（机械制造及其自动化专业论文）弧面分度凸轮廓线误差的cat.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 弧面分度凸轮机构是当今世界上最新颖最理想的高速精密分度装置。作为高 速精密分度装置弧面分度凸轮机构的精度检测应当是一个非常重要的环节，但 在我国一般生产厂家由于凸轮轮廓几何形状误差检测困难而不予检测或进行简 单的手工检测，这就影响了凸轮分度机构的精度和检测速度。 针对这个问题，本文提出了弧面分度凸轮轮廓曲面的计算机辅助测量法。本 文集机械、电子传感器、数据采集、控制及计算机软件设计技术于一体，研制 了弧面分度凸轮曲线误差的检测系统，即通过计算机控制检测过程和对传感器 检测的数据进行采集，并将测得的数据通过计算机处理，对该曲线进行评定。 本文还设计了专用机械测试台对该系统进行试验测试，实验结果表明该系统符 合设计要求，稍作改进可供实际检测应用。 总之，使用该系统可使弧面分度凸轮曲线误差的检测变得非常简单、快速、 方便、直观。该系统的应用可以大大提高弧面分度凸轮加工的精度要求和效率， 具有一定的社会效益和经济效益。 关键词：、，、 弧面分度凸轮机构曲线误差检测软件设计 数据采集传感器计算机控制 v 第1 页 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s s u r f a c ei n d e x i n gc a mm e c h a n i s mi st h el a t e s tt y p e 、 p e r f e c t 、h i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o ni n d e x i n ge q u i p m e n t s oi tb e c o m e s v e r yi m p o r t a n tt o t e s tt h ep r e c i s i o no fs u r f a c ei n d e x i n gc a m b e c a u s e o ft h e d i f f i c u l t yo ft h ep r e c i s i o nt e s t i n gf o r c u r v il i n e a re r r o ro f s u r f a c e i n d e x i n gc a m ，t h e t e s t sh a v en o tb e e nd o n eo rh a v eb e e n d o n e m a n u a l l y i nag r e a tn u m b e ro ff a c t o r i e s i tr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n t o fs u r f a c ei n d e x i n gc a mm e c h a n i s m t h ec o m p u t e ra i d e di n d i r e c tt e s tp r i n c i p l ef o rs u r f a c ei n d e x i n g c a mm o t i o nc u r v ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r a n dt h ec u r v i l i n e a re r r o r m e a s u r i n gs y s t e m o fs u r f a c ei n d e x i n gc a mh a sb e e nm a k e do u t i ti n t e g r a t e s m a n yt e c h n o l o g i e ss u c h a sm e c h a n i s m 、e l e c t r o ns e n s o r s 、d a t a a c q u i s i t i o n 、 p r o c e s sc o n t r o la n ds o f t w a r ed e s i g n w ec a l lc o n t r o lt h et e s tp r o c e s s 、 c o l l e c tt h ed a t aa n dd e a lw i t hi t t h r o u i g ht h es y s t e mi n t h ec o m p u t e r t h iss y s t e mh a sa c h i e v e dg o o de f f e c t si ne x p e r i m e n t s i naw o r d ，i tm a k e st h em e a s u r eo fc u r v i l i n e a re r r o ro fs u r f a c e i n d e x i n gc a ms i m p l e 、f a s t 、c o n v e n i e n ta n di n t u i t