（机械电子工程专业论文）平等分度凸轮自动测量技术研究.pdf

摘要 论文题目：平行分度凸轮自动测量技术研究 学科专业：机械电子工程 研究生：付秀霞 导师：杨军良副教授 摘要 1 1 1 11 1 1 1 ql1 1 1 1 i l i iu lh i l lh i iiu i y 2 12 8 2 4 9 签名： ! 蛊鱼量 签名：捡盈k 平行分度凸轮机构是一种比较复杂的共轭凸轮机构，是近年来逐渐得到广泛应用的新 型间歇运动机构。凸轮的廓形决定了从动件的运动规律，因此其廓形的加工精度贝i j 直接影 响从动件的运动精度。为了保证凸轮的加工质量和使用性能，需对凸轮廓线进行精确、高 效的检测。而构成平行分度凸轮的制约因素比较多，对其进行检测也要比一般的平面凸轮 更为复杂，因此目前对这种凸轮机构的检测设备相对来说还很少。 由于平行分度凸轮属于盘形凸轮，因此本文首先了解了一般盘形凸轮产品加工精度检 测的研究现状，并对现有的检测设备进行了研究分析。同时基于普通盘形凸轮廓线检测方 法的基础上，本文提出了一种采用接触式测量的专用平行分度凸轮廓线检测方法。 在平行分度凸轮自动测量仪原理设计的基础上，本文分别进行了机械系统和测量系统 的设计。机械系统方面分析了机械系统的基本要求，机械系统整体方案设计，并进行了局 部设计的分析。同时基于这种检测设备本文设计了专门的数据测试系统，并根据运动控制 系统方案得出运动系统框图。同时对测控系统的控制元件进行了选择，根据运动控制卡自 带的控制程序示例，结合本系统的控制要求编写步进电机运动控制程序和数据采集程序， 并进行了调试。 根据所设计的平行分度凸轮检测仪的要求及在此基础上所设计的数据处理过程编写 相应的数据处理程序，包括误差点的去除，基准统一，基圆半径的优化求取，相位角检测 以及凸轮廓线曲线拟合。通过数据处理减小了测量误差，提高了系统的检测精度。 本文根据设计的以机械系统和测量控制系统相结合的平行分度凸轮检测仪的整体方 案，进行了实验台的搭建。最终系统利用旋转编码器和长光栅传感器来获取凸轮轮廓曲线 上的离散数据点，然后对离散数据点进行相应的数据处理。验证结果表明，本文提出的这 套数据处理方法不仅能够正确的得到凸轮的各个参数，而且能够减小系统的测量误差。 关键词：平行分度凸轮；机械系统；测控系统；数据处理；平行分度凸轮检测仪 a b s t l a c t t i t l e ：r e s e a r c ho fa u t o m a t i cm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y o fp a r a l l e ll n d e x i n gc a m m a j o r ：m e c h a n i c a la n d e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：f ux i u x i a s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f y a n gj u n l i a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：耻龇兰丝 s i g n a t u r e ： p a r a l l e li n d e x i n gc a mm e c h a n i s mi sak i n do fc o m p l e xc o n j u g a t ec a mm e c h a n i s m ，i ti s w i d e l ya p p l i e da sa n e wt y p eo fi n t e r m i t t e n tm o v e m e n to r g a n i z a t i o ni nr e c e n ty e a r s f o l l o w e r m o t i o ni sd e t e r m i n e db yt h ec a mp r o f i l e ，s ot h em o t i o np r e c i s i o no ff o l l o w e ri sd i r e c t l y i n f l u e n c e db yt h em a c h i n i n ga c c u r