ATC凸轮机构

ATC凸轮机构（精选三篇）

ATC凸轮机构 篇1

弧面分度凸轮由于其独特的优点,被越来越广泛地应用于各种机械设备中。然而,由于弧面分度凸轮轮廓为空间不可展曲面,且其数学模型复杂,使得精确建模的实现比较困难。本文以加工中心机械手所用的三头弧面分度凸轮为例,根据凸轮理论轮廓方程和凸轮机构运动曲线,提出了一种基于逆向思维、应用Pro/E软件中的现有模块单元来实现复杂弧面分度凸轮精确建模的方法。

1弧面分度凸轮理论轮廓方程的推导[1]

弧面分度凸轮机构的工作原理如图1所示。应用共轭曲面原理、微分几何学和坐标变换原理可得到弧面分度凸轮的工作轮廓方程:

其中:r为滚子上共轭啮合点在滚子轴线上的投影到分度盘中心的距离;θ和φ分别为凸轮和分度盘的转角;ψ为共轭啮合点的啮合角;p为弧面分度凸轮在分度期的旋向,左旋时p=1,右旋时p=-1;Rr为滚子半径;C为弧面分度凸轮与分度盘的中心距。假设滚子半径Rr=0,则式(1)变为:

将滚子轴线在弧面分度凸轮上形成的轨迹称为弧面分度凸轮的理论轮廓,式(2) 即为理论轮廓方程。根据前面的假设条件,此时r为滚子轴线上一点到分度盘中心的距离。

2弧面分度凸轮建模原理[2]

取r=r1=O′K1,K1为分度盘滚子轴线延长线与凸轮槽底面的交点。将r=r1代入式(2)可得到凸轮旋转一周时,第一个滚子上K1点在凸轮理论轮廓上的轨迹(Rundefined)的表达式:

同理,取r=r2=O′K2,K2为分度盘滚子轴线的内端点,可得出第一个滚子上K2点在弧面分度凸轮理论轮廓上的轨迹(Rundefined)表达式:

3弧面分度凸轮理论轮廓的实现程序[3]

若用常规的建模方法,当凸轮的参数变化时必须重新建模,由此导致整个凸轮的设计过程变得复杂。为简化此过程,本文在建模时采用参数化方法,这样当需要改变凸轮的某个参数时,只需改变其相应的参数值,凸轮模型即可自动生成。

3.1 弧面分度凸轮驱动参数

弧面分度凸轮驱动参数见表1。

3.2 弧面分度凸轮理论轮廓程序编制

以选定的从动件运动规律(文中以修正正弦为例)和图2[4]为依据,在前面分析得出的弧面分度凸轮理论轮廓边界曲线方程关系式(3)、式(4)的基础上,结合Pro/E关系方程式建立的条件,编写出每个滚子对应的弧面分度凸轮理论轮廓曲面的边界曲线程序。

由图2可看出,该凸轮共有4个停歇期和3个分度期,程序编写如下。

3.2.1 第1停歇期程序

(1) 根据式(3)编出的边界曲线程序如下:

θ=θf1*t /*(1)凸轮转角

φ0=φ01 /*(2)

φ= φ0 /*(3)

x=r1*cos(φ)*cos(θ)-c*cos(θ) /*(4)

y=-r1*cos(φ)*sin(θ)+c*sin(θ) /*(5)

z=p*r1*sin(φ) /*(6)

(2) 根据式(4)编出的边界曲线程序如下:

θ=θf1*t /*(1)

φ0=φ01 /*(2)

φ= φ0 /*(3)

x=r2*cos(φ)*cos(θ)-c*cos(θ) /*(4)

y=-r2*cos(φ) *sin(θ)+c*sin(θ) /*(5)

z=p*r2*sin(φ) /*(6)

其中,t为Pro/E内部参数,其值由0～1逐渐变化。Pro/E系统记事本中的数学表达式θ=θf1*t 保证凸轮转角θ从0°～7.5°逐渐变化,以此类推,后面情况相同。

