（机械电子工程专业论文）平面盘型凸轮机构智能设计和仿真系统的研究及开发.pdf

摘要 本文运用人工智能、专家系统原理和模糊数学的方法开发了一个平面盘形凸轮 机构智能设计和仿真系统- - i d s s p d c m ( i n t e l l i g c n td e s i g na n ds i m u l a t i o ns y s t e m f o rp l a n a rd i s cc a mm e c h a n i s m ) ，系统能够对盘形凸轮机构的从动件运动规律和凸 轮基本尺寸智能选择及设计，实现了常用盘形凸轮机构的设计，并进行了仿真分析 和数控编程的研究。 从动件运动规律的设计是凸轮机构设计的基础。本系统对凸轮机构从动件运动 规律的选择进行了较为详尽的探讨。通过研究，归纳总结了从动件运动规律的规则 和特性值，建立了知识库和推理机，提出了对从动件运动规律进行了模糊评判优化 的方法，这些是智能设计系统进行合理设计的基础，体现了系统设计的准确性和智 能性。 对凸轮基本尺寸进行了优化，根据从动件的类型不同对凸轮进行分类设计，实 现了凸轮设计的通用性和实用性。 智能设计系统使用面向对象的数据库编程技术，以m i c r o s o f t 开放式数据连接 ( o d b c ) 模型为基础，结合使用m i c r o s o i t a c c e s s 数据库创建工具，创建了智能系统 的知识库及知识库管理系统，具有良好的可维护性和可扩充性。 ： 研究了i d s s p d c m 与a u t o c a d 和u gn x 系统之间的信息交换技术，通过对 设计结果数据文件的转换实现了在a u t o c a d 2 0 0 5 和u gn x 3 0 中的实体造型及加 工仿真和数控编程，自动生成n c 代码，从而验证了设计结果的精确性和可行性。 以w i n d o w sx p 为平台，使用面向对象编程工具v i s u a l c + + 6 0 ，编制了大量源 程序，实现了整个智能设计系统。通过列举算例，说明了本智能设计系统的使用方 法。本系统将平面凸轮的设计、仿真和制造集成一体，可以较好的实现数据共享， 提高了设计和制造的工作效率。有效降低了制造成本，有较强的实用性。 关键词：盘形凸轮，智能设计，专家系统，模糊评判，加工仿真，数控编程 i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l eo f a la n de s ，a n dm e t h o do ff u z z ym a t h e m a t i c sa r eu s e d t o d e v e l o p a n i n t e l l i g e n td e s i g n a n ds i m u l a t i o n s y s t e mo fp l a n a r d i s cc a m m e c h a n i s m 0 d s s p d c m ) t h i ss y s t e mc a ni n t e l l i g e n t l ys e l e c ta n dd e s i g nt h ef o l l o w e r s m o t i o nl a w sa n dc a ms i z ef o rt h ep d c m a c c o r d i n gt ot h a t ，t h ed e s i g no fp d c m ， m a c h i n i n gs i m u l a t i o na n dn cp r o g r a m m i n g a r er e a l i z e d c a md e s i g ni sb a s e do nt h ed e s i g no ff o l l o w e r sm o t i o nl a w s t h ep a p e rd i s c u s s e si t i nd e t a i l s s o m er u l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m m o nm o t i o nl a w sa t ec o n c l u d e d ，a n d b u i l dt h ek n o w l e d g er e p o s i t o r ya n dr e a s o n i n gm a c h i n e ，a n dp u tf o r w a r dam e t h o do f f u