毕业设计-高速间歇凸轮机构 - 图文

毕业设计（论文）说明书

学 院 专 业 年 级 姓 名 指导教师

2010年 3月10日

毕业设计（论文）任务书

题目：一种连杆凸轮组合分度机构的设计与研究

学生姓名 学院名称 专 业 学 号 指导教师 职 称

一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环

境、工作目的等。）

近二十年来，随着印刷、包装、电子元器件组装等自动机械逐步向高速化、精密化方向发展，对该类机械中使用的各种间歇机构的分度运动速度与停歇定位精度等性能指标也提出越来越高的需求, 因而针对不同的工况场合，完善现有间歇机构的传动性能及创新设计新型的分度机构一直是该领域的研究热点。

众所周知, 分度凸轮机构与槽轮机构是工程中应用最广泛的两种形式，因而近十几年来针对其结构与性能改进的研究也日臻完善。但值得提出的是，基于现有机构的传动方式：即，输入轴每转一周, 通过凸轮曲面拨动分度盘上的滚子（或是通过主动拨销拨动槽轮的沟槽）转位一个步进角, 从而使输出轴完成一次分度运动；若要实现更高速的分度运动，则需通过提高输入轴转速来实现。显然，在该种传动方式下难以满足某些特殊工况下的自动机械要求到达数千甚至更高分度次数的工程需求。因而必须突破现有分度机构的传动方式通过创新设计来达到这一目的。

针对工程中的这种实际需求，相关学者[3-6]首次提出一种新型分度机构。其特点是输入轴转1周，输出轴可同时实现n次分度运动，因而与现有分度凸轮机构相比，在输入轴转速等同时可实现更高速的分度运动。且该机构克服了现有分度机构分度数取决于输出轴上布置的滚子个数，或槽轮上槽数的限制，因而提高了设计的柔性。本文正是针对该种新型分度机构，研究其结构与传动原理，继而系统研究其几何特性，最后采用虚拟样机技术验证其有效性.

二、参考文献

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

张策主编. 机械原理与机械设计, 机械工业出版社, 2006 牧野洋(日).自动机械机构学.北京:科学出版社,1980.3

彭国勋,肖正扬.自动机械中的凸轮机构设计.北京:机械工业出版设,1990

杨玉虎, 张策, 沈煜, 杨一平. 同轴式齿轮齿条高速分度机构. ZL2008100524957, 2009 杨玉虎, 张策, 沈煜, 杨一平. 同轴式偏心轮高速分度机构. ZL2008 1 0052494.2, 20 杨玉虎, 沈兆光, 杨一平. 同轴式径向推杆高速分度机构. ZL2008 1 0052499.5, 2009 Gonzalez-Palacios and Angeles,J.. The Generation of Contact Surfaces of Indexing CamMechanisms A Unified Approach. Proc. ASME Design Automation Confenrence, Advances in Design Automation, 1990. Vol.2 pp.359-364. [8]

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张策,杨玉虎,叶青, 叶青,孟彩芳.平面行星分度凸轮机构.机械科学与技术. 1996, 15 (6): 871-873

[10] 刘明涛. 行星分度凸轮机构的创新设计与研究. [博士论文]. 天津：天津大学机械工程

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W.H.Wang, C.H.Tseng and C.B.Tsay. Surface Contact Analysis for a Spatial Cam Mechanism. Journal of Mechanical Design[J], 1997, Vol.119, 169-177

[12] R.G. Fenton, Y. Zhang, J. Xu, Development of a new Geneva mechanism with improved

kinematic characteristics, ASME Journal of Mechanical Design 113 (1991) 40–45. [13] A.K. Al-Sabeeh, Double crank external Geneva mechanism, ASME Journal of Mechanical

Design 115 (1993) 666–670.

[14]

A.K. Al-Sabeeh, M.D. Al-Ansary, Kinematic characteristics and improvements for the modi?ed intermittent gear mechanism, Mechanism and Machine Theory 31 (8) (1996) 1095–1107.

[15] H.P. Lee, Design of a Geneva mechanism with curved slots using parametric polynomials,

Mechanism and Machine Theory 33 (3)(1998) 321–329.