a c yo fc a mp r o f i l e i no r d e rt oe n s u r et h ec a mp r o c e s s i n g q u a l i t y a n dp e r f o r m a n c e ，w es h o u l dh a v eap r e c i s e ，e f f i c i e n tt e s t i n gf o rt h ec a mp r o f i l e b e c a u s et h e r ea r eal o to fr e s t r i c t e df a c t o r so ft h ep a r a l l e li n d e x i n gc a m ，c a md e t e c t i o ni sm o r e c o m p l e xt h a ng e n e r a lp l a n ec a m ，n o wt e s t i n ge q u i p m e n tf o rp a r a l l e li n d e x i n gc a m a r er e l a t i v e l y s e l d o m b e c a u s ep a r a l l e li n d e x i n gc a mb e l o n gt op a r a l l e ld i s cc a m ，t h e r e f o r et h ep r e c i s i o n m e a s u r e m e n ta n dd e t e c t i o nr e s e a r c hs t a t u so fg e n e r a ld i s cc a mp r o d u c t sw a sl e a r n e da n d e x i s t i n gt e s te q u i p m e n ta r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r b a s e do no r d i n a r yd i s cc a mp r o f i l ed e t e c t i o n m e t h o d ，ak i n do fs p e c i a lm e a s u r e m e n te q u i p m e n tf o rp a r a l l e li n d e x i n gc a m w a sr a i s e di nt h i s p a p e r b a s e do nt h ep r i n c i p l ed e s i g no ft h ep a r a l l e li n d e x i n gc a ma u t o m a t i cm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t ，m e c h a n i c a ls y s t e ma n dm e a s u r e m e n ts y s t e mw e r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r t h eb a s i c r e q u i r e m e n t so ft h em e c h a n i c a ls y s t e ma n dp a r t i a ld e s i g nw e r ea n a l y z e d ，w h o l es c h e m eo f t h e m e c h a n i c a ls y s t e mw a sf o r m e da tl a s t s p e c i a ld a t at e s ts y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nt h e t e s t i n ge q u i p m e n t ，a n dm o v e m e n ts y s t e md i a g r a mw a sg e ta c c o r d i n gt ot h em o t i o nc o n t r o l s y s t e ms c h e m