z z ye v a l u a t i o nt os e l e c tm o t i o nl a w st h r o u g ht h er e s e a r c h t h e s ea r et h eb a s eo f r e a s o n a b l ed e s i g nf o rt h ed i s cc a mm e c h a n i s m a c c o r d i n gt o t h ec l a s s i f i e dd e s i g nf o rd i f f e r e n tf o l l o w e r sm o t i o nt y p e s ，t h e c o m m o nu s ea n dp m c t i c a b i l i t yo fc a md e s i g nc a l lb ea c h i e v e dt h r o u g h 。o p t i m i z i n gt h e c a ms i z e t h i si n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e mu s e st h et e c h n o l o g yo fo b j e c t o r i e n td a t a b a s e b a s e d 0 1 1t h em o d e lo fm i c r o s o f to p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ( o d b qa n dm i c r o s o f ta c c e s s s o f t w a r e ，t h ek n o w l e d g eb a s eo fi d s s p d c ma n dt h em a n a g es y s t e m o fi ta l e c o n s t r u c t e d t h e 、s y s t e me s t a b l i s h e si n t e g r i t yd a t a b a s eh a v i n gs t r o n ge x t e n s i b i l i t ya n d m a i n t a i n a b i l i t y i n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e ni d s s p d c ma n du gn x 3 0h a sb e e ns t u d i e d e n t i t y s c u l p ta n dm a c h i n i n gs i m u l a t i o no ft h ed e s i g nr e s u l ta n dn cp r o g r a m m i n gc a nb e r e a l i z e di na u t o c a d 2 0 0 5a n du gn x 3 0 b ys t u d y i n g i n t e r f a c ed a t af i l e so f a u t 0 c a d 2 0 0 5a n du gn x 3 0 t h e nv a l i d a t et h ea c c u r a c ya n df e a s i b ! l i t y0 ft 1 1 er e s u l to f d e s i g n w i t ht h et o o lo fv i s u a l c + + 6 0 ，t h ei d s s p d c mi sa c h i e v e dt h r o u g hp r o g r a m m i n g o nt h ew i n d o w sx pp l a t f o r m s o m ee x a m p l e sa r cg i v e ni no r d e rt oe x p l a i nt h eu s eo ft h e i d s s p d c m md e s i g n ，s i m u l a t i o na n dm a n u f a c t u r ea r ei n t e g r a t e d ，s ot h es y s t e mc a i l s h a r et h ed a t u m ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c y , r e d u c et h ec o s ta n de n h a n c et h ep r a c t i c a b i l i t y k e yw o r d s ：p l a n a rd i s cc a n l ，i n t e l l i g e n td e s i g n ，e x p e r ts y s t e m ，f u z z ye v a l u a t i o n ， m a c h i n i n gs i m u l a t i o n ，n cp r o g r a m m i n g 1 i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 时间：“年 日 1 1 本文的研究背景及意义 第一章绪论 凸轮机构与齿轮机构和连杆机构等都是机械传动的常用机构，和其他机构所不 同的是，凸轮机构由于具有设计方便、结构简单紧凑、控制准确有效、性能稳定和 适应性强，所以凸轮的应用几乎遍布各个相关机械行业。由于凸轮机构与其它机构 配合可以实现复杂的运动要求等特点，故凸轮机构在高速度高精度传动和分度运动 中具有无可替代的优越性，难以被其它机构所取代，例如在自动包装机、自动成型 机、自动装配机、自动机床进刀机构、内燃机配气机构、上料机构、制动机构以及 印刷机、纺织机、插秧机、闹钟、各种电气开关中广泛应用。 平面盘型凸轮机构在凸轮机构中占有相当大的比重，因而对它的研究也更具有 代表性。平面凸轮机构设计的关键技术是凸轮廓线的设计和制造，只要正确地设计 出凸轮的轮廓曲线，就可以使从动件得到各种预期的运动规律，而且结构简单。平 面凸轮机构设计的方法主要有图解法和解析法，图解法简单、直观、概念清晰，但 缺点是误差较大，作图繁琐，不能满足高速精密凸轮的设计要求；解析法可得到精 度高的设计结果，但计算却比较复杂，直观性较差。但随着计算机的普遍使用及其 应用技术的发展，凸轮机构的计算机辅助设计( c a d ) j e 逐步取代图解法。当前对凸 轮机构的c a d 研究出现较多，有针对凸轮机构从动件运动规律的c a d 研究i 卜4 】， 有针对某种从动件类型的凸轮机构c a d 研究”】，有针对凸轮轮廓的c a d 研究刚0 1 ， 以及凸轮机构一体化c a d c a m 系鲥4 2 】。对设计人员来讲使用凸轮机构一体化 。狮c a m 系统来解决实际问题才更具有实际意义，而目前的凸轮机构c a d ，c a m 系统中所采取的方法大都是试算法，即在这种方法中避开了凸轮机构基本尺寸的设 计，而由设计人员初始给定基本尺寸，然后由系统进行不断的试算，最后得到比较 满意的设计结果。因此这些系统就存在着设计速度慢、设计人员在确定基本尺寸时 带有盲目性等缺点。并且由于凸轮机构不是标准机构，种类多、应用广、设计质量 与设计者的水平和经验有密切关系，且有许多知识不能公式化，所以应用凸轮机构 c a d c a m 系统有时效果并不理想，但如果在凸轮机构c a d c a m 中引入专家系统 却可以获得较为理想的结果【i3 1 。因此给设计人员提供一种凸轮机构智能设计系统， 使他们在进行凸轮机构设计时能智能的选择参数进行设计，并能对所设计的结果进 行实体造型、加工仿真，使设计人员能在设计阶段就能对最终产品进行预测或检验， 些耋墨三盔兰堡圭篓堡篁塞，。，。! ，：。：。，。，。一! ，；。坚丝鎏。 就更具有实际意义。 目前有关平面凸轮机构设计专家系统的研究出现较少，文献 1 4 应用人工智能 原理和专家系统技术，结合传统c a d 、优化设计方法，提出凸轮机构设计的设计模 型、控制策略和系统结构，建立了凸轮机构设计专家系统。但该系统只是一个专家 系统原形，知识库有待进一步充实。文献【1 5 】运用面向对象技术和专家系统原理建 造了凸轮机构设计专家系统，该系统采用了模块化结构，各模块相互独立，一个模 块的修改和扩充对其它模块影响不大，但系统没有与c a d c a m 软件之间形成接 口，没有实现对凸轮的仿真加工。本文采用了数据库编程技术、专家系统创建技术 和模糊技术，使用面向对象的可视化编程工具v i s l l a l c + + 6 0 开发了平面盘型凸 轮机构智能设计系统，从而实现了凸轮机构设计智能化，并且在a u t o c a d 2 0 0 5 和 u g n x 3 0 环境下实现了凸轮机构的实体造型、加工仿真和自动编程。 1 2 国内外研究现状及存在问题 从f u r m a n 最早在其专著中系统介绍凸轮机构设计原理开始，到现在凸轮机构 c a d c a m 系统的建立，人们经历了由经验设计的初级阶段，到优化设计和计算机 辅助设计与制造的高级发展阶段。