陕西科技大学毕业设计说明书 2
在产品已经售出很长是以后才能被发现。为了解决这些问题，有时产品就不得不返回到设计构造阶段以便进行必要的设计变更。这样的产品开发程序不但效率低、耗时，费用也高。通过本课题对平行分度凸轮的设计，参数化三维建模与运动仿真技术的研究，目标是可以使我系统掌握平行分度凸轮的设计原理和方法，并掌握利用三维建模软件对凸轮机构进行设计，计算及验算的全过程，掌握参数化方法在设计过程中的应用技术。通过这一系列的研究设计工作，最终实现平行分度凸轮机构设计的参数化，系列化设计，提高平行分度凸轮的设计效率。
凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。但是在凸轮的传统设计过程中，设计着主要根据以往的设计经验，结合大量的经验公式和设计参数来进行具体的设计，很难实现凸轮的优化设计。加上凸轮在加工过程中也比较复杂的问题，造成了凸轮的设计周期长，设计成本高，传动质量较低的问题。本文把仿真技术应用到凸轮轮廓线设计中，实现对凸轮轮廓的优化，了解其运动的各参数，如速度、加速度、转角等等。
1.2 国内外技术现状及发展趋势：
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1990年第七届会议, 凸轮机构方面的论文22篇, 又增加了CAD/CAM和误差分析等研究方向。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、印刷机械等领域得到广泛的应用。但是, 与先进国家相比，我国还存在较大差距尤其是在对振动的研究、凸轮架构的加工及产品开发等方面。
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。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经济学分析。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。
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，从单纯的运动分析道动力学研究，从手工加工到CAM等发展阶段。
由于电子技术的发展,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, 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、高精度传动中更有突出的优点。可以说, 对凸轮机构的进一步研究，特别是对高速凸轮机构及其动力学问题的进一步研
平行分度凸轮机构参数化建模与运动仿真技术的研究 3
究，是长期，持续并有重大意义的工作。
1.3 Pro/Engineer软件介绍
随着计算机软硬件技术的飞速发展，各种三维机械设计软件应运而生。PRO/E就是集CAD／CAE／CAM于一体的大型三维设计软件，它的参数化设计、基于特征、全相关等设计理念被广泛应用于机械设计、机械装配、系统仿真和模具设计等领域。PRO/E提供了完善的仿真功能和机构分析功能，使用实体建模模块创建模型后，即可模拟模型的运动过程，可以动态地观察机构的运动状况，分析机构的运动轨迹、位移以及运动构件是否发生干涉等问题，验证机构设计的合理性，尽早发现设计中存在的问题，从而减少设计的周期。
Pro/Engineer软件系统是美国参数化技术公司PTC（Parametric Technology Corporation）的优秀产品，提供了集成产品的三维造型设计、加工、分析及绘图等功能的完整的CAD/CAM解决方案。该软件以使用方便、参数化造型和系统的全相关性而著称。目前Pro/Engineer软件在我国的机械、电子、家电、塑料摸具、工业设计、汽车、航天、玩具等行业取得了广泛的应用，该软件在国内的应用数量大大超过了同类型的其他国外产品。
Pro/Engineer可谓是个全方位的3D产品开发软件，集合了零件设计、产品组合、摸具开发、NC加工，饭金件设计，铸造设计、造型设计、逆向工程，自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据管理于一体，其模块众多。主要由以下六大模块组成：工业设计（LAID）模块、机械设计（CAD）模块、功能仿真（CAE）模块、制造（CAM）模块、数据管理（PDM）模块和数据交换（Geometry Translator）模块。下面介绍Pro/Engineer的重要特性：
(1)相关性（Full Associativity）
相关性是指所有的Pro/Engineer的功能都相互关联。这就意味着在产品开发过程中，用户任何时候所作的变更，都会扩展到整个设计中，同时自动更新所有工程文档。
Pro/Engineer系统开发环境最突出的特点就在于它能够支持并行工程，通过一系列足以表现外形、装配性能的全相关性的解决方案，可以让用户同时在几个技术领域处理一个产品模型。这些能力包括造型设计、机械设计、功能设计、以及产品信息管理等。
Pro/Engineer提供的参数化设计的最大的特点就是单一数据库，所有设计过程所使用的尺寸（参数）都存在设计库中，修改CAD模型及工程图不再是一件难事，设计者只要更改3D零件的尺寸，则2D工程图就会依照尺寸的修改做集合形状的变化，同样修改2D工程图的尺寸，3D实体模型也会自动修改，同时装配、制造等相关设计也会自动修改，这样可确保数据的正确性，达到设计修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏漏情形，减少许多人为改图的时间和精力的消耗。也正因为有参数式设计，用户才可以