该阶段参与啮合的为滚子1和6,只需将上面程序段(2)的φ01替换为φ06即可得到相应滚子轮廓的程序。

3.2.2 第1分度期程序

(1) 第1分度期第一段的程序。根据式(3)编出的边界曲线程序如下:

m=t/8 /*(1)

θ=θf1+θf2*m /*(2)

φ0=φ06 /*(3)

φ=φ0+p*φf1*(pi*m-sin(4*180*m)/4)/(4+pi) /*(4)

x=r1*cos(φ)*cos(θ)-c*cos(θ) /*(5)

y=-r1*cos(φ)*sin(θ)+c*sin(θ) /*(6)

z=p*r1*sin(φ) /*(7)

根据式(4)编出的边界曲线程序如下:

m=t/8 /*(1)

θ=θf1+θf2*m /*(2)

φ0=φ06 /*(3)

φ=φ0+p*φf1*(pi*m-sin(4*180*m)/4)/(4+pi) /*(4)

x=r2*cos(φ)*cos(θ)-c*cos(θ) /*(5)

y=-r2*cos(φ)*sin(θ)+c*sin(θ) /*(6)

z=p*r2*sin(φ) /*(7)

该阶段先后有6、1和2三个滚子参与啮合,对于不同的滚子只需将程序段(3)的φ06分别替换为相应的角度φ01和φ02,即可得到滚子相应的边界曲线程序。

(2) 第1分度期第二段的程序。

将第1分度期第一段程序中的程序段(1)和(4)做如下替换,其余的与第一段完全相同。即:

m=1/8+6/8*t /*(1)

φ=φ0+p*φf1/(pi+4)*(2+pi*m-9/4*sin((180+4*180*m)/3)) /*(4)

(3) 第1分度期第三段的程序。

将第1分度期第一段程序中的程序段(1)和(4) 做如下替换,其余的与第一段完全相同。即:

m=7/8+t/8 /* (1)

φ=φ0+p*φf1*(4+pi*m-sin(4*180*m)/4)/(4+pi) /*(4)

3.2.3 第2停歇期程序

只需将第1停歇期程序中的程序段(1)和(2)做如下替换,其余的完全相同。 即:

θ=(θf1+θf2)*(1-t)+θf3*t /*(1)

φ0=φ01+φf1 /*(2)

此阶段参与啮合的滚子为1和2,同样只需将程序段(2)中φ01替换为相应的角度φ02,即可得到相应滚子的边界曲线程序。

3.2.4 第2分度期程序

只需将第1分度期中所有程序的程序段(2)、(3)替换为下面相应的程序,并将程序段(3)中的φf1替换为φf2,其余的完全相同。即:

θ=(θf1+θf2+θf3)+θf*m /*(2)

φ0=φ01+φf1 /*(3)

此阶段先后参与啮合的滚子为1、2、3、4和5,只需将程序段(3)中的φ01分别替换为相应的角度φ02、φ03、φ04和φ05,即可得到各滚子相应的边界曲线程序。

3.2.5 第3停歇期程序

只需将第1停歇期程序中的程序段(1)和(2)替换为下面的程序,其余的完全相同。即:

θ=(θf1+θf2+θf3+θf4)*(1-t)+θf5*t /*(1)

φ0=φ04+φf1+φf2 /*(2)

此阶段参与啮合的滚子为4和5,将程序段(2)中的φ04替换为相应的角度φ05,即可得到相应滚子的曲线程序。

3.2.6 第3分度期程序

只需将第1分度期中所有程序中的程序段(2)、(3)和(4)做如下替换,其余的完全相同。即:

θ=(θf1+θf2+θf3+θf4+θf5)+θf6*m /*(2)

φ0=φ03+φf1+φf2 /*(3)

φ=φ0+p*φf3*(pi*m-sin(4*180*m)/4)/(4+pi) /*(4)

