（机械电子工程专业论文）共轭凸轮分割器设计制造及测试系统研究与开发.pdf

山东理工人学硕士学位论文摘要 摘要 共轭凸轮分割器具有适应高速重载、控制准确有效、性能稳定等优点，广 泛用于食品包装机械、农业机械、制药机械、印刷机械、电器制造装配自动生 产线等设备上的间歇转位机构、自动机床a t c 装置和步进转位装置，所以对 共轭凸轮分割器的研究有重要的现实意义。 本文针对共轭凸轮分割器的设计、制造和测试中的若干关键技术问题进行 了较为深入系统的研究。主要研究成果如下： 利用v c + + 6 0 结合图形化编程语言o p e n g l 编程开发了共轭凸轮分割器 设计制造系统。系统操作简单，具有良好的人机交互界面和较好的集成性、通 用性和实用性，提高了共轭凸轮分割器的设计和制造效率，降低了制造成本， 保证了加工质量。 运用模糊数学的理论对凸轮机构从动件的运动规律进行了模糊优化设计， 建立了模糊综合评判模型，快速精确的计算凸轮轮廓数据，提高了设计的工作 效率和运动性能精确性。 研究了v c + + 6 0 、o p e n g l 和u g 软件之间的信息交换技术，编制了图形 转换、运动仿真、加工编程等大量程序，实现了共轭凸轮的快速造型，运动仿 真和加工仿真，较好地实现了数据共享。 研制了共轭凸轮分割器测试系统，对系统进行了总体结构设计。根据理论 模型选择了零部件和元器件类型，设计了可调节支撑台架，用于实现对多种型 号凸轮分割器的测试。实验表明研制的测试系统具有较高的可靠性和测试精 度，为共轭凸轮分割器的性能测试提供了一套新型虚拟测试仪器。 以专业的虚拟仪器软件l a b v i e w 为平台，开发了测试系统的软件交互系 统。用户根据需要选择参数后，系统将会在主界面的基础上调用相应子程序， 实现对共轭凸轮分割器运动角位移、速度、加速度及加速度跃动的参数测试和 数据分析，使用起来简便直观，具有良好的可维护性和扩充性。 对共轭凸轮分割器进行了分度精度检测，并对数据采集的输出参数( 位移、 速度、加速度、加速度跃度) 进行了误差分析，找出了设计加工中存在的问题 并进行了改进，有效地提高了共轭凸轮的设计制造质量。 关键词：共轭凸轮分割器；设计；加工仿真；虚拟仪器；数据采集 a b s t r a c t t h e c o n j u g a t e c a m f r a g m e n t a t i o nm e c h a n i s mh a sm a n ye x c e l l e n c e s ， i n c l u d i n gh i g hs p e e d i n go v e r - l o a d i n g ， e x a c ta n de f f e c t i v ec o n t f o l ，a n d s t e a d y c a p a b i l i t ya n ds oo n i ti sap a r to fi n t e r m i s s i o na n dd i s p l a c e m e n tm e c h a n i s m ，a t c e q u i p m e n ta n dw a l k i n ge q u i p m e n t ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nw r a p p i n gm a c h i n e ， a g “c u l t u r a lm a c h i n e ，m e d i c i n em a c h i n e ，p r i n t i n gm a c h i n ea n dw i r i n ga s s e m b l e l i n ea n ds oo n t h e r e f o r e ，i ti sg r e a t i m p o r t a n tt os t u d yt h ec o n ju g a t ec a m f r a g m e n t a t i o nm e c h a n i s m t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e ss o m ek e yt e c h n 0 1 0 9 yi s s u e so nc o n j u g a t ec a m f r a g m e n t a t i o nm e c h a n i s md e s i g n ，m a n u f a c t u r i n ga n dt e s t t h ep r i m a r yr e s u l t sa r e a sf o l l o w s ： w i t ht o o l so fv c + + 6 0 a n do p e n g lp r o g r a m ，d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g s y s t e mw a sd e v e l o p e df o rc o n j u g a t ec a mf r a g m e n t a t i o nm e c h a n i s m t h es y s t e mi s e a s i l yo p e