面向凸轮的计算机辅助设计、制造及其动力学分析
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面向凸轮的计算机辅助设计、制造及其动力学分析,面向,凸轮,计算机辅助设计,制造,及其,动力学,分析
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外语文献翻译 翻译名称 凸轮机构翻译原文 系 别 机电工程系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 161004班 姓 名 贠 悦 指导教师 张永红 摘要这项工作提出一个系统化的方法通过使用Bezier曲线的输入速度轨迹，以提高板凸轮机构的运动学和动力学特性。该运动学和动力学设计的变速板凸轮机构的分析模型 首先推导。凸轮的速度轨迹通过使用贝塞尔曲线获得的。然后,以运动学和动力学的设计融入运动适应和降低的方法在基于多目标优化的同时输入转矩被提出。两个考试提供了普莱斯的设计模型来说明设计过程。最后，通过实验建立建立，以及相关特征数据进行测量，以验证所提出的设计用于变速板凸轮机构。关键词：变速输入，贝塞尔曲线，凸轮机构，运动学设计，动态设计，多目标优化1引言凸轮机构广泛用于各种机器中，由于特定的 计方法可以用来产生更好的运动特性。此外，更多的，追随者可以通过简单的凸轮轮廓来驱动各类运动。传统上，凸轮机制通常被设计在一个常数输入速度运行。其跟随由凸轮从动直接以实现所需的运动。凸轮机构的动力源是电动机，其高度依赖于惯性力和外部负载的输入转矩。如果输入扭矩的增大，输出的动态特性将受到影响。传统的方法来改善运动学和动力学特征（上）凸轮机构是修订凸轮轮廓或添加其他机制1-4。目前，伺服电机可以灵活地适应驱动时的速度。如果电机可以具有可变的速度运行时，运动特性可以在不改变凸轮轮廓得到改善。有了这样一个概念，输入转速函数必须有足够的提供。如今，伺服电机可以灵活地适应驱动时的速度。如果电机可以具有可变的速度运行时，运动特性可以在不改变凸轮轮廓得到改善。有了这样一个概念，输入转速函数必须有足够的灵活性，各种机制提供的。贝塞尔曲线的高阶可微连续函数，是由一组控制点确定。它的形状投到由控制点的配置直观地实现。此外，该曲线允许该运动是连续的。三共制作所公司5公布一个拾取和放置和索引装置与伺服马达来平滑输出运动的形状，并减少了加速度的峰值。 吴等人。6提出的设计方法的转换凸轮与变化 - ing输入速度通过一个偏移曲柄滑块机构提供。燕仔7提出的方法具有可变输入速度提高运动 板式凸轮机构的特点。燕和叶8利用傅里叶级数的输入提高了平板凸轮机构的动态特性 速度轨迹。这项工作打算运动学和动力学的设计使用贝塞尔曲线凸轮的输入速度功能集成。2分析运动学和动力学的外观设计考虑一个具有互易滚子从动件与图1所示的板的凸轮机构。1，其中d为直径器eter从动轴，S随动位移，L1-是轴承和滚子之间的距离，L2上的轴承之间的距离，rf辊半径，rb 凸轮的基圆半径，e为偏置，凸轮和从动之间的压力角。跟随偏移量s（t）的可表示为凸轮角位移（t）的函数g（）和时间t作为s(t) = g (t ) （1）随速度v（t）和加速度a（t）的可以通过区分方程（1）关于时间t的连续获得 （2） （3） 其中函数和是从动位移的第一和第二阶导数 函数g（）相对于凸轮角位移的分别。凸轮角速度和加速度分别为第一和第二阶衍生物凸轮角位移的相对于时间t，分别即和. 简化了凸轮机构的分析过程中，从动位移，速度和加速度进行归一化。当跟随完成一个上升或下降的总行程H运动，在一个时间周期一种几何曲线，凸轮也转动一个角度在同一时期。归一化时间T，归一化从动件位移S（T），和归一化的凸轮转角（T）可以被定义为 (4) (5) (6)所有 T0，1，t0， ，s0，1，s0，h，0，1，和0, 对方程（1）的基础 （3），归一化的追随者位移S（T），速度 V（T）和加速度A（T）可以表示为 (7) (8) (9) 其中G（）是归一化位移随 功能。