i o n i s t i ct ou s et h i s s y s t e m t h er e s e a r c ho ft h i ss y s t e mw i l lb r i n gd e f i n i t es o c i a lb e n e f i t s a n de c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ： s u r f a c e i n d e x i n gc a m m e c h a n i s m s e n s o r m e a s u r i n g o fc u r v i l i n e a re r r o rs o f t w a r e d e s i g n i n g d a t a a c q u i s i t i o nc o m p u t e rc o n t r o l 第1 i 页 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 在许多机械设备中，特别是自动和半自动机中，由于生产工艺的要求，往往需 要机构来实现周期性的转位、分度动作以及作带有瞬时停歇或停歇区的断续性运 动。例如：转塔车床和数控机床中的转动刀架在完成一道工序后要转位；牙膏管 拧盖饥的转盘式工作台，在拧紧一个管盖后要分度转位：糖果包装机推料机构在 一个工作循环中，需要有一段停歇时间以进行包装纸的传送、折叠或扭结。这种 输出构件呈现周期性停歇状态的机构称为间歇运动机构。 1 1间歇运动机构发展概况 间歇运动机构的型式众多，根据其主要工作特性可以分成两大类，即步进 运动间歇机构和具有瞬时停歇特性或停歇区的间歇运动机构。 步进运动间歇机构的主要特征是其输出构件作具有周期性停歇的单向运 动，即其断续运动的特点是单方向的、有规则的、时动时停的。这种步进运动间 歇机构应用非常广泛，在金属切削机床、冲压机械、包装机械以及轻工、纺织等 行业的许多设备中都有应用。 步进运动间歇机构主要包括：棘轮机构、槽轮机构、针轮机构、不完全齿 轮机构、平行轴共轭分度凸轮机构以及交错轴空间分度凸轮机构等。其中交错轴 空间分度凸轮机构又分为圆柱凸轮分度机构和弧面分度凸轮机构。 表i - i 列出了以上几种步进运动闻歇机构的性能比较。 瞬时停歇特性或停歇区的间歇运动机构的主要特征：在一定时间间隔 内，输出构件或构件上某一点处于速度等于零或近似等于零的状态，或者在 无限短的时间间隔内，构件或构件上某一点的速度与加速度均为零的状态。 这种具有瞬时停歇特性或停歇区的间歇运动机构型式众多，而且常常是几种 基本机构的组合应用。其中主要有：凸轮。连杆组合机构；周转齿轮连杆组 合机构；差动链轮机构等等。 第j 页 山东大学硕士学位论文 i - i 尼t 一一矗一t 比t 不走t共曩盼毪舒寞商分膏 研柑囊蕾n l r h u栳钠冉甘艳铆诤 膏括帆一蠢凸幢n 冉凸堆机拇 凸转，l 瞻 盘祷件嚣琦默 l 誊荨i 砖生 辩坊转绮 隹t 舒i 藉茬i ，稿转韵符铸 韩韵 蕊计# 口【知 主琦憾擅竹与奢t过置曩采蠢蚪， 膏奠挎遗母由青啦件叠童白疗设计 叠鞠鼍格一定时篮墙均冶i 一 一竹叠翱囊 粤乐向弗捷曩瘴巴定 童 主、脯件一奠斛疗t 计稿；琦 一话礴直叠量 矗阿曲栖舛豇i棒蕞霸冉a f , _ l 乎聃瞄毫堑毫毫室 搿糍 铺枷蟑h 珏h m 似 一 i 蠢蠡乎讳 1 曲o l 口1 0 0捌对 埘l o 时 句t t 奎蕾怔 南嘲 由 窨膏 t 一中、t l b 鲁| 巾t 谭一m , e t，l - t 怔t 甓t中f t j l 中毫申 雠ti l t 中鲁t 蕾一 靠膏敞 表1 1 如表卜l 所示棘轮机构、槽轮机构、针轮机构、不完全齿轮机构等传统的 间歇机构间歇运动机构，分度精度不高、性能差，只能用于低速，每分钟分度几 次一几十次。随着生产节拍的加快和高精度分度的需要，这些传统机构落伍了。 近些年来国外生产线上( 国内也有少许) 大量采用凸轮式分度机构。凸轮式分 度机构已成为精密间歇运动机构的发展方向。 1 2 精密间歇凸轮机构简介 1 2 1 精密间歇凸轮机构国内外发展概况 凸轮驱动的精密间歇机构与传统的间歇机构相比具有较高的分度精度，可达 - - + 1 0 ”( - - , t 殴- i - 3 0 ”) ：适于高速分度，每分钟分度次数可达几百次甚至超千次 ( 国外有用到两千次的) ；具有高承载能力和低维修率，并能满足用户所要求的 特殊的运动特性，是一种很有发展前途的新兴的凸轮分度机构。精密间歇凸轮机 构主要有三种类型： 第2 页 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 、平面分度凸轮机构( 平行分度凸轮机构) 如图1 - 1 所示平面分度凸轮机构由两组平行凸轮组成，共轭状态，成对安装， 主动件与从动件互成9 0 。，输入轴和输出轴平行于另一个平面。平行分度凸轮 机构经常采用1 - 8 次停顿范围，且可实现附加的停顿和特殊的运动。缩小中心距 可消除传动间隙。 