r a t e d ，w h i c hh a se x c e l l e n to p e r a t i n gp l a t f o mw i t hi n t e r c h a n g eo fh u m a n a n dc o m p u t e r ，a n db e t t e ri n t e g r a t i o n ，c o m m o nu s ea n dp r a c t i c a lu t i l i z a t i o n a n di t c a ne n h a n c ee f n c i e n c yo ft h ec o n j u g a t ec a mf r a g m e n t a t i o nm e c h a n i s mi n d e s i g n a n dm a n u f l a c t u r e ，r e d u c et h ec o s ta n de n s u r et h eq u a l i t yo f p r o c e s s i n g o nt h eb a s i so ff u z z ym a t h ，f u z z yo p t i m i z a t i o nw a sd e s i g n e df o rt h em o t i o n l a w ，a n dt h ef u z z ys y n t h e t i c a l l ye v a l u a t i n gm o d e lw a sb u i l t t h i sm o d e lc a n i n t e l l i g e n t l yc h o o s et h eo p t i m a lm o t i o nl a 、c a l c u l a t et h ec u r v ed a t ao ft h ec a m a n di m p r o v ew o r ke m c i e n c ya n dt h ep r e c i s i o no fm o t i o n p e r f o r m a n c e i n f o r m a t i o ni n t e r c h a n g eb e t w e e nv c + + ，o p e n g la n du gw a ss t u d i e da n d l o t so fp r o g r a mw a sw r i t t e ni nt r a n s f o r m a t i o no fg r a p h ，m o t i o ns i m u l a t i o na n d p r o c e s s i n gp r o g r a m m i n g t h e n ，t h es y s t e mc a nr e a l i z ef a s tr e s h a p e ，m o t i o na n d p r o c e s s i n gs i m u l a t i o na sw e l la sd a t as h a r e t h et e s ts y s t e ma n dt h ew h o l es t r u c t u r eh a db e e nd e v e l o p e df o rc o n j u g a t e c a mf r a g m e n t a t i o nm e c h a n i s m m e a n w h i l e ，t h es t y l e so fi n s t r u m e n t sw e r ec h o s e n i na c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i cm o d e l ，a n dt h ea d j u s t e dt r e s t l et a b l ew a sd e s i g n e di n o r d e rt o t e s td i f & r e n tf r a g m e n t a t i o n s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a s h i g h e rd e p e n d a b i l i t ya n dp r e c i s i o n ，a n dp r o v i d e sas e to fn o v e lv i r t u a li n s t r u m e n t s f o rt e s t i n gc a p a b i l i t yo ft h ec o n j u g a t ec a m f r a g m e n t a t j o nm e c h a n i s m b a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n t sp l a t f o r m ，t e s ts y s t e mw a sd e v e l o p e d a n e r c h o o s i n gp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt