盤形凸輪廓形曲線計算機輔助設計,凸輪,曲線,計算機輔助設計 大 連 大 學 2017屆學生畢業(yè)論文(設計)中期檢查表 題 目 盤形凸輪廓形曲線計算機輔助設計 指導教師 于靖華 職稱 教授 學生姓名 王詩璇 閱讀文獻數 0 初稿完成時間 2017-05-18 工 作 量 較少 適中 √ 較多 出勤情況 較好 √ 一般 較差 工作進度 快 按進度進行 √ 慢 任 務 書 有 開題報告 有 中期工作結論 優(yōu) 調整情況 無 教研室主任 意見 同意 教研室主任(簽名)：賈衛(wèi)平 日期：2017-04-22 學院意見 同意 教學院長(簽名)：賈衛(wèi)平 日期：2017-04-24 本科畢業(yè)論文(設計)開題報告 論 文 題 目：盤形凸輪廓形曲線計算機輔助設計學 院 ： 機 械 工 程 學院 專 業(yè) 、班 級  畢業(yè)論文（設計）開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質量畢業(yè)論文 （設計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據 1. 論文（設計）題目及研究領域； 2. 論文（設計）工作的理論意義和應用價值； 3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢。二、論文（設計）研究的內容1.重點解決的問題； 2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）； 3. 本論文（設計）預期取得的成果。三、論文（設計）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數）； 2. 論文（設計）進度計劃。四、文獻查閱及文獻綜述 學生應根據所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎上通過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調研、實驗或實習的基礎上遞交相關的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎。 五、其他要求 1. 開題報告應在畢業(yè)論文（設計）工作開始后的前四周內完成； 2. 開題報告必須經學院教學指導委員會審查通過； 3. 開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論文（設計）工作，否則不允許參加答辯； 4. 開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師； 5. 開題報告的內容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。? 一、選題依據 1．論文（設計）題目 盤形凸輪廓形曲線計算機輔助設計2．研究領域 計算機輔助設計 3. 論文（設計）工作的理論意義和應用價值 凸輪機構是由凸輪、從動件和機架組成的高副機構。凸輪機構中，只要凸輪廓線設計合理，便可使從動件按照任意給定的規(guī)律運動，具有結構簡單、緊湊、工作可靠的特點，同時凸輪機構還兼有傳動、導向及控制機構的各種功能。在以凸輪為中心的基礎上，已經發(fā)展出成千上萬種高效、小型、精密、價廉的機械，例如內燃機配氣系統(tǒng)、自動包裝機、自動成型機、自動裝配機、自動機床、紡織機械、農業(yè)機械、印刷機械、自動辦公設備、自動售貨機、電子元件的自動加工機械、服裝加工機械掣等。凸輪按照形狀可分為：盤形凸輪、移動凸輪和圓柱凸輪。其中盤形凸輪是一個繞 固定軸轉動并且具有變化向徑的盤形零件，如內燃機配氣機構中的凸輪。當其繞固定軸轉動時，可推動從動件在垂直于凸輪轉軸的平面內運動。平面盤形凸輪在結構上比較簡單，但實際上凸輪機構設計是一個多層次、多因素的復雜過程，對設計人員的要求比較高。主要原因在于凸輪實際廓線要精確滿足從動件的運動要求。它是凸輪的最基本型式，結構簡單，應用最廣。 根據工作要求和結構條件決定了凸輪機構的型式及凸輪的基圓半徑等基本尺寸， 那么只要選定了從動件的運動規(guī)律和轉向，就可以進行凸輪廓線的設計。通常凸輪廓線的設計方法有作圖法和解析法兩種。兩者所依據的設計原理基本相同。幾何法簡便、直觀，但其效率低，繪出的凸輪輪廓誤差大，難以獲得凸輪輪廓曲線上各點的精確坐標。所以按幾何法所得輪廓數據加工的凸輪只能應用于低速或不重要的場合。對于高速凸輪或精確度要求較高的凸輪，必須用解析法設計凸輪廓線。所謂用解析法設計凸輪廓線，就是根據工作所要求的從動件的運動規(guī)律和已知的機構參數，建立凸輪理論輪廓曲線、實際輪廓曲線以及加工刀具中心軌跡的坐標方程，并精確地計算出凸輪輪廓曲線或刀具運動軌跡上各點的坐標值來擬合凸輪輪廓，以適合在數控機床上加工。解析法繪出的凸輪輪廓誤差相對較小，但計算量大。目前精確設計輪廓的方法有包絡法、速度瞬心法、等距曲面法、共扼曲面法和相對速度法等等。 早期的工程技術人員大多采用作圖法繪制凸輪輪廓，這種方法的效率低、精度差、很難精確地得到壓力角和曲率半徑等設計參數。在 CAD 二維設計階段，CAD 的作用僅僅是使工程人員得以擺脫煩瑣、精度低的手工繪圖，可重復利用已有的設計方案。但一旦凸輪有某一個參數改變凸輪的廓形曲線就會隨之改變，需要重新設計，工作量大， 比較麻煩。微機進入我國已有多年，計算機技術在我國已經得到很大的發(fā)展。計算機具有強大的數值計算、邏輯判斷和圖形繪制功能，在有關軟件的支撐下，可以完成凸 輪機構設計的各個環(huán)節(jié)。利用計算機進行凸輪機構設計，不僅可以大大提高設計速度、設計精度和設計自動化程度，而且可以采用動態(tài)仿真技術和三維造型技術，模擬凸輪機構的工作情況，甚至可由設計數據形成數控加工程序，直接傳輸給制造系統(tǒng)，實現計算機輔助設計和計算機輔助制造一體化，從而提高產品質量，縮短產品更新換代周期。 使用計算機參數化設計，可以使凸輪機構的設計能夠快速進行。只要由設計者輸入或者選擇相關的參數，就能夠自動的得到有關數據。目前全國范圍內凸輪計算機輔助設計已經有了大量的設計論文，但在精度、實用性等方面還是有所不足。 4. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 我國對凸輪機構的應用和研究也有多年的歷史，對凸輪機構的設計、運動規(guī)律、輪廓線、動力學、優(yōu)化設計等方面的研究都有相關的論文發(fā)表。但是，與先進國家相比，我國對凸輪機構的設計和制造上都還存在較大的差距，尤其在制造方面，國外也只是集中在少數的幾家公司和科研機構中，而且由于技術保密等因素，具有一定參考價值的相關資料很少公開發(fā)表，這樣就在無形中制約著我國凸輪機構設計和制造水平的提高，造成高速、高精度的凸輪機構必須依賴進口的被動局面。 我國對凸輪機構的應用和研究目前仍在繼續(xù)擴展和深入。1983 年全國第三屆機構學學術討論會上關于凸輪機構的論文只有 8 篇，涉及設計、運動規(guī)律、分析、廓線 的綜合等四個研究方向。到了 1988 年第六屆會議，已有凸輪機構方面的論文 20 篇， 增加了動力學、振動、優(yōu)化設計等研究方向。而 1990 年第七屆會議，凸輪機構方面又增加了 CAD/CAM、誤差分析等研究方向。近幾年，對凸輪分度機構方面的研究也不斷深入，并發(fā)表了一系列論文對凸輪機構的共扼曲面原理山、專家系統(tǒng)等方面也有了相當的研究。現在凸輪機構已經在包裝機械、食品機械、紡織機械、交通運輸機械、動力機械、印刷機械等領域得到廣泛的應用。但是，與先進國家相比，我國對凸輪機構的研究和應用還存在較大的差距。 