平面分度凸轮是美国的商业凸轮制造公司( c o m m e r c i a lc s i t i & m a c h i n ec o ) 的专利，在美国由该公司和菲固索公司( f e r g u s o nm a c h i n ec o ) 制造。在日本 由东芝精机等制造。并都在市场上销售。平面分度凸轮机构是能实现一分度步进 运动的最理想的机构，它在长尺寸高速步进送料、单向高速间歇转位等方面有独 特的实用价值，在纸盒全自动模切机、釉面转自动印花机和自动冲压机离合装置 等设备中，一分度平面分度凸轮机构均为关键的工作机构。平面分度凸轮的检测 原理类似于平面凸轮。 图1 1 ( 2 ) 、圆柱分度凸轮机构( 端面蜗型凸轮) 第3 页 1 转盘前僖蘸子； 2 一转奎前援； “出轴， 一入； 5 一奠盘形凸轮i 6 - - 后盘静凸轮l r - - 黻詹板； i - _ j 幢中阿i b 事一掩蕾睁一滚手 山东大学硕士学位论文 4 垂直安装。输入轴3 和输出轴5 直角空涮交错，圆柱分度凸轮机构的停顿范围 在3 - 2 4 等分中选取，附加的停顿和特殊的运动也可以得到。由于传动间隙难以 消除，故高速性和精密性不如平面或弧面分度凸轮机构，但因圆柱凸轮加工容易， 因此，该机构目前应用场合和产量比弧面凸轮机构多。 图1 2 圆柱分度凸轮机构的检测已得到了较有成效的研究。文献5 2 提出一种在直 动测头凸轮检测仪上检测圆柱分度凸轮廓面的间接检测方法。即用圆柱分度凸轮 去推动直动滚子，看成直动滚子圆柱凸轮机构，只有升程没有回程。在凸轮检测 仪上，用直动滚子测头测得当量位移规律s d 一巾d ( s d 为测头移动位移，巾 d 为凸轮转角) 。将其与由分度盘的理论角位移规律v 一中( 1 l ，为分度盘转角， 中为凸轮转角) 换算成的直动滚子从动件理论当量位移规律s d 一巾d 比较，来判 断凸轮廓面精度，也可以将s d7 一由dr 换算成圆柱分度凸轮机构实际的角位移规 律v 一o ，将其与理论的角位移规律l l ，一中相比，判断圆柱分度凸轮廓面的精 度。 第4 页 山东大学硕士学位论文 两：弧面分度凸轮机构( 蜗杆凸轮机构、福克森机构) 图l 3 如图1 3 所示弧面分度凸轮机构是由弧面凸轮3 和安装在从动轮4 圆周外径 向方向的滚子从动件1 组成。凸轮呈圆弧回转体状，从动轮象一个齿轮轮齿，输 入轴2 与输出轴5 成直角交错，滚子齿形的分度范围在2 - 2 4 等分中选取，并可 得到附加的停顿和特殊的运动。 弧面分度凸轮机构由美国人c n n e k l u t i n 在2 0 年代发明，并由他创建的 f e r g u s o n 公司首先开始标准化系列生产。之后英、德、原苏联、瑞士、日本等也 相继进行了研制，并已有了标准化系列化的定型产品。 我国对弧面分度凸轮机构的研究是从7 0 年代末开始，目前在理论上日渐成 熟，系统的设计方法也逐渐完善。并已开始进行标准化系列化生产。1 9 1 我国制定的机械部行业标准草案有关弧面分度凸轮机构主要形式和参数如 下： 、机构主要有a 、b 两种形式。a 型结构：分度盘停歇时，与凸脊接触的 两滚子相邻，该两滚子轴线与凸轮轴线不垂直：b 型结构：分度盘停歇时，与凸 脊接触的两滚予不相邻，插入齿槽内的滚子轴线才垂直于凸轮轴线。 、凸脊有左、右旋，单头和多头之分。 、输入轴和输出轴轴端结构有圆柱型、圆锥型和空心型之分。 、输入轴有单端输入和双端输入之分。 第5 页 山东大学硕士学位论文 i i i 、输出轴有轴式、法兰盘式和台式之分。 、中心距4 0 5 0 0 m m ( 同标准蜗杆减速器) 。 、分度角9 0 。一3 3 0 。( 间隔3 0 。) 。 、分度数2 、3 、4 、5 、6 、8 、1 0 、1 2 、1 6 、2 4 等。 、精度等级超精级1 0 ”，精密级1 5 ”，普通级3 0 ”。 、产品代号示例 弧面分度凸轮机构，b 型，中心距l o o m m ，分度数6 ，分度角1 2 0 。改进 f 旋加速度规律，简记为h t b l 0 0 6 - 1 2 0 m s 。 1 2 2 弧面分度凸轮的性能特性及发展概况 综合三种精密间歇运动凸轮机构，从以下四个方面可看出弧面分度凸轮机构 性能最优： 、凸轮廓面是按最佳动力性能的运动规律设计的，又在数控机床上按包 络原理加工出来，无理论误差；凸轮廓面热处理后还能磨削，为保证分度盘分度 准确，分度盘甚至装在光学分度头上来加工均布得滚子轴孔。 、中心距可调，能在凸轮与滚予间加有预应力，消除了传动间隙。 、分度盘停歇时，分度盘上相邻两个滚予卡在凸轮的凸脊上，定位准确、 可靠。该机构件有分度、定位、自锁三个功能，不需另加制动和定位装置。 、机构刚度大、强度高、寿命长。 弧面分度凸轮机构存在的一个问题是加工难、售价高；但因其功能成本低， 是当今世界上最新式最理想的高速精密分度装置，应用例子如：高速冲床、矽钢 片高速冲槽机、洗衣粉自动计量包装机、电池自动生产线、电焊机转位、印刷机、 加工中心换刀装置等等，它将有更广阔的应有前景。 由于弧面分度凸轮机构良好的性能，使得广大的工程技术人员积极地进行 研究。并已取得了很大的成果。 我国在弧面分度凸轮机构的几何学、运动学、设计及应用、动力学研究、 加工等方面已取得了很大的成果：l l o i 第6 页 山东大学硕士学位论文 f r 面丙弧面分度凸轮机构发展中存在主要问题 我国的弧面分度凸轮机构在发展过程中存在的主要问题是弧面分度凸轮机 构的检测问题，一般生产厂家由于凸轮轮廓几何形状误差检测困难而不予检测。 