（机械设计及理论专业论文）间歇链传动系统动力学实验研究.pdf

摘要 以间歇运动链为研究对象，对其进行了动力学实验研究。 根据间歇运动链的运动特点，从动力学角度探讨了适用于该类链传动系统运 动规律的设计问题，推导了由五次多项式修正的等速运动曲线。 介绍了伺服电机的工作原理及特性，进行了以伺服电机模拟分度凸轮机构实 现分度运动的研究。在此基础上，应用s p l i n e 模式编制运动控制程序，并对伺 服控制系统应用运动控制程序进行了实验测试。 对间歇运动链动力学实验装置进行了改进，为了考察预紧力对间歇运动链动 力学特性的影响，研制了能方便调节预紧力的预紧力调节机构。 对间歇运动链在多种不同运动规律以及不同转速工况下的动力学特性进行 了大量的实验测试与研究工作。实验结果对于分析比较不同运动规律对间歇运动 链动力学特性的影响变化规律，以及对该类机构运动规律的设计提供了实验依 据。 对间歇运动链在不同预紧力作用下的动力学特性进行了实验研究，为该类机 构选择合适的预紧力提供了实验依据。 测试了间歇运动链传动系统的固有频率，为修正间歇运动链的动力学模型， 验证理论计算结果的正确性提供了实验依据。 关键词：链间歇运动动力学运动规律实验 a b s t r a c t t h ed y n a m i cb e h a v i o r so fi n t e r m i t t e n tc h a i nd r i v eh a v eb e e nt e s t e di nt h i s d i s s e r t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r m i t t e n tc h a i nd r i v e ，t h ed e s i g no fm o t i o n l a w sh a sb e e ns t u d i e d a n dac o n s t a n tv e l o c i t ym o t i o nc u r v ea m e n d e db y5 - d e g r e e p o l y n o m i a li se s t a b l i s h e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fs e r v om o t o ra r ei n t r o d u c e d i nt h i s p a p e rw ed i s c u s s e dh o wt oa c h i e v ei n t e r m i t t e n tm o v e m e n tw i t hs e r v om o t o r b a s e d o ni t ，ap r o g r a mm e t h o do fs p l i n ei sa d o p t e dt ot h ec o n t r o l l e ra n di sa p p l i e dt ot h e e x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u so fw h i c hc a ni n v e s t i g a t et h ed y n a m i cb e h a v i o r so f i n t e r m i t t e n tc h a i nd r i v es y s t e m si si m p r o v e d i no r d e rt os t u d yh o wt h ep r e l o a da f r e c t t h ed y n a m i cb e h a v i o r so fi n t e r m i t t e n tc h a i n ，as e t u pw h i c hc a ne x p e d i e n t l yc h a n g et h e p r e l o a do ft h ec h a i nh a sb e e nd e v e l o p e d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h ed y n a m i cb e h a v i o r so fi n t e r m i t t e n tc h a i nw i t h d i f f e r e n tc u r v e sa n ds p e e dh a sb e e nc o m p l e t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sc a nr e p r e s e n t t h ei n f l u e n c eo f m o t i o nc u r v e so ni n t e r m i t t e n tc h a i n sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h ed y n a m i