[16] Y. Zhang, R.G. Fenton, J. Xu, Two station Geneva mechanisms, ASME Journal of

Mechanical Design 116 (1994) 647–653.

[17] G. Figliolini, J. Angeles, Synthesis of conjugate Geneva mechanisms with curved slots,

Mechanism and Machine Theory 37 (2002) 1043–1061.

三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。）

1、研究内容：

1）熟悉了解间歇机构的类型、特点，尤其是分度凸轮机构、槽轮机构的工作原理、类型和结构特点。熟练掌握运动系数（动停比）、分度数以及定位精度等间歇机构的基本参数指标。

2）熟悉了解常用机构的分类、特点、应用场合。重点掌握形锁合凸轮机构凸轮廓线的设计方法。

3）研究一种双推杆式新型齿轮凸轮分度机构的设计方法。应用矢量方法推导并建立机构的凸轮廓线方程、压力角及凸轮曲率半径的计算表达式。分析影响机构几何特性的主要因素，提出该种分度机构运动学设计的一般方法。

4）对新型分度机构进行运动学及动态静力分析。

5）建立新型分度机构的三维模型，进行运动学仿真。

具体要求：

1）熟悉了解常齿轮机构、连杆机构的分析与设计方法。 2）学习掌握机构运动分析以及力分析的常用方法。

指导教师（签字）

年 月 日

审题小组组长（签字）

年 月 日

天津大学本科生毕业设计（论文）开题报告

课题名称 一种连杆凸轮组合分度机构的设计与研究 专业名称 机械设计制造及自动化 指导教师 学院名称 机械工程学院 学生姓名 （内容包括：课题的来源及意义，国内外发展状况，本课题的研究目标、研究内容、研究方法、研究手段和进度安排，实验方案的可行性分析和已具备的实验条件以及主要参考文献等。） 小四号字，要求不少于2000字。 一、课题的来源及意义 近二十年来，随着印刷、包装、电子元器件组装等自动机械逐步向高速化、精密化方向发展，对该类机械中使用的各种间歇机构的分度运动速度与停歇定位精度等性能指标也提出越来越高的需求, 因而针对不同的工况场合，完善现有间歇机构的传动性能及创新设计新型的分度机构一直是该领域的研究热点。 众所周知, 分度凸轮机构与槽轮机构是工程中应用最广泛的两种形式，因而近十几年来针对其结构与性能改进的研究也日臻完善。但值得提出的是，基于现有机构的传动方式：即，输入轴每转一周, 通过凸轮曲面拨动分度盘上的滚子（或是通过主动拨销拨动槽轮的沟槽）转位一个步进角, 从而使输出轴完成一次分度运动；若要实现更高速的分度运动，则需通过提高输入轴转速来实现。显然，在该种传动方式下难以满足某些特殊工况下的自动机械要求到达数千甚至更高分度次数的工程需求。因而必须突破现有分度机构的传动方式通过创新设计来达到这一目的。 针对工程中的这种实际需求，相关学者[3-6]首次提出一种新型分度机构。其特点是输入轴转1周，输出轴可同时实现n次分度运动，因而与现有分度凸轮机构相比，在输入轴转速等同时可实现更高速的分度运动。且该机构克服了现有分度机构分度数取决于输出轴上布置的滚子个数，或槽轮上槽数的限制，因而提高了设计的柔性. 二、国内外发展状况 目前常用的分度凸轮机构主要有三种结构形式,其传动原理是:：输入轴每转一周, 凸轮曲面拨动分度盘上的滚子转位一个步进角并停歇一段时间, 输出轴对应完成一次分度运动。若输出轴上布置n个滚子，则输入轴连续回转n周，输出轴完成n次分度运动，称为分度数(或工位数)。显然，该种传动方式输入轴转速越高, 则输出轴实现分度运动的次数就越多. 因此输出轴在单位时间内分度运动的次数与

