毕业设计（论文）开题报告
题目 沟槽凸轮机构的设计和运动仿真
一、课题研究背景及国内外研究动态
凸轮机构广泛用于各种自动机中。自三十年代以来，人们就在不断的研究它，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，目前低、中速凸轮机构的研究在各方面已经相当完善，成熟。现在，人们研究工作的重点已经转向高速凸轮机构及其动力学特性方面。近五十年代，由于计算机技术和各种数值计算法的发展，使得很多方面的研究得以深入。
在欧美各国，学者们为凸轮机构的研究做出了巨大的贡献。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，当时的工作主要集中在低速凸轮机构，而且主要是分析运动规律。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，对高速凸轮的动力学响应进行测量，并获得了许多重要的成果。随着计算机的发展，凸轮机构的CAD/CAM获得巨大成功，凸轮机构的研究从经验设计到优化设计，从单纯的运动分析到动力学分析，从手工加工到CAM等发展阶段。仅八,九十年代，就有P.Diemtma，J.K..Mills，Y.Peng，V.Y.Blrstij，Y.W.Chan等人先后发表了有关凸轮机构优化设计方面的论文，而Tsay，Bagci，Camil，Yilmaz，Yuksel，A.I.Mahyuddin，Cardona，Aiberto，T.L.Drenser等人先后发表了有关凸轮振动、动态响应等动力学方面的论文。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在其著作中对高速凸轮机构采用的多项式运动规律有较详细的论述，而T.Weber，A.S.Gutman，F.Freadunstein等人提出了付氏级数运动规律，D.A.Stoddart与G..F.Fawcett等提出了多项式运动规律等等。同时，M.Chew，Y.S.Unlusoy等人对高速凸轮机构的动力学问题在进行研究。德国、英国在高速凸轮机构的研究方面又有了新的突破，对凸轮机构采用了谐分析、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搜集，P.W.Jensen在其专著<凸轮设计与制造>中几乎列出了1984年以前的、有记载的、可以找到的所有的文献资料，共1817篇。
日本也特别重视凸轮机构的研究，日本学者在凸轮技术发展上所做的工作主要有：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。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。4、加强凸轮机构的标准化，发展成批生产的标准。5、发展凸轮机构的CAD/CAM系统。
我国对凸轮机构的应用和研究已有多年历史，目前仍在继续扩展和深入。近年来已经取得一定成就，但与先进国家相比我国对凸轮机构的研究和应用还存在一定的差距，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。
虽然已经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以进行的地方。例如，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，还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，尽可能导出普遍使用的计算公式。3、发展通用而有效的CAD系统。4、引入专家系统或人工智能CAD系统。5、动力学的深化及研究成果的进一步实用化。6、加强对凸轮机构的运动学特性好热动力学特性的计算机模拟，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。