e c o n t r o le l e m e n t sw e r ec h o o s e db a s e do nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，t h e c o r r e s p o n d i n gp r o g r a mh a s b e e nd e v e l o p e d t h ec o r r e s p o n d i n gd a t ap r o c e s s i n gm e t h o d sw e r er a s i e db a s e do np a r a l l e li n d e x i n gc a m m e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，i n c l u d i n g r e m o v ee r r o rp o i n t s ，u n i f o r md a t u m ，t h eo p t i m i z a t i o n c a l c u l a t i n go fb a s ec i r c l er a d i u s ，p h a s ea n g l ed e t e c t i o n ，c a mp r o f i l ec u r v e f i t t i n g m e a s u r e m e n t e r r o r sw e r er e d u c e da n ds y s t e md e t e c t i o na c c u r a c yw a si m p r o v e dt h r o u g hd a t ap r o c e s s i n g 西安x y - 大学硕士学位论文 e x p e r i m e n tt a b l ew a sb u i l d e db a s e d eo nt h ew h o l es c h e m e ，t h e nd i s c r e t ed a t a so ft h ec a m p r o f i l ec u r v ew e r eg o tt h r o u g hr o t a r ye n c o d e ra n dl i n e a rg r a t i n g ，d a t ap r o c e s s i n gw a s i m p l e m e n t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tn o to n l ye a c hp a r a m e t e ro ft h ec a mw a sg e tb u t a l s om e a s u r e m e n te r r o r sc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e db yt h ed a t ap r o c e s s i n gm e t h o do ft h e p a r a l l e li n d e x i n gc a ma u t o m a t i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n t k e yw o r d s ：p a r a l l e li n d e x i n gc a m ，m e c h a n i c a ls y s t e m ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，d a t a i i p r o c e s s i n g ，p a r a l l e li n d e x i n gc a mm e a s u r i n gi n s t r u m e n t 目录 目录 1 前言11 日u 吾1 1 1 平行分度凸轮机构1 1 1 1 分度凸轮机构1 1 1 2 平行分度凸轮机构2 1 2 课题研究的目的和意义3 1 3 国内外研究状况3 1 4 本文的主要研究内容4 1 5 本章小结5 2 平行分度凸轮自动测量仪方案设计7 2 1 凸轮廓形检测的相关技术7 2 1 1 平行分度凸轮机构设计原理7 2 1 2 平行分度凸轮检测项目8 2 1 3 检测方法9 2 1 4 测试系统。