此阶段参与啮合的滚子为3、4和5,将程序段(3)中的φ03分别替换为相应的角度φ04和φ05,即可得到各滚子相应的边界曲线程序。

3.2.7 第4停歇期程序

只需将第1停歇期中程序段(1)和(2)做如下替换,其余的完全相同。即:

θ=(θf1+θf2+θf3+θf4+θf5+θf6)*(1-t)+θf7*t /*(1)

φ0=φ03+φf1+φf2+φf3 /*(2)

此阶段参与啮合的滚子为3和4,同样只需将程序段(2)中的φ03替换为相应的角度φ04,即可得到相应滚子的边界曲线程序。

4建模的步骤[5]

建模步骤如下:

(1) 在Pro/E中新建一个名为“弧面分度凸轮”的实体零件,并在记事本中添加表1中的弧面分度凸轮驱动参数。

(2) 根据弧面分度凸轮定位环面外圆直径D0和凸轮宽度B,拉伸出毛坯基体,并给其添加关系式。

(3) 曲线程序编好后,运用Pro/E中的从方程画曲线命令,在毛坯基体上分段画出理论轮廓的边界曲线,如图3所示。

(4) 运用扫描命令建立理论轮廓,如图4所示。

(5) 以滚子半径为距离对理论轮廓曲面进行法向偏置,并给偏置量添加关系式,得到凸轮的工作轮廓曲面,如图5所示。

(6) 运用可变剖面扫描命令对凸轮毛坯基体进行切除,得到凸轮实体,如图6所示。

5结语

本文以修正正弦曲线运动规律为例,利用Pro/E强大的参数化建模功能,提出了ATC用弧面分度凸轮的精确自动化设计方法,大大提高了凸轮设计的精度和效率,也为以后设计更高要求的复杂凸轮提供了参考。

参考文献

[1]刘昌祺,牧野洋,曹西京.凸轮机构设计[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]丛明,刘静,李全普.复杂弧面分度凸轮精确建模的新方法[J].中国机械工程,2009(6):669-672.

[3]胡文祥.基于Pro/ENGINEER平台的弧面分度凸轮特征造型[J].机床零部件,2006(7):36-41.

[4]贺炜,蔚泽峰,陈婵娟,等.加工中心弧面凸轮式自动换刀装置(ATC)[J].制造技术与机床,2000(8):23-24.

ATC凸轮机构 篇2

一、目的：通过课堂讨论，使学生掌握和扩展课堂所学知识，学会概念、方法的灵活运用，深刻理解各种题目中蕴含的基本概念，培养学生的思维方式和方法，提高对课程的学习兴趣。

二、方法：1教师提前将讨论题目公布，让学生自由组合分组做准备，每组在上讨论课前将各题目的求解过程准备充分。在讨论课上，由教师引导,学生就自己的阅读和思考各抒己见，让他们的创造力和智慧相互激励。在这种环境下，学生的作用是双重的，既学习新知识，又传授新知识，每位学生都有对讨论课做贡献的责任，增加了与教师深入讨论的机会。培养学生对问题的研讨习惯，学会了如何讨论一些科学问题。

2将学生分成若干小组针对课程内容进行讨论和争论。

三、题目：图示偏心圆盘凸轮机构运动简图，要求在图上画出：

1)凸轮的理论廓线β；

2)凸轮基圆并标出半径r0； 3)图示位置压力角α；

4)从动件AB从最低位置到图示位置所摆过的角度ψ.四、过程：上图所示偏心圆盘凸轮机构运动简图：

1)凸轮的理论廓线β 2)凸轮基圆并标出半径r0：以OB为半径O为圆心作圆是理论轮廓线（将滚子中心B假想为尖端摆动从动件的尖端，按照尖端摆动从动件凸轮轮廓曲线的设计方法做出曲线，这条曲线是反转过程中滚子中心的运动轨迹，我们称之为凸轮的理论轮廓线），以C为圆心作圆切于理论轮廓线O为基圆(凸轮理论轮廓线的最小向径rb为半径所作的圆称为基圆，rb称为基圆半径)。