和是所述第一和第二 归一化的追随者位移函数就归凸轮阶导数 角位移（T）分别为。归 凸轮角速度（T）和加速度（T）是归一化的凸轮角位移（T）相对于归一化时间的第一和第二阶导数T，分别，即和对于动压的分析，angle凸轮和从动之间可以通过包络线的理论推导9 (10)其中，s为跟随器的一阶导数显示 放置函数g（）相对于凸轮角 位移（t）的RB的凸轮的基圆，射频的 凸轮滚子半径的从动件，以及e偏移。在追随者的自由体图的基础 上，如图凸轮。 2，力和力矩平衡方程可以表示为图2 (11) (12) (13) 其中和是作用于从动轴承势力，的跟随速度，凸轮和从动之间的接触力，弹簧的预紧力，k为弹簧比率，跟随的质量，为在从动摩擦系数和外部负载施加对方程（11）至（13）的基础上，接触力可表示为 （14） 最后，通过考虑的转矩平衡凸轮，从电机的输入转矩Q可以表达为 (15) 3贝塞尔曲线 贝塞尔曲线的形状是由一组控制点的控制。它是一个多项式函数，其顺序取决于点的数量。一个n阶贝塞尔电流已经可以通过n +1个控制点来定义。贝塞尔曲线P（U）的函数可表示为 (16) 其中，是第i个控制的坐标向量 点和u的位置参数在哪个值为0和1。之间是权重函数的控制点，并且可以被表示为 (17) 这里，贝塞尔曲线被用来定义罗塔平板凸轮机构的周志武运动。该归一化的凸轮角速度（T）在一个周期可以由一个n阶贝塞尔曲线来定义 （18） (19) 贝塞尔曲线的一个重要特性是它的n阶微分函数。这个特性可以确保平板凸轮系统的运动学特性 是连续的。归一化凸轮角位移（T）和加速度（T）可以通过整合和分化衍生 方程（18），分别作为 （20） (21) (22) （23）连续功能还允许曲线形状可以灵活地改变，而不改变边界条件。鉴于对运动的上述优点设计，贝塞尔曲线简单和直观性被用来表示凸轮速度轨迹。为归一化的凸轮角位移，则初始规格化凸轮角位移被设定为为零，即（0）=0，并且总的标称凸轮安固-拉尔位移需要是1，即（1）= 1。代这两个要求代入式（20）产量 (24)c=1 (25) 用于凸轮，所述凸轮的连续运动角速度，加速度和加加速度必须等于在开始和结束，即（0）=（1）和（0）=（1），和两个要求可表示为 (26) (27)贝塞尔曲线的影响程度并发症曲线。如果程度越大，则函数可以描述一个更复杂的曲线。由于实验装置的运算速度，一条赛贝尔曲线具有大于16的顺序是不可行的。4个集成的运动学和动力学外观设计运动学和动力学设计的整合优化的运动学和动力学特征，抽动在同一时间。对于多目标优化，约束方法和加权方法是适用。约束方法使用运动特征不等式约束。只有当运动学特性比恒定更好输入速度，输入速度的动态设计功能可以获得.加权法规定的运动学和动力学特性不同的权重的优化目标函数。这里，运动学设计是为了降低峰值值随加速度的，而动态设计是为了减少输入扭矩的峰值电机。4.1约束方法通过比较约束方法整合 运动学和动力学的设计中，目标函数 的操作相同，但约束的方法有一个 附加的约束，这是特征值 具有比使用的恒定输入速度更好。 优化问题可以表示为目标函数：min f (P0, P1, . . . , Pn) = peak|Q| （28）受限制 （29） （30） （31） （32） （33） （34） （35） （36） （37） （38）方程（29）至（36）是从运动学方程的分析中得出（37）是从动态设计派生，并且方程（38）是一个额外的约束约束方法。 4.2加权法 加权方法来确定权重的物体。在这项工作中，优化的结果是具有恒定速度的结果进行比较，并权重可以从结果来确定恒定的速度。的限制是一样的动态设计。优化问题可以写为 目标函数： （39）受约束方程（29）至（37）。在下文中，提供实施例是针对每个设计方法，说明了设计过程。