这就影响了凸轮分度机构的精度。我国目前己成形的测量方法是在三坐标测量机 上检测弧面分度凸轮轮廓误差的方法，这解决了弧面分度凸轮轮廓几何量静态测 量的难题。但由于三坐标测量机的价格昂贵，且只解决了弧面分度凸轮轮廓几何 量静态测量的问题，测量速度慢，并不能解决实际生产过程中弧面凸轮的运动曲 线误差测量问题，因此在弧面分度凸轮的批量生产中，误差得不到及时的检测， 致使我国弧面分度凸轮机构的加工精度受很大到影响，限制了弧面分度凸轮机构 在间歇运动机构中的发展，从而制约了我国自动机械行业的发展。 1 4本课置的提出和主要的研究工作 鉴于以上问题，要想提高弧面分度运动凸轮机构的精度，则必须解决它的 关键零件一弧面分度凸轮的曲线误差检测问题。所以研究高速商精度、自动化、 可视化、智能化、数字化且价格低廉的弧面分度运动凸轮机构的运动曲线误 差的检测系统已追在眉睫。因此，本课题拟研制一套弧面分度运动凸轮的计算 机辅助检测系统。利用这套系统，从数据的采集，处理，到数据的报表显示、 存盘、打印，全部由计算机自动完成，操作者只需作一些简单的操作即可快速 地得到弧面分度运动凸轮运动曲线的误差信息，及轮廓的评定结果。从而提高 弧面分度凸轮检测的精度和效率。 本课题的主要研究任务如下： 1 ) 确定检测方案。根据弧面分度凸轮机构的工作原理，通过对各种检测方 案的分析对比，提出确定检测方案的原则等。 2 ) 计算机检测系统的硬件设计。根据确定的方案，设计检测系统中的硬件 系统，并根据实际条件，选择所需的检测元件。 3 ) 检测机构设计。根据弧面分度凸轮的结构特点，及所设计的硬件系统， 第7 页 山东大学硕士学位论文 来设计检测系统中的机械部分。 4 1 计算机检测系统的软件设计。这是本课题中的主要任务，本系统要靠它 来实现对检测过程的控制，数据的采集、处理，结果的评定，及数据的 保存、输出、打印等。 5 ) 系统调试。把所设计的检测系统装配起来，来测试整个检测系统的性能 是否符合设计要求。 第8 页 山东大学硕士学位论文 i 第二章弧面分度凸轮的原理及其检测方法 2 1弧面分度凸轮机构概述 图i 3 为弧面分度凸轮机构。弧面分度凸轮机构用于两垂直交错轴间的间歇 分度步进传动。输入轴2 上装有圆弧主动凸轮3 ，其机体为圆弧回转体，凸轮轮 廊制成突脊状。输出轴5 与输入轴2 垂直交错；输出轴5 上装有转盘4 ，转盘上 装有若干个均布的滚子，滚予轴线沿转盘的径向线。当凸轮旋转时，其分度段 轮廓推动滚子，使转盘分度转位。图( b ) 一( e ) 为转位过程示意图。图( b ) 为转盘停 歇位置，这时转盘上的相邻两滚子n o 1 和n o 2 跨夹在凸轮圆环面 蒜- 黎舔t 磐 西 甜仰 御 图2 - i弧面分度凸轮机构 突脊两侧，使转盘停止转动，所以这种机构不必附加其他装置，就能获得很好 的定位作用，并且可以通过调整中心距来消除滚子与突脊之间的间隙及补偿磨 损。图( c ) 为转盘转位开始后不久，仅由凸轮右侧廓线推动n o 1 滚子使转盘逆 时针向转动。图( d ) 为转盘转位一段时间后，凸轮的两条右侧廓线同时推动n o 1 和n o 2 滚子使转盘转动，且n o 1 滚子即将退出啮合。图( e ) 为转盘转位结束， 停歇开始，此时n o 2 和n o 3 两滚子跨夹在凸轮圆环面突脊两侧。转盘在分 度期的运动规律，可按转速、负荷等工作要求进行设计，所以这种凸轮机构具 有很高的分度精度和良好的定位作用，其动力学性能有保证，滚子的剐度也比 圆柱分度凸轮机构好，因此可用于中高速、重载、高精度的场合。但制造、检 测较困难，需专用的设备。 第9 页 山东大学硕士学位论文 弧面分度凸轮类似于具有变螺旋角的弧面蜗杆，转盘相当于蜗轮，滚子相 当于蜗轮的齿，所以弧面分度凸轮也有单头和多头及左旋和右旋之分，凸轮和 转盘问转动方向的关系，可应用类似蜗杆蜗轮传动的方法来判定。弧面分度凸 轮机构在国外又称为蜗旋凸轮分度机构或滚子齿轮分度机构。这种机构中，主 动凸轮一般作等速连续旋转，但有时由于需要转盘有较长的停歇时间，也可使 凸轮作间断性的旋转。 2 2弧面分度凸轮机构的主要运动参数 2 2 1凸轮分度廓线头数h 、转盘滚子数z 、与转盘分度数i 之间的关系 凸轮分度廓线的头数h 主要有下列几种：单头，h - - - - - 1 ：双头，h = 2 ；多头， h 3 ，一般较少用。凸轮分度廓线如为左旋用l 表示，右旋则用r 表示，一般 采用左旋较多。 转盘转一圈中的停歇次数称为转盘分度数i ，它与转盘滚子数z 间的关系为 一般常用的z 为6 1 2 ，常用的i 为4 1 2 。 ，：一z ( 2 - 1 ) 2 2 2凸轮与转盘在分度期与停歇期的运动参数 凸轮分度期转角0f 在满足工作要求的条件下，一般取大一些的值对机构的 运转情况是有利的。较常用的e f _ 2 3 4 3 。 凸轮停歇期转角od 为：8d = 27 1 e f但一2 ) 机构分度期的时间t f 和停歇期的时间t d 为 0 ， f ，2 方 第1 0 页 ( 2 3 ) 山东大学硕士学位论文 。