機(jī)構(gòu)廣泛用于各種自動(dòng)機(jī)中。自三十年代以來，人們就在不斷的研究它，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，目前低、中速凸輪機(jī)構(gòu)的研究在各方面已經(jīng)相當(dāng)完善，成熟?，F(xiàn)在，人們研究工作的重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向高速凸輪機(jī)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)特性方面。近五十年代，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和各種數(shù)值計(jì)算法的發(fā)展，使得很多方面的研究得以深入。
在歐美各國(guó)，學(xué)者們?yōu)橥馆啓C(jī)構(gòu)的研究做出了巨大的貢獻(xiàn)。早在三十年代，F(xiàn).D.Furman就寫了一本系統(tǒng)介紹凸輪設(shè)計(jì)的著作，當(dāng)時(shí)的工作主要集中在低速凸輪機(jī)構(gòu)，而且主要是分析運(yùn)動(dòng)規(guī)律。到了四十年代，人們開始對(duì)配氣凸輪機(jī)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行深入研究，并從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到有理論根據(jù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。四十年代末，J.A.Hrones等人已經(jīng)注意到從動(dòng)件的剛度對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)有明顯的影響。五十年代初，D.B.Mitchell最先對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。后來不少學(xué)者采用多種儀器，對(duì)高速凸輪的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，并獲得了許多重要的成果。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，凸輪機(jī)構(gòu)的CAD/CAM獲得巨大成功，凸輪機(jī)構(gòu)的研究從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到優(yōu)化設(shè)計(jì)，從單純的運(yùn)動(dòng)分析到動(dòng)力學(xué)分析，從手工加工到CAM等發(fā)展階段。僅八,九十年代，就有P.Diemtma，J.K..Mills，Y.Peng，V.Y.Blrstij，Y.W.Chan等人先后發(fā)表了有關(guān)凸輪機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的論文，而Tsay，Bagci，Camil，Yilmaz，Yuksel，A.I.Mahyuddin，Cardona，Aiberto，T.L.Drenser等人先后發(fā)表了有關(guān)凸輪振動(dòng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等動(dòng)力學(xué)方面的論文。在高速凸輪機(jī)構(gòu)的研究方面，歐美各國(guó)也取得了巨大的成就。Tesar在其著作中對(duì)高速凸輪機(jī)構(gòu)采用的多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律有較詳細(xì)的論述，而T.Weber，A.S.Gutman，F(xiàn).Freadunstein等人提出了付氏級(jí)數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，D.A.Stoddart與G..F.Fawcett等提出了多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律等等。同時(shí)，M.Chew，Y.S.Unlusoy等人對(duì)高速凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題在進(jìn)行研究。德國(guó)、英國(guó)在高速凸輪機(jī)構(gòu)的研究方面又有了新的突破，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)采用了諧分析、諧綜合等分析設(shè)計(jì)方法，使得高速凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能有了很大的改善。歐美各國(guó)的學(xué)者還特別注重研究文獻(xiàn)的搜集，P.W.Jensen在其專著<凸輪設(shè)計(jì)與制造>中幾乎列出了1984年以前的、有記載的、可以找到的所有的文獻(xiàn)資料，共1817篇。
日本也特別重視凸輪機(jī)構(gòu)的研究，日本學(xué)者在凸輪技術(shù)發(fā)展上所做的工作主要有：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，以適應(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。3、研制新的凸輪加工設(shè)備，以適應(yīng)新開發(fā)的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了凸輪機(jī)構(gòu)的小型化和大型化。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)。5、發(fā)展凸輪機(jī)構(gòu)的CAD/CAM系統(tǒng)。
我國(guó)對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和研究已有多年歷史，目前仍在繼續(xù)擴(kuò)展和深入。近年來已經(jīng)取得一定成就，但與先進(jìn)國(guó)家相比我國(guó)對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的研究和應(yīng)用還存在一定的差距，尤其是在對(duì)振動(dòng)的研究、凸輪機(jī)構(gòu)的加工及產(chǎn)品開發(fā)等方面。
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以進(jìn)行的地方。例如，從設(shè)計(jì)的角度考慮，大致有以下幾點(diǎn)：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，還要研究有效的分析方法。2、在幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究方面。要綜合考慮各種凸輪機(jī)構(gòu)，盡可能導(dǎo)出普遍使用的計(jì)算公式。3、發(fā)展通用而有效的CAD系統(tǒng)。4、引入專家系統(tǒng)或人工智能CAD系統(tǒng)。5、動(dòng)力學(xué)的深化及研究成果的進(jìn)一步實(shí)用化。6、加強(qiáng)對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性好熱動(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)品研制周期。7、研究CAD/CAM的一體化。8、凸輪機(jī)構(gòu)作為引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的研究和應(yīng)用。
隨著社會(huì)的發(fā)展科技的進(jìn)步，人們對(duì)各種機(jī)械在速度、效率、壽命、噪聲和可靠性等方面要求的日益提高，因此也就對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的各種性能有更高的要求。為適應(yīng)這種發(fā)展形勢(shì)，凸輪機(jī)構(gòu)必須具有特性優(yōu)良的凸輪曲線和高速、高精度性能。我們的研究也正是為次而努力。
二、溝槽凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
為滿足凸輪機(jī)構(gòu)的輸出件提出的運(yùn)動(dòng)要求、動(dòng)力要求等，凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)大致可分為以下三步:
l)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的設(shè)計(jì)。
2)凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的設(shè)計(jì)。
3)凸輪機(jī)構(gòu)輪廓曲線的設(shè)計(jì)。
2.1 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的設(shè)計(jì)
