凸轮机构的研究与发展资料

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1、凸轮机构的研究与发展1 前言 凸轮机构由凸轮、从动件或从动件系统和机架组成，凸轮通过直接接触将预定的运动传给从动件。凸轮机构是典型的常用机构之一，它广泛用于轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、内燃机等各种自动机械中。凸轮机构之所以能在各种自动机械中获得广泛的应用，是因为它兼有传动、导引及控制机构的各种功能。当凸轮机构用于传动机构时，可以产生复杂的运动规律，包括变速范围较大的非等速运动，以及暂时停留或各种步进运动；凸轮机构也适宜于用作导引机构，使工作部件产生复杂的轨迹或平面运动；当凸轮机构用作控制机构时，可以控制执行机构的自动工作循环。人类对凸轮机构的认识由来已久。但直到19世纪末，对凸轮机

2、构还未曾有过系统地研究。随着工业化的发展，对高效的自动机械的需求大大增加，需要改善内燃机配气机构的工作性能，所以直至20世纪初，凸轮机构的研究才开始受到重视。在20世纪40年代以后，由于内燃机转速增加，引起故障增多，才开始对配气凸轮机构进行深入研究，并从经验设计过渡到有理论根据的运动学与动力学分析。2 凸轮机构介绍2.1 平面凸轮机构平面型凸轮机构在凸轮机构中占有相当大的比重，因而对它的研究也更具有代表性。平面凸轮机构设计的关键技术是凸轮廓线的设计和制造，只要正确地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使从动件得到各种预期的运动规律，而且结构简单。平面凸轮机构设计的方法主要有图解法和解析法，图解法简单、

3、直观、概念清晰，但缺点是误差较大，作图繁琐，不能满足高速精密凸轮的设计要求；解析法可得到精度高的设计结果，但计算却比较复杂，直观性较差。但随着计算机的普遍使用及其应用技术的发展，凸轮机构的计算机辅助设计CAD正逐步取代图解法。当前对凸轮机构的CAD研究出现较多，有针对凸轮机构从动件运动规律的 CAD 研究，有针对某种从动件类型的凸轮机构 CAD，有针对凸轮轮廓的 CAD 研究，以及凸轮机构一体化 CAD/CAM 系统。对设计人员来讲使用凸轮机构一体化 CAD/CAM 系统来解决实际问题才更具有实际意义，而目前的凸轮机构 CAD/CAM 系统中所采取的方法大都是试算法，即在这种方法中避开了凸轮机

4、构基本尺寸的设计，而由设计人员初始给定基本尺寸，然后由系统进行不断的试算，最后得到比较满意的设计结果。因此这些系统就存在着设计速度慢、设计人员在确定基本尺寸时带有盲目性等缺点。并且由于凸轮机构不是标准机构，种类多、应用广、设计质量与设计者的水平和经验有密切关系，且有许多知识不能公式化，所以应用凸轮机构 CAD/CAM 系统有时效果并不理想，但如果在凸轮机构 CAD/CAM 中引入专家系统却可以获得较为理想的结果。因此给设计人员提供一种凸轮机构智能设计系统，使他们在 进行凸轮机构设计时能智能的选择参数进行设计，并能对所设计的结果进行实体造型、加工仿真，使设计人员能在设计阶段就能对最终产品进行预测

5、或检验，就更具有实际意义。 目前有关平面凸轮机构设计专家系统的研究出现较少，文献应用人工智能原理和专家系统技术，结合传统 CAD、优化设计方法，提出凸轮机构设计的设计模型、控制策略和系统结构，建立了凸轮机构设计专家系统。但该系统只是一个专家系统原形，知识库有待进一步充实。文献运用面向对象技术和专家系统原理建造了凸轮机构设计专家系统，该系统采用了模块化结构，各模块相互独立，一个模块的修改和扩充对其它模块影响不大，但系统没有与 CAD/CAM 软件之间形成接口，没有实现对凸轮的仿真加工。 2.2 凸轮机构CAD/CAM凸轮机构运动学的理论研究已经达到了较高的水平, 为凸轮机构设计奠定了坚实的理论基

6、础。当今, 凸轮机构设计已广泛采用解析法并借助于计算机来完成, 数控机床用于凸轮加工也有很长的历史。通用的凸轮机构CAD/CAM系统也有报道， 美、日等国的一些凸轮制造企业也开发了供本企业使用的凸轮机构CAD/CAM系统, 有的还形成了商品化软件, 如日SUNCALL 公司开发的HY-MOCAM系统等。我国发表的凸轮机构CAD/CAM方面的文献较多, 多为平板凸轮机构或空间分度凸轮机构的CAD/CAM系统, 只能设计几种平面或空间凸轮机构, 所能处理的从动件系统也只有简单的几种。文献介绍了一个较完整的凸轮机构CAD系统, 能设计各种平面凸轮及空间凸轮机构, 还介绍了一个凸轮机构CAD/ EXP