on e e d s ，t h es y s t e mw o u l dc a i lt h ec o r r e s p o n d i n g l i 山东理t 大学硕士学位论文a b s t r a c t s u b - p r o g r a mi nt h em a i ni n t e r f a c e ，a n dc o m p l e t ep a r a m e t e rc o l l e c t i o na n dd a t a a n a l y s i sf o rd i s p l a c e m e n t ， s p e e d ，a c c e l e r a t i o na n da c c e l e r a t i o nj u m pf o rt h e c o n j u g a t ec a mf r a g m e n t a t i o nm e c h a n i s m t h es y s t e mh a ss t r o n ge x t e n s i b 订i t ya n d m a i n t a i n a b i l i t y f o l l o w i n gb yt h ep r e c i s i o no ft e s td e t e c t e da n de r r o ra n a l y z e df o rc o n j u g a t e c a mf r a g m e n t a t i o n ， r e a s o nw e r ef 0 u n dp r o d u c e di nt h ep r o c e s so fd e s i g na n d m a n u f a c t u r e o nt h eb a s eo fa n a l y s i s ，t h es y s t e mc a ne n h a n c et h em a n u f a c t u r i n g q u a l i t yf o rc o n ju g a t ec a mf r a g m e n t a t i o n k e yw o r d s ：c o n ju g a t ec a m ；d e s i g n ；m a c h i n i n gs i m u l a t i o n ；v i r t u a l i n s t r u m e n t ； d a t aa c q u i s i t i o n ； i i 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： 游 时间、：年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：妻刷艺 时间易和秀年月 日 导师签名： 时间：妒吕年6 月f 子日 山东理工大学硕 j 学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百y 匕 随着科学技术的进一步发展，人们对生产机械的要求越来越高，使得生产 机械不断朝着自动化的方向发展，自动化机械在机械产品中的地位同益显著。 为了满足工艺规范的要求，在轻工、食品、纺织、电子等行业广泛使用的各种 自动机械中，很多情况下需要机器或者执行部件作周期性停歇运动，以进行加 工、换位、分度、进给、换向等一系列工艺规范的操作。其特点是将系统输入 轴的连续回转运动转换为工作执行机构的间歇转动或移动，从而使系统在其间 歇期能完成预期的工艺动作。为了实现这种运动，间歇机构应运而生。间歇机 构又称为分度机构或者步进机构，主要用于分度运动。这种机构一般用来传递 位移、速度和动力。常用的间歇机构有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构 和凸轮型间歇机构等。 随着自动机械向高速化、精密化及轻量化的发展，对问歇机构提出越来越 高的要求。棘轮、槽轮、不完全齿轮机构等间歇机构由于分度定位精度低，运 动不够稳定，以及高速时存在冲击等不足，一般适用于低速、轻载的场合。凸 轮型问歇传动机构结构简单、能自动定位、动静比可任意选择，具有高速度、 高分度精度、冲击噪音小的特点，因此己成为间歇和步进机构的主要发展方向， 广泛应用于各种多工位自动机械、直线步进运动机械中，成为这些自动化机械 中的关键部件1 2 。3 l 。 目d 仃实际应用中的分度凸轮机构主要有三种类型： ( 1 )平行分度凸轮机构：该机构主要用 于两平行轴问的分度传动。凸轮轴 线、分度盘轴线、滚子轴线相互平 行，属于共轭凸轮机构，缩小中心 距可以消除传动间隙。如图1 1 所 刁io ( 2 )圆柱分度凸轮机构：该机构主要用 于窄i h j 两垂直交错轴问的传动。凸 轮轴线与分度盘轴线垂直交错，滚图1 1平行分度凸轮机构 子轴线与分度盘轴线平行。如图1 2 所示。 山东理t 大学坝l j 学位论文 笫一章绪论 ( ：3 )弧面分度凸轮机构：该机构主要用于两垂直轴之间的传动，凸轮 轴线与分度盘轴线垂直交错，滚子均斫i 在分度盘上，其轴线与分 度盘轴线垂直相交。可以预紧，以消除间隙。如图1 3 所示。 