凸轮机构的研究与发展

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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，对凸轮机构

2、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、直观

3、、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构基本尺寸的设计，而由设

4、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或检验，就更具有实际意义。目前有

5、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础。当今,凸轮机构设计已广泛采用解析法并借助

6、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/EXPERT系统。但迄今为止我国凸轮机CAD/CAM技术仍未得到有效的推

7、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