弧面凸轮三维CAD及其修形研究
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摘要
弧面凸轮机构既可用作精确的高速间歇分度机构，也可用作
高效、大扭矩的减速装置，目前已广泛应用在烟草机械、包装机械、
加工中心换刀机械手等各种自动机械中，是一种很有发展前途和
应用前景的高速凸轮机构。
弧面凸轮机构是由美国人C.N.Neklutin于二十世纪二十年
代发明的。前苏联、英国、匈牙利、瑞士、日本等国也相继对弧
面凸轮机构进行了研究，并成立有专门的生产厂家和研究机构。
我国对弧面凸轮机构的研究起步较晚，直到70年代末期才开始相
关的研究工作，已在弧面凸轮的设计、检测、制造等方面取得了
丰硕的成果，特别是对新型结构的弧面凸轮进行了大量的探索。
本文从运动几何学、结构设计、动力学、制造和检测等方面
对国内外弧面凸轮机构的研究进展进行了全面综述，详细论述了
高速凸轮机构的运动规律和弧面凸轮机构基本尺寸的确定，基于
空间曲面共轭啮合原理，通过齐次变换推导了外弧面凸轮的曲面
方程和压力角方程，并提出了对应的廓面修形算法；提出了内弧
面凸轮机构的构想，推导了内弧面凸轮的曲面方程和压力角方程。
利用UG软件的二次开发模块开发了两种不同结构的弧面凸轮的
三维CAD软件。
The globoidal cam mechanism is a kind of high speed cam mechanism with bright future in application. It can be used as high speed intermittent indexing with great accuracy, or used as efficient large torque reducer. And now it has been applied comprehensively in many automotive machines, such as tobacco machines, packaging machines , automatic tool changers of CNC machines, and so on.
Globoidal Cam Mechanism(GCM) was invented by C.N.Neklutin, an American in the 1920s. USSR, U.K, Hungary, Switzerland and Japan began to study it successively, and founded special academy agencies and manufactories. Though our country was late to study it, which began until the late 70s, we have acquired great progress in the design ,examine, manufacture of GCM, especially in the explore of its novel structure.
From the aspect of geometry, structure design, manufacture and examine, this paper generally summarizes the GCM's study progress in detail, discusses its kinetic rule and the determination of its primary structure parameter, and educes its surface equation and pressure angle equation based on the homogeneous matrix transformation and the conjugate engagement theory of spatial surface. On the basis of geometry study of GCM, the paper makes a comprehensive analysis to the interference phenomenon that will possible exist in the assemble course of two different structure of GCM with the help of Matlab software. Furthermore, the paper constructs a 3D CAD software of two different structures of GCM using the redevelopment module of UG . the paper explores the inner globoidal cam, educes its profile equations and pressure angle equations, and programs its 3D CAD software applying the redevelopment module of UG too .
高效、大扭矩的减速装置，目前已广泛应用在烟草机械、包装机械、
加工中心换刀机械手等各种自动机械中，是一种很有发展前途和
应用前景的高速凸轮机构。
弧面凸轮机构是由美国人C.N.Neklutin于二十世纪二十年
代发明的。前苏联、英国、匈牙利、瑞士、日本等国也相继对弧
面凸轮机构进行了研究，并成立有专门的生产厂家和研究机构。
我国对弧面凸轮机构的研究起步较晚，直到70年代末期才开始相
关的研究工作，已在弧面凸轮的设计、检测、制造等方面取得了
丰硕的成果，特别是对新型结构的弧面凸轮进行了大量的探索。
本文从运动几何学、结构设计、动力学、制造和检测等方面
对国内外弧面凸轮机构的研究进展进行了全面综述，详细论述了
高速凸轮机构的运动规律和弧面凸轮机构基本尺寸的确定，基于
空间曲面共轭啮合原理，通过齐次变换推导了外弧面凸轮的曲面
方程和压力角方程，并提出了对应的廓面修形算法；提出了内弧
面凸轮机构的构想，推导了内弧面凸轮的曲面方程和压力角方程。
利用UG软件的二次开发模块开发了两种不同结构的弧面凸轮的
三维CAD软件。
The globoidal cam mechanism is a kind of high speed cam mechanism with bright future in application. It can be used as high speed intermittent indexing with great accuracy, or used as efficient large torque reducer. And now it has been applied comprehensively in many automotive machines, such as tobacco machines, packaging machines , automatic tool changers of CNC machines, and so on.