图1 2圆柱分度凸轮机构图1 3弧面分度凸轮机构 本文主要研究的是图1 1 中的共轭分度凸轮机构：两组完整的凸轮机构， 同类构件相互刚性连接，分别控制同一从动件运动规律中的推程和回程，其中 刚性连接的两个凸轮称为共轭凸轮，通常称一个凸轮为主凸轮，另一个为回凸 轮。共轭凸轮机构i 叮以将凸轮轴的连续转动，转换为输出轴的停歇转动或移动。 与其它凸轮机构相比，具有输入输出轴线平行、刚性好、分度数多、分度精度 高、传动转矩大、运行平稳、可靠性好、周期控制简单和易于制造等优点。并 且与齿轮传动组合可产生多利t 形式的传动方案，满足多种应用场合的使用要 求。 1 2 研究意义 共轭凸轮分度机构具有适应高速重载、控制准确有效、性能稳定等优点， 广泛用于食品包装机械、农业机械、制药机械、印刷机械、电器制造装配自动 生产线等设备上的问歇转位机构、自动机床a t c 装置和步进转位装置。共轭 凸轮分度机构的缺点是设计过程较复杂、设计质量不易保证、制造困难，国内 对于高速重载凸轮间歇机构需求只能依赖进口产品【4j 。近几年，国内的很多学 者对此作了大量的研究工作，出现了许多共轭凸轮机构设计的c a d 系统1 5 卅j ， 但这些系统多是针对共轭凸轮分割器设计整体过程中的某一部分，存在一定的 局限性，其设计的系统性、实用性较差。其设计精度、制造效率还需进一步的 提高。 共轭凸轮机构的检测是一个比较薄弱的环节，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【l m j 。现有的凸轮测量仪软件只是专门对对 2 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 称凸轮的数据进行处理，使得凸轮测量仪的使用范围大大降低。测试手段的落 后影响了共轭凸轮机构制造精度的提高【l “博j 。 随着科技的不断创新，特别是计算机辅助技术、电子技术和传感器技术的 飞速发展，凸轮机构设计的c a d c a m 系统及测试技术日新月异，运用先进的 计算机辅助技术，同时借助模糊综合评判模型优化选择运动规律完成对共轭凸 轮分割器设计制造系统的开发以及开发一种能够对各种凸轮分割器进行测量 并进行数据处理的虚拟仪器测试系统，对共轭分度凸轮机构的运动特性进行较 全面的检测与分析具有重要意义。 该方法使共轭凸轮分割器从传统的设计模式转向了自动化程度较高的计 算机辅助设计制造模式。通过软件编程可以对设计中可能出现的问题做出正确 的预测、分析和改进，而且通过测试系统可以对影响共轭凸轮分度精度的因素 进行总结并改进，可有效地提高共轭凸轮分割器的设计质量，降低材料损耗， 减少试制样机的费用和时间，缩短产品的更新周期，从而使其寿命延长，制造 成本下降，工作性能改善，更好的促进自动机械档次的提高。 1 3 共轭凸轮机构的研究现状 目前对于一般凸轮设计c a d 已经有了很大的发展，不少学者已经用 b a s i c 、f o r t r a n 、v c + + 6 0 等高级语言编制出较为成熟的c a d 软件，能提供 常用的从动件运动规律设计，平面凸轮机构的基本尺寸设计和凸轮轮廓坐标计 算等【l9 。2 2 】。例如，西安理工大学吉晓民基于面向对象的建模方法与观点，建立 了平面凸轮c a d c a m 系统，采用参数化特征的建模方法建立凸轮零件的信息 模型；在研究从动件拼接问题、推导共轭凸轮廓线坐标的基础上，于2 0 0 2 年 用a u t o c a d 进行二次开发、a u t o l i s p 语言编制程序，开发了共轭凸轮机构 c a d c a m 软件系统。广东工业大学余惠芬于2 0 0 0 年用基于面向对象的方法 运用v c + + 6 0 开发了平面凸轮c a d c a m 集成系统，于2 0 0 3 年运用v i s u a l b a s i c 6 o 对多种凸轮机构进行了设计，用a u t o c a d 进行了仿真，研制了二维 与三维c a d c a m 软件系统。国内其它一些大学或厂家也对凸轮c a d c a m 软件开发做了一些工作【2 3 30 1 。总体衡量，现有的凸轮设计软件对凸轮机构的研 究主要有以下几个特点： ( 1 ) 从动件运动规律的研究，除继续寻找更好的规律外，要研究有效的方 法，当对从动件的轨迹有要求时，能用这些方法组成或创造出满足要求且性能 良好的运动规律【3 卜3 3 】。 ( 2 ) 从凸轮廓线出发，提出一些适合在高速条件下采用的推杆运动规律， 而且结合现代设计理论和方法，设计出一些新型凸轮机构，以满足高速工况工 山东理丁大学硕j 二学位论文第一章绪论 作要求及确保加工精度1 3 引。 ( 3 ) 以弹性理论为基础，建立高速凸轮机构的动力学模型及其运动微分方 程，通过分析高速凸轮机构动力学模型的运动方程式，并通过正弦加速度运动 规律得到凸轮机构输出端的动态响应，确定凸轮机构输出端运动规律。或是在 建立一个能较为准确的描述凸轮动力特性的多参数数学模型的基础上，通过仿 真分析，得到高速凸轮机构在不同的轮廓及结构参数下的动力学特性曲线 p 孓3 7 j ，使动力学研究成果进一步实用化。 ( 4 ) 引入专家系统或人工智能系统发展通用而有效的凸轮设计系统【3 弘列j 。 凸轮机构的研究经历着从手工计算到依据系统的理论模型展开计算机辅 助运算、从经验设计到优化设计、从单纯运动学分析到动力学研究的发展过程。 