（机械设计及理论专业论文）空间凸轮机构设计　误差分析与单侧面加工理论及实验研究.pdf

独创性声明 秉承学校严谨的作风和优良的秘学道德，本人声明所呈交的学位论文 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 或撰写过的班究成果，不包含本人或他人已申请学位或其他用途使用过 的成果。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致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：乒盗洲年彦肋日 保护知识产权声明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期问，论文工侔豹知识产权单位褥西安理工大学。本人保证 毕监离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安理工大学。 学校有权保留送交论文的复印件，兔许论文被赢阅或借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复静j 手段保存论 文。 ( 保密的学位论文在解密焉寂遵守茂规定) 论文作者签名：j 丝譬狮签名：避时年乎月5 。日 论文题目：空间凸轮机构设计、误差分析 与单侧面加工理论及实验研究 专业：机械设计及理论 博士生：尹明富( 签名)翌丝垡 指导教师：褚金奎( 签名) 拨丛职称： 吕传毅( 签名k 垒! 圭芝瑚称： 答辩日期：! q q 3 生盘旦 摘要 教授 教授 本文以空间凸轮机构为研究对象，从工程实际出发，以空间啮合原理 和旋转变换矩阵为工具，从结构特点、啮合特性入手，对空间凸轮机构的 结构设计、加工误差、单侧面加工工艺及廓面检测技术进行了深入地理论 分析和实验研究。 对空间凸轮的加工工艺进行了深入地分析和研究。结合现在空间凸 轮的加工工艺，给出了廓面误差的计算方法，以具体实例计算了各单项 误差对凸轮廓面法向误差影响的大小和变化规律，该方法适用于任何形 式的空间凸轮，解决了空间凸轮加工廓面误差计算的难题。 重点研究了空间凸轮单侧面加工刀具控制问题。提出了单侧面加工刀 位控制新方法，系统地论述了单侧面加工刀位控制机理，给出了刀具控制 的数学模型，解决了空间凸轮廓面单侧面加工刀位控制的难题，即使刀具 的尺寸小于滚予的尺寸，也能够加工出高精度的空间凸轮，并通过实验验 证了该理论的正确性、可行性和经济性。 详细研究了空间凸轮廓面检测技术。提出了以三坐标测量机为工具， 适合于任何形式空间凸轮廓面检测的接触点回归法，给出了数据处理的数 学模型和误差计算方法，解决了空间凸轮廓面检测与误差计算的难题。 系统分析了空间凸轮机构结构及啮合特性。在凸轮廓面采用单侧面加 工工艺基础上，提出了结构设计的改进形式，结合廓面修形方法，实现了 空间凸轮机构点接触的纯滚动副传动，显然提高了机构的传动精度、效 率、使用寿命、运动性能和动力性能。 研究了空间凸轮机构传动瞬时啮合效率。在对空间凸轮机构进行受 力分析的基础上，提出了计算空间凸轮机构瞬时啮合效率的基圆压力角 法，分析了影响瞬时啮合效率的因素，进一步完善了空间凸轮机构的设 计理论。 最后，基于上述空间凸轮单侧面加工理论研究结论，在五坐标加工中 心上，成功地加工出了空间凸轮，并应用三坐标测量机对其进行了廓面检 测和误差计算。实验结果表明，空间凸轮单侧面加工工艺原理正确、经济 可行。证明了本文所提出的理论的币确干牛，具有蘑要的理论意义和实际应 刖价值。 关键诲i ：卒怕轮机构 单侧嘲力h 工 误差计算 廓面检测 点啮合 啮合效率 s u b je c t ：d e s i g nt h e o r y , e r r o ra n a l y s i s a n do n e s i d e p r o c e s sp r i n c i p l eo fs p a t i a lc a mm e c h a n i s m a n de x p e r i m e n tr e s e a r c h s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：m i n g - f u t u t o t ：u h u 。，砌尼w i l vc h u a n - y i ( s i g n a t u r e ) 肥d k 啦 a b s t r a c t f o c u s i n go nt h es p a t i a lc a mm e c h a n i s m ( s c m ) ，t h ed i s s e r t a t i o n ，s t a r t i n g w i t ht h ep r a c t i c a lp r o c e s s i n ga n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es t r u c t u r ea n dm e s h i n g ， d e t a i l e d l ya n a l y z e sa n de x p e r i m e