隨著 CAD/CAM 技術在機械領域應用的日趨成熟和廣泛，在國內也出現了一些研究凸輪機構 CAD/CAM 系統(tǒng)的文獻也有新的突破，許多學者發(fā)表了關于凸輪機構的優(yōu)化設計、凸輪，采用面向對象的參數化程序設計方法，設計出了主要包括工作機構運動循環(huán)圖和運動規(guī)律設計、從動件系統(tǒng)設計、凸輪機構的運動學分析、條件校核、結構設計以及結果 輸出等內容的平面凸輪的 CAD 軟件，實現了凸輪的計算機輔助設計。文獻則是在凸輪機構 CAD 系統(tǒng)的基礎上研究針對某種凸輪機構的 CAD/CAM 系統(tǒng)，實現了凸輪設計、凸輪數控加工一體化，進一步提高了凸輪 CAD/CAM 技術的實用性。但這些凸輪的 CAD/CAM 系統(tǒng)核心技術僅被某些企業(yè)所有，并未在市場上以商品軟件的形式出現。 CAD 技術是先進制造技術的重要組成部分，利用 CAD 技術可以起到提高企業(yè)的設計效率、優(yōu)化設計方案、減輕技術人員的勞動強度、縮短設計周期、加強設計的標準 化等作用。本文在研究基于特征的三維 CAD 理論的基礎上，開發(fā)出一個擴充性、開放性、復用性和維護性良好的 CAD 軟件系統(tǒng)。并在 CAD 技術理論和 CAD 軟件體系結構上， 做出了許多具有重要意義的工作。 平面盤形凸輪在結構上比較簡單，但實際上凸輪機構設計是一個多層次、多因素的復雜過程，對設計人員的要求比較高。主要原因在于凸輪實際廓線要精確滿足從動件的運動要求。 實現從動件運動規(guī)律主要依賴于凸輪輪廓曲線形狀，因而輪廓曲線設計是凸輪機構設計中的重要環(huán)節(jié)。凸輪機構設計的主要任務便是凸輪輪廓曲線的設計。傳統(tǒng)的凸輪輪廓設計方法通常采用作圖法或解析法。作圖法雖簡便易行，但其效率低，繪出的凸輪輪廓誤差大。 所謂用解析法設計凸輪廓線，就是根據工作所要求的從動件的運動規(guī)律和已知的機構參數，求出凸輪廓線的方程式，并精確地計算出凸輪廓線上各點的坐標值來擬合凸輪輪廓。解析法繪出的凸輪輪廓誤差相對較小，但計算量大。目前精確設計輪廓的方法有包絡法、速度瞬心法、等距曲面法、共扼曲面法和相對速度法等等。 二、論文（設計）研究的內容1.重點解決的問題 （1） 軟件總體功能設計和程序總體框架設計。 （2） 直動推桿盤形凸輪廓形曲線設計，包括：尖頂推桿、滾子推桿和平底推桿凸輪。 （3） 擺動推桿盤形凸輪廓形曲線設計，包括：尖頂推桿、滾子推桿和平底推桿凸輪。主要對凸輪輪動規(guī)律進行分析，并運用解析法和作圖法設計出各類盤形凸輪的輪 廓曲線，借助于 vb 編程減少計算量、加精確度，實現人機結合的理念。2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） 1. 緒論 1.1 凸輪結構概述 1.2 凸輪結構課題研究背景及意義 1.3 目前研究概況及未來發(fā)展趨勢2.從動件運動規(guī)律 2.1 等速度運動規(guī)律 2.2 等加速、等減速運動規(guī)律 2.3 余弦加速度（簡諧）運動規(guī)律3.盤形凸輪的類型分析 3.1 對凸輪類型進行分析 3.2 對從動件進行分析 3.3 對運動形式進行分析4.盤形凸輪輪廓線的設計 4.1 反轉法概念 4.2 反轉法原理 4.3 尖頂直動推桿盤形凸輪廓形曲線設計 4.4 滾子直動推桿盤形凸輪廓形曲線設計 4.5 平底直動推桿盤形凸輪廓形曲線設計 4.6 尖頂擺動推桿盤形凸輪廓形曲線設計 4.7 滾子擺動推桿盤形凸輪廓形曲線設計 4.8 平底擺動推桿盤形凸輪廓形曲線設計5.盤形凸輪輪廓曲線參數化設計 5.1 壓力角的設計及檢驗 5.2 盤形凸輪曲率半徑設計及檢驗 5.3 盤形凸輪系統(tǒng)開發(fā)6.總結 3.本論文（設計）預期取得的成果 （1） 根據課題要求對盤形凸輪機構進行分析、設計與研究。 （2） 開發(fā)相關應用軟件，提供 VB 程序源代碼、工程文件和可執(zhí)行文件，程序運行可靠。 （3） 翻譯相關外文資料。 （4） 完成畢業(yè)論文。 三、論文（設計）工作安排 1. 擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數） 用解析法設計凸輪廓線并用 Visual Basic 語言來進行凸輪的參數化設計。用解析法設計凸輪廓線的關鍵問題是將凸輪廓線表示為數學形式，這一過程稱 為建立數學模型。Visual Basic 提供了繪圖功能，如果以足夠小的間距將凸輪輪廓上的點繪出，這一系列的點就構成了凸輪輪廓曲線。建立凸輪輪廓曲線上點的坐標表達式，利用方程算出計算各類凸輪的理論廓線和實際廓線。 分析各類凸輪的從動件運動規(guī)律，通常從動件運動規(guī)律的選取與設計，是根據凸輪機構的應用工況以及要完成的運動功能來確定的。確定凸輪的轉動方向、基圓半徑之后就可以對凸輪廓線進行設計了。然后計算壓力角及曲率半徑并校核是否符合要求。 本課題擬采用 Visual Basic 語言來進行凸輪的參數化設計，輸入凸輪相關基本參數，自動計算凸輪廓形任意點坐標值，繪制凸輪廓形曲線，繪制凸輪運動線圖。程序將提供良好的人機交互操作界面，為盤形凸輪廓形設計提供良好的電子設計平臺。 2. 論文（設計）進度計劃 第 1 周：安排設計任務，布置設計要求 第 2 周：分析設計題目，了解設計內容，復習相關專業(yè)知識 第 3 周：查找設計資料，查找設計文獻 第 4 周：撰寫開題報告，修改開題報告，開題答辯 第 5 周：軟件總體方案設計，主界面設計 第 6 周：尖頂直動推桿盤形凸輪廓形曲線模塊設計 第 7 周：滾子直動推桿盤形凸輪廓形曲線模塊設計 第 8 周：平底直動推桿盤形凸輪廓形曲線模塊設計 第 9 周：尖頂擺動推桿盤形凸輪廓形曲線模塊設計 第 10 周：滾子擺動推桿盤形凸輪廓形曲線模塊設計 第 11 周：平底擺動推桿盤形凸輪廓形曲線模塊設計 第 12 周：凸輪運動規(guī)律分析，作圖法和解析法設計凸輪廓線 第 13 周：程序運行與調試 第 14 周：撰寫設計說明書和外文翻譯 第 15 周：修改設計說明書，準備答辯 四、需要閱讀的參考文獻 [1] 宋敏.盤形凸輪廓線的計算機輔助設計研究[J].科學技術與工程,2012(15):3645 -3649. 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[18]龐興華.機械設計基礎[M].機械工業(yè)出版社，2010. 文獻綜述 一．現階段相關研究及成果 在我國已有了大量的論文對盤形凸輪廓線進行設計，現在的研究成果主要如下： 1.盤形凸輪廓線的計算機輔助設計研究 本篇文章作者用解析法設計凸輪廓線，他認為關鍵問題是將凸輪廓線表示為數學形式，這一過程稱為建立數學模型。Visual Basic 提供了繪圖功能，如果以足夠小的間距將凸輪輪廓上的點繪出，這一系列的點就構成了凸輪輪廓曲線。建立凸輪輪廓曲線上點的坐標表達式，就是所需的數學模型。 輪廓曲線設計方法： 以偏置直動滾子從動件盤形凸輪機構為例進行其數學模型的建立，設計一偏置直動滾子從動件盤形凸輪廓線。凸輪基圓半徑 Rb，滾子半徑 R r，偏距值為 E，從動件的運動規(guī)律 s = s（φ）。 理論輪廓方程：過凸輪的回轉中心 O 建立直角坐標系 XOY，設推程開始時從動件滾子中心處于 B0 點，B0 點即為凸輪理論廓線上的起始點。凸輪理論廓線上任一點 B 的坐標表達式為 x=（s0+s）sinφ+Ecosφ，y=（s0+s）cosφ－Esinφ。若 E=0，上式即為對心直動滾子從動件凸輪的理論廓線方程。 實際廓線方程：滾子從動件盤形凸輪的理論廓線與實際廓線為法向等距曲線。設凸輪理論廓線上點 B 的法線為 nn，它與 x 軸的夾角為θ。法線 nn 與滾子圓相交于兩個 B’點，則凸輪實際廓線上 B’點的坐標為:x＇=x +（-）rcosθ，y＇= y +（-） rsinθ。式中，“－ ”號適用于理論廓線的內等距曲線η＇；“+”號適用于外等距曲線η"。 2. 織網機下鉤機構凸輪輪廓曲線優(yōu)化 本篇文章作者采用 MATLAB 對凸輪輪廓線進行輔助設計。用解析法設計了凸輪的輪廓曲線方程。