目前，对于共轭凸轮的研究较少，现有c a d 软件，能提供常用的从动件 运动规律设计、凸轮廓线坐标计算等，为开展共轭凸轮分度机构设计制造系统 的开发提供理论基础。文献 2 4 中以极坐标的形式给出了共轭凸轮轮廓线的设 计计算公式，分别计算主凸轮和回凸轮的廓线坐标，最后再确定主、回凸轮基 准轴线的安装角及两摆杆的安装角。每计算主凸轮廓线上一点的坐标，回凸轮 上均有唯一一点与之对应，从而得到回凸轮的廓线坐标。 根据不同的工作要求，从动件有不同的运动规律，因此需要设计不同的凸 轮廓线【4 0 。4 3 1 。如果要求凸轮机构的从动件在一个周期内具有多次推程、停留、 回程，而每个推程或回程可能有不同的运动规律，就构成了具有复杂廓线的凸 轮机构。共轭凸轮设计往往需要进行大量的廓线设计和重复性计算工作，设计 出来的凸轮图形绘制困难或绘制不精确，并且设计周期长。为了解决凸轮设计 存在的效率低下等问题，出现了很多凸轮设计的c a d 系统，但是现有的大多 数凸轮机构的c a d 设计方法一般只能设计某种或某几种凸轮机构，效率不高， 通用性差，更无法模拟凸轮机构三维真实感运动过程。目前，对于具有复杂廓 线的共轭凸轮的设计和测试还不成熟，虚拟设计和制造技术的应用为解决该问 题提供了有效的手段，在考虑加工的基础上，开发了共轭凸轮分割器设计制造 系统，进而运用虚拟仪器技术对加工出的成品进行运动性能测试，从而实现了 对共轭凸轮机构的设计、制造、加工与测试一体化。 1 4 虚拟仪器的研究现状 虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t ，简称v i ) 是基于计算机的仪器，是虚拟仪器 技术在仪器仪表领域中的一个重要应用，它是日益发展的计算机硬件、软件和 总线技术在向其它技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术紧密结 合，共同孕育出的一项新成果。1 9 8 6 年美国的国家仪器公司( n a t i o n a l 4 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 i n s t r u m e n tc o r p o r a t i o n ，简称n i ) 首先提出了虚拟仪器的概念，认为虚拟仪器是 由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界 面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。进一步说 明，虚拟仪器是以p c 机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运 算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的 专业化功能和面板控件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一 台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源 的全新的仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成，因此 国际上把这类新型的仪器称为“虚拟仪器”。 虚拟仪器将计算机资源和仪器硬件技术结合，在系统内共享软硬件资源， 把由厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能。用户可根据测 试功能的需要，自己设计所需要的仪器系统，只要将具有一种或多种功能的通 用模块相组合，并且调用不同功能的软件模块，就能组成不同的仪器功能。当 测试要求改变时，只要增加或更换仪器软件模块，就可以构成新的仪器。虚拟 仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统，进而逐步代替仪器 完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的【4 4 - 4 7 1 。 计算机的迅猛发展，极大地推动了虚拟仪器技术的发展。计算机具有仪器 所需要的、最先进及性价比最好的显示与存储能力。目前，计算机在显示、数 据处理与存储能力等方面一直按指数率提高并将继续高速发展。并且，随着众 多虚拟仪器通用硬件产品厂家技术的日益更新，必将进一步提高虚拟仪器的性 能和实用性。虚拟仪器( v i n u a li n s t r u m e n t ) 是基于计算机的仪器。计算机和 仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。 自2 0 世纪8 0 年代以来，以n i 公司为代表的一批厂商已经研制和推出了 多种总线系统的虚拟式仪器，特别是以n i 开发的l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 的编程环境，大大方便了工程人员的开发工作，从而进一步促进了虚拟仪器的 发展。在n i 公司之后，美国惠普( h p ) 公司推出h p v e e 编程系统可以提供 数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机，用户可以用它组建或挑选自己所需 的仪器。