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1、浙江理工大学本科毕业设计（论文）开题报告班 级09机械类(4)班姓 名景坷课题名称凸轮机构运动分析及创新设计试验平台研制开题报告目 录1 选题的背景与意义1.1 国内外研究现状和发展趋势1.2 凸轮机构试验平台研究意义1.1.3 凸轮设计方法和设计软件2 研究的基本内容与拟解决的主要问题2.1 基本内容2.2 拟解决的主要问题3 研究思路方案、可行性分析及预期成果3.1 研究思路方案3.2 可行性分析3.3 预期研究成果4 研究工作计划参考文献（开题报告全文附后）成绩：答 辩意 见答辩组长签名： 年 月 日系主任审核意见签名： 年 月 日凸轮机构运动分析及创新设计试验平台研制景坷( 09机械类
2、（4）班 B09300412)凸轮机构是工程中用以实现机械化和自动化的一种重要驱动和控制机构，在轻工、纺织、食品、医药、印刷、标准零件制造、交通运输等领域运行的工作机械中获得广泛应用。凸轮机构之所以能够得到如此广泛应用，是因为它具有传动、导向和控制等功能。当它作为传动机构时，可以产生复杂的运动规律：当它作为导向机构时，可使工作机械的动作端产生复杂的运动轨迹：当它作为控制机构时，可控制执行机构的工作循环。随着社会发展和科技进步为了提高产品的质量和生产率，对机械设备的性能指标提出更高的要求，作为机械设备核心部件的凸轮机构而言，必须进一步提高其设计水平，在解析法设计的基础上开展计算机辅助设计的研究和
3、推广应用。因此，开展对凸轮机构运动分析的研究，对于揭示机构的运动性能，进行机构的优化设计和动力学分析有着重要的实际意义。1.1 国内外研究现状和发展趋势1.1.1 凸轮机构国内外研究现状 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1988年第六届会议，已有凸轮机构方面的论文20篇，增加了动力学、振动、优化设计等研究方向。而1990年第七届会议，凸轮机构方面的论文22篇，又增加了CADCAM、误差分析等研究方向。近几年，对凸轮分度机构方面的研究也不断深
4、入，并发表了一系列论文，对凸轮机构的共轭曲面原理、专家系统等方面也有了相当的研究。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，我国对凸轮机构的研究和应用还存在较在的差距，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。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，FDFurman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，而且主要分析的是运动规律。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，并从经验设计过渡到有理论根据的运动学和动力学分析。四十年代末，J
5、AHron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，DBMitchell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，如高速摄影机、加速度分析仪和动态应变仪等，对高速凸轮的动力学响应进行测量，并获得了许多重要成果。随着计算机的发展，凸轮机构的CADCAM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，从单纯的运动分析到动力学研究，从手工加工到CAM等发展阶段。仅八、九十年代，就有PDiemtma，JKMills ，YPeng ，VY Belrstij ，YWChan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，Y
6、ilmaz，Yuksel，AIMahyuddin，Cardona，Aiberto，TLDrenser 等人先后发表了有关凸轮振动、动态响应等动力学性能方面的论文。欧美各国的学者还特别注重研究文献的收集整理，PWJensen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、可以找得到的所有的文献资料，共1817篇。根据该书和1984年以后出版的Ei，对欧美各国自1950年以来在各研究方向所发表的论文数量作了初略的统计，总结得出四十年来欧美各国凸轮机构研究的特点大致如下；(1)论文数量多，研究范围广。(2)研究的连续性和发展性强。在每个研究方向上每年都有相当数量的论文发表，而且关于新技
7、术应用的论文数量也逐年增多。如五十年代至六十年代，有关设计加工及刀具的论文是大量的，而有关优化设计的论文几乎没有。到了七十至八十年代，这方面的论文显著增多，而到了九十年代，有关凸轮机构动力学方面的研究论文大量发表，同时有关高速凸轮机构的新的分析方法和改善其动力学性能方面的研究论文也不断涌现。因此可以认为，凸轮机构的研究是持续且有发展的。(3)研究工作随着新技术、新方法的产生和应用而深化。倒如凸轮机构的优化设计，早期的优化目标极为简单，主要是确定最小基圆半径。随着优化方法和计算机的应用，优化目标的选择也越来越复杂，如可以是最小体积、最小接触应力、最长寿命、从动件最小振动、最高效率、最小功耗等。(
8、4)基础理论的研究持续稳定。虽然凸轮机构的研究不断有新的扩展，但是对其基础理论如从动件运动规律、几何学、运动学等方面的研究论文仍有相当多的数量，这是因为当其他方面的研究需要深化和扩展时，往往由于基础理论研究得不够而难以继续。倒如采用优化方法，如果数学模型误差很大，再好的优化方法也得不到好的结果。日本也特别重视凸轮机构的研究，有很多从事凸轮机构研究的专家，早期有小才川介、中开英一等，现在有牧野洋、西冈雅夫 筱原茂之等还有许多专门生产凸轮机构的公司，如大冢公司、三共制作所、 和凸轮公司等。日本经常举行讨论凸轮机构的学术会议。在有关的国际性刊物上也经常看到日本在凸轮机构研究方面的论文。日本近期在凸轮