随着社会的发展科技的进步，人们对各种机械在速度、效率、寿命、噪声和可靠性等方面要求的日益提高，因此也就对凸轮机构的各种性能有更高的要求。为适应这种发展形势，凸轮机构必须具有特性优良的凸轮曲线和高速、高精度性能。我们的研究也正是为次而努力。
二、沟槽凸轮机构设计与分析
为满足凸轮机构的输出件提出的运动要求、动力要求等，凸轮机构的设计大致可分为以下三步:
l)从动件运动规律的设计。
2)凸轮机构基本尺寸的设计。
3)凸轮机构轮廓曲线的设计。
2.1 从动件运动规律的设计
运动规律设计包括对所设计的凸轮机构输出件的运动提出的所有给定要求。例如，推程、回程运动角、远休止角、近休止角、行程以及推程、回程的运动规律曲线形状，都属于运动规律设计。所谓凸轮曲线并不是凸轮轮廓的形状曲线，而是凸轮驱动从动件的运动曲线。研究凸轮曲线的目的在于用最短时间、最圆滑、无振动、耗能少的方式来驱动从动件。凸轮曲线特性优良与否直接影响凸轮机构的精度、效率和寿命。从动件的运动情况，是由凸轮轮廓曲线的形状决定的。一定轮廓曲线形状的凸轮，能够使从动件产生一定规律的运动;反过来实现从动件不同的运动规律，要求凸轮具有不同现状的轮廓曲线，即凸轮的轮廓曲线与从动件所实现的运动规律之间存在着确定的依从关系。因此，凸轮机构设计的关键一步，是根据工作要求和使用场合，选择或设计从动件的运动规律。在设计凸轮机构基木尺寸和凸轮轮廓之前，必须根据凸轮机构的工作性能要求选择从动件的运动规律方程式，选择不同的从动件运动规律将直接影响凸轮机构的基本尺寸设计、轮廓设计及凸轮机构的运动性能等。
从动件运动规律可分为基本运动规律和组合运动规律。基木运动规律包括简单多项式运动规律和三角函数运动规律，组合运动规律是由数种基木运动规律进行拼接而成。
2.1.1从动件常用的基本运动规律
几种常见的基木运动规律有三角函数运动规律(简谐运动规律、摆线运动规律及双谐运动规律等);简单多项式运动规律;等速运动规律(一次项运动规律)、等加等减速运动规律(二次项运动规律)等。
2.1.2从动件运动规律的选取原则
从动件运动规律的选择或设计，涉及到许多因素。除了需要满足机械的具体工作要求外，还应使凸轮机构具有良好的动力特性，同时又要考虑所设计的凸轮廓线便于加工，这些因素又往往是互相制约的。因此在选择或设计运动规律时，必须根据使用场合、工作条件等分清卞次，综合考虑。下面是一些常用运动规律的适用场合:
l)等速运动规律在很多情况下能满足凸轮机构推程的工作要求，但是在从动件行程的开始和终止位置存在刚性冲击，是运动特性最差的曲线，所以等速运动规律很少单独使用，且不适用于中、高速。
2)等加速等减速运动规律的速度曲线连续，在所有曲线中其最大加速度值为最小，但在从动件行程的开始、终止和由正加速度变为负加速度的中间位置，加速度的有限值突变将导致柔性冲击，因而不能在中、高速场合使用。
3)余弦加速度运动规律消除了行程中间位置的加速度突变，且易于计算和加工，在中速时也能获得合理的从动件的运动。但当这种运动规律用于升一停一回一停运动时，在行程的起始和终止位置因加速度突变而仍有柔性冲击。当这种规律用于升一回一升型运动时，则加速度曲线连续，没有柔性冲击。
4)正弦加速度运动规律用于升一停一回一停运动时，从动件在行程的起始和终止位置加速度无突变，因而无柔性冲击，有利于机构运转平稳。但它用于升一回停运动时，在推程与回程的连接点处，跃度从有限的正值变为负值，因而加速度曲线不连续。这种曲线要求机械加工的准确性高于其他曲线。正弦加速度运动规律广泛用于中速凸轮机构，但不适于高速场合。
2.2 凸轮机构基本尺寸的设计