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如t e k 仃o n i x 公司，r a c a l 公司 等也相继推出了总线系统多达数百个品种的虚拟式仪器。 作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究和开发在国内发展迅 速。从9 0 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、 西安电子科技大学、成都电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科 技公司，在研究和开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进消化n i 公司、 h p 公司的产品等方而做了一系列有益工作，取得了一批瞩目的成果。 虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、结构和模式，改变了人 山东理工人学硕上学位论文 第一章绪论 们的仪器观，都看清了虚拟式仪器对传统仪器的巨大挑战，认识到在本世纪虚 拟式仪器将成为电测仪器的主要发展方向【4 8 。5 3 1 。 1 5 本文的研究内容 本文针对目前共轭凸轮分割器设计制造及测试过程中存在的问题，主要运 用系统集成技术和虚拟仪器技术对共轭凸轮分割器的设计制造及测试问题进 行研究。 利用v c + + 6 o 结合图形化编程语言o p e n g l 开发共轭凸轮分割器设计制 造系统，实现共轭凸轮分割器的实体加工。对加工出的共轭凸轮分割器运用虚 拟仪器技术实现测试系统的开发，对共轭凸轮分割器的各项运动参数如位移、 速度、加速度、加速度跃度进行测试分析，找出存在的问题并进行改进，可有 效地提高共轭凸轮的分度精度。 本文的研究内容主要包括以下几个方面： l 、从理论出发，对共轭凸轮分割器参数设计选择进行研究，主要包括对 共轭凸轮分割器基本参数、几何和动力学参数的选择，并建立从动件运动规律 模糊综合评判模型，实现从动件运动规律的最优化选择。 2 、结合可视化编程语言和先进的计算机辅助技术开发共轭凸轮分割器设 计制造系统，实现共轭凸轮轮廓曲线的自动设计以及共轭凸轮分割器建模和仿 真；编制数控程序，自动生成加工文件，实现共轭凸轮的实体加工。 3 、开发测试系统平台，对整个测试系统硬件部分的参数进行研究并选择， 包括编码器的选择，数据采集卡的选型，支撑台架的设计等。开发的测试系统 平台要具有通用性，可以实现对各种型号分割器的测试。 4 、开发共轭凸轮分割器数据处理软件。采用l a b v i e w 语言编制应用程 序，对采集数据进行处理、滤波、消噪等。完成性能稳定、界面美观、操作方 便和功能齐全的用户应用程序设计，能同步采集、实时保存、在线显示多路信 号、示波方式灵活方便；数据回放功能丰富，可以对波形进行数字滤波、f f t 、 功率谱分析、效率计算等多种数字信号处理。 5 、实验数据结果分析。研究数据采集的方法并把结果与理论值进行对比， 分析共轭凸轮分割器的精度及运行状况。总结影响共轭凸轮制造精度的各项因 素并改进，进而提高共轭凸轮的设计和制造质量。 6 山东理t 大学硕上学位论文第二章共轭凸轮分割器设计参数选择研究 第二章共轭凸轮分割器设计参数选择研究 一般来说，对凸轮机构进行尺寸设计时，须完成以下任务：根据工况要求 确定凸轮机构类型、从动件的运动规律、凸轮机构基本尺寸设计、凸轮轮廓曲 线设计及凸轮从动件的结构设计。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 1 共轭凸轮分割器基本参数选择 2 1 1 分度数，和分度角 从动盘( 或输出轴) 在回转一周的过程中转动或停歇次数称为分度数j ； 一次转动和停止的一个循环运动为一个分度，一个分度从动件转过的角度称为 分度角，有= 2 刀，。 分度数常用的有3 、4 、6 、8 、1 2 、1 6 和2 4 。分度要求多时宜选用单头 或双头( 日= 1 2 ) ，分度要求少时宜选用多头( 日= 3 4 ) 。 2 1 2 动静比杨和凸轮动程角皖 动静比是在一个分度中，从动件运动时间岛与静止时间0 的比值；凸轮 动程角皖是凸轮在从动件运动时间内转过的角度，即 局5 等2 去 ( 2 1 ) 其中，岛由凸轮每转驱动从动件的分度次数，来确定，即岛= 2 万，。 一般地，凸轮每转一周，驱动从动件分度一次，= l ，故岛一般为2 万。 动静比决定于自动机械的工艺要求，一般是给定值。给定髟后，可知凸 轮的动程角皖为： 皖= 去岛 2 1 3 从动滚子数z 和凸轮头数日 ( 2 2 ) 从动滚子数z 为从动盘上滚子的总数；凸轮头数日是指每一个分度凸轮拨 7 山东理工大学硕士学位论文第二章共轭凸轮分割器设计参数选择研究 过的滚子数，即h = z ，。 显而易见，日越大，凸轮的形状越复杂。在压力角和分度数允许的情况下， 常取日= 2 。 