cb e h a v i o r so fi n t e r m i t t e n tc h a i nu n d e rd i f f e r e n tp r e l o a dh a v eb e e n s t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y ，t h er e s u l t sc a np r o v i d ee x p e r i m e n t a l b a s i sf o rc h o o s i n g a p p r o p r i a t ep r e l o a d t h en a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h es y s t e ma r et e s t e d ，t h er e s u l t sc a np r o v i d es c i e n t i f i c b a s i sf o rd e v e l o p i n gt h ed y n a m i cm o d e lo fi n t e r m i t t e n tc h a i nd r i v es y s t e m sa n d e x a m i n i n gt h ev a l i d i t yo ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n k e yw o r d s ：c h a i n ，i n t e r m i t t e n td r i v e ，d y n a m i c s ，m o t i o nl a w s ，e x p e r i m e n t s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：在姒 签字同期：厶矽夕年月4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：雀丑伏 导师签名：韶彬 签字日期：枷占年1 - 月万日 签字r 期：) 矽孑年1 - 月玎日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在印刷、医药与食品包装，以及电子元器件组装机械中，许多自动机械的执 行机构是通过链传动实现的，如全自动模切机、书本包装机、医药与食品封装机 等，这类机械的共同特点可以用图1 1 来描述。 在这类机械中传动链作为输出执 行机构用于实现间歇运动，将待加工物 料或半成品输送到预期工位，以便该机 械的其它装置在相应的工位完成所需 的工艺加工。 目前用于驱动链实现间歇运动的 方式有：机械式，通常为分度凸轮机构 驱动；电机驱动，通过编程控制伺服电 机或者步进电机带动链实现分度运动。 机械分度凸轮机构具有结构简单、自动 定位、停歇和运动时间比例分配可任意 图1 1 间歇运动链传动系统示意图 选择、适应于高转速以及具有高分度精度等优点。因此目前在以间歇运动链为执 行机构的传动机械中，大多采用分度凸轮机构作为该类链传动的驱动机构。 随着我国市场经济的发展，促进了包装与印刷等行业的迅猛发展，因此市场 对该类产品的需求日益增大。而国内对该类机械缺乏系统的理论分析与研究，因 此开发的该类机械产品性能难以满足市场需求。以图1 2 所示全自动模切机为例， 发达技术国家模切机的模切速率可高达1 00 0 0 1 20 0 0 次小时，而国内同类产品 一般为60 0 0 80 0 0 次小时，不仅生产效率低，且间歇运动链在高速工况下定位 精度低、冲击和噪音较大。这说明国外对该类系统已经开展了系统的理论与实践 的研究，只是有许多这方面的文献还未公开。由于该类系统是在原动机、减速机、 分度装置的驱动下，将输入轴的连续转动转换为传动链的间歇运动，因而传动链 的定位精度等是影响该类机械产品生产率和精度的主要性能指标。 当前国产模切机存在的主要问题是：随着工作转速的提高，系统的振动和噪 声明显增大。剧烈的振动和噪声会影响工件的) j n - r 质量，而且还恶化工作环境， 降低机器的使用寿命。 第一章绪论 图1 - 2 全自动模切机 在高速工况下引起振动和噪声的来源主要有以下两方面：一是分度机构，周 期性变化的惯性力为其主要负荷。由惯性力引发的构件弹性变形和系统振动，将 导致工作链的运动失真( 即定位误差加大，精度降低) 噪声加大。因此，凸轮 分度机构是影响模切机加工质量的重要部件。而决定分度机构性能的关键因素则 是凸轮曲线的优劣。二是工作链，工作链是模切机的执行机构在转速较高的工 况下，工作链会产生一系列的振动，会使链出现爬高、跳齿，导致运动失真以及 噪声急剧增大，进而导致整机的工作性态恶化。所以，工作链成为制约该类机械 系统转速进一步提高的重要因素。本课题正是注意到这种市场需求以及现有理论 研究中存在的不足，提出以模切机为例，开展该类机械系统的实验研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 凸轮机构从动件运动规律 目前，国内外模切机多数是咀凸轮分度机构作为驱动装置。