该凸轮随动系统的运动程序是凸轮示于表1中，并且相关的规范机构列于表2。示例1说明了约束方法。平均凸轮速度为200r/min的。一座16次贝塞尔曲线被用来表示归一化的速度轨迹。有17个控制点，它可以是作为设计变量。为优化模型综合运动学的约束方法和凸轮随动系统的表1运动程序。表1运动周期 凸轮转动 位移（mm） 角度（）0-600上升（Ms）60-18025180-2400下降（Ms）240-360-25 动态的设计用公式表示为 目标函数：min f (P1, P2, . . . , Pn) = peak|Q| （40a） 受限制 （40b） （40c） （40d） (40e) (40f) (40g） （40h）归一化凸轮安固的最优化的轨迹 拉尔速度有以下控制点：1.0877，1.2209，1.2139，0.0030，1.5445，2.0000，0.1722，0.0693，1.4878，1.3018，1.5582，0.4812，0.1356，2.0000，0.6814，0.9546和1.0877。 归一化的凸轮的轨迹角位移换货，速度和加速度，从而阻止，通过设计变量开采，示于图。图4（a）所示。相应的跟随运动特性图。图4（b）所示。图4也显示了运动为恒凸轮的速度，其中的特点 可以对比用的设计结果。当变速射体y的施加的峰值 输入扭矩从1.29至1.17为N m下降 由9.24，而正常的跟随器的加速度的峰值是在恒定的相同凸轮速度。例2演示了加权法。该平均凸轮速度也是200转/分。一座16次贝塞尔曲线被用来表示归一化的速度轨迹。有17个控制点作为设计变量。为约束方法的优化模型综合运动学和动力学的设计，然后作为制定 （41a）受约束方程（40b）至（40j）。优化归一化凸轮速度轨迹有 下列控制点：1.0479，1.2097，1.4334，0.0000，1.0128，2.0000，1.0416，-0.0000，0.2368，2.0000，2.0000，0.1220，0.1754，2.0000，0.7865，0.8862，以及1.0479。图5示出的输入转矩。归一化的凸轮角位移，速度轨迹，和加速度，这由设计确定变量，示于图。图6（a）。相应的跟随运动特性示于图图6（b）所示。图6也显示了其运动特性恒定凸轮速度，可对比的设计结果。当可变速度轨迹是应用，输入扭矩的峰值被降低 从1.29到8.7，1.18为N m，并且峰值的归一化从动加速度减小从49.75到47.524.5。仪器规格类型厂家控制器的DSP板和接口面板1TI TMS320C31 DSP b板控制板：DS1102dspace2四个A/D和四个A/D转换器连接面板：CP11023两个增量传感器连接器伺服电机和驱动机额定输出功率：2KW额定力矩：9.54NM额定转速：2000r/min转力惯量：0.00152kg.m2电机：MDMD202PIGPanasonic光电编码器1. 2500脉冲/转2. 10000分辨率/圆增量Panasonic光学尺精度3分辨率：0.08最大测量长度70mmLIF471Heidenhain扭矩传感器容量：50Nm输出：1.499mv/vTP-5KMCBKyowa称重传感器容量：200N输出：0.985mv/vLMA-A-200NKyowa应变传感器励磁：10v放大倍数：1000倍WGA-100B-01A110Kyowa5实验结果与讨论 除了平板凸轮机构，硬件为实验系统还包括控制器板与板连接器，伺服电机和电机驱动器，光学编码器，光学线性标尺，一个扭矩传感器，负载传感器，两个应变放大器和一台个人计算机，如图所示。 7,本相关规范列于表3。实验结果证明在可行性 现实的应用程序与该凸轮的旋转在 设计速度轨迹。图8至图11展示 所得到的实验数据，包括凸轮安固- 拉尔位移，凸轮角速度，凸轮角加速度，位移的追随者，跟随速
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