n t sr e s e a r c ht h es t r u c t u r et h e o r y , p r o c e s s i n g e r r o ra n d ，o n e s i d ep r o c e s sa n dp r o f i l ei n s p e c t i o no fs c mw i t hs p a t i a lm e s h i n g p r i n c i p l ea n dr o t a t i n gt r a n s f o r m a t i o n m a t t i xo p e r a t o rm e t h o d s p r o c e s s i n gp r i n c i p l e o f s p a t i a lc a m ( s c ) i sa n a l y z e d i n t e n s i v e l y c o m b i n i n gw i t ht h ep r e s e n tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fs c ，t h ea u t h o rp r o p o s e sa c a l c u l a t i o nm e t h o do fp r o f i l ee n - o ra n dg i v e sa l le x a m p l et oc a l c u l a t ee a c h m o n o m i a le r r o r si n f l u e n c ea n di t sl a w so nt h en o r m a le r r o ro fc a mp r o f i l e t h i s m e t h o dc f l l lb ea p p l i e dt oa n yt y p eo fs ca n ds o l v e st h ep u z z l eo nt h ep r o f i l e e r r o rc a l c u l 撕o no f t h es c l a y i n g s t r e s s e so nt h ec o n t r o lm e t h o do fo n e s i d ep r o c e s s i n g ，t h e d i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dan e wc u t t i n gt o o l sc o n t r o lm e t h o do fo n e s i d e p r o c e s s i n g ，a n a l y z e ss y s t e m a t i c a l l yi t sp r i n c i p l ea n ds o l v e st h ec o n t r o lp u z z l ei n p r a c t i c e ah i g hp r e c i s i o ns cc a nb ep r o c e s s e de v e nt h o u g ht h et o o l sr a d i u si s s m a l l e rt h a nt h er o l l e r sa sa p p l y i n gt h i sn e wm e t h o d t h ee x p e r i m e n th a s p r o v e dt h a tt h i st h e o r yi sc o r r e c t ，f e a s i b l ea n de c o n o m i c t h ep r o f i l ei n s p e c t i o no fs ci ss t u d i e dd e t a l l e d l y t h ea u t h o rp r o p o s e sa n e wc o n t a c tp o h a tr e g r e s sm e t h o dw h i c hc a l lb ea p p l i e dt oa n yt y p eo fs c p r o f i l e i n s p e c t i o nb yu s eo fc o o r d h l a t em e a s u r i n gm a c h i l l e ( c m m ) ，e s t a b l i s h e sa m a t h e m a t i c a im o d e lf o rd a t ap r o c e s s i n ga n de y r o ye v a l u a t i o nm e t h o d ，s o l v e st h e p u z z l e so f t h es p a t i a le a r np r o f i l ei n s p e c t i o na n de h o rc a l c u l a t i o n a a a a l y z et h es c m ss t r