毕业设计（论文）-槽轮机构CADCAM.docx

第一章概述第一节槽轮机构概述一'槽轮机构简介间歇转位机构能将连续旋转运动转化为周期停转运动，如送料运动、转位运动等，广泛应用于电子机械、制药设备、纺织机械、制灯设备等行业中，是自动化生产设备中普遍采用的机构之一，槽轮机构则是较常用的间歇转位机构之一，常用于实现分度转位和间歇步进运动。槽轮机构，又叫马尔他机构（MaltaMeChaniSm）或日内瓦机构（GeneVaMeChaniSm）。主要由具有径向槽的槽轮、装有拔销的拨盘和机架组成。拨盘一般为主动件，作等速连续转动,带动槽轮作间歇转动。槽轮机构有平面槽轮机构和空间槽轮机构两类，平面槽轮机构的型式又可分为内啮合和外啮合两种，分别如图IT和图2所示。图1-3所示的则为空间槽轮机构在图中的外槽轮机构中，主动件拔盘以角速度Wl匀速转动，当拔盘上的圆销转到图IT所示的A位置时，拨盘上锁止弧Sl的起使边到达中心连线ChO2位置，槽轮开始转动。当圆销转到AI时，拔销退出轮槽，拔盘继续转动，槽轮却停止转动，我们称此时的槽轮被锁住，槽轮上的内凹锁止弧S2和拨盘上的外凸锁止弧SI啮合在一起。这样，主动拨盘连续转动就转换成槽轮的间歇转动。为避免槽轮在起动和停歇时发生刚性冲击，拔销开始进入和离开轮槽时，轮槽的中心线应和圆销中心A的运动圆周相切，即拔销转到图所示位置时，01AL02A。内槽轮机构的机构原理和工作过程与外槽轮机构基本相同。但外槽轮与拨盘转向相反，内槽轮与拨盘转向相同。槽轮机构具有如下一些优点：（1）结构简单，工作可靠，效率较高；（2）在进入和脱离啮合时运动较平稳，能准确控制转动的角度；（3）转位迅速，从动件能在较短的时间内转过较大的角度；（4）槽轮转位时间与静止时间之比为定值。但槽轮机构也存在如下一些缺点：槽轮的转角大小不能调节；（2）槽轮转动的始、末位置加速度变化较大，从而产生冲击：（3）在工作盘定位精度要求较高时，利用锁紧弧面往往满足不了要求，而需另加定位装置;槽轮机构智能CAD系统的研究槽轮的制造与装配精度要求较高。由于这些原因，槽轮机构一般应用在转速不高的装置中。二、槽轮机构的应用和研究现状槽轮机构结构简单、工作可靠、从动件的运动能够较准确地控制等优点，在工业生产中广泛地应用于较少工位的间歇转位机构和步进机构中。但传统的槽轮机构存在有以下两个缺点：（1）动力特性差。槽轮在进入啮合和退出啮合瞬间，拨销的向心加速度使槽轮角加速度发生突变，从而出现柔性冲击;在槽轮转动过程中加速度变化的瞬间，由于间隙的存在，出现横越间隙的冲击;转动过程中最大角加速度也较大。（2）分度数与动停比有确定的关系，动停比无选择余地。由于槽轮机构的角速度曲线连续，因此，只要制造和装配精度能够保证，一般来说，基本不存在刚性冲击。对槽轮机构的研究主要集中在机构的改进方面，以槽轮机构为基本机构（除机架和原动件外还具有零个或一个杆组的机构称为基本机构），在此基础上串联槽轮机构或其它基本机构以得到连续的角加速度曲线，从而避免柔性冲击，改善机构的动力性能。多年来，提出了一些槽轮机构的改进方案，如两级串联式槽轮机构、行星轮驱动的槽轮机构、完整齿轮和非完整齿轮驱动的槽轮机构、椭圆齿轮驱动的槽轮机构、连杆机构驱动的槽轮机构等组合式槽轮机构。其中行星轮驱动的槽轮机构结构简单,对动力特性有相当的改进效果,也扩大了动停比的选择范围。但对这种机构的运动学分析和参数分析还有待深入，该机构的潜力也未得到充分的发掘与认识。为适应间歇运动高速化的要求，出现了各种分度凸轮机构。但是这类机构尚有两个缺点：（1）它们是高副机构，较易磨损；（2）制造技术复杂。机构分析和设计的传统方法是对机构进行运动学和动力学分析，在可行的方案中选择一种能够使机构工作过程中受到的冲击最小而又能完全满足实际应用要求的方案。在当今世界科学技术迅猛发展的现阶段，计算机技术已渗透到各个学科领域。就机械学科而言，传统的机械设计方法己无法满足实际应用对机械设备的要求。现代机械设计方法学就应运而生。