：土l f ，(2-4t )d f r l ， 式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 仅适用于凸轮以等角速度u - 作连续旋转的情况。如凸轮作 间断性旋转，则应按实际情况计算t f 和t d 。 凸轮角位移以0 表示，并以凸轮分度期开始处作为0 = o 。 转盘分度期转角巾f 可按下式计算： ，：孕：卫生 ( 2 5 ) 转盘在分度期任意时刻的角位移巾i 为 妒，= s 妒，f 2 - 6 ) 式中s 一所选定的运动规律的量纲位移。 转盘分度期的角速度u2 为 ：娑：华y ( 2 - 7 ) f ，口 式中v 一所选定的运动规律的量纲位移。 在计算时，ul 无论是顺时针或逆时针方向转动，总取绝对值，即。l 不带 正负号，因此u2 亦无正负号。分度期间转盘与凸轮的角速比u2 m 1 与最大角速 比( c a ) 2 。1 ) m 。为 生：生矿 l p r( 2 - 8 ) ( 荆。= 等 式中v 。，一所选定的运动规律的量纲速度的最大值，每种运动规律的 v ，。是一个定值。 2 2 3 动停比k 与运动系数t 凸轮转一圈中，转盘的转位时间与停歇时间之比称为动停比k ， 后：上 ( 2 - l o ) f d 第l l 页 山东大学硕士学位论文 百丽丽= i i f 疆丽转位时间所占的比率称为运动系数t ， f ：! ( 2 1 1 ) f ，+ t d 2 2 4啮合重叠系数 由于制造和安装误差等影响，可能发生凸轮廓线与转盘滚子啮合中断的现 象。所以必须有适当的时间使前一个滚子尚未退出啮合时，后面的另一个滚子 已先期进入啮合，以保证传动连续。在分度期间凸轮有两条同侧廓线同时推动 两个滚子所占的时间比率加上1 定义为啮合重叠系数e ： 纠+ 鲁 陋 式中。厂凸轮分度期转角；o 。一在分度期间凸轮有两条同侧廓线同时 推动两个滚子时所对应的凸轮转角。 单头时一般取e = 1 1 1 3 ，双头时可再大些，但e 亦不宜过大，否则容易 发生由于两条同侧廓线间的不协调而产生卡住的现象。 由此我们可推出，同一滚子自进入啮合到退出啮合，凸轮转过角度为： 2n + ( e 1 ) 0 f 2 3 弧面分度凸轮机构常用的运动规律 弧面分度凸轮机构与一般的凸轮机构相比有两个主要的特点： 1 弧面分度凸轮机构的运动规律只有工作行程( 升程) 而无回程，即总是升 一停型运动曲线。升程为机构中从动转盘的分度阶段，停程为从动转盘的停歇 阶段。 2 弧面分度凸轮机构一般是在中、高速情况下工作的，选择运动规律时应 着重考虑其具有良好的动力学特性。 第1 2 页 山东大学硕士学位论文 2 3 1量纲一运动参数 研究弧面分度凸轮机构的运动时，总以主动凸轮的转角。作为自变量，且 一般均设定凸轮的角速度m 。为常数。而从动转盘的运动规律常用量纲一参数来 表达，主要有下列一些项目， 一、量纲一时间t t p 1 2f 2 万 ( 2 1 3 ) 式中t - 一转盘的转动时间( s ) ， t f 一转盘的分度期时间( s ) ； 0 凸轮的转角( r a o 或( 。) ； 0 广凸轮的分度期转角，( r a d ) 或( 。) 。 0 和0f 计算时均恒取绝对值，即不带正负号。 二、量纲一位移s 趾丢( 2 - 1 4 )驴， 1 _ r 7 式中由l 转盘的转角( 硼或( 。) ， 巾r 一转盘的分度转位角( t a d ) 或( 。) 。 由1 和巾f 计算时均恒取绝对值，即不带正负号。在弧面分度凸轮机构中，转 盘的s 恒为正值。 三、 量纲一速度v 矿：堕：娑(2-15)dt 妒， 妒，讲l 式中 。l 凸轮的角速度( r a d s ) ； o 2 转盘的角速度( t a d s ) 。 u l 和u 2 计算时均恒取绝对值，即不管。l 和u2 是同向还是异向，总不带 正负号。在分度凸轮机构中，转盘的v 恒为正值。 第1 3 页 山东大学硕士学位论文 四、量纲一加速度a 一：盟：尘一丝 ( 2 - 1 6 ) d t ，2 r 0 2t 2 式中 82 凸轮的角加速度( r a d s 2 ) ，2 和”2 ，82 和”2 同向时为正 异向时为负。 转盘的a 为正值表示a 与v 同向，a 为负值表示与v 异向。 五、量纲一跃度j ，：堕：互肛墼( 2 _ 1 7 ) d t ，缈1 3 式中 j 2 一转盘的跃度( r a d y s 3 ) 。j 2 与u2 同向时为正，异向时为负。转盘 的j 为正值时表示j 与v 同向，j 为负值时表示j 与v 异向。 2 3 2 弧面分度凸轮机构常用的运动规律 弧面分度凸轮机构常用的运动规律主要有下列三种，下面分别列出其计算 公式和曲线图形，并均以量纲一运动参数形式表示。 2 3 2 1 改进等速运动规律 这种运动规律中间一段为等速运动规律，始末两段用其他曲线过渡，一般 多用正弦加速度运动规律过渡，可避免冲击。弧面分度凸轮机构中经常采用的 改进等速运动规律： 行程始末的过渡段为一种正弦加速度运动规律 过渡段的量纲一时间t 。= 1 4 。图2 2 表示其位移、速度、加速度和跃度 等运动曲线。其计算公式如下： 第1 4 页 山东大学硕士学位论文 一孙一知刳 ：三r 一上s i n4 ，r r 36 x ( 2 1 8 ) 矿= * c o s 期2 ( 1 c o s 刎 q 。