u c t u r ea n di t sm e s h i n gc h a r a c t e r i s t i c ss y s t e m a t i c a l l y b a s e do nt h eo n e s i d ep r o c e s s i n gt e c h n o l 0 9 3 ；t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e san e w m e t h o do fs t r u c t u r ed e s i g na n dr e a l i z e st i md r i v eo fs cb yp u r er o l l e rp a i r so f p o i n te n g a g e m e n t t h i sn e wd r i v em o d ea p p a r e n t l yi m p r o v e st h ed r i v i n g a c c u r a c y , e f f i c i e n c y ；l i f e s p a n ，m o v e m e n ta n dd y n a m i cf e a t u r eo fs c m t h ei n s t a n t a n e o u s m e s h i n ge f f i c i e n c y o fs c mi ss t u d i e d t h e d i s s e r t a t i o np u t sf m s v a r dt h eb a s ec i r c l e sp r e s s u r ea n g l em e t h o dt oc a l c u l a t e t i l ei n s t a n t a n e o u sm e s h i n ge f f i c i e n c yo fb c m a n a l y z e st h et a c t o r sa f f e c t i n g i n s t a n t a n e o n sm e s h i n ge ! c j c i 。n c ya n df i a r t h c ri 。r a p r o v c st h ed e s i g n t t t c l j 一i j o f s c m f i n a l l y b a s e do n h ea c h i e v e m e n tn f 订1 c - a i d ep r o c e s s i n go f s ci l l u s t r a t e d a b o v e ，s ch a sb e e np r o c e s s e ds u c c e s s f u l l yi nt h ef i v e c o o r d i n a t em a c h i n ec e n t e r a n di t sp r o f i l ee r r o rh a sb e e ni n s p e c t e db yl l s eo f ( m mt h er e s u l ts h o w st h a t t h i st e c l m o l o g yi sc o r r e c ta n de c o n o m i c t h e r e b y , t h et h e o r yp r o p o s e di nt h i s d i s s e r t a t i o ni sc o r r e c ta n dh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n da c t u a lv a l u e k e yw o i d s ：s p a t i a lc a mm e c h a n i s m ( s c m ) o n e - s i d ep r o c e s s i n g e r r o rc a l c t d a t i o n p r o f i l ei n s p e c t i o n p o i n tm e s h i n g m e s h i n ge f f i c i e n c y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文背景及研究意义 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 它机构所不同的是，凸轮机构或者包含凸轮机构的组合机构可以实现几 乎所有简单的、复杂的重复性机械动作。因此，凸轮机构是机槭化、自 动化生产设备等中的关键零部件。较简单的凸轮机构由凸轮体、从动件 及机架组成。一般情况下，凸轮做匀速回转运动，从动件做预期的输出 运动。与其它机构相比，凸轮机构具有结构紧凑、性能可靠以及可实现 任意复杂的运动形式等特点，在众多领域中起着不可替代的作用。 近些年来，随着各种电、气、液等控制技术的发展，在有些定位机 构和分度机构中，采用了伺服电机及其控制系统取代了原来的凸轮机构。 