1 1 2 1 5 数据处理一1 l 2 2 平行分度凸轮自动测量仪方案设计1 2 2 2 1 原理设计1 2 2 2 3 机械装置的基本要求。1 3 2 2 4 凸轮轴的定位装置设计1 3 2 2 5 传动系统设计15 2 2 6 测头的定位机构设计一1 7 2 3 测量系统的设计2 0 2 4 本章小结一2 0 3 平行分度凸轮测量控制系统介绍2 1 3 1 运动控制系统2 1 3 1 1 步进电机一2 2 3 1 2 步进电机驱动器2 3 3 1 3 运动控制卡一2 4 3 1 4 计算机一2 6 3 2 测量系统2 7 3 2 1 光栅传感器2 7 3 2 2 旋转编码器2 9 3 3 数据采集3 1 3 4 本章小结。3 2 l 西安理工大学硕士学位论文 4 数据处理3 3 4 1 数据处理的目的。3 3 4 2 数据处理过程3 3 4 2 1 误差点的判别3 3 4 2 2 角度零位的确定一3 6 4 2 3 测量基准和设计基准的统一3 6 4 2 4 确定凸轮基圆半径。3 9 4 2 5 凸轮轮廓曲线拟合一4 0 4 2 6 凸轮相位角检测4 2 4 3 本章小结一4 3 5 数据处理方法的实验验证4 5 5 1 实验台的搭建4 5 5 1 1 运动控制卡的初始设置。4 5 5 1 2 控制系统的接线4 6 5 2 实验调试及数据采集。4 8 5 3 实验结果4 9 5 3 1 被测凸轮轴的相关参数4 9 5 3 2 数据采集及数据处理5 0 5 3 3 基准统一的实验验证5l 5 3 4 最d - 乘法的实验验证。5 4 5 3 5 凸轮相位角的求取。5 7 5 4 本章小结5 7 6 总结与展望5 9 6 。l 总结。5 9 6 2 展望一6 0 致谢6 1 参考文献6 3 附录6 1 附录a 攻读硕士学位期间发表论文与参与项目6 5 附录b 凸轮l 基准统一前后升程误差表6 5 i i l 刖； 1 l 平行分度凸轮机构 1 1 1 分度凸轮机构 ”b # m 目2 ：8 十r m _ - 臼可m m m 自m m # 女“n 目4 l # “n 目“7 # n 目i 目”日# # 目2 f m n # n 自# * m 目# 目# “ m 目m ，e 自目n 日# # t b # 目m 自* m ”m m t 目。目n ，a # n 目# 0 t 目# m t * m 自。n n * ，十m 目* m m 自 n a “l 材靶“、 镕轮# ：、# # “自# h m n 日* a r p 目女 n 目* * h m n 自1 自r # “。：* # f 自，自 n # ，* m 目 * m m 目n t n 自r f # # 、* 4 * * * n n n1m m * 自n n = i ：m 口r | m * m # h # 自* $ g m “t h 4 日n j m g * m m g 自m 目。j m 5 m h 。n h & “# n 目十 # # # m 自m r # 自1 m * d 口# t # 目* # m 自n # m e a * # m ”# ah b # m n 7 自e # # m m m 一* m ”t “m 4 4 自* * 4 自，n * t m ；女i 自”，日n # n m # # w d “自d n $ 目 ， 7 * h t n h 臼h 、* 。自 = * n n 目i * * m j m 日十 “ * # # h # “目a m “t _ im “t m 4 m ，e # # i “自自# l qr * t r _ 自目”“， 裔驽龄 f i g ii 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= 9 0 左右；而直动式多用于直线间歇进给，相比前两 种省去了将间歇转位运动转换成直线运动时所有的中间环节。 平行分度凸轮按凸轮的数量又分为二片式( 双联凸轮) 和三片式( 三联凸轮) ，三片式结 构在分度小时( n 3 ) 时，使用较二片式优越。 综合地讲，平行分度凸轮机构有以下特点： ( 1 ) 制造成本较其他分度凸轮机构低，并且结构简单，凸轮易于加工； ( 2 ) 特别适合于小分度数场合，尤其是在n s 3 时，有其他间歇机构难以相比的优越性； ( 3 ) 在高速下振动和噪声较小，因此具有良好的运动特性，并且通过预加载荷可以消 除接触间隙。 