為滿足織網機織網成型的工藝要求，首先分析下鉤機構的工作原理， 依據機構的工作原理，設計下鉤機構的工作循環(huán)圖，并具體分析鉤線段、拉線段、脫線段的運行過程。采用解析法推導出凸輪輪廓曲線方程，根據從動件運動規(guī)律選擇原則，選擇擺線修正等速運動規(guī)律，避免等速運動規(guī)律在開始和終點處速度發(fā)生突變、凸輪機構受到剛性沖擊和柔性沖擊，使下鉤機構具有良好的運動學性能。運用 MATLAB 對凸輪輪廓線進行輔助設計，得到下鉤機構前后和上下凸輪的理論和實際輪廓曲線， 為織網機凸輪輪廓線提供設計參考依據。 輪廓曲線設計方法：凸輪的回轉中心Ｏ點作為直角坐標系的原點，a 為凸輪軸心與擺桿軸心之間距離，L 為擺桿長度，ro 為基圓半徑。擺動滾子從動件的起始位置 AOBO反轉δ角后到達位置 AB，凸輪與從動件的接觸點 BO 到達 B 點，對應從動件的擺角為φ。設 BO 點的坐標為(xBO，yBO)，B 點坐標為（x，y），Ａ點坐標為（xA，yA）。AB的復合運動可用坐標旋轉和平移變換來實現，即： ［x］＝cos(δ＋Φ) sin（δ＋Φ）（xBO-0）+［xA］ ［y］=-sin(δ＋φ)cos（δ＋φ）（yBO-a）+［yA］ 將 xA=asinδ、yA=acosδ、xBO=- Lsinφ0 、yBO=a-Lcosφ0，φ0 為推桿初始角， φ0＝arccos 根號下（（a^2+L^2-r0^2）/ （2aL））代入式（1），可得到理論輪廓線上任意一點 B 的坐標：x=asinδ-Lsin（δ＋φ＋φ0），y=acosδ-L cos（δ＋φ＋φ0）。凸輪實際輪廓線與理論輪廓線法線方向距離等于滾子半徑 r，只要沿理論輪廓線任意一點 B 的法線方向取距離為 r，即得實際輪廓線上的相應點 B′（x′ ，y′）。理論輪廓線 Ｂ 點處法線 n-n 的斜率為：tanθ=dx/dy=-（dx/dδ）/（dy/dδ）=sinθ/cos θ，其中：θ為法線 n-n 與 x 軸夾角。dx/dδ=acosδ-Lcos（δ＋φ＋φ0）（１＋ｄ φ/ｄδ），dy/dδ=-asinδ+Lsin（δ＋φ＋φ0）（１＋ｄφ/ｄδ）。sinθ=（dx/d δ）/根號下（（dx/dδ）^2+（dy/dδ）^2），cosθ=（dy/dδ）/根號下（（dx/dδ） ^2+（dy/dδ）^2）則凸輪實際輪廓線上對應點 B′的坐標為：x′= x-（+）rcosθ， y′= y-（+）rsinθ。其中：“-”用于內等距曲線；“+”用于外等距曲線 3. 發(fā)動機配氣凸輪輪廓曲線設計與研究 本篇文章作者詳細介紹了配氣凸輪輪廓曲線的設計原理，通過反轉法原理分別推導出配氣凸輪的理論輪廓曲線和實際輪廓曲線的直角坐標表達式，利用 SolidWorks 三維軟件的二次開發(fā)對凸輪輪廓曲線進行參數化設計，最終得出配氣凸輪的三維實體模型，為發(fā)動機配氣凸輪廓線的設計提供了一種依據。 配氣凸輪輪廓曲線設計的方法有 2 種:第一種方法稱之為作圖法，另一種方法稱之為解析法。比較而言，采用解析法設計配氣凸輪的輪廓曲線要優(yōu)于作圖法，但無論采用何種方法進行設計，兩種方法的設計原理都是相同的，稱之為“反轉法”。當凸輪以角速度ω繞軸 O 轉動時，推桿在凸輪的高副元素(輪廓曲線)的推動下實現預期的運動。設想給整個凸輪機構加上一個公共角速度－ω，使其繞軸心 O 轉動，此時凸輪將靜止不動，而推桿一方面隨其導軌以角速度－ω繞軸心 O 轉動，一方面又在導軌內做預期的往復移動。推桿在這種復合運動中，其尖頂的運動軌跡即為凸輪的輪廓曲線。根據上述分析，在進行凸輪輪廓曲線設計時，假設凸輪靜止不動，而推桿相對于凸輪作反轉運動，同時又在其軌道內作預期運動，做出推桿在這種復合運動中的一系列位置，則其尖頂的軌跡就是所要求的凸輪輪廓曲線。這種凸輪輪廓曲線設計方法即為 “反轉法”。 4. 基于 VB6_0 和 UG6_0 的盤形凸輪機構 CAD 系統(tǒng)設計 本篇文章作者利用面向用戶的可視化軟件 Visual Basic6.0 和 UG 6.0 進行盤形凸輪機構 CAD 系統(tǒng)設計。輸入原始參數后，得到該參數下的凸輪廓線、機構運動分析及運動仿真，大大縮短解析法設計凸輪廓線時數據處理時間，為高速高精度凸輪機構的設計、制造和檢測提供了有利條件。使凸輪機構的設計直觀化、實時化。通過實例驗證，該軟件界面友好，方便直觀，既可用于工程實際，又可滿足教學需要。 5. 基于 MATLAB 的平面盤形凸輪機構參數化設計 本篇文章作者利用 MATLAB 語言編制了盤形凸輪機構輪廓參數化設計的可視化程序，針對不同參數和推桿運動規(guī)律進行了推桿運動線圖、凸輪輪廓曲線和凸輪輪廓曲線壓力角的繪制仿真實驗，并且分析了不同參數的選取對這些圖形曲線繪制的影響。 6. 盤型凸輪輪廓曲線參數化設計系統(tǒng)的開發(fā) 本篇文章作者主要是對盤型凸輪輪廓曲線參數化設計系統(tǒng)進行開發(fā)開發(fā)，盤形凸輪輪廓曲線是復雜的非圓平面曲線，為高效、精確的實現其設計自動化，利用 Auto-CAD 二次開發(fā)功能，開發(fā)了界面友好、擴展性強的盤形凸輪輪廓曲線參數化設計系統(tǒng)，實現了參數的輸入、參數合理性校核、設計計算及繪圖輸出等功能。依據凸輪設計理論， 研究了參數校核方法，導出了按照要求的曲線擬合精度確定步長值的算法。最后以偏置直動滾子推桿盤型凸輪輪廓曲線為例對系統(tǒng)進行了測試和驗證，并給出了運行結 果。 7. 基于 UG 表達式的直動平底從動件盤形凸輪廓形設計 本篇文章作者根據直線包絡曲線知識，結合凸輪廓形的反轉法設計方法，導出直動平底從動件盤形凸輪廓形曲線的一般方程，并根據積分幾何學相關知識，給出凸輪廓形曲線保持外凸的充分必要條件。利用得出的結論，結合 UG 表達式的格式，編譯表達式，作出凸輪廓形曲線，為直動平底從動件盤形凸輪的 CAD/CAE/CAM 一體化設計建立了基礎模型，具有實際意義。 8. 基于 VB 軟件的盤形凸輪機構的參數化設計與運動分析 本篇文章作者以 VB 編程語言為工具，根據直動推桿的不同類型，分別對盤形凸輪機構進行了參數化設計。此方法只需給出凸輪機構的幾個相關參數，并選擇推程與回程的運動規(guī)律，就可方便快捷的設計出凸輪機構。對比于傳統(tǒng)的繪圖法，提高了效率和準確度，同時對其它類型的機構分析也具有重要的參考意義。 9. 基于 VB 的共軛凸輪廓線的反求 本篇文章作者針對凸輪加工僅靠測量數據易造成誤差，影響其工作性能的情況， 提出一種通過測量數據反求其廓線的方法，并開發(fā)出以 VB 為平臺的共軛凸輪反求系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用二階連續(xù)三次樣條插值函數對主凸輪輪廓線進行光順處理，改善廓線的曲率連續(xù)性，再利用共軛凸輪之間的機構關系得到副凸輪的廓線值。借助 ProE 的實體構造及運動仿真功能，進行凸輪機構的運動特性分析，通過分析其運動規(guī)律曲線，確定從動件的運動角及運動規(guī)律，最后實現對共軛凸輪的重新設計。 10. 盤形凸輪的解析法設計及宏程序應用研究 本篇文章作者用解析法建立凸輪廓線方程，并編制宏程序在數控機床上進行加工，克服了傳統(tǒng)的圖解法設計與仿形法加工的缺點，提高了凸輪機構從動件的實際運動規(guī)律與預期運動規(guī)律的吻合性。 11. 盤形凸輪輪廓曲線的參數化設計 本篇文章作者介紹運用 UG 軟件建立參數表達組，進行盤形凸輪輪廓曲線參數化設計。介紹了構建盤形凸輪輪廓曲線參數化設計的步驟及構建凸輪設計參數表達式主要依據。闡述了由 S-Q 函數建立各參數表達式組方法、各變量的含義及參數化凸輪輪廓曲線的創(chuàng)建方法和步驟。 12. 基于 VBA 的凸輪輪廓設計與結果輸出 本篇文章作者以 Visual Basic for Application(VBA)為開發(fā)工具,研制出了用戶界面友好的直動式從動件盤形凸輪輪廓曲線的 CAD 系統(tǒng)，實現了 AutoCAD 與 Word 的“無縫”連接。