主要原因是凸轮机构是高副接触，廓面易磨损，从而容易导致传动精度 的降低，振动和噪声的加剧。而控制系统则不存在机械磨损的问题，伺 服电机及其控制系统尤其适合于频繁、重复定位的场合，这是控制系统 的一大优势。现在控制系统中的很多“凸轮开关”已经被“电子开关” 所取代；控制系统的另一个优势在于具有良好的可调节性，在柔性生产 场合，这一特性尤为重要u q j 。 然而控制系统在拥有上述诸多优势的同时，也有其不足之处。首先， 控制系统在工作过程中总存在时间滞后问题，这样就限制了在高速、重 载情况下的应用；其次，从制造成本上来看，伺服电机及其控制系统的 成本远远高于一般凸轮机构的成本；再次，从空间上来讲，伺服电机的 控制系统一般占据较大空间，而凸轮机构体积小、结构紧凑。 综上所述，控制系统所存在的缺点正是凸轮机构的优势所在，并且 随着新材料、新结构和新工艺的不断涌现，凸轮机构在高速、高精度方 面注入了新的活力，控制系统不可能完全取代凸轮机构，它们在各自的 领域中均起着不可替代的作用。 随着科学技术的飞速发展，自动机械在各国新产品的设计、开发和 应用中，占有极其重要的位嚣和相当的比例，而且随着企业对劳动生产 西安理工大学博士学位论文 率及产品质量要求的不断提高，各行业对自动机械的需求也将目益增长， 以空间凸轮机构为核心部件的自动机械，已发展成千万种高效、小型、 简易、价廉的自动机械，遍布各行各业，如自动包装机、自动成型机、 自动装配机、自动加工机、纺织机、农业机械、印刷机械、自动办公设 备、自动售货机、电子元件加工机械等婶“6 。 空间凸轮机构在自动机械中之所队有如此广泛地应用，是因为它兼 有传动、导向及控制机构的多种功能。当作为传动机构时，它可以产生 复杂的运动规律，以满足各种机械对运动规律的要求；当作为导向机构 时，它能产生复杂的运动轨迹；当作为控制机构时，它可以控制执行机 构的自动二r ：作循环。凸轮机构作为信息的传递及信息存储元件具有构件 数少、体积小等优点pj 。 空间凸轮机构的优良特性茁世界各因都得剑j ，越来越多地蓐税和应 用。美国、日本、英甾、德国、苻耄罗斯、瑞上、台湾等国家和地区相继 进行了研制，并取得了标准化、系剖化晌产品。在j l 何掌i 夏动学动 力2 、 | 禹台豫监 ! 、缔掏设计、磷阳枷t ( 、a 1 ) ，( a m 等育向j 持扣j 比饺 深入地研究和探 寸，i 眨得了宅的成果1 7 。1 i 。 我国在宁闻凸轮机构的设i _ l 和制造水平上，l j 荚国、日奉、德圈和 台湾等国家和地区相比还有一定的差距，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 一定参考价疽的相关资料很少公开发表，这样就无形中制约着我国凸轮 机构设汁和制造水平的提高，造成高速、高精度凸轮机构必须依赖进口 的被动局面。 在凸轮机构中，凸轮是最为关键和重要的零件，整个机构的设计和 制造i i 王足以其为核心来进行的，尤其是空间凸轮。由于空间凸轮廓面结 构比较复杂，在设计和制造过程。”需要借助计算机来完成。根据有关文 献的报导和作者的实际调研，现在国内凸轮机构的实际应用存在以下三 大问题：一是承载能力较莲，振动和噪声较大，主要是由于加工精度低 造成的；二是在i 讶速情况下容易出现误动作及控制失灵，可靠性差；三 是使用寿命短，远没有达到设计使用寿命，在使用初期阶段就不同程度 的出现胶合和塑变等现象，材料选择的不合适是其中原因之，更深层 堑二芏鲨笙 次的原因是加工精度低和表面质量差引起的。 现阶段各行业为适应提高劳动生产率的要求，高速自动机械的发展 正成为一种主流，比如包装机械、冲压机械和印刷机械等，凸轮机构的 工作频率可达2 0 0 0 r p m ，在这样高速情况下进行动、停转换，如果机构 参数设计不合理或制造过程中误差较大，就会引起系统惯性力的急剧变 化，给整个机构的运动性能和动力性能带来严重后果。实验研究结论表 明【2 2 j ：凸轮体廓面在o 5 m m 范围内有o 0 1 m m 的径向加工误差，就将造 成明显的加速度变动；如有0 0 5 r a m 的误差，则有明显的冲击现象，完全 破坏了原来的无冲击的运动规律。因此人们把大部分精力致力于从动件 运动规律的研究上，以期解决其承载能力和运动的可靠性，以及整个机 构优良的动态性能，是不全面的。所以，提高凸轮的加工精度和表面质 量，改进现有的加工方法，提出既经济又能满足加工精度要求的加工机 理，是解决问题的另一个重要途径。 空间凸轮的加工方法大致有以下几种 5 ，2 3 , 2 4 ：划线手锉法、逐点坐标 法、创成法、范成法、数控加工等。基于包络原理的空间凸轮的数控加 工已成为国、内外的一种主流。在加工过程中，如果刀具的尺寸不等于 从动件滚子的尺寸，在凸轮的廓面上必然会产生误差，这就是在空间凸 轮精加工时，要求刀具的尺寸和滚子的尺寸必须相等的原 2 0 , 2 4 - 2 7 。以 前，高精度的空间凸轮机构应用不多，加之计算和加工技术的落后，有 关加工误差分析以及加工工艺问题的研究，在国内外的文献中偶有涉及， 但都不够深入。