因此，凸轮机构 从动件运动规律是影响模切机动态性能的重要因素，对凸轮机构从动件运动规律 的分析、设计与选择是该类机械动力学研究的主要内容之一。 凸轮机构的研究起始于上世纪内燃机配气凸轮机构的设计。当时对于凸轮机 构从动件运动规律的设计基本上是依据经验和几何方法采用如等加速等减速曲 线、抛物线、正弦曲线等。到了3 0 、4 0 年代，由于内燃机转速的提高而引起故 障增多，促使人们对凸轮机构的动力学进行研究。文献 1 ，2 】分别通过理论分析和 试验研究发现，等加速等减速等最大跃度为无穷大的运动规律在高速下的动力响 应是很差的。因此，人们开始运用动力学分析的方法进行凸轮曲线的设计。 6 0 年代以后，各种适合于中速与高速凸轮机构的优良运动规律相继提出，如 文献【3 提出了一组包括修正正弦、修正梯形、修正等速等的简谐梯形组合运动 规律，文献 4 也有部分论述。文献【5 则对其进行了运动学优化，设计了一些运 动特性较好的曲线，文献【6 】给出了简谐梯形组合运动规律的通用表迭式，并称 之为通用简谐梯形运动规律。但这种运动规律的跃度曲线在端点处常常不连续， 第一章绪论 因而不适用于高速机构。文献 7 9 】则尝试对其进行改进，使跃度曲线也连续。 文献3 ，4 ，6 ，1 0 1 等给出了多种多项式运动规律。这种运动规律的通用性最强， 只要幂次数取得足够高，对应的高阶导数总是光滑的和端点连续的。还可以按照 任给的若干运动特性要求来设计运动规律，但设计时需处理好约束条件及解复杂 的线性方程组。文献 1 1 给出了多项式运动规律在各种情况下的通用方程式及边 界条件，并开发了适用于各种情况的可以任意增加局部控制条件的通用设计软 件。还有一些学者提出了傅氏级数运动规律等其它一些多项式运动规律，在文献 6 中均有介绍。 近期一些学者又提出了一些用样条函数设计出的凸轮机构运动规律 【1 l ，1 3 ，1 4 】，这些运动规律具有较好的适应性，可以方便地改变控制条件，特别 适合于进行动力学综合。但曲线的生成较为复杂，尚未得到推广应用。 文献 1 2 】通过研究发现，间隙、速度波动对分度机构的动力学特性有较大的 影响，但详尽的理论分析未作论述。 1 2 2 链及链传动系统的发展和研究现状 链条是指以相同( 或相间相同) 的构件以运动副连接起来的挠性件。组成链条 的构件，工业上就称为链节。这一结构特征赋予了链条既有很高的强度，相邻链 节间又能相互回转的特性| l5 1 。 就链条本身的特性来说，凡是在中心距较长的两平行轴间的动力传递，长距 离的物料输送，特别是各种生产自动线上，选用链条传动和链条输送方案是最合 理的。这是因为链传动装置的结构简单、对安装条件要求低、价格便宜，尤其在 低速及粗暴工况时更能体现链传动装置的优越性。此外还有同步性好、速度适用 范围大、输送精度高、无静电效应、易实现柔性输送节拍及可作空间输送等优点。 至于链传动过程中的“多边形效应”，则限制了它在高速下的使用。这是因为多 边形效应会造成链条移动速度不均匀，高速时会出现冲击、振动、噪声等不良工 况。所以，旨在减小多边形效应的研究工作一直吸引着广大链传动科技工作者。 目前国内外对链传动系统的研究分为运动学与动力学两个方面。 文献 1 6 ，1 7 中有关于链传动多边形效应的详细描述。文献【1 8 研究了齿数比 为l 和中心距为节距整数倍的情况下滚子和链轮啮合过程中的冲击问题，研究了 链轮转速、链节距、链节个数及链节质量分布等因素对冲击力的影响。在此基础 上，文献 3 8 对中心距和齿数比为任意值时的链传动进行了分析，推出了冲击力 与链传动几何和物理参数的关系式，并提出了减缓冲击力的方法。文献 2 0 分析 了链传动的多边形效应，利用节线法分析了跨距分别为半节距奇数倍和偶数倍 时的链传动传动比的变化情况，并分析其它情况下速度比的极值都介于上述两种 第一章绪论 情况之间，最后给出了中心距对传动比变化的影响。这些都是关于链传动多边形 效应的研究。 文献 3 4 1 分析链传动的运动特性时，从分析瞬时链速入手，假设紧边处于平 动状态，将链速分解为水平和垂直两个分量，进而推出链传动的瞬时速比。文献 3 5 1 用铰链四杆机构运动分析的方法来研究链传动，取得了突破，使链传动的运 动分析趋于准确。文献 2 4 借助连杆机构运动学的速度瞬心方法来探讨链传动的 运动过程，提出评定链传动动力特性的系数，进而通过运动尺寸的调整来改善链 传动的动力特性。文献 3 6 提出的链传动等效机构模型变连杆长铰链四杆机 构模型可用于精确计算链传动的瞬时速比及链传动运动特性的定量分析。荣长 发、杨国欣1 2 5 1 分析了从动链轮速度、加速度与中心距之间的关系，给出选择链 传动中心距的方法。文献 3 2 1 综合考虑了运动学和动力学方面的因素，提出了对 于等速运转的输送链系统进行最佳路径设计的一般方法。 在链的动力学研究中，主要围绕着振动和噪声问题。链传动是挠性传动，其 振动型式极其复杂。由于有关的物理几何参数测试困难，目前国内有关链传动系 统动力学的研究进展非常缓慢。直到近几十年来，链传动技术才得到了比较迅速 的发展。