該系統(tǒng)實現了凸輪機構設計、繪圖、設計結果輸出一體化，能顯著提高設計的品質與效率。 13. 基于 VB 的直動推桿盤形凸輪機構的設計及分析 本篇文章作者采用 Visual Basic 為開發(fā)語言，對盤形凸輪機構系統(tǒng)進行設計。通過人機對話，可實時修改輸入參數及選擇從動件運動規(guī)律，從而使凸輪機械的設計直觀化、實時化。設計者在輸入原始參數后，就能得到該參數下的凸輪輪廓線及有關參數，將大大縮短解析法設計凸輪輪廓線時數據處理時間，提高設計工作效率。14.Cam profile optimization for a new cam drive（新凸輪驅動的凸輪輪廓優(yōu)化） 本篇文章作者研究復雜的凸輪形狀優(yōu)化問題，用于新凸輪驅動發(fā)動機的獨特凸輪機構。首先，通過分析獨特的凸輪機構來定義優(yōu)化問題。通過將發(fā)動機的輸出轉矩定義為目標函數并且將接觸應力、曲率半徑和壓力角作為約束，分析在優(yōu)化問題中的多個設計規(guī)格。第二，分析場景通過操縱凸輪輪廓表示和優(yōu)化方法的不同組合來找到最好的凸輪輪廓。在凸輪輪廓合成中采用兩種類型的曲線表示，包括一般多項式樣條和 B 樣條。此外，應用經典優(yōu)化技術和基于遺傳算法（GA）的方法來解決復雜優(yōu)化問題。最后，在初始輪廓和最佳輪廓之間進行比較研究，以證明這些提出的設計方法在解決凸輪輪廓優(yōu)化問題的有效性。結果顯示，從 B 樣條表示和基于 GA 的方法的組合獲得最佳輪廓，與初始設計相比，所提出的優(yōu)化方法大大提高了發(fā)動機性能。 15.Optimal Design of Cams（凸輪的最佳設計） 本篇文章作者提出了一種使用約束優(yōu)化算法來設計電機發(fā)動機氣門列車的凸輪。所施加的約束是最大氣門升程和為正時，而目標函數是對氣流打開的氣門面積最小化的時間積分。施加分段分析定義的加速度，使得控制加速度分布的時間常數被用作優(yōu)化的變量。該策略考慮了一些幾何約束，例如，避免進氣和排氣閥之間以及閥和活塞之間的干擾。此外，限制加速度的最小和最大值以避免機構鏈中的力過大，并且防止凸輪和隨動件之間的分離的可能性。一旦確定了最佳升程廓線，則使用由運動鏈引入的幾何非線性的逆運動學分析來計算凸輪形狀。最后，在動力分析中驗證整個機構以檢查設計標準的滿意度。進行與標準運動的比較。 16. Optimum design of local cam profile of a valve train（氣門機構的局部凸輪輪廓的最佳設計） 本篇文章作者描述了通過參數化貝塞爾曲線模擬的氣門機構的局部凸輪輪廓的 優(yōu)化。通過使用 ADAMS 軟件構建的多體系統(tǒng)動力學模型來模擬氣門機構的動態(tài)響應?？死锝鸱ㄓ糜诮⑻娲Ｐ?，其呈現了由多體系統(tǒng)動力學模擬產生的動態(tài)響應與局部貝塞爾曲線的參數之間的關系。局部凸輪輪廓通過通用算法優(yōu)化，使得在閥打開階段的加速度峰值明顯減小。 17. 機械工程師手冊 本書具體的介紹了凸輪的類型、基本結構、運動規(guī)律、壓力角、基圓半徑、凸輪廓線和刀具、中心軌跡等內容以及涉及到的各種算法。 二.本課題采用的研究方法 綜合比較上述文獻，最終決定用解析法設計凸輪廓線并用 Visual Basic 語言來進行凸輪的參數化設計。原因如下： 幾何法簡便、直觀，但其效率低，繪出的凸輪輪廓誤差大，難以獲得凸輪輪廓曲線上各點的精確坐標。所以按幾何法所得輪廓數據加工的凸輪只能應用于低速或不重要的場合。對于高速凸輪或精確度要求較高的凸輪，必須用解析法設計凸輪廓線。所謂用解析法設計凸輪廓線，就是根據工作所要求的從動件的運動規(guī)律和已知的機構參數，建立凸輪理論輪廓曲線、實際輪廓曲線以及加工刀具中心軌跡的坐標方程，并精確地計算出凸輪輪廓曲線或刀具運動軌跡上各點的坐標值來擬合凸輪輪廓，以適合在數控機床上加工。解析法繪出的凸輪輪廓誤差相對較小，但計算量大。計算量大這個問題可以用計算機輔助設計來彌補。所以選用解析法來設計凸輪廓線。VB 能完成一般用戶要求的所有功能，在客戶端不需要安裝什么環(huán)境，簡單易學，操作簡單，界面簡潔一目了然，用起來方便，并且快速高效的產出率更是其他編程語言無法比擬的，所以選用 Visual Basic 語言來進行凸輪的參數化設計。 典型的凸輪結構是由主動凸輪、從動推桿和機架所組成的三構件高副機構。凸輪機構是生產中最常用的構件之一，它廣泛用于內燃機、輕工機械和自動機等各種機械。機構結構簡單緊湊，設計較方便；幾乎能實現從動推桿為任何預期運動規(guī)律的往復移動或往復擺動；但高副元素接觸處的潤滑條件較差，接觸應力大，易磨損；且當凸輪機構用于高速時，動力特性較復雜，相應的機構精確分析和設計也較困難。 盤形凸輪分為直動推桿和擺動推桿。 推桿運動規(guī)律是指推桿的角位移、角速度、角加速度等隨凸輪轉角或時間變化的規(guī)律。一般當凸輪轉過一整周時推桿完成一個循環(huán)運動。在設計凸輪結構前，一般先給定推桿的運動規(guī)律，因為推桿運動規(guī)律不僅關系到凸輪的廓線形狀和尺寸，同時還影響凸輪機構的動力特性和使用。 盤形凸輪輪廓曲線的設計： 反轉法概念：以直動凸輪為例，在設計的時候，通常假定凸輪固定、推桿繞凸輪旋轉，并考察他們的相對運動。而推桿相對于凸輪旋轉的方向（假定的方向），與凸輪相對于機架的實際旋轉方向是相反的。故名“反轉法”。 反轉法的原理：假想給整個凸輪機構加一公共角速度-ω，不影響各構件之間的相對運動。此時，則凸輪相對靜止不動，推桿一方面隨導軌以-ω繞凸輪軸心轉動， 另一方面又沿導軌作預期的往復移動，推桿尖頂在這種復合運動中的運動軌跡即為凸輪輪廓曲線。 圖解法是根據反轉法原理作出從動件推桿尖頂在反轉運動中依次占據的各位置， 然后作出其高副元素所形成的曲線族，并作從動件高副元素所形成的曲線族的包絡線，即是所求的凸輪輪廓曲線。 當給整個機構加一個共同的運動時，各構件的絕對運動發(fā)生了變化，但各構件的相對運動卻并不改變，各構件的相對尺寸亦不改變。因而，對轉化后的機構進行設計的結果與對原機構進行設計的結果是相同的。實現這種轉化的方法就是機構倒置或反轉法。反轉法的本質就是改變參考系，是許多機構的構型設計及機構運動學和動力學分析的一種基本方法。其中,在凸輪機構中的應用最典型。凸輪機構的設計原理對于凸輪機構，如果根據工作要求和結構條件選定了凸輪機構的形式、基本尺寸，推桿的運動規(guī)律和凸輪的轉向，凸輪機構的設計就是凸輪輪廓曲線的設計了。凸輪輪廓曲線無論是采用解析法還是采用作圖法設計都采用“反轉法”原理。給整個凸輪機構加一個與凸輪角速度等值反向的公共角速度-ω，使其繞軸心 O 轉動，根據相對運動原理， 這時凸輪與推桿的相對運動不變，內作預期的運動，推桿尖頂在這種復合運動中的軌跡就是所要求凸輪的廓線。反轉法原理的 2 種應用： 1. 偏置滾子直動推桿盤形凸輪機構的輪廓曲線 在求出壓力角及基圓半徑的基礎上根據公式求出理論廓線及實際廓線。 （1） 對于對心推桿可在式中令 e=0。 （2） 實際廓線中滾子半徑rg 前上下兩組符號分別對應于外凸輪和內凸輪兩種情況。 （3） s（Φ）為推桿運動規(guī)律。滾子中心（理論廓線）方程x=[s0+s（Φ）]sinΦ+ecosΦ y=[s0+s（Φ）]cosΦ-esinΦ s0=根號下（r02-e2） 實際（工作）輪廓線方程xc=x±rgy/ 根 號 下 （x2+y2） yc=x-（+）rgx/根號下（x2+y2） x=[s0+s（Φ）]cosΨ+（ds/dΦ-e）sinΦ y=-[s0+s（Φ）] sinΨ+（ds/dΦ-e）cosΦ 2.平底直動推桿盤形凸輪機構的輪廓曲線 在求出壓力角及基圓半徑的基礎上根據公式求出理論廓線及實際廓線。 （1） 平底底面長為 L，L=2|（ds/dΦ）|max+（2~5）mm （2） s（Φ）為推桿運動規(guī)律推桿平底中點 B 的運動軌跡方程x=[r0+s（Φ）]sinΦ y=[r0+s（Φ）]cosΦ 工作廓線方程xc=[r0+s（Φ）]sinΨ+（ds/dΦ）cosΦ yc=[r0+s（Φ）]conΨ+（ds/dΦ）sinΦ 指導教師評閱意見（對選題情況、研究內容、工作安排、文獻綜述等方面進行評閱） 審 核 簽字： 年 月 日 意 見 教研室主任意見 簽字： 年 月 日 學院教學指導委員會意見 簽字： 年 月 日公章： 本科畢業(yè)論文(設計)開題報告 論 文 題 目：盤形凸輪廓形曲線計算機輔助設計 學 院：機械工程學院 專 業(yè) 、班 級： 學 生 姓 名： 指導教師（職稱） 畢業(yè)論文（設計）開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質量畢業(yè)論文（設計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。 一、選題依據 1.論文（設計）題目及研究領域； 2.論文（設計）工作的理論意義和應用價值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文（設計）研究的內容 1.重點解決的問題； 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）； 3.本論文（設計）預期取得的成果。 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數）； 2.論文（設計）進度計劃。 四、文獻查閱及文獻綜述 學生應根據所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎上通過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調研、實驗或實習的基礎上遞交相關的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順，較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎。 五、其他要求 1.開題報告應在畢業(yè)論文（設計）工作開始后的前四周內完成； 2.開題報告必須經學院教學指導委員會審查通過； 3.開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論文（設計）工作，否則不允許參加答辯； 4.開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師； 5.開題報告的內容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打?。?。 一、選題依據 1．論文（設計）題目 盤形凸輪廓形曲線計算機輔助設計 2．研究領域 計算機輔助設計 3．論文（設計）工作的理論意義和應用價值 凸輪機構是由凸輪、從動件和機架組成的高副機構。凸輪機構中，只要凸輪廓線設計合理，便可使從動件按照任意給定的規(guī)律運動，具有結構簡單、緊湊、工作可靠的特點，同時凸輪機構還兼有傳動、導向及控制機構的各種功能。在以凸輪為中心的基礎上，已經發(fā)展出成千上萬種高效、小型、精密、價廉的機械，例如內燃機配氣系統(tǒng)、自動包裝機、自動成型機、自動裝配機、自動機床、紡織機械、農業(yè)機械、印刷機械、自動辦公設備、自動售貨機、電子元件的自動加工機械、服裝加工機械掣等。 凸輪按照形狀可分為：盤形凸輪、移動凸輪和圓柱凸輪。其中盤形凸輪是一個繞固定軸轉動并且具有變化向徑的盤形零件，如內燃機配氣機構中的凸輪。當其繞固定軸轉動時，可推動從動件在垂直于凸輪轉軸的平面內運動。平面盤形凸輪在結構上比較簡單，但實際上凸輪機構設計是一個多層次、多因素的復雜過程，對設計人員的要求比較高。主要原因在于凸輪實際廓線要精確滿足從動件的運動要求。它是凸輪的最基本型式，結構簡單，應用最廣。 根據工作要求和結構條件決定了凸輪機構的型式及凸輪的基圓半徑等基本尺寸，那么只要選定了從動件的運動規(guī)律和轉向，就可以進行凸輪廓線的設計。通常凸輪廓線的設計方法有作圖法和解析法兩種。兩者所依據的設計原理基本相同。幾何法簡便、直觀，但其效率低，繪出的凸輪輪廓誤差大，難以獲得凸輪輪廓曲線上各點的精確坐標。所以按幾何法所得輪廓數據加工的凸輪只能應用于低速或不重要的場合。對于高速凸輪或精確度要求較高的凸輪，必須用解析法設計凸輪廓線。所謂用解析法設計凸輪廓線，就是根據工作所要求的從動件的運動規(guī)律和已知的機構參數，建立凸輪理論輪廓曲線、實際輪廓曲線以及加工刀具中心軌跡的坐標方程，并精確地計算出凸輪輪廓曲線或刀具運動軌跡上各點的坐標值來擬合凸輪輪廓，以適合在數控機床上加工。解析法繪出的凸輪輪廓誤差相對較小，但計算量大。目前精確設計輪廓的方法有包絡法、速度瞬心法、等距曲面法、共扼曲面法和相對速度法等等。 早期的工程技術人員大多采用作圖法繪制凸輪輪廓，這種方法的效率低、精度差、很難精確地得到壓力角和曲率半徑等設計參數。在CAD二維設計階段，CAD的作用僅僅是使工程人員得以擺脫煩瑣、精度低的手工繪圖，可重復利用已有的設計方案。但一旦凸輪有某一個參數改變凸輪的廓形曲線就會隨之改變，需要重新設計，工作量大，比較麻煩。微機進入我國已有多年，計算機技術在我國已經得到很大的發(fā)展。計算機具有強大的數值計算、邏輯判斷和圖形繪制功能，在有關軟件的支撐下，可以完成凸輪機構設計的各個環(huán)節(jié)。利用計算機進行凸輪機構設計，不僅可以大大提高設計速度、設計精度和設計自動化程度，而且可以采用動態(tài)仿真技術和三維造型技術，模擬凸輪機構的工作情況，甚至可由設計數據形成數控加工程序，直接傳輸給制造系統(tǒng)，實現計算機輔助設計和計算機輔助制造一體化，從而提高產品質量，縮短產品更新換代周期。? 使用計算機參數化設計，可以使凸輪機構的設計能夠快速進行。只要由設計者輸入或者選擇相關的參數，就能夠自動的得到有關數據。目前全國范圍內凸輪計算機輔助設計已經有了大量的設計論文，但在精度、實用性等方面還是有所不足。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢 我國對凸輪機構的應用和研究也有多年的歷史，對凸輪機構的設計、運動規(guī)律、輪廓線、動力學、優(yōu)化設計等方面的研究都有相關的論文發(fā)表。但是，與先進國家相比，我國對凸輪機構的設計和制造上都還存在較大的差距，尤其在制造方面，國外也只是集中在少數的幾家公司和科研機構中，而且由于技術保密等因素，具有一定參考價值的相關資料很少公開發(fā)表，這樣就在無形中制約著我國凸輪機構設計和制造水平的提高，造成高速、高精度的凸輪機構必須依賴進口的被動局面。 我國對凸輪機構的應用和研究目前仍在繼續(xù)擴展和深入。1983年全國第三屆機構學學術討論會上關于凸輪機構的論文只有8篇，涉及設計、運動規(guī)律、分析、廓線的綜合等四個研究方向。到了1988年第六屆會議，已有凸輪機構方面的論文20篇，增加了動力學、振動、優(yōu)化設計等研究方向。而1990年第七屆會議，凸輪機構方面又增加了CAD/CAM、誤差分析等研究方向。近幾年，對凸輪分度機構方面的研究也不斷深入，并發(fā)表了一系列論文對凸輪機構的共扼曲面原理山、專家系統(tǒng)等方面也有了相當的研究?，F在凸輪機構已經在包裝機械、食品機械、紡織機械、交通運輸機械、動力機械、印刷機械等領域得到廣泛的應用。但是，與先進國家相比，我國對凸輪機構的研究和應用還存在較大的差距。 隨著CAD/CAM技術在機械領域應用的日趨成熟和廣泛，在國內也出現了一些研究凸輪機構CAD/CAM系統(tǒng)的文獻也有新的突破，許多學者發(fā)表了關于凸輪機構的優(yōu)化設計、凸輪，采用面向對象的參數化程序設計方法，設計出了主要包括工作機構運動循環(huán)圖和運動規(guī)律設計、從動件系統(tǒng)設計、凸輪機構的運動學分析、條件校核、結構設計以及結果?