现代机械设计方法的一个最显著的特征就是将计算机技术应用于实际机械设计过程中，从而大大缩短设计周期，在一定程度上使机械设计更合理，也更能满足实际应用的要求。计算机辅助设计技术是伴随着计算机技术的广泛应用而发展起来的技术领域。通过引入数值计算方法、优化设计方法、有限元方法、专家系统及人工智能技术，模拟人脑思维过程，进行机构受力分析、方案优化、参数设计、材料选择和公差设计等一系列机械设计步骤，最终生成满足特定用途的较合理的工程图纸。从而可以缩短产品的设计周期，大大降低产品设计成本。随着现代科技的不断发展，计算机应用技术范围的不断扩大，将传统的机械设计方法和现代机械设计方法结合起来应用于槽轮机构的研究，是其应用与发展的主要趋势。第二节机械CAD技术概述一'机械CAD技术简述计算机辅助设计（CAD）技术是近三十年来逐步发展起来的一项新兴技术，它利用计算机高速运算和精确的特点，协助工程技术人员完成设计计算工作，利用工程数据库存储大量数据和绘图仪精确地绘图。CAD系统通常由硬件系统和软件系统两大部分组成，其基本结构如图1-4所示：CAD系统图1-4CAD系统的基本结构CAD软件系统主要实现交互图形输入功能，几何造型功能，几何特性计算功能，有限元分析功能，优化分析功能及统一的信息管理功能等。从CAD系统的任务和计算机正常运行的角度出发，CAD系统软件一般分为三类:系统软件，支撑软件和应用软件。它们的关系可分为三个层次，其中系统软件处于底层，它是由计算机的操作系统的内核和以内核为基础的一些公用程序组成的，它是与计算机硬件直接联系而且供用户使用，起到扩充计算机功能和合理调度计算机硬件资源作用的软件；支撑软件是CAD系统中的基础软件，它以系统软件为基础，用来完成CAD作业过程中的特定任务，用于机电产品的CAD系统，应具有下列几种支撑软件：交互式图形处理软件、几何造型软件、有限元分析软件、防真软件等;应用软件是针对某特定应用领域或某特定产品而设计的程序，又叫专用软件，一般地说，这类软件由用户根据产品设计的需要,在系统软件和支撑软件的基础上作二次开发的软件,它包括产品的方案设计、总体设计、各子系统设计及零部件设计与制造用的五个层次的软件，另外还有一个与产品密切相关的数据和图形库。二'机械CAD技术的研究现状和发展方向CAD技术标志着机器的智能化和脑力劳动的自动化，因此各国政府在制定新技术发展规划时都对CAD技术及计算机集成制造系统(ClMS)予以极大的重视，并加强对它们的研究工作。当前，机械CAD技术中的几个最重要的研究领域和研究内容是:基于特征的产品信息建模技术、CAD的智能化技术、CAD的参数化技术。CAD技术及其应用水平已经成为衡量一个国家的科技发展水平和工业水平的重要标志之一。1. 基于特征的产品信息建模技术传统的几何造型技术一直是机械CAD中的主要研究领域，该技术中比较成的有线框造型、曲面造型和实体造型。虽然这三种几何造型技术提供了物理对象在数学上的精确描述，并在图形显示、物性计算等方面得到了很好的应用，但它们所建立的模型只产生层次较低的几何信息，如点、线、面和基本体素，而没有高层次的信息，如尺寸、公差、材料特性及装配要求，因此在这种纯几何造型数据库的基础上难以实现零件分类编码的自动生成，不能满足生产各阶段自动化的要求，更难以实现CADCAPPCAM的集成以及产品的并行设计。进入八十年代中期，国际上开始研究基于特征的设计，而建立基于特征的产品信息模型则是行之有效的方法。特征是一个高层次的设计概念，内部包含了设计人员的设计意图及与后继工作有关的各种信息。对于具体的机械产品而言，特征是一组与产品描述相关的信息集合，产品特征信息模型包括管理特征模型、形状特征模型和技术特征模型。而形状特征模型又包括几何结构模型、精度特征模型、材料特征模型和装配特征模型。产品的形状特征建模是产品特征信息建模的主要内容，也是产品定义的核心内容，它是产生其它信息的基础。