在此发展过程中，有关凸轮的专著和研究论文不 断涌现，在诸多方面国内外学者都进行了广泛而深入的研究。 1 2 1 国外凸构的研究情况 自上世纪三十年代以来，人们就开始了对凸轮机构的研究，并且研究工作随着 新技术、新方法的产生和应用在不断深化。6 0 年代后，对凸轮的研究逐步成熟起来。 出现了较完整的运动规律的设计，在梯萨尔的著作中就采用了多项式运动规律。对 凸轮机构的研究不断向纵深方向发展，开始对凸轮进行有限元分析【1 6 1 及非线性问题 的研究t ”】，同时，欧美各国学者对高速凸轮的研究也有新的突破，许多学者发表了 关于凸轮机构的优化设计、凸轮振动、动态响应等方面的论文。 日本在凸轮机构方面的研究也有巨大贡献。在机构设计方面，致力于寻求凸轮 机构的精确解和使凸轮曲线多样化，以适应新的要求。并加强了对凸轮机构动力学 和振动方面的研究和标准化研究，发展成批生产的标准凸轮机构，在此基础上进一 步拓展凸轮机构c a d c a m 系统。日本学者们充分利用凸轮机构的特点，将研究成 果很好地应用到实际的产品开发中。 国外许多学者对凸轮c a d c a m 系统进行了研究，美国、日本等国家的一些凸 轮制造企业也开发了供本企业使用的凸轮c a d c a m 系统，有的还形成了商业化软 ，生童矍三查兰堡圭兰i l i 坚，。耋= 耋。篁鎏 件，如日本s u n c a l l 公司开发的h y m o c a m 系统等。 1 2 2 我国凸轮机构的研究概况 我国对凸轮机构的应用和研究也有多年的历史，对凸轮机构的设计、运动规律、 轮廓线、动力学、优化设计等方面的研究都有相关的论文发表。但是，与先进国家 相比，我国对凸轮机构的设计和制造上都还存在较大的差距，尤其在制造方面，国 外也只是集中在少数的几家公司和科研机构中，而且由于技术保密等因素，具有一 定参考价值的相关资料很少公开发表，这样就在无形中制约着我国凸轮机构设计和 制造水平的提高，造成高速、高精度的凸轮机构必须依赖进口的被动局面。 随着c a d c a m 技术在机械领域应用的日趋成熟和广泛，在国内也出现了一些 研究凸轮机构c a d c a m 系统的文献，如文献 1 - 8 1 9 ，采用面向对象的参数化程序 设计方法，设计出了主要包括工作机构运动循环图和运动规律设计、从动件系统设 计、凸轮机构的运动学分析、条件校核、结构设计以及结果输出等内容的平面凸轮 的c a d 软件，实现了凸轮的计算机辅助设计。文献 2 0 2 2 1 ，则是在凸轮机构c a d 系统的基础上研究针对某种凸轮机构的c a d c a m 系统，实现了凸轮设计、凸轮数 控加工一体化，进一步提高了凸轮c a d c a m 技术的实用性。但这些凸轮的 c a d c a m 系统核心技术仅被某些企业所有，并未在市场上以商品软件的形式出现。 1 2 3 存在的问题 通过调研以及查阅大量文献资料。现有的平面凸轮c a d c a m 系统存在如下问 题： 1 在平面凸轮设计理论和设计方法上，大多设计模型只考虑凸轮机构的几何、 运动关系，其功能、工况条件、经济性和精度等多方面的信息考虑较少。 2 现有大多数凸轮机构的设计方法一般只能设计某种或某几种凸轮机构，效率 不高，适应性不强，通用性差。 3 由于软件开发更新的速度慢。远远跟不上当今计算机硬件的发展速度，使得 现有平面凸轮机构c a d c a m 应用软件己大为落后，不能适应实际生产的需要。 4 现有的一些凸轮专家系统，其知识库中知识的数量较少，知识的层次也基本 上是单一化的，知识的管理问题欠丰富。 5 凸轮设计的人工智能化技术落后，主要体现在：一是并行与分布式处理技术； 二是知识的获取、表示、更新和推理新机制方面。 6 现有的凸轮c a d c a m 系统的集成化、智能化和网络化很不完善。 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文的主要研究内容 在总结前人工作的基础上，本论文针对现有的平面凸轮机构的c a d c a m 系统 存在的问题进行分析与研究，开发具有智能性和通用性的平面凸轮设计与制造系 统。本文的主要研究内容如下： 1 根据凸轮机构的设计制造要求，确定整个系统主要有凸轮的智能设计模块、 仿真模块和自动编程模块组成。以w i n d o w sx p 为平台，使用面向对象编程工具 v i s u a l c + + 6 0 ，结合m i c r o s o f t a c c e s s 数据库，编制大量的源程序，实现整个系统。 整个系统集凸轮的设计、仿真和制造一体，且系统操作方式简单、用户界面良好并 具有实用性。 