Globoidal Cam Mechanism(GCM) was invented by C.N.Neklutin, an American in the 1920s. USSR, U.K, Hungary, Switzerland and Japan began to study it successively, and founded special academy agencies and manufactories. Though our country was late to study it, which began until the late 70s, we have acquired great progress in the design ,examine, manufacture of GCM, especially in the explore of its novel structure.
From the aspect of geometry, structure design, manufacture and examine, this paper generally summarizes the GCM's study progress in detail, discusses its kinetic rule and the determination of its primary structure parameter, and educes its surface equation and pressure angle equation based on the homogeneous matrix transformation and the conjugate engagement theory of spatial surface. On the basis of geometry study of GCM, the paper makes a comprehensive analysis to the interference phenomenon that will possible exist in the assemble course of two different structure of GCM with the help of Matlab software. Furthermore, the paper constructs a 3D CAD software of two different structures of GCM using the redevelopment module of UG . the paper explores the inner globoidal cam, educes its profile equations and pressure angle equations, and programs its 3D CAD software applying the redevelopment module of UG too .
引文
[1] 施永乐．蜗杆凸轮式高速间歇运动机构啮合特性的研究．东北工学院学报，1983(4)：53-65．
[2] 赵韩，梁锦华．蜗杆凸轮机构的啮合原理及几何特性分析．合肥工业大学学报，1985(1)：58-69．
[3] 肖正扬，彭国勋，王其超．滚子齿式空间分度凸轮机构的研究．西北轻工业学院学报，1989(3)：1-10．
[4] 杨方．弧面凸轮分度机构的啮合理论分析．大连轻工业学院学报，1995(3)：46-52．
[5] 黄寿荣，黄家贤等．弧面分度凸轮的张量法设计．机械设计，1995(8)：5-7．
[6] 王其超，肖正扬．弧面分度凸轮机构啮合特性的研究．机械设计，1993(5)
[7] 王海燕，赵汝嘉等．弧面分度凸轮理论轮廓面的计算．组合机床与自动化加工技术，1999(3)
[8] 王其超．点接触式高速弧面分度凸轮机构的设计．大连轻工业学院学报，1992(3)：85-89．
[9] 王其超，马骊敏，肖正扬．新型点啮合式弧面分度凸轮机构的设计与制造．机械科学与技术，1996(2)：203-206．
[10] 陶学恒，王其超，肖正扬．点啮合弧面分度凸轮机构装置性能的实验研究．机械科学与技术，1997(2)：315-318．
[11] 王其超，陶学恒，肖正扬．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)：19-24．
[12] 陶学恒，刘健，肖正扬，王其超．包络蜗杆分度凸轮机构的啮合原理及分析．大连理工大学学报，1999(5)：662-666．
[13] 陶学恒，肖正扬，王其超．新型平面包络蜗杆式分度凸轮机构的原理与分析．机械械科学与技术，2000(2)：
174-176．
[14] 曹西京，葛正浩，曹巨江．超薄型弧面凸轮钢球减速机的设计与研究．机械制造，2001(9)：19-21．
[15] 王其超．抗冲击载荷的弧面分度凸轮机构设计．制造技术与机床，1996(2)：38-39．
[16] 赵韩．考虑动力学特性的弧面分度凸轮机构的CAD．农业机构学报，1994，增刊：8-12．
[17] 陶学恒，肖正扬．弧面凸轮分度机构动力学模型的理论探讨．大连轻工业学院学报，1996(3)：22-30．
[18] 贺炜，祁广利等．弧面分度凸轮机构传动系统动态响应的实验研究．西北轻工业学院学报，1998(3)：1-7．
[19] 贺炜，彭国勋等．弧面分度凸轮机构传动系统非线性动力学特性研究．机械工程学报，2000(11)：33-38．
[20] 吴义忠，李广安．弧面分度凸轮机构动力学特性的研究．机械设计，1998(8)：12-14．
[21] 沈煜，杨玉虎等．含间隙的凸轮分度机构动力学分析．机械科学与技术，2001(5)．
[22] 彭国勋．弧面凸轮精密磨削装置研制成功，包装机械，1995(4)：47．