凸轮机构的基本尺寸对凸轮机构的结构、传力性能都有重要的影响。凸轮机构的基本参数选择的不恰当，则可能造成压力角过大或产生运动失真现象。凸轮机构的基本尺寸之间互相影响、互相制约，所以如何合理地设计这些基本尺寸，也是凸轮机构设计中要解决的重要问题。凸轮机构基本尺寸的设计问题是在给定从动件运动规律和许用压力角的条件下寻求一组适用的尺寸，从而使设计的凸轮机构性能佳、寿命长。沟槽凸轮机构主要设计参数有:基圆半径和偏距，滚子半径，摆杆长度等。为提高凸轮机构传力效果，希望机构在推程中压力角尽量小。一般来讲，这些参数的选择，除应保证使从动件能够准确地实现预期的运动规律外，还应当使机构具有良好的受力状况和紧凑的尺寸。
2.2.1凸轮机构压力角和基图半径
凸轮压力角是从动件运动(速度)方向与传动轴线方向之间的夹角。压力角是衡量凸轮机构传力特性好坏的一个重要参数。从减小推力、避免自锁，使机构具有良好的受力状况来看，压力角应越小越好。同时设计凸轮机构时，除了使机构具有良好的受力状况外，还希望机构结构紧凑。在实现相同运动规律的情况下，基圆半径越大，凸轮的尺寸也越大。因此，要获得轻便紧凑的凸轮机构，就应当使基圆半径尽可能地小。由计算公式可知压力角和基圆半径两者是互相制约的，在一般情况下，为了保证设计的凸轮机构既有较好的传力特性又具有较紧凑的尺寸，设计时两者应同时考虑。为了保证凸轮机构顺利工作，规定了压力角的许用值的前提下，选取尽可能小的基圆半径。
2.2.2沟槽凸轮的曲率半径
移动滚子从动件盘形凸轮的曲率半径。当凸轮廓线为内凹廓线时，实际廓线的曲率半径Pa、理论廓线的曲率半径p、滚子半径r三者之间有如下的关系:而当凸轮廓线为外凸廓线时，实际廓线的曲率半径Pa、理论廓线的曲率半径p、滚子半径r三者之间的关系是:Pa=p-r，当p=r时，则Pa=0，即实际廓线将出现尖点，由于尖点处极易磨损，故不能实用;若p<r，则P<0，这时实际廓线将出现交叉，当进行加工时，交点以外的部分将被刀具切去，使凸轮廓线产生过度切割，致使从动件不能准确地实现预期的运动规律，这种现象称为运动失真。实际凸轮时应保证凸轮实际廓线的最小曲率半径不小于某一许用值。为了避免凸轮实际廓线产生过度切割，有两种途径:一是减小滚子半径;二是增大基圆半径。
2.3凸轮轮廓的设计
实现从动件运动规律主要依赖于凸轮轮廓曲线形状，因而轮廓曲线设计是凸轮机构设计中的重要环节。凸轮机构设计的主要任务便是凸轮轮廓曲线的设计。传统的凸轮轮廓设计方法通常采用作图法或解析计算的方法描点，拟合轮廓。作图法虽简便易行，但其效率低，绘出的凸轮轮廓不够准确。所谓用解析法设计轮廓线，就是根据人们所要求的从动件的运动规律和已知的机构参数，求出凸轮廓线的方程式，并精确地计算一出轮廓线上各点的坐标值。解析法绘出的凸轮轮廓误差相对较小，但计算量大。目前精确设计凸轮轮廓的方法有包络法、速度瞬心法、等距曲面法等等.包络法利用凸轮和从动件的几何关系导出接触点的轨迹方程;速度瞬心法利用凸轮和从动件瞬时速度中心确定凸轮和从动件在某一瞬时接触点的位置。在滚子从动件盘形凸轮机构中，凸轮的实际廓线是以理论廓线上各点为圆心、作一系列滚子圆，然后作该圆族的包络线得到的。因此，实际廓线与理论廓线在法线方向处处等距，该距离均等于滚子半径。
2.4运用Pro\E系统对沟槽凸轮机构运动进行模拟仿真
在Pro /E中，我们可以通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来，以实现机构的运动仿真。而机构又是由构件组合而成的，其中每个构件都是以一定的方式至少与另一个构件相连接，这种连接既使两个构件直接接触，又使两个构件产生一定的相对运动。创建机构的过程与零件装配的过程极为相似。与其他的软件相比较，用Pro/E做运动仿真的主要特点如下:
1. )运动输入
运动输入(MotofnnIPu)是赋给运动副控制运动的运动副参数。当创建或编辑调用一个运动副时，就会弹出运动驱动对话框。使用者可以根据需要选择无运动驱动、运动函数、恒定运动、简谐运动驱动以及关节运动驱动等5种可能的运动驱动中的一种。
2. )关节运动分析
当使用者只需要了解某一关节的运动情况时，可以选择分析工具条中的关节运动分析图标，并输入步长和步数进行分析。