1 肚s ；n 筹= 等s 州灯 ( 2 2 0 ) r 2 。2 1 、 j - j 一= 3 2 。3 = 1 0 5 2 8 过渡段终了时( t _ _ t 严l 4 ) ，s = 1 6 = 0 1 6 6 7 ，v a = v m x - - 4 3 = 1 3 3 ，a a = 0 ， j 产j 。，= - 1 0 5 2 8 ，而在过渡段中点( 即t = t a 2 = i 8 时) ，a 眦产8 ，3 = 8 3 8 。 2 行程中间的等速运动段l t ( 1 - t 。) s ：黑：! r 一! ( 2 - 2 2 ) 2 ( 1 一l j 36 陆击2 詈2 篡 a = 0 j = 0 f 2 - 2 5 ) 3 行程终了时的正弦加速度过渡段( 1 - t ) t l 它与行程开始时的过渡段相对称。 在本过渡段开始时( t = 3 4 ) 的s b = 5 6 = 0 8 3 3 3 ，v b _ v 。x - 1 3 3 ，a b _ 0 ， j = - j r 。= - 1 0 5 2 8 。在终了时( t = 1 ) 的s = i ，v = 0 ，a = 0 ，j = j = 1 0 5 2 8 。 在t = 7 8 时，a = - a m x = - 8 3 8 ，j = 0 。 第1 5 页 锄 互3 弛一 等桃争吼 m 印 s = 时，始起段渡过 山东大学硕士学位论文 一一 图2 - 2改进等速运动规律曲线 s = + 季r 一古咖。，r r 但 y = 号( 1 - c o s 4 ，r t ) ( 2 - 2 7 ) 一= 等s i n 4zr(2-28) - ，：孕c r 佗。2 外 2 3 2 2改进梯形加速度运动规律 这种运动规律由五段曲线组成，第一、三、五段为正弦加速度运动规律， 一般采用t i = l 8 ；而第二、四段为等加速、等减速运动规律。图2 3 为其位 移、速度、加速度和跃度等运动曲线。各段的计算公式如下： 1 行程开始部分的正弦加速度段o t 1 8 s ：上f 2 t 一上s i n4 z r t l 2 3 0 ) 2 + l 2 n - y ：三一( 1 一c 4 n t ) ( 2 - 3 1 ) 2 十万、 7 第1 6 页 山东大学硕士学位论文 一：旦s i n4 厅7 1 2 + 丌 - ，：兰正c 。s4 。r 2 + 厅 ( 2 3 2 ) f 2 3 3 ) 本段开始时的s 、v 、a 均为0 ，j = j r r 。x = 3 2 n 2 ( 2 + ) = 6 1 4 3 本段终了时( l = l 8 ) 的s = ( 一2 ) 4 ( 2 + ) 卸0 1 7 7 ，v a = 2 ( 2 + “) 2 0 3 8 9 氏= a 。= 8 ( 2 + ) = 4 8 9 ，j a = 0 。 y -厂，一l ， 越 p 么 式 h、 - 一- 盯h r 芒 - l jtl 图2 - 3 改进梯形加速度运动规律 2 等加速度段l 8 t 3 8 s = 南降啦一丁2 y = ：上一( 2 一z + 8 x r ) 2 + ，r 、 一；兰：彳一 2 + 万 一 j = 0 本段终了时( t b = 3 8 ) 的 s b _ ( 2 + 3 一2 ) ( 8 + 4 2 ) = o 2 6 8 ， v b = ( 2 + 2 ) ( 2 + ) = 1 6 1 ， a h = a 相x = 8 ( 2 + 丌) = - 4 8 9 ， 第1 7 页 ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) 山东大学硕士学位论文 j = 0 。 3 行程中间部分的f 弦加速度段3 8 t 5 8 s = 击一+ 2 ( 1 + 石沙+ 瓦1 s i n 4 硝 ( 2 - 3 8 ) y ：三一( 1 + 石+ c 。s4 l r t ) y ：l ( 1 + 石+ c o s) 2 + ，r 、 。 a ：一_ 旦生s i n4 l rpy 2 + 石 j ：二! ! 垄：c 。4 石r 2 十石 ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 - 4 1 ) 本段中点处( t = 1 2 ) 的s = 0 5 ，v 2 v n m 2 ，a 2 0 ， j = 一j m = 3 2 2 “2 + 丌) = - 6 1 4 3 ； 本段终了处( 即t = 5 8 ) 的 s c = ( 3 2 + 5 + 2 ) ( 8 + 4 2 ) 卸7 3 2 ， v 。= 1 6 l ，气一a 。一4 8 9 ，j 。= 0 。 4 等减速度段5 8 t 一 x l ，而y z y t ，也就是说，当检测切点1 与切点2 时，采用大滚子的检测系统采集的凸轮转角01 和摆杆转角巾l ， 采用小滚子的检测系统采集的凸轮转角02 和摆杆转角由2 ，即el 由2 ，故，若检测头与设计的滚子形式和尺寸不同时，其检测的凸轮运 动关系与设计的凸轮运动关系也不同，因此在检测系统中测头的形式和尺寸 必须与设计的滚子相同。 