共轭分度凸轮机构主要有三种类型： ( 1 ) 单头型：转盘每次转位，转过一个滚子圆心角，如头数日= 1 ，滚子 数z = 8 ，则转盘每次分度期转位角办= 2 万= ，这种型式的机构，凸轮每 转半圈，转盘分度一次； ( 2 ) 双头型：转盘每次转位，转过两个滚子圆心角，如头数日= 2 ，滚子 数z = 8 ，则转盘每次分度期转位角办= 2 万= 么，这种型式的机构，凸轮每 转一圈，转盘分度一次； ( 3 ) 多头型：转盘每次转位，转过多个( 大于2 个) 滚子圆心角，如头数 日= 4 ，滚子数z = 4 ，则转盘每次分度期转位角办= 2 万= 2 万，多头式的机 构，凸轮每转一圈，转盘分度一次。 2 1 4 中心距c 和径距比如 输入轴与输出轴的轴线间距离，称为中心距c ，是凸轮机构设计时重要的 原始参数。滚子中心回转半径与中心距c 之比，称为径距比k ，即k 。= 0 c 。 这是共轭分度凸轮机构的一个基本几何参数，它与机构压力角、曲线的曲 率都有直接关系。当，。c 过大或者毋过小时，可能产生不相交的现象，从而使 凸轮理论廓线无法形成。当c 过大或者秒，过小时，有时还会出现凸轮同一段 理论廓线上产生曲线自交现象，这是不允许的。因材选定厶c 时，一定首先满 足结构要求，然后按条件进行验证。 2 1 5 凸轮曲线 凸轮曲线即从动件的运动规律。常用的凸轮曲线有等加速等减速、修正梯 形曲线、修正正弦曲线和修正等速曲线等。如果没有高速轻载和低速重载的特 殊使用条件，建议选用修正正弦曲线。 共轭分度凸轮机构在一个运动周期中每个凸轮都要一次推动若干个滚子， 每个滚子都有一段相应的凸轮轮廓曲线，完成一定的运动。因此，每个凸轮轮 廓曲线都是几段凸轮轮廓曲线组合而成的。而且，作为共轭凸轮，凸轮的啮合 8 山东理工大学硕士学位论文第二章共轭凸轮分割器设计参数选择研究 运动相互之间必须有一定的重合度以实现自锁。 2 2 共轭凸轮分割器几何及动力学参数选择 2 2 1 凸轮轮廓方程 共轭分度凸轮机构在每一个间歇运动周期里，每片凸轮都要依次推动若干 个滚子，每个滚子与从动盘一起按一定的运动规律运动。在凸轮轮廓上，每个 被推动的滚子都有一段对应的凸轮轮廓。而各段轮廓曲线对应的摆动从动件的 初始位置的公式如下： 铲学 ( 2 - 3 ) 式中， f 一一滚子e 的序号，f = 1 ，2 ，3 ，聊。对于不同的滚子形成的凸轮轮廓曲 线，t 。取不同的值。 共轭凸轮从起始位置出发，依次与滚子相接触的凸轮理论廓线的方程为： j t 2 o s l n ( 矽+ + 办。一五) 一c s l n ( p 一磊。一五) ( 2 4 ) 【所= 一c d s ( 移+ 矽+ 磊。一允) + c c o s ( 9 一办。一五) 实际的工作廓线方程为： j 砍2 薯一p c o s ( 秒+ 一办。一五+ 口)( 2 5 ) 【欺= 只一p s i n ( 移+ 一办。一名+ 口) 式中， 乙一一转盘的节圆半径； 矽一一凸轮角位移； 矽一一转盘角位移； 么。一一转盘的基准起始位置角； 旯一一计算时用的辅助角，五：a r c t a n ( ! 竺蝎； f s m 卿o c 一一中心距o p 一一滚子半径； 口一一压力角。 根据上述公式分别计算出与前排第一个和第三个滚子接触的凸轮廓线，采 用这两条曲线中向径较短的部分，该部分即为凸轮分度期的廓线，其余为停歇 9 山东理丁大学硕十学位论文第二章共轭凸轮分割器设计参数选择研究 期廓线，用相切的圆弧来封闭即可。对于各滚子对应的各段廓段，分别截取接 近凸轮中心的廓线，用圆弧相接就可得到完整的凸轮轮廓曲线，滚子曲线的包 络线就形成了凸轮的实际廓线。 如图2 1 所示为共轭分度凸轮机构的坐标系。 厂 | y 嘉i = 1 个鞠l 子刊一 _ pp 厂、 厂 、 、夕奎 f 於铸 目巡 绑卜一 恁( 酞。 y 一 卜j 、- 一。，- ，一， 一 2 2 2 压力角分析 图2 1共轭分度凸轮机构的坐标系 凸轮机构压力角是反映凸轮与从动件之间速度与力传递关系的重要参数。 在不考虑摩擦时，压力角是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。由于共轭分度凸轮的从动件是多个滚子结构的，很难保证各个滚 子的初始位置合适，有些滚子的压力角比较大，但由于其为共轭凸轮，总是有 两个轮廓同时啮合，所以最大压力角与一般的摆动从动件凸轮有所不同。 把给滚子施加正转矩的轮廓称为主轮廓，施加负转矩的称为副轮廓。一般 地说，只要主轮廓的最大压力角。小于允许值，机构就能正常运转。通常， 共轭分度凸轮机构的许用压力角口1 为6 0 。，则 【口】6 0 。 1 0 山东理工人学硕士学位论文第二章共轭凸轮分割器设计参数选择研究 关于最大压力角口一的计算推荐如下公式： 口嗽2 黜t a n 掣( 内、外接) s m ( 茜) ( 2 6 ) 一罢( 直动) 从上式可以看出：最大压力角。直接受到径距比k 的影响，因此在对 机构的结构参数设计时应对k 。进行最大压力角校核，即 ， k 0 = 卫c o s t o t a n s i i l o o o 不同的凸轮头数日，不同的分度数，以及k 。的数值变化对最大压力角都 有影响。 但在实际的凸轮设计中，按照如下关系式计算压力角大小： 口：嘶l = 竽 ( 2 7 ) 式中， 一一凸轮的角速度； 一一转盘分度期的角速度。 共轭分度凸轮机构由于结构条件限制，一般压力角均比普通滚子摆动从动 件大，口一一般发生在滚子被凸轮推动的起始位置处。 2 2 3 共轭凸轮轮廓曲线的曲率分析 它对共轭曲线的啮合性能及接触应力的影响很大。