现在随着生产实际对空问凸轮机构性能要求的不断提高， 特别是自动机械在各行业中所占的比例越来越大，凸轮机构正在向高速、 高精度方向发展，深入地分析和研究有关凸轮加工误差以及制造工艺问 题就显得十分必要，同时现在计算手段和加工技术的进步也为研究提供 了可能和条件。 国内空间凸轮的加工精度远没达到进口产品的水平，不能满足各种 高速、高精度自动机械的要求，几乎全部依赖进口。目前，空间凸轮的 加工采用在c n c 机床上按等径( 刀具的半径等于滚子的半径) 加工形式， 按包络原理进行廓面的加工【2 1 , 2 4 , 2 7 】，精加工时刀具与工件的运动关系再 现滚子与凸轮的运动关系，由于刀具与滚子的几何参数一致，因而可以 皇童兰三查兰堇圭耋! 鲨圣 准确地加i i 出凸轮廓面，这种加工工艺最易理解。但实际加工中若都采 用等径法必然要提高成本，有时又是很难实现的( 如大型凸轮加工无相 应大型刀具等情况) 。由此可见，开展非等径加工原理( 刀具的半径不等 于滚子的半径，一般是刀具的半径小于滚予的半径) 的研究具有重要的 理论意义和经济价值。其目的就是在误差的允许范围内，用非等径刀具 加工出符合糟度要求的凸轮。 现在高精度空间凸轮机构应用逐渐增多，磨削加工作为空间凸轮的 主要精加工形式，即使按照前述等径的加工方法能够实现，由于砂轮磨 损以及使片j 一段时间后要修整等因素，砂轮的使用寿命就很短，实际中 必然造成资源的浪费，增娜凸轮的制造成本。更何况按等径加工原理， 砂轮同时磨削凸轮槽的两令侧面，一是砂轮极易被挤碎；再者两侧余量 ，f 均匀i a 容易陵磨头发生饷移；另外，冷却的不充分电易使凸轮的表皿 烧伤、因此，空间凸轮廓面的等径磨削如工实现非常懋难。 宅问凸轮廓面的廉削加一c ，现，融国内、外较、勾先进的解班办法魁果 ；h i y j 强蜘! k 【1 1 十3 、1 引，烂、 盼两j i 霉诈i 误 圭f 内：i i 譬i 。 勘 ；，j f 疆德睛 s c h i e s s k o p p 公司q ：产的数控磨床姚配霄这种机构。行星磨_ = l ；的结构 比较复杂。由于加工的非连续性，以及采取的行星式缔构，高速情况下 极易产生振动，其价格 王十分昂贵，一套行星磨头约合人民币2 0 一3 0 万 美金，配有行星磨头的一台磨床要8 0 万美金左右。冈此，钭对国内企业 的现状，研究既能满足加工精度要求，同时又很经济的加工机理和实现 机构，是十分必要和紧迫的。 对于空间凸轮廓丽的非等径加工，人们也做了研究和探索，取得了 一定的成绩。可以将空划凸轮廓丽按自由曲面来处理，采用端面铣刀【2 w 或球头刀1 3 哪进行廓面加工，从理论上讲，可以实现空间凸轮廓面非等释 加工，但山于加工过程控制复杂，数据处理量火，廓面已经失去丁 轮 与滚予间的j - - k o 时，加工出的轮廓槽变宽，引起定位及分度醍差， 在加速聊减速段造成转- 。，k t 的横向冲击，振动和噪声加删，影响机构使用 寿命； ( 3 j 当r = r 一， 己 、 。h j 一瀛 孓 喜心 夕 图4 - 3 从动件滚予坐标系 4 2 2 啮合方程 如图4 - 3 所示，在c r ( o ：一x 2 y ：= ：) 中，任意截面l 内，滚子上啮合点k 的 矢径为： f 一( h + r os i n 甜) 1 铲髫j 。 其中：，：c o s 口一+ ，；d ：s i l l i t - 生j ；r ，为滚子最大回转半径。 由盯( o ：- x 2 y 2 2 2 ) 到盯( 0 一五弦) 的旋转变换矩阵为： fc o s ( p 2 一s i n 妒20 m 0 2 = 1 001 ( 4 - 2 ) i s i n ( 0 2 c o s ( 0 2 0 那么，斥在盯( o x y z ) 中的表达式为： 兰堡垒鲨圭兰竺鳖 2 2 瑶 f 4 。3 1 将( 4 一j ) 、( 4 - 2 ) 代入( 4 ，3 ) 得： f 一( s i n a ) e o s 9 9 2 - r c o s f l s i u f a 2 1 7 稚3 f r s i n f l ( 4 4 ) l 一( h + r os i n a ) s i n 妒2 + r c o s c o s p ，j 。 凸轮上的啮合点k 的矢径为： f ( 矗+ ，js i n 口) c o s f 0 2 r c o s f l s i nr p 2 1 = f ，。i n f l f i 一( 矗+ t os i n o ：) s i n 0 2 + r c o s c i c o s 9 ，j 在r ( 0 2 一恐蜴毛) 中，过啮合点七的单位法向矢量为： j i 7蓐i r - s i ne z 、 甄= 驯务i 5 a r 叫毋j _ if 。a i 瓠渖p 渺抬p a z 徊8 s 雠妇b 戎一一习= ) 中，f 4 6 ) 式表示为： 魂。a ，。矗“：f 一8 1 n 盯。8 9 。9 。2 。- - 盘c 。o i s h l 声2 1 2 。8 谢”妒11 l s i n c r s i “仍+ c o s 甜c 。s 户c 。s 姨 在啮合点k 两构件速度为： 羁女2 西i ，吒女= 晚x 昂t 其中：面i = l f ，面2 = o ) 2 j 一 羁2 = 曩一i ；2 在啮合点k 相对速度为： 一f o ) ，r s i ，n f l - c o , s i n 致( 矗慨s 她) - - ? c o s 仍c 。