停歇期定位精度是这类机构两个重要的性能参数。 分度凸轮机构由于具有高转速、高定位精度以及动静比可任意选择的特点, 因而自上世纪 50 年代后问世以来[1-2]已在印刷、包装、电子元器件组装等自动机械中得到广泛应用。然而，随着自动机械不断向高速化、精密化方向发展，对该机构的分度运动次数也提出越来越高的需求，尤其是某些特殊工况下的自动机械, 已提出达到数千甚至更高的分度运动要求.。因而，基于现有分度凸轮机构的传动原理，采用诸如通过改进滚子几何形状来改善系统的传动性能，以期提高输出轴分度运动次数的方法[3-8]已不能满足上述需求，而必须突破现有的结构与传动原理, 通过创新设计来达到这一目的。近年来在分度机构创新设计方面已取得一定进展[9-17]例如, Palacios和Angeles[9]首次提出一种主、从动轴可沿空间任意角度布置的球面分度凸轮机构，继而系统研究了该机构的啮合特性及设计方法[10-11]这种沿空间任意轴线的布局使得该机构可覆盖目前三种常用的分度凸轮机构，在本质上体现了现有分度凸轮机构的一般形式。又如, Yan等[12]提出一种可将滑块直线移动转换为螺杆间歇转动的变导程双头螺杆机构，并在后续研究中提出了改善该机构性能的运动学综合方法[13]此外，Nishioka等人[14]在文献[2]研究的基础上，提出一种新型的内啮合平行分度凸轮机构。但该机构的几何约束要求严格, 参数设计自由度较小。Wang和刘明涛等人[15-16]利用摆线针轮的传动原理，提出一种行星式分度凸轮机构，但这种机构结构复杂且定位精度较差。最近, Figliolini等人[17]提出一种与槽轮机构运动等效的新型分度机构，据称可有效减少运动中的冲击和能量耗散。然而，值得指出的是，上述构型几无例外地采用了现有分度机构输入轴转一周, 输出轴实现一次分度的传动原理，故难于从根本上解决自动机械要求实现更高速分度运动的需求。与上述工作采用不同的研究思路，杨玉虎等在专利[18]中首次提出一种输入轴转一周，输出可同时实现多次分度运动的新型分度机构。因而该机构与现有分度凸轮机构相比，具有在输入轴转速等同时能实现更高速分度运动的优点。 三、研究目标 针对一类基于同轴式新型分度传动机构设计理论与方法，提出开展一种新型的连杆凸轮组合分度机构的设计与研究，并提出的新型分度机构进行参数分析、运动学分析，以及力分析研究。在此基础上，进行结构学设计与研究，并应用商用软件进行机构的仿真研究。 1）熟悉了解各类间歇机构，尤其是分度凸轮机构的工作原理、类型和结构特点。熟练掌握运动系数（动停比）、分度数以及定位精度等间歇机构的基本参数指标。 2）学习掌握活齿传动、组合机构的基本理论知识。能够提出实现分度间歇运动的组合机构方案。 3）根据提出的连杆凸轮组合分度机构设计方案，研究该类机构共轭凸轮廓线的形成原理，建立凸轮廓线方程。分析共轭凸轮廓线的几何特性及影响因素，研究结构参数与设计参数对该类机构的啮合传动特性以及压力角等传力特性指标的影响规律。 4）对连杆凸轮组合分度机构进行运动学分析和动态静力学分析。研究该类机构

5）对连杆凸轮组合分度机构进行结构设计研究以及有限元分析，应用商用软件进行机构的仿真研究。 四、研究内容 1）熟悉了解间歇机构的类型、特点，尤其是分度凸轮机构、槽轮机构的工作原理、类型和结构特点。熟练掌握运动系数（动停比）、分度数以及定位精度等间歇机构的基本参数指标。 2）熟悉了解常用机构的分类、特点、应用场合。重点掌握形锁合凸轮机构凸轮廓线的设计方法。 3）研究一种双推杆式新型齿轮凸轮分度机构的设计方法。应用矢量方法推导并建立机构的凸轮廓线方程、压力角及凸轮曲率半径的计算表达式。分析影响机构几何特性的主要因素，提出该种分度机构运动学设计的一般方法。 4）对新型分度机构进行运动学及动态静力分析。 5）构建新型分度机构的三维模型，进行机构的运动学仿真研究。 五、研究方法和研究手段 用解析法建立凸轮廓线方程。分析凸轮的几何特性，确定凸轮尺寸。再用三维造型软件对凸轮进行三维造型。 六、进度安排 第一阶段：2009年12月19日~2010年2月28日 阅读相关书籍和文献，了解研究背景和发展现状。 第二阶段：2010年3月1日~2010年3月14日 搜集相关资料，确定研究方法和手段，撰写开题报告。 第三阶段：2010年3月15日~2010年3月31日 通过分析结构得出凸轮廓线方程，用三维软件造出实体模型。 第四阶段：2010年4月1日~2010年6月15日 根据三维模型出图纸，在根据图纸造出实体。 第五阶段：2010年6月1日~2010年6月18日 整理实验数据，完成毕业论文的撰写。