8 0 年代以后相关文献陆续公开发表。 文献f 21 ，2 2 ，2 3 1 分析了滚子链传动的动力学特性，包括链的受力分析及冲击 载荷分析。文献 2 3 ，2 4 贝i j 是针对滚子链的运动特性分析，并提出了滚子链传动 动力特性的改善措施。文献 2 5 1 分析了中心距对链传动性能的影响。 有关链轮与滚子之间的啮合冲击，近些年来也已有许多学者对此作了许多研 究。文献 2 6 从理论与实验两方面研究了滚子链传动的噪声问题，指出噪声产生 于三个原因：一是滚子与链轮的冲击：二是链传动轴承的运转和链轮的轴向与径 向振动；三是链条与导轨之间的碰撞。等速链传动中，噪声的最主要来源在于啮 合过程中轮齿和滚子的冲击。冲击噪声和链的张紧力、转速、节距等系统参数的 整体动态表现以及其他不同的系统参数都密切相关。文献 2 7 ，3 7 发现噪声和冲击 强度密切相关。文献 2 8 1 先简述了链轮与滚子的冲击碰撞，然后建立了冲击模型， 建立方程，求解不同情况下的啮合冲击力的大小。 荣长发、郑志峰p 引研究了链轮振动对链传动系统稳定性的影响，并分析了 系统参数如链轮的惯量、链速以及激励的频率对系统稳定性的影响。文献 3 9 ，4 0 在其所建立的模型中考虑了链条一链轮系统与局部啮合冲击的相互耦合作用，从 而将局部的啮合现象同系统整体的动力学特性联系起来，对链和链轮的冲击与链 的横向振动的关系进行了分析，并对啮合噪声问题、冲击后的强度进行了研究。 文献 3 l ，4 1 ，4 2 对链条的横向、纵向振动问题进行了研究，并给出了相应的模型。 文献 1 9 1 分析了链节距变化、摩擦以及离心力对载荷分布的影响。 4 第一章绪论 文献 2 3 分析了链传动的动载荷，包括水平方向和垂直方向的动载荷分力， 以及由此产生的水平及垂直方向的速度，并提出了如何降低动载荷的措施。文献 2 9 ，3 0 ，3 1 将链条抽象为有限个集中质量分布的力学模型。文献 2 1 ，3 l ，3 2 ，3 3 将链 条视为一质量均布的弦，以克服链条在结构上不是连续体研究困难的缺点。以上 建模都是假定主动链轮为恒角速度运动，且不考虑链和链轮的间隙及滑动。文献 6 0 针对间歇运动链的运动特点，建立了间歇运动链加速段和减速段的模型，并 建立了间歇运动链的动力学方程，利用振型叠加法对方程进行了求解。 这些研究为链的动力学建模奠定了基础。但需指出的是，这些研究大部分针 对等速工作链，对于间歇运动链的动力学研究较少。 1 2 3 链动力学实验 目前国内外对链传动动力学实验研究所做工作不多。文献 4 4 ，4 5 设计了一种 新型的实验装置以研究滚子链系统的动力学表现。该实验装置主要由驱动系统、 链加载系统、底盘、支撑架以及张力、啮合冲击力的测试仪器等组成。这种设计 有如下优点，在链跨距中的加载过程和几何特性不会影响链条张力的测试结果， 可测试链与链轮齿的动态相互作用等。但该装置存在支撑架复杂、刚度小，需要 附加多个链轮等缺点。文献 2 2 针对等速链研制了开放力流实验台、双紧边实验 台以及封闭力流实验台，对链条和链轮上的力、链板疲劳、滚子冲击疲劳、铰链 副磨损以及整链性能等进行了实验测试。文献 6 1 设计了封闭功率流式链传动实 验台，该实验台中电动机的功率仅消耗在克服摩擦阻力上，与开式实验台相比， 所需功率较小。荣长发【6 2 】等对所研制的高速滚子链进行了常规检测与试验、高 速运转实验和磨损实验，通过对实验数据的分析，得出了提高高速滚子链的使用 性能的结论。张克仁、李景卫1 4 6 1 研制了具有遥测功能的链传动动态特性实验装 置和检测系统，对链传动的传动质量以及论证新型链传动的运动平稳性进行了评 价。s r t u m b u l l 4 7 1 对此作了改进，他利用水银盘式集流环引电装置，传输被测 信号。文献 6 3 采用改变链条滚子结构的方法实现了降低噪声的目的。这些研究 都是针对等速链。 文献 4 8 利用高速摄像机对m p l 0 4 0 a 型模切机进行了现场测试，在工作链 节上选取若干标记点，标记点反射光源发出光，用高速摄像机进行拍摄，用显微 镜读取底片上标记点的位置信息，从而得到一系列链节的位移。但由于受仪器精 度及条件的限制，未能得出令人满意的结果，因而没能得出一般性的结论。文献 4 9 建立了能揭示间歇运动链动力学特性的实验装置，对链在多种不同运动规律 下实现间歇运动时的动力学特性进行了实验测试，但由于实验条件的限制，没能 真正模拟实际工况。 第一章绪论 综上所述，目前对分别以分度凸轮机构及运动链为单一对象的动力学研究虽 已取得了一定的进展，但对于间歇运动链的研究仍处于起步阶段。目前国外该类 机械产品的额定转速已达1 20 0 0 次d , 时( 国内产品额定转速达60 0 0 次d , 时) ， 且运动链在高速工况下，定位精度高，噪音较低，这说明国外对该类产品已经开 展了比较深入的理论与实践研究，只不过有些研究成果并未完全披露于文献中。 因此对间歇运动链进行深入的动力学研究具有重要的理论与实际意义。 1 3 本文的研究内容 本课题研究的内容为：针对以链传动为执行机构的一大类自动机械的共同特 征，进行该类机械系统的动力学实验研究，用于指导该类机械产品的设计，为该 类机械系统的理论研究提供可靠的实验依据。 ( 1 ) 对己建立的间歇运动链动力学实验装置进行改进，提出可调节式的从动 链轮弹性支撑方案。 ( 2 ) 根据间歇运动链的运动特点，从动力学角度探讨适用于该类链传动系统 的运动规律的设计问题，拟推导一种新的运动规律。 ( 3 ) 熟悉伺服电机的控制原理，应用p m a c 运动控制卡，通过编制运动程序 控制伺服电机，使其按给定的运动规律带动链轮实现间歇运动。 ( 4 ) 测取链节、电机轴上的加速度响应，并对所测取的数据进行分析研究。 6 第二章间歇运动规律 2 1 引言 第二章间歇运动规律 运动规律是影响间歇运动链动力学性能的主要因素之一。目前间歇运动链运 动规律通常采用修正正弦( m s ) 、修正等速( m c v ) 、修正梯形( m t ) 三种曲 线。这些曲线在整个分度区间内加速段与减速段对称布置，通常称之为对称运动 规律，这几种运动规律的加速度连续但跃度不连续。对于高转速且系统柔性相对 较大的工况下，文献 3 提出了采用非对称修正梯形( u m t ) 及梯形摆线等运动 规律。非对称运动规律在整个分度区间内，减速段比加速段长些，使减速段加速 度和跃度绝对值均较小，从而达到减轻残余振动的目的。文献 1 2 着重从动力学 角度来研究高速凸轮分度机构运动规律应具有的特性，并在此基础上提出了一种 通用简谐梯形组合凸轮曲线，如图2 1 所示。用这种组合曲线不仅可构造出如m s 、 m t 等多种常用的凸轮曲线，而且通过变换组合段长度值，可以构造出多种加速 度连续、跃度连续以及在跨越点处理论碰撞速度为零的凸轮从动件运动规律。这 一特点对于进行不同运动规律的设计，分析比较不同运动规律对系统输出特性的 影响，显示了很大的优越性。 0瓣a ? 巡0 少气。 ， 、。一”、弋i 一 图2 - 1 通用简谐梯形组合运动规律 2 2 运动规律参数无因次化 为衡量各种不同运动规律的运动特性参数，通常将运动规律采用无量纲的形 式进行表达，并选取某些运动学与动力学参数作为运动规律的特性值，对不同运 动规律进行分析与比较。 7 第二章间歇运动规律 l ss i1 0o 图2 2 步进链运动规律无因次化 参见图2 2 ，设伺服电机驱动链运动的位移j 为时间t 的函数，即 s = s ( f )( 2 1 ) 设链在t = 0 时开始运动，且位移随时间增大而增大，当t = t h 时达到最大位 移h 。此时无因次时间丁及无因次位移s 定义如下 丁：三 s ：s( 2 2 ) t h ，l 式中，t 实际时间 乙一到达最大位移的时间 z 一无因次时间 s 运动链位移 h 一运动链最大位移 s 无因次位移 式( 2 1 ) 可改写成下式 s = s ( d 0 t 10 s 1 ( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 称之为无因次化的位移曲线。且有 t = 0 时s = 0 t = 1 时s = 1( 2 4 ) 将式( 2 3 ) 依次对，1 微分可得无因次速度v 、无因次加速度a 、无因次跃度，为 y = y ( 丁) = 而d s ( 2 - 5 ) 彳叫乃= 箬 ( 2 - 6 ) 叫耻雾 ( 2 - 7 ) 这些值与实际位移s 、速度v 、加速度a 、跃度关系如下 第二章间歇运动规律 s = s h ，h v = “ h a = a 7 t 2 ，h j 刮i ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 根据式( 2 1 ) 3 0 0 k g ，所以不必采用叠合配置；因为 0 7 5 h 。= 0 6 m m 4 m m ，所以采用对合配置，片数由总变形量决定。 弹簧组合形式如图4 1 1 所示 暑n)i12巡瑟 第四章回戢运动链动力学实验台简介 豳4 - 1 1 对台组台弹簧 压平载荷 弓，= 等= 6 8 7 2 婊 载荷系数 = j 三；i 3 8 0 7 0 2 k 姆g = o 4 3 7 由五，h o 8 = 0 4 ，查图2 - 6 得单片弹簧变形量 f = o 4 = 03 2 r a m 对舍片数仁百五4 = 1 25 ，取2 1 3 。但通常上下支撑面均以弹簧外缘与支撑 面接触，为此，应取i 为偶数，因此取i = 1 4 。此时，碟形弹簧组的自由高度 h = = 1 4 x 2 8 = 3 92 r a m 。 p = 3 0 0 您时，弹簧柱长度上= | l = 】一矿= 3 9 2 - 1 4 x o 3 2 = 3 47 2 r a m 。 4 4 实验测试原理 阃歇运动链动力学实验台的组成原理如图4 - 1 2 所示。应用p m a c 运动控制 卡，通过编制运动控制程序，实现对伺服电机的控制，使其按给定的运动规律运 转。主动链轮5 通过联轴器和减速器3 与电机2 相联，从而带动链条实现间歇运 动。