9、技术的发展上所做的工作主要有以下几个方面：(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。他们已经生产出分度数每分钟8000次的分度凸轮机构。(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，已经设计生产出了世界上最小和最大的蜗杆凸轮机构，中心距前者为28mm，后者为800mm。(4)加强凸轮机构的标准化，发展成批生产的标准凸轮机构。(5)发展凸轮机构的CAD/CAM系统。日本学者特别注重将各方面的研究成果应用到实际的产品开发中去，如他们充分地认识到凸轮
10、机构作为控制机构具有高速下的稳定性、优良的再现性、良好的运动特性和可靠性、易于实现同步控制、刚度高等优越性，因而十分重视将凸轮机构与电子技术相结合，在控制机构上作广泛的研究，从而拓宽了凸轮机构的用途。1.1.2 凸轮机构研究趋势 虽然已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继续进行的工作，并有一些研究工作有待开发。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，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，尽可能导出普遍适用的计算公式。已有研究大多集中于平面和圆柱凸轮，而且是一
11、种凸轮一种研究方法，因而设计公式过多，近似较多，并影响到其他方面(如CAD的应用等)的研究。(3)发展通用而有效的CAD系统。由于种种原因，计算机在凸轮机构设计中的应用一直被局限于几种平面和圆柱凸轮机构，且每一程序一般只能处理一、二种机构，对比较完整的CAD系统的研究，在近十几年才开始，且很不完善。(4)引入专家系统或人工智能CAD系统。由于凸轮机构不是标准机构，种类多，应用广，加之许多已有的知识不能公式化，所以应用普通的CAD系统，有时效果并不很理想。如果引入专家系统，则可以获得较为理想的结果。 (5)动力学研究的深化及研究成果的进一步实用化 由于动力学问题本身的复杂性，导致研究主要集中于低
12、、中速凸轮机构，对高速凸轮机构的动力学研究还不够深入、完善，所以，人们对这些研究成果的可靠性存在怀疑，这些成果的应用尚不广泛。 (6)加强对凸轮机构的运动学特性和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。1.1.3 凸轮设计方法和设计软件凸轮机构分类如图1-1图1-1 凸轮机构的分类设计凸轮机构时，首先应根据工作要求确定从动件的运动规律，然后再按照这一运动规律设计凸轮廓线。凸轮廓线的设计方法有作图法和解析法，其基本原理相同。为了便于在图纸上绘制出凸轮的轮廓曲线，可采用反转法。图1-2表示的是对心直动尖底从动件盘形凸轮机构为例来说明其基本原理。图1-2 反转法画凸轮真实运动：凸轮
13、以等角速度 绕轴 O 逆时针转动，推动从动件在导路中上、下往复移动。反转法：整个机构加上一个（-）的转动凸轮静止固定不动从动件随导路一起以角速度（-）转动，同时又按原来的运动规律相对导路作移动从动件尖端参与复合运动所划出的轨迹即为凸轮廓线。凸轮机构的形式多种多样，反转法原理适用于各种凸轮轮廓曲线的设计。一 作图法设计凸轮廓线 1.对心直动尖底从动件盘形凸轮廓线的设计 已知:基圆半径ro、从动件的运动规律、凸轮逆时针方向转动;试设计凸轮廓线。如图1-3所示。图1-3 对心直动尖底从动件盘形凸轮廓线的设计2. 偏置直动尖底从动件盘形凸轮廓线的设计如图1-4所示。图1-4 偏置直动尖底从动件盘形凸轮
14、廓线的设计3.平底从动件平底从动件盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的设计思路与上述滚子从动件盘形凸轮机构相似,不同的是:应画出一系列平底，作平底直线族的包络线，即得到凸轮的实际廓线。如图1-5所示。图1-5 平底从动件凸轮轮廓线设计4.摆动从动件盘形凸轮廓线的设计图示为一尖端摆动从动件盘形凸轮机构。已知凸轮轴心与从动件转轴之间的中心距为a凸轮基圆半径为rb，从动件长度为l，凸轮以等角速度 逆时针转动，从动件的运动规律如1-6所示。设计该凸轮的轮廓曲线。注意：图中凸轮廓线与摆杆AB在某些位置已经相交。故在考虑机构的具体结构时，应将从动件做成弯杆形式，以避免机构运动过程中凸轮与从动件发生干涉。图1-6 摆
15、动从动件盘形凸轮廓线的设计5. 圆柱凸轮轮廓曲线的设计圆柱凸轮机构是一种空间凸轮机构。其轮廓曲线为一条空间曲线，不能直接在平面上表示。但是圆柱面可以展开成平面，圆柱凸轮展开后便成为平面移动凸轮。平面移动凸轮是盘形凸轮的一个特例。因此可用前述盘形凸轮轮廓曲线设计的原理和方法，来绘制圆柱凸轮轮廓曲线的展开图。1）直动推杆圆柱端面凸轮设计实际上，在作推杆位移线图时，若取横轴长为圆柱体周长的话，即画出该凸轮的理论廓线。如图1-7所示。图1-7 直动推杆圆柱端面凸轮设计2） 摆动推杆圆柱凸轮设计图1-8 摆动推杆圆柱凸轮设计二用解析法设计凸轮廓线 用解析法设计凸轮廓线，就是根据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，并精确地计算出凸轮廓线上各点的坐标值。设计凸轮的软件为了必须进一步提高凸轮机构设计水平，在解析法设计的基础上产生了许多计算机辅助设计软件，基于pro/e，solidwork，UG，MachineCam，FeatureCAM，CAXA，MATLAB等