2 智能设计模块采用专家系统和模糊数学的知识，研究凸轮机构从动件运动规 律，在归纳总结从动件运动规律选择时所需遵循的规则的基础上，采用模糊评判的 方法对从动件运动规律和凸轮基本参数设计进行优化。 3 针对选择从动件的不同将凸轮机构进行分类，分析每类凸轮廓线的设计，系 统根据所选的从动件运动规律及其相关参数，调用其自身的设计函数进行设计，实 现凸轮设计的通用性。 4 凸轮智能设计模块采用面向对象的数据库编程技术，创建智能系统的知识 库，建立知识库管理系统，可以对知识库中的规则进行添加、修改、删除等操作。 5 研究各个模块的组成结构和各模块之间的数据连接技术。运用a u t o c a d 2 0 0 5 和u g n x 3 0 软件进行加工仿真和数控编程，自动生成所需的加工代码，为凸轮的 数控加工制造做好准备。 6 通过列举算例，说明本系统的使用方法。 4 2 1 概述 第二章平面凸轮机构设计与分析 一般来说，进行凸轮机构尺寸设计时，须完成以下任务：凸轮机构选型；确定 从动件的运动规律：凸轮机构基本尺寸设计；凸轮轮廓曲线设计；凸轮从动件的机 构设计。在凸轮机构的结构形式确定以后，从动件运动规律、凸轮机构基本尺寸及 其廓线设计就成为设计的主要问题。 2 2 从动件运动规律 凸轮机构设计首先考虑的是它的运动规律。凸轮机构作为传动机构或控制机 构，最重要的特性是它的传递函数。无论传递函数多么复杂，在凸轮机构中，都可 以归结为三种基本运动规律，即双停留( d r - d ) ，单停留( d r r ) 和无停留( r - r - r ) 运动规律m j 。实际工作所需的运动规律。都由上述三种基本运动规律组合而成。停 留意味着在规定的输入期间内没有输出运动，由于凸轮机构很容易实现精确的停 歇，因而这是凸轮从动件系统的一个重要特点。凸轮从动件是根据何时停留的要求 来选择设计形式的。双停留运动规律是凸轮枧构最常用的运动规律，也是连杆机构 及其他机构不易实现的运动规律。单停窝曲线在停一回之间无停留。无停留运动规 律如无特殊要求实际上也可考虑采用曲柄滑块机构来实现，而且比采用凸轮从动件 系统工作可靠，制造简易，成本低。但如果设计要求结构紧凑，且需考虑路径的运 动函数或它的导数，则选用凸轮机构比较合理【2 1 。 在设计凸轮机构基本尺寸和凸轮轮廓之前，必须根据凸轮机构的工作性能要求 建立从动件的运动规律方程式，选择不同的从动件运动规律将直接影响凸轮机构的 基本尺寸设计、轮廓设计及凸轮机构的运动性能等。从动件运动规律可分为基本运 动规律和组合运动规律。基本运动规律包括简单多项式运动规律和三角函数运动规 律，组合运动规律是由数种基本运动规律进行拼接而成，为了防止出现过大的冲击 和振动，运动规律的起始点和终止点处的速度、加速度均应为零，因而拼接运动规 律第一段起点的速度、加速度以及最后一段终点的速度、加速度均应为零；而中间 各段拼接点处的速度、加速度可以为零，也可以不为零，拼接的原则是在各段基本 山东理工大学硕士学位论文第二章平面凸轮机构设计与分析 运动规律衔接点上的运动参数( 包括位移、类速度、类加速度，有时还包括类跃动 度) 保持连续1 2 5 1 。 2 2 1 基本运动规律 本系统中，收榘，1 0 种常见嗣器本运动规律，有三角函数运动规律( 简谐运动 规律、摆线运动规律及双谐运动规律等) ；简单多项式运动规律 等速运动规律( 一 次项运动规律) 、等加等减速运动规律( 二次项运动规律) 等。 摆线运动规律运动方程式： 位移( 詈击渤( 等尹) ) 汜d 类速度v = 等卜。s ( 等p ) ) 亿。， 类加速度一等血【等刁 汜。， 炽皴，= 字c o s ( 等刁 c z a ， 式中的j 、v 、a 、，、h 从动件的位移、类速度、类加速度、类跃动度、行程； 表示与h 相对的凸轮转角。在推程为推程转角，在回程为回程转角：表示从相应 的行程开始时算起的凸轮转过的角度，且伊【o ，妒】。其运动曲线如图2 1 所示。 双谐运动规律运动方程式： 位移s = 等( b s ( 孑) + 扣( 等9 ) 类黻v = 等；妒 一州等妒 类加速度口= 等( c o s ( 孚) - c o s 孚伊 类跃动度歹= 等( z s i n ( 等寸s i n ( 詈妒 运动曲线如图2 2 所示。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ! 生童塞三查耋堡圭兰l 鎏圣，。，竺三茎兰雪，盛篓堡丝堡薹耋l 堑。 卜 妒 一 一 一 厂 、 、， 一 0 a s a 毋 o a 2 s a d 2 0 a 3 s 丽 0 l 卜 一 一一 一06 6 7 矽 一一 一04 2 尹一 _。 