3)图示位置压力角α(凸轮对从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度方向所夹的锐角)：作圆B与圆O的切法线，再作AB的垂线，两线的锐夹角为压力角a

4)从动件AB从最低位置到图示位置所摆过的角度ψ：做出最低位置图与图示位置图，最低点的位置即B点到C点的最近点，又因为r0+AB>CB所以以A为圆心，AB为半径做圆与基圆C的交点，则图示为摆过的角度

五、总结：在解决此类问题是我们要弄清楚凸轮的各种定义，避免由于混淆定义而做错题目。另外作图时候严格按照尺规作图，规范作图，减少误差。这就要求我们在今后的学习之中端正学习态度，从基础学起，重视每一个知识点，常动手操作，避免纸上谈兵。不要由于应试的原因而眼高手低，不注重细节知识与实际能力，要学会自我总结，将知识条理化与系统化。在这个题目中我们就很可能由于对凸轮基圆的认识错误而导致基圆画错，直接影响到最后算摆角。另外对于反转法在不同从动中的运用与反运用，如在尖端从动件凸轮，滚动从动件凸轮，尖端摆动从动件凸轮，滚动摆动从动件凸轮的运用更是要灵活。

六、笔记:

1、基圆：以半径凸轮理论轮廓线的最小向径

rb为半径作得圆切于理论轮廓线。

2、基圆的半径：凸轮理论轮廓线的最小向径。

3、理论轮廓线: 将滚子中心B假想为尖端摆动从动件的尖端，按照尖端摆动从动件凸轮轮廓曲线的设计方法做出曲线，这条曲线是反转过程中滚子中心的运动轨迹，我们称之为凸轮的理论轮廓线。

4、压力角：凸轮对从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度方向所夹的锐角。

5、最低位置:当滚子尖端垂直于基圆最小向径的位置即与基圆圆心最近距离的位置。

ATC凸轮机构 篇3

关键词：Solidworks；凸轮机构；实体建模

一、引言

虚拟设计是一种新兴的多学科交叉技术，是以计算机仿真和建模技术为支持，利用虚拟产品模型，在产品实际加工之前对产品的性能、行为、功能和产品的可制造性进行预测，从而对设计方案进行评估和优化，以达到产品生产的最优目标。机械产品虚拟设计的关键是实体建模，通过接口为其他应用提供关于物体完整的计算机内部描述。

二、Solidworks简介

Solidworks软件是原创的三维实体设计软件，它将基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统贯穿于设计、分析、加工和数据管理整个过程，其模型采用参数化驱动，能够应对频繁的设计变更。

Solidworks软件的主要特点如下：（1）可利用拉伸、旋转、放样、扫描、抽壳、筋板、曲面延伸、缝合等功能创建复杂的曲面模型。（2）具有强大的工业装配设计能力，提供自底向上或自顶向下的装配设计方法，使设计者在设计零件、毛坯件时于零件间捕捉设计关系，在装配体内设计新零件、编辑已有零件。（3）在设计的过程中利用Solidworks可以做机构分析、动态模拟或配合实体加工等，功能完整。（4）能够自动生成爆炸视图并保持装配结构和零件间的装配关系，通过动画演示爆炸过三、实体建模。

实体建模就是在计算机中将产品的实际形状表示成为三维的模型，可以全面完整地描述形体，具有完备的几何结构的有关点、线、面、体的信息，能够记录全部的点、线、面、体的几何拓扑关系，可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能；能顺利实现剖切、有限元网格划分、直到NC刀具轨迹的生成。经常使用的方法有线架建模、曲面建模、实体建模、基于特征建模、参数化建模。

（一）基于特征的几何建模

特征是指描述产品信息的集合，并可按一定的规则分类，使产品的设计及加工的全过程通过计算机并行展开。特征的引用直接体现了设计意图及一定的制造意义，使设计、分析、工艺准备、加工制造及检验等各个环节有机地联系在一起。