图3 - 3 对于相同位置检测时，不同测头半径得出的数据关系不同 3 ) 在本检测系统中从动件为摆杆，故凸轮旋转时，摆杆不可能象从动轮一样一 直做间歇运动，摆杆的运动为：刚进入啮合期，摆杆摆动；然后进入停歇期， 摆杆不动；最后又进入分度期，摆杆再次摆动；当摆杆退出啮合后，摆杆不 第2 6 页 山东大学硕士学位论文 曼曼曼鼻| g i i 寰鼍曼鼍曼蔓曼曼鲁曼曼曼量皇曼皇蔓笪皇黑舅曼暑曼曼曹曼曼曼曼曼篁筹曼曼墨鼍量皇量曼曼量皇曼皇曼邕堂皇邕笪皇笪堂皇皇皇 下 再摆动。根据上一章中介绍的弧面分度凸轮的啮合系数e ，我们可以推出， 在摆杆进入啮合到退出啮合，凸轮的转角为：2 4 - ( e 1 ) 8 f 其中0 f 为 凸轮分度角。 3 2 检测系统的功能 本检测系统为弧面分度凸轮的计算机辅助检测系统。它设计的主要功能如 1 ) 通过本检测系统可以检测到凸轮转角与检测杆转角； 2 ) 将检测到的转角数据进行处理，得到转角间的关系： 3 ) 与理论关系比较，得到运动规律误差，计算最大误差，并进行廓线评定； 4 ) 本系统可以检测的凸轮的运动规律为弧面分度凸轮常用的三种运动规 律，即修正等速运动规律、修正梯形运动规律和修正正弦运动规律； 5 ) 本检测系统可以画出所检测凸轮的理论位移运动曲线，速度曲线、加速 度曲线和跃度曲线，并能显示其特性值，还能画出公差曲线和误差曲线， 使检测变得更直观； 6 ) 本检测系统能够将检测到的数据显示、存盘、打印； 7 ) 本检测系统可以手动检测也可以自动检测。 3 3 检测方案制定 根据检测原理和检测系统的功能要求，拟定检测方案为计算机辅助测量，即 利用传感器测量凸轮及摆杆的转角，然后通过接口电路将测得的数据送到计算 机中，利用软件编程处理这些数据，实现上述功能。 3 4检测系统总体设计 本课题的检测方案拟定为弧面分度凸轮轮廓曲线的计算机辅助测量法。即计 算机控制驱动电机电源让凸轮与光电编码器转动，凸轮推动滚子摆动测量杆摆 第2 7 页 山东大学硕士学位论文 丽无瓦丽蔼藜骚动二二确度向计算机发出一脉冲，计算机接收一次脉冲，采 集一次摆动测量杆的角位移数据，所采用的角度测量传感器为圆感应同步器及 数显表，再将测得的数据通过接1 3 电路送给计算机进行处理，对该廓线进行评 定，利用计算机将采集的数据显示、存盘、打印。其总体设计如图3 4 所示。 图3 4 弧面分度凸轮检测系统总体设计 在此检测系统设计中，包括：检测弧面分度凸轮的装置设计即机构设计、采 集数据的传感器及电路设计即硬件设计、采集控制和数据处理的软件设计，当 然还需要整个系统的装配调试，测试结果的分析。 3 5小结 本章介绍了弧面分度凸轮运动曲线的c a t 检测系统的检测方法和原理，检 测系统具有的功能，检测系统方案的设计以及检测系统的总体设计。从而将整 个系统的设计分成几部分：检测系统的机构设计、硬件设计、软件设计及系统 集成和实验结果分析。 第2 8 页 山东大学硕士学位论文 第面章弧面分度凸轮检测系统的硬件系统设计 4 1硬件系统的设计 根据检测系统功能的要求，要对凸轮转角和相应的检测杆转角进行采集，在 上一章中已经介绍了检测系统的总体设计，从中可以知道需要同步采集凸轮转 角和检测杆转角，并将数据传送给计算机，由计算机来进行数据处理并对其进 行评定。可以用来采集转角的传感器有多种，我们选用的传感器为光电编码器、 感应同步器、数显表等。其中光电编码器用来采集凸轮转角，感应同步器及数 显表用来采集检测杆的摆角，。其硬件系统图如图4 1 所示： 图4 1弧面分度凸轮检测硬件系统原理图 4 2光电编码器 随着机电一体化的发展，对位移测量提出了高精度、数字化以及大尺寸等要 求，因而近年来出现了许多新型测量元件，编码器就是其中一种。它就象齿轮 与齿条、螺钉与螺母一样，和机械长度标准器一起用作旋转轴或线性轴的反馈 装置。它是位移数字显示系统、数字闭环机电一体化系统中不可缺少的组成部 件，它有如下一些优点： 1 ) 能借助于微电子技术，达到足够高的精度，没有人为的读数误差： 2 ) 易于实现系统的快速、自动和数字化； 第2 9 页 山东大学硕士学位论文 3 ) 测量系统量程大，长度可以达数米甚至更长，角度可以在3 6 0 。范围内 进行测量； 4 ) 体积小，重量轻，结构紧凑，测量系统安装方便，使用和维护简单，工 作可靠。 光电编码器是一种旋转式的角位移检测装置，在数控机床中得到了广泛的使 用。光电编码器将角位移用数字( 脉冲) 信号表示，所以也称为脉冲编码器。 光电编码器也可用来检测转速。 4 2 1光电编码器的种类 光电编码器可以按其每转发出的脉冲数来分类，如表4 - 1 所示。表中的 2 0 0 0 0 p r 、2 5 0 0 0p r 、3 0 0 0 0p r 为高分辨率脉冲编码器。 表4 1 光电脉冲编码器 脉冲编码器每转脉冲移动量( m m ) 2 0 0 0 p ，r 或2 0 0 0 0 p r 2 、3 、4 、6 、8 2 5 0 0 p r 或2 5 0 0 0 p r 5 、l o 3 0 0 0 p r 或3 0 0 0 0 p r 3 、6 、1 2 光电编码器也可以按测量的坐标系来分类，分为增量式光电编码器和绝对式 光电编码器。 