彳、 避i 一l 图2 1 摆线运动规律图2 2 双谐运动规律 简谐运动规律方程式 位移 类速度 类加速度 类跃动度 s = 计c o s ( 圳 v = 努s i n ( 引 2 l 盘= 簪c o s 睁 2 庐2l 矿1j ，= 簪幽( 孑妒)产可8 1 n l 歹妒j 运动曲线如图2 3 所示。 五次项运动规律方程式： 位移 类速度 丁，s ( 小 v = 半一z ( 州州 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 山东理工大学硕士学位论文 第二章平面凸轮机构设计与分析 类加速度口= 6 庐0 h 。( 1 ( 。q _ ， 3 ( 詈) 2 + z ( 詈 3 类跃动度 产等洲扪 运动规律曲线如图2 4 所示。 卜 r 妒 一 一 、 7 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) l 妒 _ 八 ，、 掣v 心 一 图2 3 简谐运动规律线圈图2 4 五次项运动规律线图 2 2 2 组合运动规律 在实际工作中，基本运动规律常常不能满足实际应用的要求。而在现代凸轮机 构设计中，为获得良好的使用性能，从动件的运动规律常常采用由基本运动规律按 工作条件和拼接的原则进行拼接而形成的组合运动规律。为了防止出现过大的冲击 和振动，运动规律的起始点和终止点处的速度、加速度均应为零，因而拼接运动规 律第一段起点的速度、加速度以及最后一段终点的速度、加速度均应为零：而中间 各段拼接点处的速度、加速度可以为零，也可以不为零，拼接的原则是在各段基本 运动规律衔接点上的运动参数( 包括位移、类速度、类加速度，有时还包括类跃动 度) 保持连续。如五次项运动规律、七次项运动规律和摆线运动规律可以拼接：负 等跃动度和简谐运动规律也可以拼接2 6 l 。这两类的拼接都能保证拼接点的位移、类 速度、类加速度连续，但如果这两类运动规律相互拼接的话，则在行程的始末位置 仍有柔性冲击，不宜在高速工况下运转。常用运动规律拼接关系如表2 1 所示【2 7 1 。 表2 1 常用运动规律拼接关系 一泼马【 = 潭 遥动规 趋磕蠛 三次顼三h ：】蔓 佃谐运 翊雌适 运动规律 律孵速 雌( i l l ：i l l 选袖i 叠遗副穰五捷理七扶项 动规擅栅 诖赢搬 嘲谴 i 征一 l 甑 f瑶动规运动规 匹强加 喙弛加 递动艉 毋曲临明隧 越 速度运i 蔓度运 t )动撬i i )r d 城a 1 1 ) 动规律)嗣舰蕾) i ) 一扶项运动规 蠢( 琏遭动 规霉) = 扶项运动规 、厂 簟c 一加崞碱 速远动舰越) 三w 溉正j 蠛 0 0 x 越c 芷督旺度 遗动飒簿】 三习0 i 正高b 螺 聋( 负辱鞋度 适动槐曩) 五次琅运动规 0 0 霉 七扶项运动舰 0 0 蕾 情谱运最嘣潍 ( 芷弦加i 毫度0 运动飙t ) 攉蛾运动规蕾 ( 寨盘加i 童度000 运动舰雄) 注1 ：等速可与三角函数运动规律的i 4 周期相拼接。 2 ：拼接还可以细分为推程和回程 在本凸轮智能设计系统中所包含的8 种组合运动规律都是按上述方法构成的， 现仅以改进正弦加速度运动规律为例加以说明。 正弦加速度运动规律在始末两点的加速度为零，在这两点附近的运动十分缓 慢，必定要提高其中问的最大速度。为改进这一缺点，可用周期不同的正弦加速度 运动规律光滑连接，组成改进正弦加速度运动规律，如图2 5 所示。这种运动规律 分三段：o a 段是周期为2 的正弦加速度曲线；a b 段是始点在一庐1 4 、周期为捌3 的正弦加速度曲线；b c 段与o a 段对称。 各段运动规律方程式为： 0 s 8 s = 羔4 睁扣( 乎 石+ l 矿 4 万 l 庐jj v = 南( 1 - c 。s ( 乎”忙丽l 卜8 l 了j j 口= 器s 证( 孚舭丽啪l 彳j ，= 器c o s ( 孚产而8 【彳j ( 2 。1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 8 伊7 8 7 g 9 s = 熹( z + 等一9 4 4s 等+ 三3 ) j 石+ i妒l3 ，j v = 。，。- 十 4 ，矿。f 1 - 3 0 0 s ，。 ，- 妒妒+ 詈) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 口：黑s i n f 孚+ t 万1 ( 2 2 3 ) 一而m 弋亏+ ，j 憎 ，= 丽1 6 z 砸3 hc o s 愕+ 訇产硒i 驴8 l 亏+ j j s = 熹4 ( 4 + 警4 如( 孚) 万+ l 庐l 声 v = 南( ，一( 字) ) 4 h z 2 非丽 1 6 h z 3 ，= 一 。