3. )静力学分析
静力学分析(statciAnalys)si将模型移动到平衡位置，并输入运动副上的反作用力。当选择静力学分析后，时间和步数的输入项将不可选。
4. )机构运动学/机构动力学分析
机构运动学/机构动力学分析(幻nematiclDynamciAnalys)si按输入的时间和步数进行仿真分析。时间值代表运动分析模型所分析的时间段内的时间，步数值代表在此时间段内分几个瞬态位置进行分析或显示。
5. )设计位置和装配位置
模型的装配位置可能不同于模型的设计位置。装配位置与设计位置的区别是:装配位置是在装配机构时产生的，与使用者装配时所选取的配合面有关;而设计位置是使用者在运动仿真前人为设置的，使用者可以根据需要进行设定或者调节设计位置。
6. )多种形式输出
PorE/运动仿真的结果可以以多种格式进行输出，这些形式主要有MPEG、AnlmatedGFI以及VRML等。
7. )预测工程和工程判断准则
ProE/的运动分析模块是用于预测工程的应用软件。就是说，在许多情况下，在机构进行生产前或者说在机构真正生产出来前，用该软件预测机构的运动特性，即它类似于有限元分析P(roE/有限元分析模块)和注塑流动分析(proE/塑料零件分析顾问模块)。这些预测都是基于非常复杂的数学理论以及公认的物理和工程原理。
三、研究内容及实验方案：
研究内容:1、沟槽凸轮设计
2、沟槽凸轮机构的零部件的实体建模
3、沟槽凸轮机构的运动仿真
实验方案:1.凸轮机构的设计的初步方案：通过从动件运动规律的选取和通过确定凸轮的压力角和基圆半径、偏距以及滚子半径,从而确定凸轮的轮廓设计。
2．凸轮机构的实体建模与装配的设计的初步方案：通过Pro/E软件的了解和零部件的实体建模的分析，从而确定装配模型的设计。
3．凸轮机构的运动仿真的设计的初步的设计方案：通过计算机仿真的概述了解以及Pro/E运动仿真简介的分析，从而确定凸轮机构的运动仿真的设计。
四、目标、主要特色及工作进度
工作进度：
1. 开题报告、查阅资料、外文翻译（6000字符) 2.21－3.11 3周
2. 凸轮机构设计 3.14－4.1 3周
3. 凸轮机构的实体建模与装配 4.4－4.29 4周
4. 凸轮机构的运动仿真 5.2－5.27 4周
5. 撰写毕业论文 5.30－6.17 3周
6. 答辩准备及毕业答辩 6.20－6.25 1周
五、参考文献
[1] Xing Yingjie. Recording and processing of planar cure using clothoids(Ind Report)—recording of cam profile with clothoidal interpolation, Tokyo: Seimitsu kogaku kaishi 61 ＆ Aug 1995 JSPE, 1995, 1092∽1100
[2] Watanabe Katsuin, Exact analysis of plate cam mechanisms having errorin kinermatic constants. Nippon Kihai Gakkai ronbunshuc Hen, 1993
[3] 石永刚，徐振华．凸轮机构，上海：上海科学技术出版社.
[4] 申永胜．机械原理教程，北京：清华大学出版社．
[5] 石永刚．凸轮设计与应用创新，北京：机械工业出版社.
[6] 刘会英，杨志强，张勤明．机械原理，北京：机械工业出版社．
[7] 袁剑雄，李晨霞，潘承怡.机械结构设计禁计，北京：机械工业出版社.
[8] 刘昌祺，牧野洋（日），曹西京.凸轮机构设计，北京：机械工业出版社.
[9] 谭雪松，张青，赖春林．机械工程师Pro/ENGINEER Wildhre中文版 机械设计，北京：人民邮电出版社.
[10] 葛正浩，杨芙莲．Pro/E机构设计与运动仿真，北京：化学工业出版社. |