七、实验方案的可行性分析和已具备的实验条件 通过对结构的分析先从理论上确定其可行性，根据凸轮的轮廓线表达式用三维制图软件造出实体模型，再用软件对其进行几何特性分析确定其可行。 八、主要参考文献 1 Neklutin C N. Designing cams [J]. J. Mach. Des., 1952, 24(6): 143-160 2 Makino, H. Design restriction for Parallel indexing cam Part I: Cam profile, outer-diameter restriction and undercut (in Japa- nese).Trans. JSPE, 1972, 38(8), 16-22 3 Yan H S, Chen H H. Geometry design of globoidal cams with generalized meshing turret-rollers. ASME J. Mech. Des., 1996, 118(2): 243-249 4 Yan H S, Chen H H. Geometry design and machining of roller gear cams with cylindrical rollers. Mech. Mach. Theory, 1994, 29(6): 803-812 5 Wang W H, Tseng C H, Tsay C B. Surface contact analysis for a spatial cam mechanism. ASME J. Mech. Des., 1997, 119(2): 169-177 6 王其超, 陶学恒, 肖正扬, 仵大伟, 刘健. 新型球面包络蜗杆分度凸轮机构的研究. 西北轻工业学院学报, 1998, 3(16): 19-24 7 Tseng C H, Wang W H. Indexing mechanism using pairs of radially disposed rollers engaged between adjacent cam ribs. Int. CL/F16H27/04/US5960668A, 1999 8 Tasy D M, Lin S Y. Generation of globoidal cam surfaces with conical roller-followers. ASME 2006 International Design Engineering Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference, Philadelphia, USA, 2006, DETC2006-99683 9 Gonzales-Palacios, M A, Angeles J. The generation of contact surfaces of indexing cam mechanisms-A Unified Approach. Proceedings of ASME Design Automation Conference, Advances in Design Automation, 1990, 23(2): 359-364 10 Gonzales-Palacios, M A, Angeles J. Synthesis of contact surface of spherical cam-oscillating roller follower mechanisms: a general ap- proach. ASME J. Mech. Des., 1994, 116(1): 315-319 11 Gonzales-Palacios, M A, Angeles J. The generation of contact surface of indexing cam mechanisms a unified approach. ASME J. Mech. Des., 1994, 116(2): 369-374 12 Yan H S, Liu J Y. Geometric design and machining of variable pitch lead screws with cylindrical meshing elements. ASME J. Mech. Des., 1993, 115: 490-495

13 Mondo D, Yan H S. Kinematic optimization of ball screw transmission mechanisms. Mech. Mach. Theory, 2007, 42: 34-47 14 Nishioka M, Nishimura T. Synthesis of the internal parallel cam mechanism. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C, J. Mech. Eng. Sci., 1998, 212: 577-585 15 Wang H, Zhang C, Zhong Q L, Guan L C. Meshing analysis of the planetary indexing cam mechanisms. ASME J. Mech. Des., 2005, 127: 340-346 16 刘明涛, 张策, 杨玉虎. 新型行星分度凸轮机构的原理及廓线. 机械工程学报. 2006, 42 (2): 18-21 17 Figliolini G,ReaP,Angeles J. The pure-rolling cam-equivalent of the Geneva mechanism. Mech.Mach.Theory,2006, 41(11): 1320-1335 18 杨玉虎, 张策, 沈煜, 杨一平. 同轴式齿轮齿条高速分度机构. ZL2008100524957, 2009

选题是否合适： 是□ 否□ 课题能否实现： 能□ 不能□ 指导教师（签字） 年 月 日 选题是否合适： 是□ 否□ 课题能否实现： 能□ 不能□ 审题小组组长（签字） 年 月 日

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