仁+ 4 ) 矿 运动规律曲线如图2 5 所示。 _ s j n f ! 婴 t 声j f 4 砷1 8 l 彳j 矗 o 。 肚且1 7 口，8 _ 一? 。 驴 羚 婵 爿一 l i 卅一 i l 图2 5 改进正弦加速度运动规律 1 0 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 了 。旦酗。凼两。 舟矿。 山东理工大学硕士学位论文第二章平面凸轮机构设计与分析 2 2 3 从动件运动规律的特性值 凸轮机构的从动件运动规律，尤其高速凸轮机构，必须在全行程范围内保证位移、 速度、加速度无突变，这是评价运动规律特性优劣的前提。评价各种运动规律时，常 按照一些与运动学或动力学有关的特性值。通过这些特性值的比较，可以大体分析出 凸轮机构选用这种运动规律时的运动或动力特性，甚至可以反映出工作行为、结构或 寿命等方面的基本趋势。运动规律常用的特性值有以下几种2 3 1 。 1 最大速度圪 凸轮机构的压力角是反映凸轮工作性能的一个重要指标。压力角过大，会导致磨 损加剧，效率下降，甚至自锁咬死。凸轮机构的轮廓压力角一般随速度的增大而增大， 为减小压力角，应选甩圪较小的运动规律。如果压力角选定时，较小的可以得到 较小的基圆半径，因而能减小凸轮机构的尺寸。低速机构一般按较小的原则选用 运动规律。 此外，工作机构的速度越大，动量越大，当因意外事故而要求紧急制动时，工作 机构的动量即会转变成巨大的冲量。速度的增加还导致所设计凸轮的轮廓曲率半径的 减小，使接触应力增加。因此，从保证工作机构的安全角度看，也希望选用k 较小 的运动规律。 2 最大加速度以 在高速凸轮机构中，与加速度成正比的惯性力是载荷的主要组成部分。较大的惯 性力不但使构件受力增加，构件之间磨损加剧。由于振动分量的存在，还导致从动件 振动加大，严重影响工作精度。加速度的增加也导致轮廓曲率半径的减小，使接触应 力增加。因此，在选用运动规律时，以是一个必须考虑的主要特性：特别是在中、 高速机构中更要选用较小的以。 3 加速度均方根值彳。 加速度的均方根值定义如下： 厅- 如，= 、刀 - 这个特性值反映了机构受惯性力作用后偏离平均位置的动力扭曲程度。如凸轮机 构对工作精度要求比较严格，应选用4 。，较小的运动规律。 4 动载转矩特性值( a v ) 为了减小凸轮轴转矩，降低电动机功率，应选用( 一矿) 。值较小的运动规律。 5 动载转矩变化率特性值 动载转矩对时间求导，得到它的变化率： ，：堕型：v j + 一， 刃 它的最大值一般出现在动载转矩特性值( 彳y ) 。反号处。由于转矩反号，在几何封 闭凸轮机构中存在啮合间隙时，从动滚子将从凸轮轮廓一侧冲向另一侧，引起横越冲 击。不但引起噪声，而且凸轮机构磨损严重。因此，在几何封闭凸轮机构中，要选用 动载转矩变化率特性值较小的运动规律。 6 最大跃度厶和最大跳度纯 在高速机构中，通常要求高阶导数值连续，且绝对值尽量小，以便减少机构的振 动，提高工作机构的运动精度。作为位移三阶导数的跃度，和四阶导数的跳度，通常 要求控制其最大值厶或q 蔚不要超过某一数值。 2 2 4 从动件运动规律的选取原则 选择凸轮机构从动件运动规律时，速度、载荷条件是必须满足的基本要求，一般 选用原则可以归纳如下： ( 】) 低速轻载和低速中载的机构应选圪较小的曲线，因为转速不高，载荷不大， l 允许较大。主要考虑便于加工，选择直线、圆弧等易于加工的曲线。 ( 2 ) 低速重载机构应选比较小的曲线，选择时，特征值的参考主次顺序一般为 圪、a 。、厶、。各种修正型的等速运动规律具有较小的值，适宜于重载条件 下应用；但由于具有较大的也值，故不宜用于高速或中速运转的凸轮机构。 ( 3 ) 中速轻载情况，应选用以与厶较小的曲线，以保证从动件运转时的工作精 度。 ( 4 ) 大多数自动机械中的凸轮是在中速中载条件下工作的，对从动件运动规律的 特征值圪、4 、厶、要求是综合性能良好。摆线运动规律、五次项运动规律等适 用于此类工作条件。 ( 5 ) 中速重载情况，宜选用圪与以矿) 。较小的曲线，以改善受力条件。 ( 6 ) 高速轻载凸轮机构，对特征值的要求大体可按圪、爿。、厶、的主次顺 序来考虑。修正梯形加速度运动规律的爿。值比较小，可以认为是一种比较理想的运 动规律，但由于其吒较大，不宜用于从动件系统质量较大的凸轮机构。 ( 7 ) 从动件运动规律的选择，不仅要考虑速度、载荷等基本要求，有时还要满足 工况条件、经济性和精度要求。