7、ERT 系统。但迄今为止我国凸轮机CAD/CAM技术仍未得到有效的推广应用, 更未见到有商品化的软件出现。另外, 由于软件开发更新的速度慢, 远远跟不上当今计算机软、硬件的发展速度, 使得现有凸轮机构CAD/ CAM 软件已大为落后,不能适应广大设计人员的要求。凸轮机构CAD/ CAM 近期及以后的发展方向是开发通用有效的系统并引入专家系统或人工智能型CAD/ CAM 系统。3 国内外研究现状及存在问题 从 Furman 最早在其专著中系统介绍凸轮机构设计原理开始，到现在凸轮机构 CAD/CAM 系统的建立，人们经历了由经验设计的初级阶段，到优化设计和计算机辅助设计与制造的高级发展阶段。在此发

8、展过程中，有关凸轮的专著和研究论文不断涌现，在诸多方面国内外学者都进行了广泛而深入的研究。 3.1、国外凸轮机构的研究情况 自上世纪三十年代以来，人们就开始了对凸轮机构的研究，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。60年代后，对凸轮的研究逐步成熟起来，出现了较完整的运动规律的设计，在梯萨尔的著作中就采用了多项式运动规律，对凸轮机构的研究不断向纵深方向发展。同时，欧美各国学者对高速凸轮的研究振动、动态响应等方面的论文。 日本在凸轮机构方面的研究也有巨大贡献。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。并加强了对凸轮机构动力学和振动方面的研究和标

9、准化研究，发展成批生产的标准凸轮机构，在此基础上进一步拓展凸轮机构 CAD/CAM 系统。日本学者们充分利用凸轮机构的特点，将研究成果很好地应用到实际的产品开发中。3.2、我国凸轮机构的研究概况 我国对凸轮机构的应用和研究也有多年的历史，对凸轮机构的设计、运动规律、轮廓线、动力学、优化设计等方面的研究都有相关的论文发表。但是，与先进国家相比，我国对凸轮机构的设计 和制造上都还存在较大的差距，尤其在制造方面，国外也只是集中在少数的几家公司和科研机构中， 而且由于技术保密等因素，具有一定参考价值的相关资料很少公开发表，这样就在无形中制约着我 国凸轮机构设计和制造水平的提高，造成高速、高精度的凸轮机

10、构必须依赖进口的被动局面。 随着 CAD/CAM 技术在机械领域应用的日趋成熟和广泛，在国内也出现了一些研究凸轮机构 CAD/CAM 系统的文献也有新的突破，许多学者发表了关于凸轮机构的优化设计、凸轮，采用面向对象的参数化程序设计方法，设计出了主要包括工作机构运动循环图和运动规律设计、从动件系统设计、凸轮机构的运动学分析、条件校核、结构设计以及结果 输出等内容的平面凸轮的 CAD 软件，实现了凸轮的计算机辅助设计。文献 则是在凸轮机构 CAD 系统的基础上研究针对某种凸轮机构的 CAD/CAM 系统，实现了凸轮设计、凸轮数控加工一体化，进一步提高了凸轮 CAD/CAM 技术的实用性。但这些凸轮

11、的 CAD/CAM 系统核心技术仅被某些企业所有，并未在市场上以商品软件的形式出现。3.3、存在的问题 通过调研以及查阅大量文献资料，现有的凸轮研究存在如下问题： 1）在平面凸轮设计理论和设计方法上，大多设计模型只考虑凸轮机构的几何、运动关系，其功能、工况条件、经济性和精度等多方面的信息考虑较少。 2）现有大多数凸轮机构的设计方法一般只能设计某种或某几种凸轮机构，效率不高，适应性不强，通用性差。 3）由于软件开发更新的速度慢，远远跟不上当今计算机硬件的发展速度，使得现有平面凸轮机构 CAD/CAM 应用软件已大为落后，不能适应实际生产的需要。 4）现有的一些凸轮专家系统，其知识库中知识的数量较

12、少，知识的层次也基本上是单一化的，知识的管理问题欠丰富。 5）凸轮设计的人工智能化技术落后，主要体现在：一是并行与分布式处理技术；二是知识的获取、表示、更新和推理新机制方面。 6）现有的凸轮 CAD/CAM 系统的集成化、智能化和网络化很不完善。 参考文献1赵韩，丁爵曾，等.凸轮机构设计M.北京：高度教育出版社，1993. 2欧阳渺安，周济.凸轮机构设计专家系统的研究J.机械设计与研究，1996(1):20-24. 3贺红梅，张梅.凸轮机构设计中从动件运动规律的计算机辅助设计J.机械科学技术， 2001(2):218-219. 4葛正浩，杨芙莲，彭国勋.凸轮机构通用样条函数运动规律的研究J.机

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