加速度传感器安装在与链轨节相联的集中质量块4 上，为避免在测试过程中 i 1 计算机2 交流伺腿电机3 r 速器4 集中质量块5 动链轮5 从动链轮6 飞轮 7 链轮7 链轮8 信号采集轴u 速度传感器1 0 凸轮- 滑块机构1 1 集沉环1 2 电荷放大嚣1 3 转换卡 i t i 艘嚣1 5 数据采集卡1 6 工e 机 图4 - 1 2 实验i i 试原理 稚置毛 一辩 一l $ 日 酊 | 1 9 第四章间歇运动链动力学实验台简介 信号线发生缠绕，将导线穿过并固定在与间歇运动链同步运转的凸轮一滑块机构 上。关于凸轮一滑块机构在文献 4 9 】中已做了详细的说明，在此不在赘述。在信 号线同步运动机构输出轴的端部安装有一种类似发电机电刷结构的集流环装置 1 1 。当伺服电机带动链条做间歇运动时，加速度传感器由于受到振动而产生电信 号，电信号经集流环引出，然后经过电荷放大器1 2 、数据采集卡1 3 等，将信号 采集并保存在工控机1 6 中，为以后的数据处理和分析做准备。为监控被测信号， 便于数据采集，在电荷放大器后接有示波器1 4 。 4 5 本章小结 本章简要介绍了间歇运动链动力学实验台及实验测试原理，对实验台进行了 一些改进。为了模拟高速工况，更换了减速比较小的减速器。为了考察预紧力对 间歇运动链动力特性的影响，研制了能方便调节预紧力的预紧力调节机构。 第五章实验测试及结果分析 5 1 引言 第五章实验测试及结果分析 在链传动过程中，由于受多边形效应、啮合冲击、附加动载荷、从动链轮速 度波动等多种因素的影响，引起链的振动，进而产生噪声。对于间歇运动链，除 上述问题外，由于频繁的步进、停歇，还存在定位精度、残余振动、惯性冲击等 问题，而且啮合冲击、附加动载荷等要比等速链更复杂。 本章应用间歇运动链动力学实验台，为分析比较不同运动规律对间歇运动链 动力学特性的影响，对间歇运动链采用多种不同运动曲线，在不同转速工况下的 动力学特性进行了实验研究；为分析伺服电机等驱动机构对间歇运动链系统的影 响，通过调节伺服电机的刚性、阻尼等各项参数，使其性能达到最佳，在上述条 件下，对伺服电机轴的加速度响应进行了实验测试与分析；为研究预紧力对间歇 运动链动力学输出特性的影响，对间歇运动链的残余振动进行了实验研究。此外， 本章还对系统的固有频率、运动链随转速升高的动态特性进行了实验测试与分 析，以期为间歇运动链的研究提供可靠的实验依据。 5 2 实验测试内容 间歇运动链是一种变速比传动机构。该类机构在分度过程中输出系统的动态 特性以及停歇期的残余振动是衡量其动力学特性的主要依据，而通过实验手段考 察该类机构的动态输出特性，是深入开展该类机构动力学研究的重要途径。本章 正是基于这种考虑，通过直接测取固联于特殊链节上的集中质量块的加速度响 应，为精确建立该类机构的动力学模型、分析不同运动规律对间歇运动链动力学 特性的影响提供了实验依据。本实验的测试内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 间歇运动链动力学特性测试。对于常见的不同运动规律，女i ：i m s 曲线、 m c v 曲线、m t 曲线等，对应同一转速下的纵向振动信号测试。对于同一种运动 觌律女i ：i m s 曲线等，测试其在不同转速下间歇运动链的纵向振动信号。将实验结 果进行分析、比较，以期得到不同运动规律对间歇运动链动力学特性的影响变化 规律，为选择合适的运动规律提供实验依据。 ( 2 ) 伺服电机轴的动态特性测试。测试伺服电机轴上的位移、速度、加速度、 跟随误差等信号。对于常见凸轮机构从动件运动规律女i ：i m s 曲线、m c v 曲线、m t 第五章实验测试及结果分析 曲线等，对应同一转速下，测试伺服电机轴上的动态特性信号。将所测取的信号 进行分析、比较，调节电机的p i d 参数使伺服电机的各种特性指标、参数满足间 歇运动链的需要，使伺服电机的各项特性达到最佳状态，确保整个系统的稳定性， 减小由于微分增益等因素所带来的误差。 ( 3 ) 不同预紧力下的间歇运动链实验测试。采用一种常见的运动规律，如m s 曲线，对应同一转速下，测试其在不同预紧力作用下的纵向振动。分析、比较测 试结果，以期得到预紧力对间歇运动链动力学特性的影响规律。 ( 4 ) 不同转速工况下的实验测试。测试链在匀速运动时，随着转速升高的加 速度响应，并对所测信号中对应紧边的信号做傅立叶变换，通过分析、比较其频 率成分，得到啮合频率与链系统固有频率的关系。 ( 5 ) 链传动系统固有频率测试。采用敲击激振法，测试链在紧边位置随着预 紧力增大的纵向振动及横向振动，并对实验结果做傅立叶变换，以期得到预紧力 对链传动系统固有频率的影响规律。 ( 6 ) 噪声测试。测试间歇运动链在不同运动规律下的噪声大小，通过比较不 同运动规律噪声的大小，为选取运动规律提供依据。 5 2 1 间歇运动链动力学实验测试 ( 1 ) 间歇运动链动力学响应测试 对间歇运动链在几种不同运动规律条件下，对应不同转速时，链节上的加速 度响应进行了实验测试。由于实验台减速器的减速比为5 ：l ，故主动链轮输入轴 的实际转速为电机转速的五分之一，而电机的转速是不断变化的，在以下的实验 曲线中标注的转速均为电机的平均转速。实验测取的是链节的纵向加速度信号， 为了减小链传动中的横向振动对实验结果的影响，在链条的紧边沿水平方向安装 有支撑导轨。 