此外，该机构中的凸轮为盘形，用于两个平行轴间的传动，在分度数、中心距等相同 的条件下，可以完全代替槽轮、不完全齿轮等传统间歇运动机构。 平行分度凸轮机构在小分度数场合应用比较广泛，如各种纸盒模切机、果冻罐装成形 机等一些印刷、包装机械。目前对这种分度机构的研究主要集中在几何学与参数优化设计 2 第一章前言 等方面d 1 ，有关其他方面的研究还很少。 1 2 课题研究的目的和意义 凸轮机构从最初的应用于一般的工业机械中发展到后来的自动化机械、分度机构以及 精密仪器中，它的这种应用的广泛性推动了人们对它的研究和发展。起初，人们只是研究 凸轮轮廓的几何形状以及简单的运动规律，只要使凸轮能够满足从动件简单的位置要求即 可。但是随着社会的发展需求，生产对各种机械在可靠性、速度、寿命以及效率等各方面 的要求越来越高，从而使得人们对凸轮机构进行更深层次的研究。从简单的只对几何尺寸 和静力学方面的分析到动力学、弹性变形以及润滑等各方面的研究，特别是自5 0 年代以 来，由于计算机技术以及各种数值分析方法的迅速发展，使得人们可以在很多方面对凸轮 进行更深入的研究。 凸轮的廓形决定了从动件的运动规律，因此其廓形的加工精度则直接影响从动件的运 动精度。为了保证凸轮的加工质量和使用性能，需对凸轮廓线进行精确、高效的检测。而 平行分度凸轮机构是一种比较复杂的共轭凸轮机构，是近年来逐渐得到广泛应用的新型间 歇运动机构。这种机构中每个凸轮轮廓曲线都是有几段简单凸轮轮廓曲线组合而成的，同 时作为共轭凸轮，在运动过程中的任一时刻，必须至少有一个滚子与凸轮升程轮廓接触， 同时至少有一个滚子与凸轮回程轮廓接触，即凸轮的啮合运动相互之间必须有一定的重合 度以实现闭锁。所以说，构成平行分度凸轮的制约因素比较多，更有必要对这种机构的凸 轮廓线进行检测，而且这种检测要比一般的平面凸轮更为复杂。 1 3 国内外研究状况 早在上个世纪六七十年代中期，国内外就开始利用计算机良好的控制界面和强大的 计算能力，进行研制由计算机进行检测控制和数据处理的凸轮自动测量仪n 。 在国内起初将计算机应用到凸轮检测仪中，计算机只是用来对检测的数据进行简单的 记录，这样相比人工检测就大幅度提高了检测效率，减轻了测量人员的劳动强度，但是并 没有利用计算机进行后期的数据处理。 这个阶段主要利用两圈测量方式，利用敏感点或最高点法来确定凸轮的角度零位，只 是利用单板机和汇编语言进行一些简单的数据处理。并且由于汇编语言的可移植性较差， 因此对于每一种凸轮轴，测量仪都要配备一种相应的e p r o m 芯片，在这种芯片上附有不 同的数据处理程序。由于这个阶段的数据处理能力非常有限，没有进行一些必要的数据处 理，因此存在较大的系统误差。最终的检测精度与人工检测相差并不大，但是重复测量精 度比人工检测要高。 随着计算机技术的不断提高，凸轮的检测方法也在逐渐改进。在前一阶段凸轮检测 的基础上，为了提高凸轮的检测精度，人们在凸轮的数据处理方面做了很大改进。首先在 确定凸轮的升程零位方面除了前面提到的敏感点法和最高点法之外，这个阶段还引入了敏 感段法。这种方法提高了确定凸轮角度零位的准确度，可以看作是对敏感点的改进。另外 西安理工大学硕士学位论文 在数据处理中还考虑了偏心校正，从而减小了由于测量基准和设计基准不统一带来的系统 误差。 同时，这阶段计算机不但参与了数据采集，还进行了数据处理。因此数据处理能力 大大增强，凸轮的检测速度也随之提高。同时，这个阶段采用了高级语言软件，大大提高 了数据处理程序的可移植性，针对不同的凸轮轴调用不同的程序即可。这个阶段的测量仪 中还采用了精密数字式传感器，大幅度地提高了凸轮的测量精度。 近年来，随着机电一体化程度的不断提高，凸轮的检测设备也由最初的人工辅助检测 发展到了全自动的阶段，也就是出现了凸轮自动测量仪。凸轮轴安装，拆卸以及旋转，测 头沿凸轮轴向的上下移动以及测头在水平方向的伸出和缩进都由计算机控制电机来进行。 同时利用精密数字式传感器将凸轮的角度和径向位移信息进行自动采集，并由计算机利用 高级语言软件进行高效的数据处理，最后输出图文检测报告。 这个阶段主要利用高性能p c 机进行数据采集与处理，利用高级语言编写测量及数据 处理软件，测量不同凸轮轴时调用不同的测量软件即可。