陕西科技大学毕业设计说明书 4
运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系式使得模型可自动计算出应有的外型，减少尺寸逐一修改的繁琐费时并减少错误的发生。
(2)基于特征的参数化建摸
参数式设计就是将零件尺寸的设计用参数来描述，并在设计修改时通过修改参数的数值来更改零件的外形。参数化设计的思想在工业界传播了许多年，1988年，Pro/Engineer以参数设计的思想问世以后，业内人士即对参数式设计的思想翘首以待。Pro/Engineer对于传统机械设计工作来说，有相当大的帮助作用，因为Pro/Engineer中参数不只代表设计对象的外观相关尺寸，并且具有实质上的物理意义。例如我们可以运用系统参数（System parametes）如体积、表面积、重心、三维坐标等，或用户依设计流程所定义的用户定义参数（Use defined parameters）如密度、厚度等具有设计意义的物理量或字符串加入设计构思中来表达设计思想。这项参数化设计的功能不但改变了设计的概念，并且将设计的便捷性推进了一大步。
(3) 数据管理
为了在最短的时间内完成最多的开发工作，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。Pro/Engineer数据管理功能可以管理并行工程所要求的并行作业程序，并通过全相关性达到并行工程的目的。
(4) 装配管理
Pro/Engineer能够让用户使用贴合、插入、对齐等直觉式指令，轻松装配零部件，保持设计意图，达到设计目的。而高级的功能则支持大型复杂装配体的创建与管理，并且零件数目不受限制。
(5) 工程数据库重用
工程数据库重用就是为了达到大幅提高生产力、降低成本的目的，而以标准、公认的设计作为新产品设计的基础，它能够让用户快速开发整个产品系列。Pro/Engineer的基本结构使EDR易于实现。随着将来几代产品的创建，会发现从Pro/Engineer中获得的益处将大大超过最初的投资。
(6) 易用性
Pro/Engineer独有的自动导引菜单为拥护提供了使用方便的选项，也可以预先选定最常用的功能。此外，系统还提供了简短的功能菜单说明和完整的在线帮助。这些都使得Pro/Engineer具有非常好的易用性。
(7) 硬件独立性
Pro/Engineer可以在UNIX和Windows98/2000/XP平台下运行，并在每个系统中都维持相同的界面，使用的感觉也一样。用户可以根据自己的需求，选购最经济的硬件配置，再混用或搭配任何一种平台组合。由于Pro/Engineer可以运行在不同环境中，具有独特的数据结构模式，因此可以方便地让信息在不同平台的机器之间相互转换。
平行分度凸轮机构参数化建模与运动仿真技术的研究 5
2 凸轮机构的分类
从不同的角度出发，凸轮机构可作如下分类。
2.1 按两活动构件之间的相对运动特性分类
平面凸轮机构 两活动构件之间的相对运动为平面运动的凸轮机构。其按凸轮形状又可分为盘形凸轮、移动凸轮。其中，盘形凸轮为凸轮的基本形式。是一个相对机架作定轴转动或为机架且具有变化向径的盘形构件；而移动凸轮则可视为盘形凸轮的演化形式。是一个相对机架作直线移动或为机架且具有变化轮廓的构件。
空间凸轮机构 两活动构件之间的相对运动为空间运动的凸轮机构。按其形状又可分为圆柱凸轮，圆锥凸轮，弧面凸轮和球面凸轮等。
2.2 按从动件运动副元素形状分类
尖顶从动件 尖顶能与任意复杂凸轮轮廓保持接触，因而能实现任意预期的运动规律。尖顶与凸轮呈点接触，易磨损，故只宜用于受力不大的场合。
滚子从动件 为克服尖顶从动件的缺点，在尖顶处安装一个滚子。它改善了从动件与凸轮轮廓间的接触条件，耐磨损，可承受较大载荷，故在工程实际中应用最为广泛。
平底从动件 平底从动件与凸轮轮廓接触为一平面，显然它只能与全部外凸的凸轮轮廓作用。其优点是：压力角小，效率高，润滑好，故常用于高速运动场合。
2.3 按凸轮高副的锁合方式分类
力锁合：利用重力、弹簧力或其他外力使组成凸轮高副的两构件始终保持接触。如图2-1所示
形锁合：利用特殊集合形状（虚约束）使组成凸轮高副的两构件始终保持接触。
凸轮机构的优点是：只要设计出适当的凸轮轮廓，即可使从动件实现任意预期的运动规律，并且结构简单、紧凑、工作可靠。其缺点是：凸轮为高副接触（点接触），压强比较大，容易磨损，
凸轮轮廓加工比较困难，费用较高。 图2-1 力锁合
2.4 分度凸轮机构的性能及其运动参数
分度凸轮机构中，主动件是凸轮，一般作等速连续旋转，从动件是装有多个滚子的转盘，可按设计要求作间歇步进分度转为运动。这种凸轮不需要其他附属装置即可完成
陕西科技大学毕业设计说明书 6
较精确的分度定位。
表2-1 分度凸轮机构中主要运动参数的符号及意义
名称 符号 公式 无量纲时间 T t——转盘转动时间，s；tf——转盘分度期时间，s； T== θ——凸轮角位移，rad或(。)； θf——凸轮分度期转角，rad或（。） 无量纲位移 S S= 分度凸轮中S恒为正；——转盘角位移，rad或(。) ——转盘分度期转位角，rad或(。) 无量纲速度 V V=== 分度凸轮中V恒为正，ω1——凸轮角速度，； ω2——转盘角速度， 无量纲加速度 A A=== A和V同向为正异向为负；?2——转盘角加速度，