三种常用运动规律下间歇运动链的动力学特性测试结果如图5 1 5 3 所示。 为了分析比较间歇运动链与等速间歇链的动态特性，实验还对链作等速间歇 运动时，在不同转速下链节上的加速度信号进行了实验测试，实验测试结果如图 5 4 所示。 本章还对第二章中推导的五次多项式修正等速运动曲线进行了实验测试，实 验测试结果如图5 5 、5 - 6 所示。 3 2 c a ) 时间t ，s ( c ) 时间t s ( a ) 第五章实验测试及结果分析 图5 - 1m s 曲线的加速度响应 3 3 时间t s ( b ) 时间t s ( d ) 时间t s ( b ) 5 4 一。iii一b越锻罴 一。童一b越瑙景 一。【ii蔷世煅曩一，_，【ii一b趟蝴景 时间t s ( c ) 时间t s ( a ) ( c ) 第五章实验测试及结果分析 图5 - 2m c v 曲线的加速度响应 图5 3m t 曲线的加速度响应 时间t s ( d ) 时间t s ( b ) 时间t s ( d ) 4 4 一，iii一b巡制晨 一，iu一b恻喇曩一、iil一b螂锻曩 一。iii一瓷趔缎曩一，liii越煅曩 时间t s ( a ) ( c ) ( a ) 第五章实验测试及结果分析 图5 4 等速间歇运动曲线的加速度响应 3 5 时间“s ( b ) 时间t s ( d ) 时间t s ( b ) 5 4 5 一，毫一b越鞠曩 一。lili毯煅曩一。毫一b趟硝景 一。iii蔷趟锻景 第五章实验测试及结果分析 _ 、 毫 蔷 型 制 晨 _ 、 毫 看 型 删 最 、 童 詈 倒 制 晨 鼍 蔷 世 瑙 最 时间t s时间t s ( c )( d ) 图5 5 五次多项式修正等速运动规律( 五= 1 4 、乃= 3 4 ) 的加速度响应 时间t s ( a ) 时间t s ( c ) 6 、 童 詈 憾 制 晨 4 时间t s ( b ) 时问t s ( d ) 图5 - 6 五次多项式修正等速运动规律( 乃= 1 8 、乃= 7 8 ) 的加速度响应 5 4 ( 2 ) 伺服电机轴的动态特性测试 对于间歇运动链，在相同的实验条件下，当采用以上几种不同运动规律时， 在不同转速工况下，通过编码器测试电机轴的加速度响应信号。将所测取的动态 3 6 第五章实验涮试及结果分析 信号进行分析、比较以便为谓节伺服电机的刚性、阻尼、速度前馈、加速度前 馈等参数，使电机的各种特性指标满足间歇链传动系统的要求，从而确保整个运 动链系统的稳定性，减小由于微分增益、系统惯性、阻尼等因素所带来的跟随误 差，使伺服电机的各项特性调节到最佳，减小电机对间歇运动链传动系统的影响。 由于电机的转速是不断变化的，所以在以下的曲线中标注的转速均为电机的平均 转速。不同运动曲线下电机轴的动态输出特性测试结果如图5 7 5 1 l 所示。 1 ，t 口d o a o 1 1 1 唧0 0 月 5 2 口日 簧 s 口口 - o 0 $ ，j 霹 童 ”。二茹 严。”。9 ” f a ) o ) 鬟 。_ ” 娄 羞。 围5 - 7 m s 曲线电机轴的加速度响应( 加速度单位为p t g $ 0 黔 岫拍知们伸孙 第五章实验测试及结果分析 ( a ) 第五章实验测试及结果分析 5550 co0 0 川0 川6 0 708b 00 d 2口00 4口5 目r $ )* 目o ) ( c j( d ) 圈5 一l o 五次多项式修正等速运动规律( t = 1 4 、瓦= 3 h ) 电机轴的输出响应曲u 速度单位为p 吣) 第五章实验测试厦结果分析 圈5 - 1 i 五次多项式修正等速运动规律( t = 1 8 、五= 7 8 ) 电机轴的输出响应( 加速度单位为p t s s 。1 分析间歇运动链在不同运动规律及不同转速下的实验测试曲线可以看出：在 分度期，随着电机平均转速的升高，链节的动力响应幅值增大；各种运动规律在 减速段均有较大偏离理论曲线的响应，这与伺服电机的特性、链节之间由于存在 间隙而产生的冲击有关。采用不同的运动曲线时，链的加速度响应有较大的差异， m s 曲线在分度期的加速度响应较好；m c v 曲线在低速情况下的加速度响应好 于其它两种曲线，但是在高速情况下加速度响应却急剧恶化：而m t 曲线的加速 度响应最差。与等速间歇运动相比，加速度连续的各种运动曲线的冲击响应明显 要好。此外，从停 l i r 期一开始，响应信号迅速衰减并在整个停歇期内响应都保持 在零值附近，这是由于在链的紧边有支撑导轨，并且在安装链时有一定的预紧力。 分析电机轴加速度响应信号可以看出，随着速度的逐渐增大，电机轴的动态响应 也不太理想，这与伺服电机的特性有关，同时负载对电机也存在一定的影响。不 同转速对应的运转周期与停歇周期如表5 一l 所示。 第五章实验测试及结果分析 表5 - 1 不同转速对应的运转周期和停歇周期 5 2 2 不同预紧力下的间歇运动链实验测试 为了研究预紧力对间歇运动链动力特性的影响，实验采用修正正弦( m s ) 运动 规律，对应电机平均转速1 2 0 0 r m i n ，设定运动周期为0 2 5 s ，停歇周期为o 2 s ， 对应不同预紧力时，链节纵向加速度响应的测试结果如图5 1 2 所示。 