[23] 陈桦，赵汝嘉，曹西京等．弧面凸轮轮廓面的一种精密加工方法，机械工艺师，1999(8)．
[24] 丁毅，曾珊琪等．在普通镗床上实现蜗形凸轮加工的专用数控转台．西北轻工业学院学报，1996(4)：57-61．
[25] 陈立群，王海军等．大中心距弧面凸轮的数控加工．西北轻工业学院学报，2001(1)：44-45
[26] 周定伍，王建强．弧面凸轮五轴联动数控行星磨削设备应用．航空制造技术，2001增刊：52-54．
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西北轻工业学院学报，1990(4)．
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[31] 何有钧，邹慧君等．空间凸轮刀位补偿加工方式中理论加工误差的研究．中国机械工程，2001(9)
[32] 邹慧君，何有钧等．空间凸轮的两重包络法加工原理初探．机械传动，1999(4)
[33] 杨玉琥，陈飚等．高精密分度机构检测系统．天津大学学报，1994(5)
[34] 郝英慧，马卫华等．弧面分度凸轮廓面加工精度分析．吉林工业大学学报，1996(2)：102-105
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[51] Tsay, D.M. and Lin, B.J. Design and Machining of Globoidal Index Cams, ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol. 119, 1997, pp. 21-29
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[55] 曹志奎，张保刚．空间分度凸轮机构的CAD及其压力角分析．传动技术，1998(4)：15-22．
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[60] 马秋成，韩利芬等．UG实用教程，机械工业出版社，北京，2001年．
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[65] TAKAHIRO Website. www. takahiro. co. jp/en/
[66] Otsuka Hi-Tech Introduction of Products. www. otsukahi-tech. co.jp/English/e-prodoo. htm
[67] Solutions In Motion Solution In Motion. www. Fergusonco. com/pdf/custom cam. pdf
[68] CAMTRON DS Series. www. sankyo-seisakusho. co. jp
[69] COLOMBO FILIPPETTI SPA. www. it-transmission. com/download/catalogues/colombo/ CF-introduction. pdf
[2] 赵韩，梁锦华．蜗杆凸轮机构的啮合原理及几何特性分析．合肥工业大学学报，1985(1)：58-69．
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[6] 王其超，肖正扬．弧面分度凸轮机构啮合特性的研究．机械设计，1993(5)
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[8] 王其超．点接触式高速弧面分度凸轮机构的设计．大连轻工业学院学报，1992(3)：85-89．
[9] 王其超，马骊敏，肖正扬．新型点啮合式弧面分度凸轮机构的设计与制造．机械科学与技术，1996(2)：203-206．
[10] 陶学恒，王其超，肖正扬．点啮合弧面分度凸轮机构装置性能的实验研究．机械科学与技术，1997(2)：315-318．
[11] 王其超，陶学恒，肖正扬．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)：19-24．
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[13] 陶学恒，肖正扬，王其超．新型平面包络蜗杆式分度凸轮机构的原理与分析．机械械科学与技术，2000(2)：
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[27] 彭国勋，肖正扬，王其超．滚子齿传动机构空间凸轮的数控加工．组合机床与自动化加工技术1990(6)．
[28] 王其超，曹巨江等．滚子齿形凸轮机构的计算机辅助制造．
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[49] Backhouse, C. J. and Rees Jones, J. Envelope Theory Applied to Globoidal Cam Surface Geometry Where Cutter Tool and Follower Diameter Differ, Proceedings of the VDI Conference-Kurvengetriebe, Mannheim, Germany, November 1990, 173-184.
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[68] CAMTRON DS Series. www. sankyo-seisakusho. co. jp
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