輸出等內容的平面凸輪的CAD軟件，實現了凸輪的計算機輔助設計。文獻則是在凸輪機構CAD系統(tǒng)的基礎上研究針對某種凸輪機構的CAD/CAM系統(tǒng)，實現了凸輪設計、凸輪數控加工一體化，進一步提高了凸輪CAD/CAM技術的實用性。但這些凸輪的CAD/CAM系統(tǒng)核心技術僅被某些企業(yè)所有，并未在市場上以商品軟件的形式出現。? CAD技術是先進制造技術的重要組成部分，利用CAD技術可以起到提高企業(yè)的設計效率、優(yōu)化設計方案、減輕技術人員的勞動強度、縮短設計周期、加強設計的標準化等作用。本文在研究基于特征的三維CAD理論的基礎上，開發(fā)出一個擴充性、開放性、復用性和維護性良好的CAD軟件系統(tǒng)。并在CAD技術理論和CAD軟件體系結構上，做出了許多具有重要意義的工作。 平面盤形凸輪在結構上比較簡單，但實際上凸輪機構設計是一個多層次、多因素的復雜過程，對設計人員的要求比較高。主要原因在于凸輪實際廓線要精確滿足從動件的運動要求。 實現從動件運動規(guī)律主要依賴于凸輪輪廓曲線形狀，因而輪廓曲線設計是凸輪機構設計中的重要環(huán)節(jié)。凸輪機構設計的主要任務便是凸輪輪廓曲線的設計。傳統(tǒng)的凸輪輪廓設計方法通常采用作圖法或解析法。作圖法雖簡便易行，但其效率低，繪出的凸輪輪廓誤差大。 所謂用解析法設計凸輪廓線，就是根據工作所要求的從動件的運動規(guī)律和已知的機構參數，求出凸輪廓線的方程式，并精確地計算出凸輪廓線上各點的坐標值來擬合凸輪輪廓。解析法繪出的凸輪輪廓誤差相對較小，但計算量大。目前精確設計輪廓的方法有包絡法、速度瞬心法、等距曲面法、共扼曲面法和相對速度法等等。? 二、論文（設計）研究的內容 1.重點解決的問題 （1）軟件總體功能設計和程序總體框架設計。 （2）直動推桿盤形凸輪廓形曲線設計，包括：尖頂推桿、滾子推桿和平底推桿凸輪。 （3）擺動推桿盤形凸輪廓形曲線設計，包括：尖頂推桿、滾子推桿和平底推桿凸輪。 主要對凸輪輪動規(guī)律進行分析，并運用解析法和作圖法設計出各類盤形凸輪的輪廓曲線，借助于vb編程減少計算量、加精確度，實現人機結合的理念。 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） 1.緒論 1.1凸輪結構概述 1.2凸輪結構課題研究背景及意義 1.3目前研究概況及未來發(fā)展趨勢 2.從動件運動規(guī)律 2.1等速度運動規(guī)律 2.2等加速、等減速運動規(guī)律 2.3五次多項式運動規(guī)律 2.4正弦加速度運動規(guī)律 2.5余弦加速度（簡諧）運動規(guī)律 3.盤形凸輪的類型分析 3.1對凸輪類型進行分析 3.2對從動件進行分析 3.3對運動形式進行分析 4.盤形凸輪輪廓線的設計 4.1反轉法概念及原理 4.2尖頂直動推桿盤形凸輪廓形曲線設計 4.3滾子直動推桿盤形凸輪廓形曲線設計 4.4平底直動推桿盤形凸輪廓形曲線設計 4.5尖頂擺動推桿盤形凸輪廓形曲線設計 4.6滾子擺動推桿盤形凸輪廓形曲線設計 4.7平底擺動推桿盤形凸輪廓形曲線設計 5.盤形凸輪輪廓曲線參數化設計 5.1壓力角的設計及檢驗 5.2盤形凸輪曲率半徑設計及檢驗 5.3盤形凸輪系統(tǒng)開發(fā) 6.總結 3.本論文（設計）預期取得的成果? （1）根據課題要求對盤形凸輪機構進行分析、設計與研究。 （2）開發(fā)相關應用軟件，提供VB程序源代碼、工程文件和可執(zhí)行文件，程序運行可靠。 （3）翻譯相關外文資料。 （4）完成畢業(yè)論文。 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數） 用解析法設計凸輪廓線并用Visual?Basic語言來進行凸輪的參數化設計。 用解析法設計凸輪廓線的關鍵問題是將凸輪廓線表示為數學形式，這一過程稱為建立數學模型。Visual Basic 提供了繪圖功能，如果以足夠小的間距將凸輪輪廓上的點繪出，這一系列的點就構成了凸輪輪廓曲線。建立凸輪輪廓曲線上點的坐標表達式，利用方程算出計算各類凸輪的理論廓線和實際廓線。 分析各類凸輪的從動件運動規(guī)律，通常從動件運動規(guī)律的選取與設計，是根據凸輪機構的應用工況以及要完成的運動功能來確定的。確定凸輪的轉動方向、基圓半徑之后就可以對凸輪廓線進行設計了。然后計算壓力角及曲率半徑并校核是否符合要求。 本課題擬采用Visual?Basic語言來進行凸輪的參數化設計，輸入凸輪相關基本參數，自動計算凸輪廓形任意點坐標值，繪制凸輪廓形曲線，繪制凸輪運動線圖。程序將提供良好的人機交互操作界面，為盤形凸輪廓形設計提供良好的電子設計平臺。 2.論文（設計）進度計劃 第1周：安排設計任務，布置設計要求 第2周：分析設計題目，了解設計內容，復習相關專業(yè)知識 第3周：查找設計資料，查找設計文獻 第4周：撰寫開題報告，修改開題報告，開題答辯 第5周：軟件總體方案設計，主界面設計 第6周：尖頂直動推桿盤形凸輪廓形曲線模塊設計 第7周：滾子直動推桿盤形凸輪廓形曲線模塊設計 第8周：平底直動推桿盤形凸輪廓形曲線模塊設計 第9周：尖頂擺動推桿盤形凸輪廓形曲線模塊設計 第10周：滾子擺動推桿盤形凸輪廓形曲線模塊設計 第11周：平底擺動推桿盤形凸輪廓形曲線模塊設計 第12周：凸輪運動規(guī)律分析，作圖法和解析法設計凸輪廓線 第13周：程序運行與調試 第14周：撰寫設計說明書和外文翻譯 第15周：修改設計說明書，準備答辯 四、需要閱讀的參考文獻 [1]宋敏.盤形凸輪廓線的計算機輔助設計研究[J].科學技術與工程,2012(15):3645 -3649. 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Optimum design of local cam profile of a valve train[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2010, Vol.224 （C11）: 2487-2492. [17]趙明生.機械工程師手冊[M].機械工業(yè)出版社，2005年. [18]龐興華.機械設計基礎[M].機械工業(yè)出版社，2010. 文獻綜述 一．現階段相關研究及成果 在我國已有了大量的論文對盤形凸輪廓線進行設計，現在的研究成果主要如下： 1.盤形凸輪廓線的計算機輔助設計研究 本篇文章作者用解析法設計凸輪廓線，他認為關鍵問題是將凸輪廓線表示為數學形式，這一過程稱為建立數學模型。Visual Basic提供了繪圖功能，如果以足夠小的間距將凸輪輪廓上的點繪出，這一系列的點就構成了凸輪輪廓曲線。建立凸輪輪廓曲線上點的坐標表達式，就是所需的數學模型。 輪廓曲線設計方法： 以偏置直動滾子從動件盤形凸輪機構為例進行其數學模型的建立，設計一偏置直動滾子從動件盤形凸輪廓線。凸輪基圓半徑Rb，滾子半徑R r，偏距值為E，從動件的運動規(guī)律s = s（φ）。 理論輪廓方程：過凸輪的回轉中心O建立直角坐標系XOY，設推程開始時從動件滾子中心處于B0點，B0點即為凸輪理論廓線上的起始點。凸輪理論廓線上任一點 B 的坐標表達式為x=（s0+s）sinφ+Ecosφ，y=（s0+s）cosφ－Esinφ。若E=0，上式即為對心直動滾子從動件凸輪的理論廓線方程。 實際廓線方程：滾子從動件盤形凸輪的理論廓線與實際廓線為法向等距曲線。設凸輪理論廓線上點B的法線為nn，它與x軸的夾角為θ。法線nn與滾子圓相交于兩個B’點，則凸輪實際廓線上B’點的坐標為:x＇=x +（-）rcosθ，y＇= y +（-）rsinθ。式中，“－ ”號適用于理論廓線的內等距曲線η＇；“+”號適用于外等距曲線η"。 2.織網機下鉤機構凸輪輪廓曲線優(yōu)化 本篇文章作者采用MATLAB對凸輪輪廓線進行輔助設計。用解析法設計了凸輪的輪廓曲線方程。為滿足織網機織網成型的工藝要求，首先分析下鉤機構的工作原理，依據機構的工作原理，設計下鉤機構的工作循環(huán)圖，并具體分析鉤線段、拉線段、脫線段的運行過程。