、 童 i 蜊 蜊 景 、 r j 童 詈 瑙 嘲 曩 、 们 童 蔷 瑙 唰 r r - r 、 们 童 詈 趔 瑙 曩 4 l 3 0 1 5 0 1 5 - 3 已 4 0 2 0 0 2 0 - 4 0 6 9 0 1 o 1 时间t s ( e ) 时间t s ( g ) 第五章实验测试及结果分析 o 2o 30 4 时间t s ( i ) o 20 3 0 4 时间t s ( k ) 4 2 4 0 2 0 0 2 0 4 0 6 9 0 1 时间t s ( f ) 时间t s ( h ) o 2 o 30 4 时间t s ( j ) ( 1 ) 一，iiii巡域最，iii一，b毯吲最 一、iiii越缎景 一，i一b越硝景 一。iii一b世瑕曩 。lii一，b谜制曩 一、iii蔷憾喇爱 、iii专越蜊最 第五章实验测试及结果分析 、 童 詈 魁 制 晨 - 、 善 i 赵 测 曩 时间t s ( o ) _ 、 l 蓄 恻 斓 曩 “_ 、 童 詈 型 喇 曩 时间t s q ) 图5 - 1 2 随着预紧力增大的链节加速度响应 分析随着预紧力增大链节的加速度响应曲线图5 1 2 可以看出，预紧力对间 歇运动链的动力学特性有很大影响，当预紧力过小或者没有预紧力时，由于链节 之间存在间隙，链节之间发生碰撞，从而产生冲击和噪音。但是当预紧力过大时， 整个运转周期的加速度响应都表现出明显的增大，动力学特性也不好。 考察预紧力对间歇运动链残余振动的影响，本章用间歇运动链停歇期加速度 响应的标准差作为残余振动的评价指标，即 o-：，障x v i v 其中，仃，一标准差 工一停歇期加速度响应值 从一停歇期加速度响应均值 一采样点数 得到残余振动随预紧力变化的曲线如图5 13 所示 4 3 第五章实验测试及结果分析 “_ 、 薯 辎 共 蜷 0 123 预紧力f k n 图5 - 1 3 残余振动随预紧力变化曲线 从上图可以看出，在没有预紧力或者预紧力较小的时候，残余振动相对较大， 随着预紧力的逐渐增大，残余振动逐渐减小直至趋于平稳。分析其原因：当没有 预紧力或预紧力较小时，链节之间由于存在间隙，所以在停歇期开始时，链节之 间会发生碰撞，因而产生比较大的振动；随着预紧力的增大，链节之间的间隙虽 然仍然存在，但由于有预紧力的存在，链节之间在停歇期不再发生碰撞，所以振 动较小。预紧力过大虽有利于提高系统的刚性和固有频率，但也会使链板在惯性 载荷的作用下产生较大的交变应力，从而影响链条的使用寿命。 综上所述，过大或者过小的预紧力都会影响间歇运动链的动力学性能，在给 间歇运动链预紧时，要选择合适的预紧力。 5 2 3 不同转速工况下的实验测试 在链条与链轮啮合过程中，由于滚子与轮齿的冲击作用产生了激励力，激励 频率对链传动系统动态输出特性有很大影响，文献1 5 7 发现链条的固有频率随链 条速度增加而减小，当考虑外部阻尼时，共振幅度随着速度增大而减小。本章对 链在匀速运动的情况下，随着转速升高的链节的加速度信号进行了实验测试，并 对时域信号作f f t 变换，以期观察其频率变化。为研究速度对链条固有频率的 影响提供了实验依据。 对于链在匀速运转时，对应不同转速下，测试了紧边链节上的加速度响应信 号。实验测试的信号为链的纵向加速度信号，部分测试结果如图5 1 4 所示，其中 左列图a 为测取的链的纵向加速度信号，右列图b 为对应转速下纵向加速度信号 的频域转换。 。 ， 时问池 第五章实验测试及结果分析 频宰f j h z 一、鼍i世精一毒 一，吾世蝌最 一，ei世捌量 一。2=：1掣型蕞 第五章实验测试及结果分析 4 2 0 时间t s o 10 2 0 3 时间t s 时间t s 时间t s ( a ) 5 f 钇州l 。一 频率f h z 频率f h z 图5 1 4 转速升高的加速度响应 频率h z ( b ) 分析链在匀速运动时的实验测试曲线图a 可以看出：随着电机转速的升高， 链节的动力响应增大，这与伺服电机的特性、链节与链轮之间的啮合冲击有关。 j | | j | | j | | | | | | | |j | | | | | | 7 | | j j j | | ，| | | | | | | |j | | j | | j | | | | | | | | 第五章实验测试及结果分析 观察测试结果的频域转换图b 可以看出：链在匀速运动时，振动的频率成分主要 有两个方面。一是链节与链轮的啮合频率，在速度较低时可知为左侧较低的频率 成分；二是整个链传动系统的固有频率，如图b 中频率成分集中的部分。由图b 可以看出，随着转速的升高，链节与链轮的啮合频率逐渐增大，而系统的固有频 率变化不明显。因此，随着转速升高，链节与链轮的啮台频率逐渐接近系统的固 有频率，当达到某一速度时，二者非常接近，从而使系统发生共振导致振动明 显增大。因此，在给定链的运转速度时，应尽量避开容易引起共振的速度范围。 5 2 4 链传动系统固有频率测试 链条整体是一个挠性体，在传动过程中，链条的振动会造成相当大的动载荷， 从而加剧链条铰链磨损，传动过程中链