例如，对于中速几何封闭型凸轮机构，要求横越冲击 产生的噪声与磨损尽可能减少，应选用k 较小的曲线。如果对工作精度要求较高， 为了减少动载扭曲，应选人以较小的曲线。 从动件运动规律的选择或设计，涉及到许多因素。除了需要满足机械的具体工作 1 2 ，当耋堡三查! 塑墼耋耋l i g 耋。，。一。，一。：。 丝三耋。：雪翟塞耋! 垫j 鳘耋l 鎏。 要求外，还应使凸轮机构具有良好的动力特性，同时又要考虑所设计的凸轮廓线便于 n i 这些因素又往往是互相制约的。因此在选择或设计运动规律时，必须根据使用 场合、工作条件等分清主次，综合考虑，确定选择或设计运动规律的主要根据。下面 是一些常用运动规律的适用场合： ( 1 ) 等速运动规律在很多情况下能满足凸轮机构推程的工作要求，但是在从动件 行程的开始和终止位置存在刚性冲击，是运动特性最差的曲线，所以等速运动规律很 少单独使用，且不适用于中、高速。 ( 2 ) 等加速等减速运动规律的速度曲线连续，在所有曲线中其最大加速度值为最 小，但在从动件行程的开始、终止和由正加速度变为负加速度的中间位置，加速度的 有限值突变将导致柔性冲击。因而不能在中、高速场合使用。 ( 3 ) 余弦加速度运动规律消除了行程中间位置的加速度突变，且易于计算和加 工，在中速时也能获得合理的从动件的运动。但当这种运动规律用于升停一回停 运动时，在行程的起始和终止位置因加速度突变而仍有柔性冲击。当这种规律用于升 一回一升型运动时，则加速度曲线连续，没有柔性冲击。 ( 4 ) 正弦加速度运动规律用于升一停一回一停运动时，从动件在行程的起始和终 止位置加速度无突变，因而无柔性冲击，有利于机构运转平稳。但它用于升一回停运 动时。在推程与回程的连接点处，跃度从有限的正值变为负值，因而加速度曲线不连 续。这种瞳线要求机械加工的准确性高于其他蓝线。正弦加速度运动规律广泛用于中 速凸轮机构，但不适于高速场合。 ( 5 ) 组合运动规律：正弦加速度运动与等速运动组合的改进型运动规律消除了从 动件在行程两端的剐性和柔性冲击；余弦加速度运动与等速运动组合的改进型运动规 律消除了从动件作等速运动时在行程两端的剐性冲击。但用于升一停一回一停运动 时，两端仍有柔性；中击，用于升一回一升型运动，则没有柔性冲击；改进梯形加速度 运动规律消除了从动件作等加速等减速运动时在行程两端和正负加速度交接处的柔 性冲击。 ( 6 ) 双谐曲线在同样的最小凸轮曲率的情况下，需要一较大尺寸的凸轮，且要求 加工非常推确，才能获得其运动柔顺平滑的优点。双谐曲线用于停一升停凸轮时最 为有利。 ( 7 ) 五次多项式运动规律不仅适用于升停一回一停运动，也适用于升一回一停 运动。七次多项式运动规律的运动线图均为连续曲线，没有柔性冲击。 ( 8 ) 单圆弧对心直动滚子从动件盘形凸轮机构是一种远、近休止角为零的升一回 型( r r 型) 凸轮机构，该凸轮机构无刚性、柔性冲击，故优于等速及等加速等减速运 动规律。在一个运动周期中，其最大无量纲速度值接近正弦加速度运动规律的对应数 值，故不宜用于重载场合，其最大无量纲加速度值介于正弦加速度运动规律与双谐加 些i 耋矍三奎兰堡圭耋堡篓耋。，。，。篓三耋兰雪盆墼蛰耋：耋茎耋：鎏l 速度运动规律的对应数值之间。故可用于中、高速轻载的场合。 2 3 基本尺寸设计 凸轮机构基本尺寸的设计问题是在给定从动件运动规律和许用压力角的条件 下寻求一组适用的尺寸，从而使设计的凸轮机构性能佳、寿命长。盘形凸轮机构主 要设计参数有【2 3 】：基圆半径r 和偏距e 。中心距a ，摆杆长度等。工作要求凸轮转 过p 时，推杆实现行程日或摆杆转动预定角度少。在推程中，凸轮要克服工作阻力， 弹簧封闭力及运动副中的摩擦力，为提高凸轮机构传力效果，希望机构在推程中压 力角尽量小。一般来讲，这些参数的选择，除应保证使从动件能够准确地实现预期 的运动规律外，还应当使机构具有良好的受力状况和紧凑的尺寸。如果这些参数选 择不当，将会影响凸轮机构正常工作。因此，在设计凸轮机构时，压力角、基圆半 径最、偏距五、中心距a ，推杆实现行程日( 或摆杆转动角度) ，以及推程角妒之 间就需要相互协调，寻求最佳匹配尺寸。对于这类问题，最常用的是优化设计法。 本系统中，针对直动从动件盘形凸轮机构基本参数设计及优化进行了研究。先根据 经验公式简明确定参数相对尺寸，然后用这个确定的参数作为优化设计时设计变量 的初值。 2 3 1 凸轮机构压力角和基圆半径 凸轮压力角是从动件运动( 速度) 方向与传动轴线方向之间的夹角。压力角是衡 量凸轮机构传力特性好坏的一个重要参数。从减小推力、避免自锁，使机构具有良 好的受力状况来看，压力角应越小越好。同时设计凸轮机构时，除了使机