采用解析法推導出凸輪輪廓曲線方程，根據從動件運動規(guī)律選擇原則，選擇擺線修正等速運動規(guī)律，避免等速運動規(guī)律在開始和終點處速度發(fā)生突變、凸輪機構受到剛性沖擊和柔性沖擊，使下鉤機構具有良好的運動學性能。運用MATLAB對凸輪輪廓線進行輔助設計，得到下鉤機構前后和上下凸輪的理論和實際輪廓曲線，為織網機凸輪輪廓線提供設計參考依據。 輪廓曲線設計方法：凸輪的回轉中心Ｏ點作為直角坐標系的原點，a為凸輪軸心與擺桿軸心之間距離，L為擺桿長度，ro為基圓半徑。擺動滾子從動件的起始位置AOBO 反轉δ角后到達位置AB，凸輪與從動件的接觸點BO到達B點，對應從動件的擺角為φ。設BO點的坐標為(xBO，yBO)，B點坐標為（x，y），Ａ點坐標為（xA，yA）。AB的復合運動可用坐標旋轉和平移變換來實現，即： ［x］＝cos(δ＋Φ) sin（δ＋Φ）（xBO-0）+［xA］ ［y］=-sin(δ＋φ)cos（δ＋φ）（yBO-a）+［yA］ 將xA=asinδ、yA=acosδ、xBO=- Lsinφ0 、yBO=a-Lcosφ0，φ0為推桿初始角，φ0＝arccos根號下（（a^2+L^2-r0^2）/ （2aL））代入式（1），可得到理論輪廓線上任意一點B的坐標：x=asinδ-Lsin（δ＋φ＋φ0），y=acosδ-L cos（δ＋φ＋φ0）。凸輪實際輪廓線與理論輪廓線法線方向距離等于滾子半徑r，只要沿理論輪廓線任意一點B的法線方向取距離為r，即得實際輪廓線上的相應點B′（x′ ，y′）。理論輪廓線 Ｂ 點處法線n-n的斜率為：tanθ=dx/dy=-（dx/dδ）/（dy/dδ）=sinθ/cosθ，其中：θ為法線n-n與x軸夾角。dx/dδ=acosδ-Lcos（δ＋φ＋φ0）（１＋ｄφ/ｄδ），dy/dδ=-asinδ+Lsin（δ＋φ＋φ0）（１＋ｄφ/ｄδ）。sinθ=（dx/dδ）/根號下（（dx/dδ）^2+（dy/dδ）^2），cosθ=（dy/dδ）/根號下（（dx/dδ）^2+（dy/dδ）^2）則凸輪實際輪廓線上對應點B′的坐標為：x′= x-（+）rcosθ，y′= y-（+）rsinθ。其中：“-”用于內等距曲線；“+”用于外等距曲線 3. 發(fā)動機配氣凸輪輪廓曲線設計與研究 本篇文章作者詳細介紹了配氣凸輪輪廓曲線的設計原理，通過反轉法原理分別推導出配氣凸輪的理論輪廓曲線和實際輪廓曲線的直角坐標表達式，利用SolidWorks三維軟件的二次開發(fā)對凸輪輪廓曲線進行參數化設計，最終得出配氣凸輪的三維實體模型，為發(fā)動機配氣凸輪廓線的設計提供了一種依據。 配氣凸輪輪廓曲線設計的方法有2種:第一種方法稱之為作圖法，另一種方法稱之為解析法。比較而言，采用解析法設計配氣凸輪的輪廓曲線要優(yōu)于作圖法，但無論采用何種方法進行設計，兩種方法的設計原理都是相同的，稱之為“反轉法”。當凸輪以角速度ω繞軸O轉動時，推桿在凸輪的高副元素(輪廓曲線)的推動下實現預期的運動。設想給整個凸輪機構加上一個公共角速度－ω，使其繞軸心O轉動，此時凸輪將靜止不動，而推桿一方面隨其導軌以角速度－ω繞軸心O轉動，一方面又在導軌內做預期的往復移動。推桿在這種復合運動中，其尖頂的運動軌跡即為凸輪的輪廓曲線。根據上述分析，在進行凸輪輪廓曲線設計時，假設凸輪靜止不動，而推桿相對于凸輪作反轉運動，同時又在其軌道內作預期運動，做出推桿在這種復合運動中的一系列位置，則其尖頂的軌跡就是所要求的凸輪輪廓曲線。這種凸輪輪廓曲線設計方法即為 “反轉法”。 4．基于VB6_0和UG6_0的盤形凸輪機構CAD系統(tǒng)設計 本篇文章作者利用面向用戶的可視化軟件Visual Basic6.0 和 UG 6.0 進行盤形凸輪機構CAD系統(tǒng)設計。輸入原始參數后，得到該參數下的凸輪廓線、機構運動分析及運動仿真，大大縮短解析法設計凸輪廓線時數據處理時間，為高速高精度凸輪機構的設計、制造和檢測提供了有利條件。使凸輪機構的設計直觀化、實時化。通過實例驗證，該軟件界面友好，方便直觀，既可用于工程實際，又可滿足教學需要。 5. 基于MATLAB的平面盤形凸輪機構參數化設計 本篇文章作者利用MATLAB語言編制了盤形凸輪機構輪廓參數化設計的可視化程序，針對不同參數和推桿運動規(guī)律進行了推桿運動線圖、凸輪輪廓曲線和凸輪輪廓曲線壓力角的繪制仿真實驗，并且分析了不同參數的選取對這些圖形曲線繪制的影響。 6. 盤型凸輪輪廓曲線參數化設計系統(tǒng)的開發(fā) 本篇文章作者主要是對盤型凸輪輪廓曲線參數化設計系統(tǒng)進行開發(fā)開發(fā)，盤形凸輪輪廓曲線是復雜的非圓平面曲線，為高效、精確的實現其設計自動化，利用Auto-CAD二次開發(fā)功能，開發(fā)了界面友好、擴展性強的盤形凸輪輪廓曲線參數化設計系統(tǒng)，實現了參數的輸入、參數合理性校核、設計計算及繪圖輸出等功能。依據凸輪設計理論，研究了參數校核方法，導出了按照要求的曲線擬合精度確定步長值的算法。最后以偏置直動滾子推桿盤型凸輪輪廓曲線為例對系統(tǒng)進行了測試和驗證，并給出了運行結果。 7. 基于UG表達式的直動平底從動件盤形凸輪廓形設計 本篇文章作者根據直線包絡曲線知識，結合凸輪廓形的反轉法設計方法，導出直動平底從動件盤形凸輪廓形曲線的一般方程，并根據積分幾何學相關知識，給出凸輪廓形曲線保持外凸的充分必要條件。利用得出的結論，結合UG表達式的格式，編譯表達式，作出凸輪廓形曲線，為直動平底從動件盤形凸輪的CAD/CAE/CAM一體化設計建立了基礎模型，具有實際意義。 8. 基于VB軟件的盤形凸輪機構的參數化設計與運動分析 本篇文章作者以VB編程語言為工具，根據直動推桿的不同類型，分別對盤形凸輪機構進行了參數化設計。此方法只需給出凸輪機構的幾個相關參數，并選擇推程與回程的運動規(guī)律，就可方便快捷的設計出凸輪機構。對比于傳統(tǒng)的繪圖法，提高了效率和準確度，同時對其它類型的機構分析也具有重要的參考意義。 9. 基于VB的共軛凸輪廓線的反求 本篇文章作者針對凸輪加工僅靠測量數據易造成誤差，影響其工作性能的情況，提出一種通過測量數據反求其廓線的方法，并開發(fā)出以VB為平臺的共軛凸輪反求系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用二階連續(xù)三次樣條插值函數對主凸輪輪廓線進行光順處理，改善廓線的曲率連續(xù)性，再利用共軛凸輪之間的機構關系得到副凸輪的廓線值。借助 ProE的實體構造及運動仿真功能，進行凸輪機構的運動特性分析，通過分析其運動規(guī)律曲線，確定從動件的運動角及運動規(guī)律，最后實現對共軛凸輪的重新設計。 10.盤形凸輪的解析法設計及宏程序應用研究 本篇文章作者用解析法建立凸輪廓線方程，并編制宏程序在數控機床上進行加工，克服了傳統(tǒng)的圖解法設計與仿形法加工的缺點，提高了凸輪機構從動件的實際運動規(guī)律與預期運動規(guī)律的吻合性。 11.盤形凸輪輪廓曲線的參數化設計 本篇文章作者介紹運用UG軟件建立參數表達組，進行盤形凸輪輪廓曲線參數化設計。介紹了構建盤形凸輪輪廓曲線參數化設計的步驟及構建凸輪設計參數表達式主要依據。闡述了由S-Q函數建立各參數表達式組方法、各變量的含義及參數化凸輪輪廓曲線的創(chuàng)建方法和步驟。 12. 基于VBA的凸輪輪廓設計與結果輸出 本篇文章作者以Visual Basic for Application(VBA)為開發(fā)工具,研制出了用戶界面友好的直動式從動件盤形凸輪輪廓曲線的CAD系統(tǒng)，實現了AutoCAD與Word的“無縫”連接。該系統(tǒng)實現了凸輪機構設計、繪圖、設計結果輸出一體化，能顯著提高設計的品質與效率。 13.基于VB的直動推桿盤形凸輪機構的設計及分析 本篇文章作者采用Visual Basic為開發(fā)語言，對盤形凸輪機構系統(tǒng)進行設計。