在数据处理当中还包括了基准统 一、基圆半径优化等，大大减小了由测量原理本身带来的系统误差。因此，这个阶段的测 量精度得到了进一步的提高。 国外从2 0 世纪6 0 年代中期开始对凸轮轴测量仪进行研究，其发展历程和国内基本上 是一样的。从2 0 世纪9 0 年代末到现在，凸轮测量仪在国外正在经历一个新的阶段：无论 是测量仪的软件还是硬件都在原来的基础上有所改进，使得测量仪的精度达到了一个新的 高度，如在软件方面，测量仪配备了多种软件，除了能够测量凸轮轴以外还能测量其他回 转零件；硬件方面，测头采用电感测头使得测量精度提高到了0 2 n n 甚至更高；主轴采用 了气浮或油浮轴承使得回转精度达到了0 2 5 n n 左右甚至更高。 通过上述凸轮测量仪在国内外的发展状况可以看出，凸轮测量仪在提高测量精度和测 量效率等方面，经过近5 0 年的发展都取得了巨大的进步。测量一根凸轮轴的时间由最初 的的三人两天降低到现阶段的约十几分钟，重复测量精度由原来的5 t m 提高到了现在的 约3 脚，这种精度一般就能满足生产的需要了。因此，对一般盘形凸轮检测的技术已经 基本成熟，但是专门针对平行分度凸轮机构进行检测的仪器目前国内外研究的还很少。 1 4 本文的主要研究内容 本课题就是基于普通盘形凸轮廓线检测方法的基础上，研究、设计一套采用接触式测 量的专用平行分度凸轮廓线检测设备。同时基于这种检测设备还设计制作了专门的数据测 试系统，利用旋转编码器和长光栅传感器来获取凸轮轮廓曲线上的离散数据点，然后对离 散数据点进行相应的数据处理。通过与凸轮廓线原设计数据点进行比较，从而可以对凸轮 的加工精度进行评价。 在对系统设计完成后，将实验室现有的实验装置进行完善并改进，以山东省诸城市金 星传动机械厂的平行分度凸轮产品为测试对象，对其廓线参数进行实际测试和数据分析处 理，检验该系统的效果。本文研究的主要内容包括： 4 第一章前言 一一一 1 、了解国内外平行分度凸轮产品加工精度检测的研究现状，对现有的检测设备进行 分析，熟悉整个凸轮廓形检测及数据处理过程； 2 、通过分析国内外现有的凸轮产品检测设备，结合这些设备的优缺点，本文提出了 一套专用于平行分度凸轮产品的检测方法，并进行了系统的整体方案设计，从硬件和软件 两方面入手，实现对平行分度凸轮的角向和径向两个方向的数据进行采集； 3 、针对所设计的平行分度凸轮专用检测设备，进行测量控制系统整体设计，并对测 控系统的控制元件进行了选择，在此基础上根据运动控制卡自带的控制程序示例，结合本 系统的控制要求来编写步进电机运动控制程序和数据采集程序； 4 、数据处理部分，根据所设计的平行分度凸轮检测仪的要求及在此基础上所设计的 数据处理过程编写相应的数据处理程序，并根据凸轮的原始设计数据将数据处理程序进行 调试； 5 、数据处理方法的实验验证，首先进行实验台的搭建，完成硬件电路部分的接线， 然后将硬件部分进行调试。将实验台搭建完成之后，进行凸轮的数据采集，通过事先编好 的数据处理程序将采集的数据进行处理。验证结果表明，本文提出的这套平行分度凸轮自 动测量仪的数据处理方法不仅可以得到平行分度凸轮的各个参数，而且可以有效地减小测 量误差。 6 、结论与展望，介绍了平行分度凸轮自动测量技术的结论，并就凸轮轴测量仪的发 展前景提出了展望。 1 5 本章小结 本章首先介绍了平行分度凸轮机构的一些内容，指出了这种机构应用的广泛性。由于 平行分度凸轮属于盘形凸轮，因此本章在研究了一般盘形凸轮检测技术的基础了提出了一 套专用于平行分度凸轮的测量仪。其中包括完整的硬件系统平台，性能良好的系统控制程 序和高精度的数据处理程序。本课题的研究，不但提高了凸轮廓形检测的质量，而且提高 了检测过程的自动化程度，减轻了工作人员的劳动强度，有着重要的现实意义。 西安理工大学硕士学位论文 6 第二章平行分度凸轮自动测量仪方案设计 2 平行分度凸轮自动测量仪方案设计 2 1 凸轮廓形检测的相关技术 2 1 1 平行分度凸轮机构设计原理 ( 1 ) 平行分度凸轮机构的基本参数 平行分度凸轮机构除了一般凸轮机构的基本参数外，还有该机构所特有的基本参数。 凸轮与从动盘在分度期和停歇期的主要运动参数：分度数f 和分度角r 。，动静比亿和 凸轮动程角0 。；凸轮机构的基本几何参数：中心距c 和径距比k 。；其他基本参数：从动 滚子数班和凸轮头数g 。 ( 2 ) 平行分度凸轮理论廓线的形成 平行分度凸轮机构在每一个运动周期里，每片凸轮按一定的运动规律依次推动若干个 滚子，从而使得滚子与从动盘一起运动，每个被推动的滚子在凸轮轮廓上都有一段相应的 凸轮轮廓。如图2 1 所示的平行分度凸轮理论轮廓曲线形成原理图，滚子g ，在从动盘间 歇运动的整个运动段中在凸轮上形成的理论轮廓线为i 。i ，( 滚子g ：在另一片凸轮上形成理 论轮廓线i i 。i i ，) ，滚子g 在凸轮上形成的理论轮廓线为i i i 。i i i ，。 分别截取各滚子对应的各轮廓段接近凸轮中心的廓线，舍去其他部分。如图2 1 所示， 由于实线部分i 。q 和q i i i 。靠近凸轮中心0 2 ，因此被保留，而虚线部分i 。q 和q i ，远离凸 轮中心，因此被舍去，其中q 是两轮廓线的交点。在从动盘静止时，用圆弧相接轮廓线就 可以得到完整的凸轮轮廓曲线，凸轮的实际廓线就由滚子曲线的包络线形成。 图2 - 1 平行分度凸轮理论轮廓曲线形成原理图 f i g 2 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f p a r a l l e li n d e x i n gc a mt h e o r e t i c a lc o n t o u rc u r v e ( 3 ) 平行分度凸轮机构设计的计算过程较复杂，在此只给出几个重要的计算公式： 平行分度凸轮理论廓线方程： x = r sc o s ( o f ) 一c c o s 0 ，y = r rs i n ( 0 一t ) - c s i n 0 ( 2 1 ) 其中，r ，一滚子分布圆半径 c 一中心距 8 凸轮转角，0 = ，f 7 西安理工大学硕士学位论文 f 一从动盘转角，f = 厂( a ) ，f 代表的函数关系由给定的运动规律决定。 平行分度凸轮实际廓线方程 x c o = r lc o s ( o t ) + r oc o s ( o f 一9 ) 一c c o s 0 ，y c o = r ls i n ( o f ) 一r 0s i n ( o f q ) ) - c s i n 0 其中 q 一从动盘角速度， 压力角条件 一c 一 ( 2 2 ) 凸轮机构压力角是反映凸轮与从动件之间速度与力之间传递关系的重要参数，在不考 虑摩擦力时，某瞬时接触点处的公法线方向与从动件的运动方向之间的夹角为压力角。分 度凸轮机构的压力角为： a = 等一9 ( 2 3 ) a 。i 一9 u j ， 在分度机构中，主轮廓的最大压力角倪一小于允许值，机构才能正常运转。其中，把 给滚子施加正扭矩的轮廓称为主轮廓，施加负扭矩的轮廓称为副轮廓。 轮廓曲率及曲率半径 实际理论廓线曲率半径p ，为 成2 ( x 。2 + y 乙) j x c o y c o x c oy c o ( 2 4 ) 无论曲线弯曲方向如何，都应保证最小曲率半径条件，即p 。m i l l 1 2 5 r o ，其中为滚 子半径。 ( 4 ) 分度凸轮机构常用的运动规律 凸轮机构的运动规律是很多的，分度凸轮机构常用的运动规律有三种：修正等速运动 规律、修正正弦运动规律、修正梯形运动规律。一般地，圆柱分度凸轮机构和蜗形分度凸 轮机构较多地选择修正正弦和修正梯形运动规律，平行分度凸轮机构较多地选用修正等速 和修正正弦运动规律。 2 1 2 平行分度凸轮检测项目 由以上设计原理可知，平行分度凸轮机构的从动件在垂直于凸轮回转轴的平面内运 动，凸轮是具有变化径线的盘形凸轮，因此属于平面凸轮机构。由于从动件的运动规律是 由凸轮廓线所决定的，因此对凸轮实际廓线的精确测量是检验凸轮质量的重要手段，也是 对机构运动精度的一个重要保证。 第二章平行分度凸轮自动测量仪方案设计 图2 2 平行分度凸轮廓形 f i g 2 2p a r a l l e li n d e x i n gc a m c o n t o u rs h a p e 平行分度凸轮主要检测项目如下： l 、凸轮3 6 0 。轮廓升程：以规定的度数( 如1 。) 为间隔输出凸轮轮廓曲线升程表。 其测量值为凸轮在各个方向的极径值与基圆半径值之差。 2 、凸轮轮廓升程误差：如图2 2 实现轮廓所示，分三部分来评定： 凸轮升程轮廓段升程误差； 凸轮回程轮廓段升程误差； 凸轮分度轮廓段升程误差； 其测量值为凸轮3 6 0 。圆周轮廓线的实际升程与理论升程之差。 凸轮轮廓升程的最大变化量。 其值为凸轮3 6 0 。