4 2 2 增量式光电编码器 增量式光电编码器也称为光电盘。其原理图如图4 2 所示。 增量式光电编码器有光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光电管、整形放大电 路和数字显示装置等组成。光电盘和光栏板用玻璃研磨抛光制成，玻璃的表面 在真空中镀一层不透明的铬，然后用照相腐蚀法，沿光电盘的圆周方向均匀的 制成透光狭缝，其数量为数百条到数千条不等。在光栏板上制成两条狭缝，每 条狭缝的后面对应安装一个光电管，当光电盘转动时，光线通过光电盘的狭缝 第3 0 页 山东大学硕士学位论文 芨死翟面函丽恧哥孤射在琵电管上，这个光信号为忽明忽暗的近似于正弦波 的信号，通过光电管转换为电信号，然后经过整形和放大等处理，变换成脉冲 信号，通过计量脉冲的数目，即可测量旋转运动的角位移，通过计量脉冲的频 率，即可测量旋转运动的转速。测量结果可以通过数字显示装置进行显示。 光 图4 2 增量式光电编码器原理图 光电编码器的输出波形如图4 3 ，通过光栏板两条狭缝的光信号a 和b 。相 位角相差9 0 。，通过光电管转换并经过整形后，成为两相方波信号。从两相方 波信号的相位关系可以辨别旋转运动的方向。比如，当a 相超前于b 相时，旋 转方向为正方向；当b 相超前于a 相时，旋转方向为负方向。 由于编码器每次测量的角度，都是相对于上一次读数的增量值，而不能反映 旋转运动的绝对位置。所以，称为增量式光电编码器。 为了提高光电编码器的分辨率，可以采用提高光电盘上狭缝的密度的方法， 也可以采用增加光电盘发讯通道的办法。前者实际上是使光电盘的狭缝变成圆 光栅线纹；后者是使得圆盘上不仅由一圆透光狭缝，而且还有大小不等的同心 圆环狭缝( 亦称码道) 。这样，光电盘旋转一周时发出的脉冲信号数目增多，因 而分辨率得到提高。 第3 l 页 山东大学硕士学位论文 图4 - 3 光电编码器的输出波形图4 _ 4 四位二进制码盘 4 2 3绝对式光电编码器 绝对式光电编码器就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码， 因此称为绝对码盘或编码盘。绝对式光电编码器是通过读取编码盘上的代码来 测定角位移的。 1 ) 编码器的结构 绝对式光电编码器的码盘采用绝对值编码，码盘按照其所有码值可以分为 二进制码、循环码、十进制码、十六进制码等。如图4 - 4 所示是四位二进制码盘。 码盘上有四条码道，所谓码道就是码盘上的同心圆。每条码道以二进制的分布 规律，被加工成透明的亮区和不透明的暗区。若亮区为“1 ”，暗区为“0 ”，则 根据四条码道沿码盘径向分布的明、暗区状态，即可度取四位二进制数代码。 一个四位码盘在3 6 0 6 范围内可编码2 = 1 6 个。 2 ) 工作原理 绝对式光电编码器的工作原理如下：由光源产生的光线经透镜变成一束平 行光线，照射在码盘上，码盘的码道上按照二进制的规律，分布有一系列的亮 区和暗区。通过亮区的光线照射在光电元件上。光电元件呈径向排列，数量与 码道一一对应。当光线通过码道上的亮区照射在光电元件上时，光电元件输出 电信号为“1 ”；当光线被码道上的暗区挡住时，光电元件输出电信号为0 。 第3 2 页 山东大学硕士学位论文 输出信号再经过整形、放大、锁存及译码等电路进行信号处理，输出的二进制 代码，即代表了码盘轴的对应位置。也即实现了角位移的绝对值测量。 由于光电元件安装误差的影响，当码盘回转在两段码交替过程中，就会有 一些光电元件越过分界线，而另一些尚未越过，于是便会产生读数误差。例如 图4 4 中。当码盘顺时针方向旋转时由位置“0 1 1 l ”变为“1 0 0 0 ”时，这四位 数同时都有变化，可能将数码误读成为1 6 种代码中的任意一种( 与光电元件偏离 位置有关) 如读成“1 1 1 1 ”、“1 0 1 1 ”、“1 1 0 1 ”等，这种误差称为单值性误差。 为了消除这种误差，绝对式光电编码器的码盘大多采用循环码盘( 或格雷码盘) 。 格雷码的特点是任意相邻的两个代码之间只改变一位二进制数，这样，即使制 作和安装不很准确，也只能读成相邻两个数中的一个，产生的误差最多不超过 “1 ”，。所以，这种编码是消除非单值性误差的有效方法。 4 3 1感应同步器原理 4 3直线感应同步器 如图4 5 所示，如果在一根导线上通以电流，则在导线的周围就要产生磁场。 假如我们在这根通电导线磁场内平行地放入另外一根导线，而通电导线中接入 的又是个交流电源，这样当电流反向时，根据右手螺旋定则，磁场方向亦和 图4 5 所示方向相反。另一根导线就因为处于交变的磁场内感应出电压来。 湖 哪 图4 5 通电导线周围的磁场图4 - 6 感应电压的产生 如图4 - 6 所示，通以交流电源的一根导线称为激磁导线，产生感应电压的一 第3 3 页 孕 山东大学硕士学位论文 丽辱甄琢两恧匠寻夏愿面两压i 芹暖流激磁电压u 之比称电压耦合系数k 。 电压耦舍系数k 一：妻鑫毒簧吾 即： 如果我们在印刷线路板上将激磁导片做成图4 7 所示连续平面绕组形式，则 当电流由左端流向右端的瞬间，各 单元导片周围空间都形成环形封 闭磁力线。由于相邻二根单元导片 电流力向相反，由单元导片1 和2 所产生的磁力线，在这两导片间的