s 础 曩：2 f c 移t b 。( h + r os i n a ) c 。s 妒：一r c 。s 。i i ；! j 。1 f ( 4 8 ) i ：l 【s i n a ) c 。s 纯+ 瑚s s i n _ 5 0 , j 。 在k 点的啮合方程为： 慷r 1 、v 1 2 。r i o ti o ( 4 9 ) 将( 4 7 ) 、( 4 8 ) 代入( 4 。9 ) 整理得接触角为： 7 甸 甸 乃 降 m 第四章基于单侧面加工的点啮合弧面分度凸轮机构设计 脚4 d c p 2 d q ( r t g c t - h - 1 o s i n a , , , _ ) 睁呐 其中 面。 为接触角，有和刀+ 两个值，分别对应凸轮的上、下两个廓 4 2 3 压力角 压力角为接触点k 所受的压力f 的方 向，即接触点的法线方向1 3 _ 与压力通过滚子 轴线上的交点速度v 方向的夹角，如图4 - 4 所示。压力角为： 口= 卢( 4 1 1 ) 4 2 4 接触线方程 n ( f ) 、y 已( v ) x、 义 图4 - 4 压力角 在盯( 。：一x 2 y ：龟) 中，啮合点的矢量方程为： f 一( h + r os i n a ) 1 瑶= i rc o s f l l ( 4 - 1 2 ) l rs i nj 3 j 其中接触角由( 4 。1 0 ) 确定，在确定了中心距和从动件运动规律后， 滚子在啮合的某个瞬时位置时，滚子上接触点的坐标由r 、“和卢决定， 且卢有卢和卢+ 石两个值，分别对应该时刻与凸轮廓面接触的两条接触 线，即把的两个值代入( 4 1 2 ) 后即得滚子上的两条接触线。接触线为滚 子曲面上的两条空间曲线。 4 2 5 凸轮理论工作廓面方程 由o r ( o - x y z ) 到盯( o 】一而m 2 1 ) 的变换矩阵为： f c o s ( , 0 1 一s i n ( a l0 1 m o = ls i n o l c o s ( 0 1 0 ( 4 - 1 3 ) l 0 0 1 ) 在o - ( o 一西m 毛) 中，啮合点_ j 表达为： = m 1 0 ( 4 ”1 4 ) 将( 4 5 ) 、( 4 - 1 3 ) 代入( 4 1 4 ) 整理得凸轮理论工作廓面方程为； 西安理工大学博士学位论文 r k c o s 0 2 ( h + r os i n a ) - c o s s i n 仍 c o s 妇一7 1 s i n f ls i n 竹1 瓦= ik o c o s 仍( 矗+ 珀s i n o o r c o s s i n 仍】s i l l 妇+ r s i n f l c o s 0 1 ls i n 他( 厶+ r 0s i n d ) + r c o s p c o s e 2 5 喀一1 d g o ，1 f f d l e ( r t g a - h - r 0s i n a ) _ ( 4 _ 1 5 ) 其中：接触角由( 4 一l o ) 确定，有声和z + 卢两个值，分别对应凸轮的上、 下两个廓面。 4 3 弧面分度凸轮廓面修形技术研究 近年来，国内外学者对弧面分度凸轮机构的结构特点、啮合传动特 性进行了广泛源入+ 的探讨。但是对弧面分度i 几i 轮的突际接触? 状态及其应 用技术缺乏深入地研究，而这些因索是决定接触应力、接触而窿撮的千 璎躁田，也是穗定机构使用寿命的重要因素，因此! 凶颈对廓面的接触特 饥进 亍深t g 分析。 弧 f ；i j 分度凸轮特殊的结构特点，在不时避免的存庄加工和装酣误菁 的情况下，必颈进行必要的廓面修形，爿能进行很好卉句装配和正常的传 动。由于接触点的相对运动速度不等，滚子与凸轮的接触为滑动状态， 因此必然要引起磨损，为此应根据具体使用情况，将廓面某些位置进行 廓面修形，使之形成单侧面接触，对于整个机构性能的改善及使用寿命 的延长无疑是很有利的。 4 3 。1 凸轮与滚子接触状态分析 4 3 1 1 理论接触状态 弧面分度凸轮机构理论接触线为一条空间曲线m n ，如图3 - 2 所示。 理论接触状态如图4 - 5 。接触区的应力分布较平均，但这科t 理想状态在实 际中是不容易出现的。 4 3 1 2 实际接触状态分析 在无任何加工误差及装配误差的情况下，其理论接触状态如图4 - 5 所示。但由于该机构为线接触，对误差十分敏感。在加工和装配过程中， 第1 n 章基于单侧面加工的点啮合弧面分度凸轮机构设计 凸轮体及从动盘由于某种原因造成的线性的或角度的误差，都将对凸轮 与滚予的实际接触状态产生严重地影响，使原来的理想的线接触变成实 际的滚子边缘的点接触和线接触二者交替出现，在边缘接触情况下引起 很大的接触应力，如图4 - 6 所示。使两构件间的润滑状态恶化，实际上 是滚子的“楞”在凸轮廓面上“划”动，极易将凸轮廓面划伤。这种接 触状态，无论对凸轮体还是对滚予的使用寿命都将产生很大的影响，同 时使机构的动态性能变差。 图4 - 5 理论接触状态 囹4 - 6 实际接触状态 4 3 2 凸轮廓面修形技术 弧面分度凸轮机构无论在理论分析上，还是在实际的加工工艺上， 都体现出凸轮槽两侧面与滚子都接触的特点，实际上这种接触状态是不 好的，如图4 7 为机构的剖面图。