通過人機對話，可實時修改輸入參數及選擇從動件運動規(guī)律，從而使凸輪機械的設計直觀化、實時化。設計者在輸入原始參數后，就能得到該參數下的凸輪輪廓線及有關參數，將大大縮短解析法設計凸輪輪廓線時數據處理時間，提高設計工作效率。 14.Cam profile optimization for a new cam drive（新凸輪驅動的凸輪輪廓優(yōu)化） 本篇文章作者研究復雜的凸輪形狀優(yōu)化問題，用于新凸輪驅動發(fā)動機的獨特凸輪機構。首先，通過分析獨特的凸輪機構來定義優(yōu)化問題。通過將發(fā)動機的輸出轉矩定義為目標函數并且將接觸應力、曲率半徑和壓力角作為約束，分析在優(yōu)化問題中的多個設計規(guī)格。第二，分析場景通過操縱凸輪輪廓表示和優(yōu)化方法的不同組合來找到最好的凸輪輪廓。在凸輪輪廓合成中采用兩種類型的曲線表示，包括一般多項式樣條和B樣條。此外，應用經典優(yōu)化技術和基于遺傳算法（GA）的方法來解決復雜優(yōu)化問題。最后，在初始輪廓和最佳輪廓之間進行比較研究，以證明這些提出的設計方法在解決凸輪輪廓優(yōu)化問題的有效性。結果顯示，從B樣條表示和基于GA的方法的組合獲得最佳輪廓，與初始設計相比，所提出的優(yōu)化方法大大提高了發(fā)動機性能。 15.Optimal Design of Cams（凸輪的最佳設計） 本篇文章作者提出了一種使用約束優(yōu)化算法來設計電機發(fā)動機氣門列車的凸輪。所施加的約束是最大氣門升程和為正時，而目標函數是對氣流打開的氣門面積最小化的時間積分。施加分段分析定義的加速度，使得控制加速度分布的時間常數被用作優(yōu)化的變量。該策略考慮了一些幾何約束，例如，避免進氣和排氣閥之間以及閥和活塞之間的干擾。此外，限制加速度的最小和最大值以避免機構鏈中的力過大，并且防止凸輪和隨動件之間的分離的可能性。一旦確定了最佳升程廓線，則使用由運動鏈引入的幾何非線性的逆運動學分析來計算凸輪形狀。最后，在動力分析中驗證整個機構以檢查設計標準的滿意度。進行與標準運動的比較。 16. Optimum design of local cam profile of a valve train（氣門機構的局部凸輪輪廓的最佳設計） 本篇文章作者描述了通過參數化貝塞爾曲線模擬的氣門機構的局部凸輪輪廓的優(yōu)化。通過使用ADAMS軟件構建的多體系統(tǒng)動力學模型來模擬氣門機構的動態(tài)響應?？死锝鸱ㄓ糜诮⑻娲Ｐ?，其呈現了由多體系統(tǒng)動力學模擬產生的動態(tài)響應與局部貝塞爾曲線的參數之間的關系。局部凸輪輪廓通過通用算法優(yōu)化，使得在閥打開階段的加速度峰值明顯減小。 17.機械工程師手冊 本書具體的介紹了凸輪的類型、基本結構、運動規(guī)律、壓力角、基圓半徑、凸輪廓線和刀具、中心軌跡等內容以及涉及到的各種算法。 二.本課題采用的研究方法 綜合比較上述文獻，最終決定用解析法設計凸輪廓線并用Visual?Basic語言來進行凸輪的參數化設計。原因如下： 幾何法簡便、直觀，但其效率低，繪出的凸輪輪廓誤差大，難以獲得凸輪輪廓曲線上各點的精確坐標。所以按幾何法所得輪廓數據加工的凸輪只能應用于低速或不重要的場合。對于高速凸輪或精確度要求較高的凸輪，必須用解析法設計凸輪廓線。所謂用解析法設計凸輪廓線，就是根據工作所要求的從動件的運動規(guī)律和已知的機構參數，建立凸輪理論輪廓曲線、實際輪廓曲線以及加工刀具中心軌跡的坐標方程，并精確地計算出凸輪輪廓曲線或刀具運動軌跡上各點的坐標值來擬合凸輪輪廓，以適合在數控機床上加工。解析法繪出的凸輪輪廓誤差相對較小，但計算量大。計算量大這個問題可以用計算機輔助設計來彌補。所以選用解析法來設計凸輪廓線。VB能完成一般用戶要求的所有功能，在客戶端不需要安裝什么環(huán)境，簡單易學，操作簡單，界面簡潔一目了然，用起來方便，并且快速高效的產出率更是其他編程語言無法比擬的，所以選用Visual?Basic語言來進行凸輪的參數化設計。 典型的凸輪結構是由主動凸輪、從動推桿和機架所組成的三構件高副機構。凸輪機構是生產中最常用的構件之一，它廣泛用于內燃機、輕工機械和自動機等各種機械。機構結構簡單緊湊，設計較方便；幾乎能實現從動推桿為任何預期運動規(guī)律的往復移動或往復擺動；但高副元素接觸處的潤滑條件較差，接觸應力大，易磨損；且當凸輪機構用于高速時，動力特性較復雜，相應的機構精確分析和設計也較困難。 盤形凸輪分為直動推桿和擺動推桿。 推桿運動規(guī)律是指推桿的角位移、角速度、角加速度等隨凸輪轉角或時間變化的規(guī)律。一般當凸輪轉過一整周時推桿完成一個循環(huán)運動。在設計凸輪結構前，一般先給定推桿的運動規(guī)律，因為推桿運動規(guī)律不僅關系到凸輪的廓線形狀和尺寸，同時還影響凸輪機構的動力特性和使用。 盤形凸輪輪廓曲線的設計： 反轉法概念：以直動凸輪為例，在設計的時候，通常假定凸輪固定、推桿繞凸輪旋轉，并考察他們的相對運動。而推桿相對于凸輪旋轉的方向（假定的方向），與凸輪相對于機架的實際旋轉方向是相反的。故名“反轉法”。 反轉法的原理：假想給整個凸輪機構加一公共角速度-ω，不影響各構件之間的相對運動。此時，則凸輪相對靜止不動，推桿一方面隨導軌以-ω繞凸輪軸心轉動，另一方面又沿導軌作預期的往復移動，推桿尖頂在這種復合運動中的運動軌跡即為凸輪輪廓曲線。 圖解法是根據反轉法原理作出從動件推桿尖頂在反轉運動中依次占據的各位置，然后作出其高副元素所形成的曲線族，并作從動件高副元素所形成的曲線族的包絡線，即是所求的凸輪輪廓曲線。? 當給整個機構加一個共同的運動時，各構件的絕對運動發(fā)生了變化，但各構件的相對運動卻并不改變，各構件的相對尺寸亦不改變。因而，對轉化后的機構進行設計的結果與對原機構進行設計的結果是相同的。實現這種轉化的方法就是機構倒置或反轉法。反轉法的本質就是改變參考系，是許多機構的構型設計及機構運動學和動力學分析的一種基本方法。其中,在凸輪機構中的應用最典型。凸輪機構的設計原理對于凸輪機構，如果根據工作要求和結構條件選定了凸輪機構的形式、基本尺寸，推桿的運動規(guī)律和凸輪的轉向，凸輪機構的設計就是凸輪輪廓曲線的設計了。凸輪輪廓曲線無論是采用解析法還是采用作圖法設計都采用“反轉法”原理。給整個凸輪機構加一個與凸輪角速度等值反向的公共角速度-ω，使其繞軸心O轉動，根據相對運動原理，這時凸輪與推桿的相對運動不變，內作預期的運動，推桿尖頂在這種復合運動中的軌跡就是所要求凸輪的廓線。反轉法原理的2種應用：? 1. 偏置滾子直動推桿盤形凸輪機構的輪廓曲線 在求出壓力角及基圓半徑的基礎上根據公式求出理論廓線及實際廓線。 （1） 對于對心推桿可在式中令e=0。 （2） 實際廓線中滾子半徑rg前上下兩組符號分別對應于外凸輪和內凸輪兩種情況。 （3） s（Φ）為推桿運動規(guī)律。 滾子中心（理論廓線）方程 x=[s0+s（Φ）]sinΦ+ecosΦ y=[s0+s（Φ）]cosΦ-esinΦ s0=根號下（r02-e2） 實際（工作）輪廓線方程 xc=x±rgy/根號下（x2+y2） yc=x-（+）rgx/根號下（x2+y2） x=[s0+s（Φ）]cosΨ+（ds/dΦ-e）sinΦ y=-[s0+s（Φ）] sinΨ+（ds/dΦ-e）cosΦ 2.平底直動推桿盤形凸輪機構的輪廓曲線? 在求出壓力角及基圓半徑的基礎上根據公式求出理論廓線及實際廓線。 （1） 平底底面長為L，L=2|（ds/dΦ）|max+（2~5）mm （2） s（Φ）為推桿運動規(guī)律 推桿平底中點B的運動軌跡方程 x=[r0+s（Φ）]sinΦ y=[r0+s（Φ）]cosΦ 工作廓線方程 xc=[r0+s（Φ）]sinΨ+（ds/dΦ）cosΦ yc=[r0+s（Φ）]conΨ+（ds/dΦ）sinΦ 審 核 意 見 指導教師評閱意見（對選題情況、研究內容、工作安排、文獻綜述等方面進行評閱） 簽字： 年 月 日 教研室主任意見 簽字： 年 月 日 學院教學指導委員會意見 簽字： 年 月 日 公章：