圆周范围内升程误差的最大值与最小值之差。 凸轮升程的相邻升程变化量。 其值为凸轮轮廓上相邻角度间的升程误差之差。 凸轮的基圆半径误差。 其值就是通过检测求取的基圆半径与理论基圆半径之差。 3 、凸轮相位夹角。 凸轮轴上第1 ( 基准) 凸轮与相位基准间的夹角； 各凸轮“桃尖”与基准凸轮“桃尖”间的夹角，如图2 2 所示的夹角。 2 1 3 检测方法 目前常用的凸轮廓线的检测方法有以下几种n ： ( 1 ) 手工测量 手工测量是凸轮测量仪早期的检测手段，这个阶段主要采用极坐标测量法来对凸轮的 9 西安理工大学硕士学位论文 升程误差进行检测。其轮廓曲线的获得方法有拓印法和分度法。其中拓印法是用铅笔在压 在凸轮上面的图纸上绘下凸轮的轮廓曲线，这种测量方法测得的数据很有限并且在很大程 度上与测量者的经验有关，因此测量精度很低，一般在有精度要求的情况下是不用的。分 度法是利用分度头配合千分尺进行检测，这种检测方法所得到的凸轮轮廓较拓印法要准确 很多。 由于手工检测测量仪器主要包括卡尺、万能工具显微镜、光学分度头等，即利用通 用的量具即可，不需要用专门的仪器设备，因此检测成本很低，在修配凸轮和一般的小型 企业使用较多。由于凸轮机构的运动规律是由凸轮廓线所决定的，不同的机械设备所实现 的运动规律是不同的，相对应的就要有各种类型的凸轮廓线。并且凸轮的结构特点又各不 相同，因此对于很大程度上受测量人员工作经验影响的手工测量来说，这种检测方法存在 检测效率低，数据处理离散性大，通用性差等缺点，因此测量精度很低，根本无法适应现 代工业高效率、高精度的需求。 ( 2 ) 三坐标机测量 三坐标测量机是近3 0 年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器，它广泛地用于 机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。用三坐标测量机进行凸轮廓线测量时，将检 测头与凸轮轮廓进行接触，最好使测量轴线与被测面相垂直。即保证测头始终沿着被测轮 廓的法线方向进行移动，因为三坐标机所显示的数据是球形测头中心点的坐标值，测头中 心点的轨迹相当于凸轮的理论轮廓曲线，然后进行测头半径补偿得出凸轮的实际轮廓曲 线。利用软件建立一套进行数据处理的数学模型和方法，数据处理包括测头中心轨迹拟合、 测头半径补偿升程误差最小条件法评价等，最终在计算机平面上显示采集所得的所有数据 点，并生成凸轮轮廓的拟合曲线。 三坐标机的通用性广，测量精度也很高，但是这种检测设备费用比较高，对于一般的 凸轮检测是不采用这种方式进行检测的。 ( 3 ) 凸轮检测仪测量 为了能够适应现代工业的迅速发展，传统的凸轮检测机械量仪已不能适应现代高精 度、高效率检测凸轮的需要。为了高效率地对凸轮进行检测，我国一些精密仪器厂研制了 自动凸轮测量仪，这种测量仪是基于计算机进行控制的，可以实现对凸轮检测进行实时监 控，从而提高了检测效率和检测质量。目前国内各个高校和企业联合制作专用的凸轮检测 仪，其成本低并且精度也很高。并且还有专门生产凸轮检测仪的公司，如l 系列的凸轮 轴检测仪就是广州威而信精密仪器有限公司生产的。 另外，为了研究凸轮机构的相关规律，很多大学制作了专门的测试实验台。如清华大 学为了有效的解决效率与精度的问题，采用伺服控制系统，实现了工作台对凸轮廓线的实 时随动跟踪检测，采用激光三角反射位移传感器和光栅尺实现了对凸轮的高精度检测。 目前从所获得的文献来看，对平面凸轮的检测主要有两种方法，接触式和非接触式。 但是通过分析文献知道，采用接触式进行凸轮测量占相当大的比例。接触式中又主要分两 1 0 第二章平行分度凸轮自动测量仪方案设计 种：采用三坐标测量机和专用凸轮廓线测量仪。接触式测量的优点是数据离散性小，误差 补偿容易实现，数学模型容易建立；缺点是效率不高，高精度设备不容易实现或者价格昂 贵。非接触式测量有超声测量法、激光三角法、机器视觉测量获取信号等。其优点是检测 效率高；缺点是数学模型不好建立，通用性差，精度不高。 2 1 4 测试系统 要设计一个凸轮廓线检测系统，制定检测方案和选择检测设备都要根据具体的凸轮类 型以及所要求的精度高低等具体情况来定。一般检测系统是由角度检测计数装置，位移检 测计数装置以及数据采集系统组成。角度检测装置可采用光学或机械式分度头，圆光栅， 光学圆转台，旋转编码器等；位移检测装置可采用直线光栅尺，百