運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)包括對(duì)所設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)輸出件的運(yùn)動(dòng)提出的所有給定要求。例如，推程、回程運(yùn)動(dòng)角、遠(yuǎn)休止角、近休止角、行程以及推程、回程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線形狀，都屬于運(yùn)動(dòng)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(dòng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)曲線。研究凸輪曲線的目的在于用最短時(shí)間、最圓滑、無振動(dòng)、耗能少的方式來驅(qū)動(dòng)從動(dòng)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(dòng)件的運(yùn)動(dòng)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(dòng)件產(chǎn)生一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng);反過來實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件不同的運(yùn)動(dòng)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(dòng)件所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)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(chǎng)合，選擇或設(shè)計(jì)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)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(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程式，選擇不同的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)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(dòng)性能等。
從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律可分為基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律和組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律。基木運(yùn)動(dòng)規(guī)律包括簡(jiǎn)單多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律和三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律是由數(shù)種基木運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行拼接而成。
2.1.1從動(dòng)件常用的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律
幾種常見的基木運(yùn)動(dòng)規(guī)律有三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律(簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律、擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律及雙諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律等);簡(jiǎn)單多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律;等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律(一次項(xiàng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律)、等加等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律(二次項(xiàng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律)等。
2.1.2從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選取原則
從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)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(dòng)力特性，同時(shí)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(dòng)規(guī)律時(shí)，必須根據(jù)使用場(chǎng)合、工作條件等分清卞次，綜合考慮。下面是一些常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的適用場(chǎng)合:
l)等速運(yùn)動(dòng)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(dòng)件行程的開始和終止位置存在剛性沖擊，是運(yùn)動(dòng)特性最差的曲線，所以等速運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(chǎng)合使用。
3)余弦加速度運(yùn)動(dòng)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(shí)也能獲得合理的從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)。但當(dāng)這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律用于升一停一回一停運(yùn)動(dòng)時(shí)，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)這種規(guī)律用于升一回一升型運(yùn)動(dòng)時(shí)，則加速度曲線連續(xù)，沒有柔性沖擊。
4)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律用于升一停一回一停運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)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)。但它用于升一回停運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)規(guī)律廣泛用于中速凸輪機(jī)構(gòu)，但不適于高速場(chǎng)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(duì)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(dòng)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(dòng)件運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)。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(zhǎng)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(dòng)件能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)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)壓力角和基圖半徑
凸輪壓力角是從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)(速度)方向與傳動(dòng)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(gè)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(shí)設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，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(dòng)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。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(shí)兩者應(yīng)同時(shí)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的前提下，選取盡可能小的基圓半徑。
2.2.2溝槽凸輪的曲率半徑
移動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪的曲率半徑。當(dāng)凸輪廓線為內(nèi)凹廓線時(shí)，實(shí)際廓線的曲率半徑Pa、理論廓線的曲率半徑p、滾子半徑r三者之間有如下的關(guān)系:而當(dāng)凸輪廓線為外凸廓線時(shí)，實(shí)際廓線的曲率半徑Pa、理論廓線的曲率半徑p、滾子半徑r三者之間的關(guān)系是:Pa=p-r，當(dāng)p=r時(shí)，則Pa=0，即實(shí)際廓線將出現(xiàn)尖點(diǎn)，由于尖點(diǎn)處極易磨損，故不能實(shí)用;若p
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