在啮合过程中，滚予必须与以和咒为 半径的凸轮内外廓面同时接触，也就是说在理论上滚子在凸轮槽中周期 性的滑动，这样凸轮体和滚子的磨损都很快。 实际上通过对弧面分度凸轮机构的啮合及工作 特点分析可知，滚子与凸轮廓面只需单面接触 就能保证传动及定位精度，因此，可以将凸轮 廓面的非接触区域修形减薄处理；再者由于加 工及装配时各种误差的存在，凸轮廓面也必须 进行修研后才能进行装配。下面就凸轮廓面的 修形方法进行讨论。 图4 7 滚予接触状态 西安理工大学博士学位论文 4 3 2 1 低速运动情况修形方法 在低速运动情况下，从动盘的惯性力小于摩擦阻力，只需精确保证 d 6 段及c 矗段精度，为保证滚子啮合有一定的重合度，需将。点延长到c 点，如图4 8 所示。其它段做修形减薄处理，精密级的凸轮单边减薄 o 0 2 t a r a 左右，普通级0 0 4 r a m 左右。过渡段保证顺滑。 4 3 2 2 高速运动情况修形方法 在高速运动情况下，从动盘的惯性歹j 人于工作阻力，为使机构保持 很好的动态性能和防l 【：横越冲击的产生，滚予在中间槽的位置时尽量不 与凸轮廓面接触，在保证一定重合度的前提下，如图4 - 9 所示。必颁保 证a b 、e f 及起段的精度，其它段做修形减薄处理。减薄量如上所述。过 渡段保证顺滑。 j 赓后期丹度中期 丹度开始分慝后期 手 麈中期j 争度开始 囤4 - 8 低速时修形示意图图4 - 9 高速时修形示意图 如果机构工作条件f 如载荷、速度等) 是变化的，那么上述各段都需精 确保证，其它段修形减薄。减薄量如上所述。且过渡段保证顺滑。 这里需要特别说明的是，无论在何种工作情况下，定位段的精度都 必须精确保证。 4 4 点啮合纯滚动副传动弧面分度凸轮机构设计 弧面分度凸轮机构是线啮合的空间曲面传动，在运动过程中，凸轮 与滚子理论上接触线为空间曲线，由于接触线上各点相对速度不等，因 此造成凸轮和滚予的不均匀磨损；同时由于线接触传动机构对误差比较 敏感，国内还没有比较经济实用的凸轮专用磨床，无法实现凸轮廓面的 精密磨削加工，工艺停留在精铣后修研装配的水平上，使得理论的线接 触在实际传动过程中处于线接触、点接触和边缘接触之间交替进行，使 5 4 第四章基于单侧面加工的点啮合弧面分度凸轮机构设计 用寿命远低于其设计寿命，振动和噪声大，定位和分度精度低，优良的 性能在实际应用中得不到充分发挥。 基于以上原因，在弧面分度凸轮采用单侧面加工工艺基础上，吸收 了鼓形滚子从动件传动对误差包容性强的优点，配合凸轮廓面的修形技 术，本文提出新型点啮合纯滚动副传动的弧面分度机构的设计1 1 ”】。 4 4 。1 弧面分度凸轮单侧面加工廓面分析 根据单侧面加工原理，任意位置上，刀具与凸轮的实际接触线和滚 子与凸轮理论接触线在滚予宽度一半处相切，在该点的法向误差a n = 0 ， 刀具两端误差最大。加工后廓面误差分布有一定的规律。也就是说在除 定位段以外的其他位置上，凸轮廓面呈凹型。 根据加工后的廓面形式，若在装配时采用鼓型滚子替代设计时的圆 柱型滚子，这样鼓型滚子的凸曲面和凸轮廓面的凹曲面的啮合传动，凸 轮廓面采取4 3 2 中的修形技术，这样就形成了单侧面点接触的纯滚动传 动形式，大大地提高了机构对误差的包容性，如图4 1 0 所示。同时这种 凸凹监面的接触形式有利于形成动态润滑油膜，对于改善两啮合曲面间 的润滑状态也有明显的效果，如图4 一1 1 所示。 这种理论的点接触，在外载荷及预紧力的作用下，就会变成小椭圆 面积接触，减小了接触应力。根据加工后凸轮廓面的曲率情况，可以相 应地选择滚子的曲率，使之达到最佳的啮合状态。单侧面加工原理使定 位段的误差为零，这样有利于保障机构的定位精度。结合廓面修形技术， 使原来机构线接触的滑动副变成点接触的滚动副，机构的传动效率和使 用寿命也将大大地提高。 凸轮廓面 图4 - 1 0 点啮合接触状态 图4 - 1 1 鼓型滚子接触状态 一 笏 市 ， 西安理3 - 大学博士学位论文 4 4 2 点啮合纯滚动副弧面分度凸轮机构设计 弧面分度凸轮机构实现点啮合的方法大致有以下两种： ( 1 ) 文献 1 2 3 给出了实现点啮合传动的具体设计原理和加工方法，粗 加工采取修正中心距或修正分度角的办法，精加工磨削时采用砂轮的曲 率半径稍大于滚子曲率半径，实现，点啮合弧面分度凸轮的单侧面磨削 工艺： ( 2 ) 文献 1 2 2 在不改变两旋转坐标联动加工工艺的基础上，在装配时 采取修形滚子替代原来设计时的圆柱滚子的办法实现点啮合传动。 前者的工艺性较差，；g r i m 所用的刀具( 铣刀和砂轮) 是鼓形的，成 本高；后者是基于传统两坐标联动加工工艺，加工精度和表面质量较差。 以上两种设计和工艺方法为实现弧面分度凸轮点啮合传动提供了新的思 路，为点接触弧面分度凸轮机构的设计奠定丫基础和指明了方向。 本文提出的点接触弧囟分发凸轮机构设计是基于单侧面加工工艺， 根蝌加工后廓面结构形式及廓两修7 肜的基础上捉出的，单 9 | | j 面加工工艺 下仪具有精度r 葡、川具缒j j 街命k 、f 日实现睽”1 “j i ”, o h 工等陇点，曼重要的 是它具肯上岂性好、很经济的特点，这是考察种一l 岂，方案优劣的最为 重要的指标。 