基于特征的产品信息建模需要考虑利用特征可以设计复杂程度的产品模型，要研究基于特征设计系统提供给用户设计产品的三种手段之间的相互关系。这三种手段是:形状特征库、用户自定义特征、形状特征的组合与修改。其中形状特征库的建立是形状特征建模技术中比较重要也是较难处理的问题，如何选择合适规模的形状特征库是一个需深入研究的课题。由于三种手段各有其优缺点，要充分发挥特征造型的作用，需要在三者之间进行综合平衡，深入研究这三种手段的建立过程，正确处理好三者之间的关系，是今后主要的研究方向。2. CAD的智能化技术机械产品设计不但涉及到一系列的计算公式、众多的设计标准和规范以及制图技术，而且还要用到许多非数值的经验性知识，如开始的概念设计和产品的初步设计则要求设计专家凭借知识和经验来思考、推理和判断;而设计过程是一个从设计、评价、再设计直到产生最优设计结果的反复过程，这就更需要设计专家具有一定的知识和经验，也促进了专家系统和CAD的结合。概念设计（即方案设计）是整个设计过程中最重要的一个阶段,这一阶段是设计创造性最为集中的部分，这一部分与问题的表达和理解的正确与否，所提方案的优劣以及评价和决策的适当与否等有关，它决定了最终设计的特色、水平和效益。智能化是机械CAD中极具有前途的研究领域。目前，机械CAD的智能化正朝向专家系统、数值计算、数据库系统和图形系统的集成程序设计环境方向发展。3. CAD的参数化技术参数化技术是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸的关系。参数与设计对象的控制尺寸有显然的对应，设计结果的修改受到尺寸驱动，所以也称为参数化尺寸驱动，参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能，成为初始设计、产品建模及修改系列化设计、多方案比较和动态设计的有效手段。近几年参数化技术己有不少种方法，如变动几何法、几何推理法及参数化操作法等。变动几何法将几何约束转变为一系列以特征点为变元的非线性方程组,通过数值法解非线性方程组确定出几何细节，该方法必须用户输入充分且一致的几何约束才能求出约束方程的解，对不一致的约束模型则以进行有效的判别与处理，也难以有效地将局部变动限制在局部范围内求解:几何推理法是建立在专家系统的基础上，采用谓词表示几何约束，通过推理机导出几何细节，这种方法可以检查约束模型的有效性，并具有局部修改功能，但存在着推理速度慢、系统庞大等问题;参数化操作法采用参数化操作表示与处理几何约束，并通过与参数化操作对应的几何计算程序逐步确定出精确几何模型，此法简单、实用，但难以表示与处理复杂的几何约束。技术发展很快，一旦工程设计能以参数化方式进行，设计人员就可以不再关心设计的具体过程，从而集中主要精力去创意，同时计算机与具体设计的信息交换也变得更加简化，电脑得以在更高层次上模拟人脑工作。广义参数化是对事物的本质性认识，而通常人们所说的参数化技术实际上是一种约束模型，这种模型包括图形的几何约束和拓扑关系约束。实现这些约束可通过解约束方程组或通过几何推理，当前大多数参数化设计系统并没有很好地解决这一问题，对复杂的图形便无法正确完成尺寸驱动。欲解决该问题，宜进一步从两个方面来研究。可以把设计对象分解为一些简单实体，这些实体具有三种基本信息，即形状信息、定位信息和属性信息，而所有这些基本信息都可由数学定义的变量表示，赋予这些变量一定的工程意义或工艺意义，即形成设计参数，通过改变这些参数，便得到不同的设计结果;也可以考虑把面向对象的思想与参数化技术中的约束模型的建立及推理求解结合起来,克服一般尺寸驱动系统的不足,从而能够准确和完整地描述复杂图形的几何信息，快速完成推理求解。机械CAD技术已经向智能化、参数化及基于特征的产品信息建模方向发展，而且这几个研究领域和研究内容之间的界限已不再分明，而是相互融合、相互促进、协调发展。CAD技术作为多学科高度集合的一门新技术，推动了工业设计中脑力劳动的技术革命，CAD/C