基于特征的设计系统使用参数化特征，并通过各类属性来描述零件的几何形状以及它们之间的功能关系，所以系统通常提供特征库，通过布尔运算等操作来生成零件的特征表示。

（二）参数化建模

参数化建模就是将草图和模型中的定量信息通过工程方程变量化，使之成为可以任意调整的参数即应用约束定义和修改几何模型，实现尺寸和形状的变更。特点是要求设计者在设计初期及全过程中将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改变来驱动形状的改变，一切以尺寸为出发点。当修改某一尺寸时，系统自动检索该尺寸在尺寸链中的位置，找到它的起始几何元素和终止几何元素，使它们按新尺寸值进行调整，得到新的几何模型。如遇到几何元素不满足约束条件的情况，则保持拓扑约束不变，按尺寸约束修改几何模型。

三、分度凸轮的建模

（一）零件的三维建模

在Solidworks环境下，应用特征建模方法建立平行分度凸轮机构的实体模型。在对形状规则的零件进行建模时，通常以草图为基础，逐步添加特征来完成零件的建模。

（二）凸轮廓线的生成

对于形状规则的零件，可以由草图绘制工具绘制草图后通过最简单最基础的一些特征命令来生成，例如拉伸基体、拉伸去除、旋转去除、旋转基体等等。但是由于凸轮的外廓线比较复杂，无法由Solidworks中的草图绘制工具绘制而成。因此凸轮的外廓线只能通过特殊的曲线绘制工具来完成。在Solidworks中有多种曲线绘制途径，可以通过编制程序生成凸轮廓线上点的坐标值。可以得到一系列形式为（X，Y，Z）的数值分别表示这个点在X轴、Y轴和Z轴上的坐标值。接下来就可以通过这些坐标点来绘制凸轮的外廓线。

首先在Solidworks中建立一个模型作为凸轮的毛坯，坐标原点在凸轮中心。Solidworks中的曲线工具可以从各点的X、Y、Z坐标清单来生成样条曲线。在菜单中选择插入曲线，选择通过X、Y、Z点的曲线。在导入之前已经得到的那一系列坐标值，即可生成需要的凸轮外廓线，如图1所示。此时生成的凸轮廓线并不是封闭的，只是整个廓线中的起分度作用的部分。通过曲线的两个端点和圆心画弧，画出实现间歇运动那部分的廓线，为一段光滑的圆弧。接下来使用组合曲线命令将这两段曲线结合在一起形成一条完整的封闭曲线。此时生成的组合曲线已经是一个特征，不可以在这个曲线的基础上进行特征建模。因此在凸轮毛坯的侧面上绘制草图，使用样条曲线工具中的套合样条曲线选中之前已完成的封闭曲线，组合曲线就被应用到草图中了，如图2所示。通过拉伸切除命令去掉凸轮廓线以外不需要的材料，即为成形的凸轮实体模型。

图1 通过XYZ点的曲线的生成

根据凸轮的运动规律，最终安装完的凸轮结构如图2所示。

图2 三片式平行分度凸轮机构

四、结束语

在Solidworks环境下，应用其强大的样条曲线工具，选择X、Y、Z点坐标值，能够生成分度凸轮的外廓曲线并进行关键零件的实体建模操作，表明了选择该曲线生成方法的正确性，也为其他的具有复杂曲线的零部件的开发和设计提供了一定的参考，同时也为复杂零部件的设计奠定了理论基础。

参考文献：

[1]杨玉虎，等.平行分度凸轮机构虚拟设计研究[J].机械设计,2004，21（6）：10-12.

[2]蒋红斌.Solidworks2006中文版基础应用与实例分析[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]秦东兴，等.包络环面蜗杆传动的实体建模和几何分析[J].重庆大学学报（自然科学版），1998，21（4）：79-83.

[4]黃安贻，等.基于AutoCAD 2000的平面包络环面蜗杆三维实体建模与虚拟加工技术研究[J].机械设计与制造，2003，6（3）：25-26.