所以，在此简单介绍一 下。共轭凸轮轮廓曲线为平面曲线，从微分几何关于平面曲线的曲率定义出发， 曲率刻画了曲线在一点处的弯曲程度，曲率被定义为平面曲线的切向量关于弧 长的旋转速度，曲线上一点处的弯曲程度越大，切向量的旋转速度越大。 设凸轮廓线为，= ，( s ) ，它的曲率记为七，则 七：丝，( 2 8 ) 峦 其中矽为曲线切向量的转角，如图2 2 所示，即 七：l i m 堂：坐( 2 9 ) 郴+ 彤。 1 ) ， 矿 ，知、矽“妒 工 图2 2曲线切向量转角的变化关系 图2 2 中，；是凸轮廓线，( s ) 关于弧长的一次微分，因此曲率亦可表示为： 七：尘：； ( 2 1 0 ) 彤= = ， k z l u d s 由于凸轮轮廓多用参数方程表示，根据式( 2 8 ) 可得： 式中， d 咖 七= 塞= 啬= 熹d s d s t 因为矽= a r c t a n 詈，所以 将s 和矽代入式( 2 1 1 ) 得曲率的计算公式为： 七= 筹并( x 旺+ y “) 叫 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 对于凸轮的理论廓线和实际廓线，将式( 2 1 3 ) 中的x ，y 代人相对应的 1 2 一 鲁磐 哿学 专 产 山东理工大学硕士学位论文第二二章共轭凸轮分割器设计参数选择研究 值，关于进一步推导的过程这里从略。由上述推导可得凸轮理论廓线的曲率半 径，为： ，：聋二盟姜 舅c 碧，一嘉c 嘉， 当凸轮理论廓线的曲率半径，比滚子半径p 小时，凸轮的工作廓线将出现过 切现象。因此无论曲线弯曲方向如何，都应保证最小曲率半径条件，即 p + ( 3 5 ) ( 2 一1 6 ) 2 3 从动件运动规律模糊综合选择 在凸轮机构的设计中，根据工况要求选定从动件的运动规律是凸轮轮廓线 设计的前提，也就是说，凸轮设计的首要步骤就是确定从动件的运动规律。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。因此，在设计凸轮机构时，应首先确定共轭凸轮从动件 运动规律，然后再根据这一要求来设计共轭凸轮轮廓曲线，使它能够实现给定 的运动规律。 2 3 1 从动件常用运动规律 从动件的运动直接与凸轮轮廓曲线上各向径的变化有关，而轮廓曲线上各 点向径的变化是随凸轮转角而变化的，因此从动件的位移、速度、加速度与凸 轮轮廓曲线和凸轮转角存在着对应的关系。根据数学表达式的不同，常见的运 动规律有多项式运动规律( 等速运动规律即一次项运动规律、等加等减速运动 规律即二次项运动规律等) 、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) 和组合运动规律三种。 其中，摆线运动规律曲线如图2 3 所示，运动方程式为： s = 日( 詈一击s ；n ( 等伊) v = 等( ，一c 。s ( 等伊) 一等咖( 等叫= 字c o s ( 等叫一丁8 1 n l 了妒j产1 广s l 了伊j “1 简谐运动规律律曲线如图2 4 所示，运动方程式为： s = 等( 1 _ c 。s )v = 等咖 山东理工大学硕士学位论文第二章共轭凸轮分割器设计参数选择研究 口= 等c o s 睁)= 等咖睁) 一矿s i 歹伊j产可8 1 ni 歹缈j 忆。1 引 j 月 9 一 、 _r 。 、 、 、 一 、 一j 7 i l 。h ，一 一1 伊 一 。 一 i 一一 图2 3摆线运动规律图2 4 简谐运动规律 j = 朱s + 扣( 等伊 v = 舅( s i n ( 引；n ( 等妒 口= 等 c o s ( 舟c o s 睁) ，= 等( 2 s i n 睁卜) 五次项运动规律曲线如图2 6 所示，运动方程式为： j = 日( 。( 詈) 3 一，5 ( 詈) 4 + 6 ( 詈 5 v = 粼班盼 1 4 ( 2 2 0 ) s o鼬一即。 融可。 如一妒o j o f i 3 一即。 凼一帮o 1 苦一妒。 山东理工大学硕+ 学位论文第二章共轭凸轮分割器设计参数选择研究 口= 黜加盼2 = 等 1 - 6 洲扪 式中的s 、v 、口、，、日为从动件的位移、类速度、类加速度、类跃动度、 行程；矽表示与日相对的凸轮转角；伊表示从相应的行程开始时算起的凸轮转 过的角度，且妒【o ，】。 a 3 s a 妒3 0 l ，一i h ll - 一 一i l ， 一0 6 6 7 妒 一 一0 t 4 2 伊一 一， -7 爪 憋i ，一警 一j z 1 9一 一 八 、 q 2 1 1 但 一 7 1 | 一 图2 5 双谐运动规律线图图2 6 五次项运动规律线图 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，要求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。组合运动规律将在后面举例说明。 从动件运动规律的选择应主要注意以下问题： ( 1 ) 从动件的最大速度要尽量小。当从动件系统的质量较大时，其最大 动量对从动件的运动影响最大，所以要限制从动件的最大速度。 ( 2 ) 从动件的最大加速度要尽量小，且无突变。在高速凸轮中，限制了 最大加速度，就限制了机构的惯性力，对提高凸轮的动