点啮合纯滚动副传动弧面分度凸轮机构的设计步骤为： ( i ) 基于圆柱滚子从动件进行弧面分度凸轮理论工作廓面设计； ( 2 ) 按单侧面加工原理，粗( 精) 加工聚用小于滚子半径的圆柱铣7 j ( 砂 轮) 加工，使其具有良好的工艺性； ( 3 ) 依据机构工作情况，应用4 3 2 的廓面修形方法，进行廓面修形； ( 4 ) 裴配时采用曲率半径小于凸轮廓面曲率半径的鼓型滚子代替设 计时的圆柱滚予，鼓形滚子最大半径与圆柱滚子半径相等。 按上述方法设计的弧面分度凸轮机构，在装配后就形成了单侧面接 触点啮合纯滚动传动。 采用点啮合纯滚动副传动对误差包容性强，有利于保障机构的分度 和定位精度，改善机构的运动和动态性能，提高使用寿命。凹曲面与凸 曲面的配合对于改善共轭曲面间的润滑和应力状态都有很好的效果。 第四章基于单侧面加工的点啮合弧面分度凸轮机构设计 4 5 小结 本章对圆柱滚子从动件弧面分度凸轮机构的接触特性进行了分析和 研究，在实际加工和装配过程中只要存在线性和角度误差，使得滚子在 实际接触时经常处于点接触、边缘接触和线接触的情况下交替进行，这 样对这个机构的传动精度、动态性能和使用寿命都产生很大的影响。在 此基础上给出了廓面修形的必要性和具体的修形方法，对提高弧面分度 凸轮机构的传动精度、使用寿命，推广其应用有重要的理论意义和实用 价值。 在第三章单侧面加工工艺基础上，利用廓面修形技术及装配时用鼓 型滚子替代设计时的圆柱滚予，实现了弧面分度凸轮机构单侧面点接触 的纯滚动传动的设计新方法，在外载荷及预紧力的作用下，变成小椭圆 面积接触，减小了接触应力，凸凹面的接触容易形成润滑油膜，对接触 表面的润滑状态也有所改善。这样一方面在凸轮加工具有良好工艺性的 同时，其分度精度、定位精度、传动效率、使用寿命及动力性能等都将 大幅度提高。 第五章圆锥滚子从动件圆柱分度凸轮单侧面加工理论研究 第五章圆锥滚子从动件圆柱分度凸轮 单侧面加工理论研究 5 1 引言 圆柱分度凸轮机构如图5 - 1 所示。从动盘回转轴线与凸轮回转轴线 交错垂直。凸轮做匀速回转运动时，在分度段，凸轮体上的凹槽推动转 盘上的滚子实现分度运动；在停歇段，转盘上相邻两滚子跨夹在凸轮廓 面的凸脊上实现定位。广泛应用于印刷、轻工和包装等自动机械中，和 弧面分度凸轮机构相比具有以下特点盼1 2 4 也7 1 ： ( 1 ) 加工制造较弧面分度凸轮容易： ( 2 ) 适丁分度数较多的场台； ( j ) 适予中，低速及中、轻载待的场合； f 4 1 凸轮与滚了问的啮台闻隙较难补偿： ( 5 ) j 矽j 扣3 备殇，”夸泔i 。 圃柁分度凸轮很呕要的府嗣场合是在分度数要求较多泊喇假，这足 其它分度机构所不能胜任的。 日由于啮合问隙较难补偿，因此高速情况 下容易产生冲击，适于中、低速和中、轻载荷。 在普通的数控机床上，采取三坐标联动，即一个旋转坐标带动凸轮 回转，另两个直线联动实现滚子的运动轨迹，在刀具半径等于滚子半径 时，理论上就可以无误差地加工出凸轮廓面，因此其工艺性较好。 啮合间隙较难补偿的主要原因在于，滚子轴线在任何位置都与凸轮 回转轴线垂直，这样对于圆柱滚子从动件来讲， 滚子与凸轮间的间隙就很难通过象弧面分度凸 轮机构那样采取通过调整中心距的办法来消除 由于制造致使用过程中磨损而引起的间隙。如 图5 1 所示。 圆柱分度凸轮机构和弧面分度凸轮机构有 者相似的应用场合和设计方法，但在实际加工 过程中，无论是常规的等径加工工艺，还是单 图5 - 1 圆柱分度凸轮机构 西安理工大学博士学位论文 侧面加工工艺，却有着不同形式的刀位控制方法。影响圆柱分度凸轮加 工精度的因索也与弧面分度凸轮机构有所不同。因此，完全有必要对其 进行全面地分析，以确定在单侧面加工过程中如何进行刀位的控制和参 数的合理设计。 本研究有助于提高圆柱分度凸轮的加工精度和表面质量，从而提高 其分度和定位精度，扩大其应用范围。进一步完善圆柱分度凸轮机构的 设计和制造理论，同时对于机构结构设计的改进提供了新的思路。 5 2 圆锥滚子从动件圆柱分度凸轮理论工作廓面方程 限制圆柱分度凸轮机构在高速、重载情况下应用的主要原因是其啮 合间隙较难消除。间隙的产生是多方面的，首先，凸轮机构为了便于装 配，在加工时一般凸轮槽要加工的稍大于滚予半径；其次，安装时各零 件位置调整不合适，造成某些位置产生干涉，需要修形装配，而某些位 置产生间隙；最后，由于滚子与凸轮是曲线接触，接触点的相对速度不 等，滚子与凸轮为滑动接触，磨损严重，因此使用一段时间后磨损也必 然要产生间隙。 如从动件选用圆锥滚子，那么就可以采取调整转盘轴向位移或凸轮 径向位移的办法来消除由于制造、安装及使用过程中的磨损而引起的间 隙，如图5 - 2 所示。即通过改变h 。的办法来消除间隙，实现预紧。采取 圆锥滚子，会增加制造上的难度和制造成本，但对于提高整个机构的分 度和定位精度，以及动态性能和使用寿命，扩大了其应用范围，无疑制 造上成本的提高是值得的。而现在工具制造技术的进步，成本逐步的降 低，圆锥铣刀和圆锥滚子的制造成 本与相应的圆柱铣刀和圆柱滚予相 比，其价格也不会相差很大；另外， 在加工中还可以通过改变圆柱铣刀 铣削角度的办法来进行凸轮廓面的一 加工