机械类外文翻译【FY192】凸轮形状设计的混合方法和一般的盘形凸轮轮廓加工的机制【PDF+WORD】【中文3000字】
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凸轮形状设计 的混合方法和 一般的盘形凸轮轮廓加工的机制 关键字： 盘形凸轮机构 ，凸轮，从动件，外形设计，数控加工，接触点， NC 数据，即时速度中心，双圆弧曲线拟合。 盘形凸轮机构可以很容易的在凸轮和从动件接触的地方产生积极的和功能的运动。一般情况下凸轮机构在很多领域采用的是机械式控制，自动化和工业机械。为了得到从动件的准确运动，凸轮的轮廓的设计和加工必须是精确的。本篇文章提出了一个以即时速度为中心的设计方法和一个为加工四种往复和摆动运动，滚子或者平面从动件类型的盘形凸轮机构的双圆弧拟合方法。本文的关键是引进设计 程序和制造程序相结合的混合动力系统。文章的主要思想是，从设计参数出发用最小的加工数据建立准确的双圆弧曲线的安装。可以直接由凸轮的接触角和设计程序中给出的从动件准确的定义的双圆弧曲线径向方向上的角朝向双圆弧中心。一个的应用程序验证了在给定的加工公差的情况下使用最小的 NC 数据设计凸轮和加工凸轮这个 所提出的方法是正确的。 1.介绍 平板凸轮机构是一种广泛使用的由凸轮和从动件的连续接触的运动所构成的机械部件，可以由凸轮的旋转很容易的让从动件产生任何功能的运动。凸轮机构通过组合不同形状的凸轮和不同运动形态的从动件来拥有 不同类型的机构，如板形或者圆筒形的凸轮，滚子或者平底的从动件，往返或者摆动的运动。 尽管凸轮机构有连接数少，结构简单，正向运动以及紧凑的尺寸这些优点，但是凸轮机构还是要有精确的外形设计和精密的加工程序来满足机械性能要求。在较低水平的设计和制造的情况下，凸轮机构的整体系统会有沉重的振动，噪音，分隔和超载。为了避免这些影响，凸轮机构必须精心，准确的设计和精确的加工。事实上，一种混合的 CAD/CAM 的方法有可能是最好的解决方案，这种解决方案是从设计过程中得到的形状数据直接结合得到加工数据的一种加工工艺。从描述文件 的凸轮的加工数据去加工最常用的是直线插补和圆弧插补。 Shin 等人提出在两个圆弧的连接点因为不连续的曲率半径和不连续的斜率所以直线插补的精度低，圆弧插补不能保持精度。近日，Jung 等人和 Yang 等人提出参数化的差值使用 B 样条和 NURBS 曲线。双圆弧插补被广泛的应用和依赖在方向角朝向中心的双圆弧曲线上。博尔顿描述了一个在两个点的切线角为基础的双圆弧曲线，帕金森以及摩顿在三个点的一元二次方程的基础上得到了双圆弧曲线，米克和沃尔顿用样条曲线的类型来构建双圆弧曲线。 Schonherr 介绍了一种减小双圆弧曲线的半径的方 法。 nts通常，这些插值方法使得加工点增加，然后机构弯曲的形状上过多的加工数据使得加工误差也随之增多。因此，精确的机械加工过程中，在加工误差允许的范围内应该尽量的减少加工点来保持加工精度。本文介绍了 CAD/CAM 的混合方法的 3 个步骤在四个不同类型的板凸轮机构中。首先，凸轮的形状是由在瞬时速度时的约束中心和凸轮跟从动件在接触点的接触角来决定的。第二个步骤是把接触角变换成中心的方向角，然后，计算双圆弧曲线的半径。最后，加工数据最小化是通过膨胀和收缩双圆弧部分，膨胀还是收缩是看凸轮轮廓点是位于加工公差范围之内还是之外 。 2.双圆弧拟合精度的阐明 在常见的盘形凸轮的设计过程中只有凸轮形状的轮廓数据被定义，然后在数控（数据控制）过程中加工数据必须根据任何的曲线拟合来开发。圆形的嵌合，这是最广泛的用于机械加工，具有不可靠性如图 1 所示。由三个点（ P1， p2， p3）所确定的一个圆具有半径 R1，另一个由其他 3 个点（ P2,P3,P4）所确定的圆具有半径 R2。嵌合这两个圆，通过点（ P1,P2,P3,P4） ,但是这些点组成的是不连续的斜坡，而且是不连续的半径在跨距中间。这些缺点使得拟合的曲线精度很低，然后会使得凸轮机构在高速转动的过程中会有 更高的振动。 图 1，圆形拟合上的缺陷 nts 图 2：连续的双圆弧拟合 图 2 显示了一个通过 biarcs 所得的连续的曲线，通过轮廓点（ P1,P2,P3,P4）。在这种情况下双圆弧曲线拥有四个半径。半径 R1 是通过 P1 到 S1， R2 是通过 S1 到S2， R3 是通过 S2 到 S3， R4 是通过 S3 到 P4。每一点上的双圆弧曲线的斜率是连续的和独特的。同样，中间跨距点（ S1， S2， S3）是连续的没有跳跃的半径，这样就双圆弧曲线可以保持较高的精度水平。 如图二所示，双圆弧拟合是高度依赖于径向方向的角度（ ）。常见的凸轮机构设计过程中只定义了配置文件数据，然后圆形的嵌合加工过程中必须使用的角度。这个过程因为不正确的角度使精度较低。但是，本文所提出的方法可以定义正确的角度，这个方法是通过凸轮轮廓的设计过程中直接给出，然后加工数据保持较高的的准确性。 3.盘形凸轮的形状设计 3.1 凸轮机构的位移特性 如图三所示，对于往复运动的滚子从动件的盘形凸轮机构，从动件运动的运动学特性，可以被定义为线性位移 Y，一阶导数 Y ，二阶导数 Y 凸轮的旋转角度 c 。属性是作为角位移以防摆动从动件。本文给出的即时速度的中心方法是使用位移和确定凸轮形状衍生工具。 nts 图 3：往复滚子从动件的凸轮机构 3.2 瞬间速度中心基础上的外形设计 如图 4 所示，点 Q 是一条直线穿过点接触点 C 和滚子中心与一条水平线的交点，它是即时速度的中心。点 Q 的速度与凸轮的旋转 速度成比例在式子（ 1）中，滚子在R 点的速度在式子（ 2）中定义成从动件的线性速度。 通过凸轮机构的运动特性，即时速度中心的速度QV和从动件的速度 RV 相同。因此，速度条件给出了式（ 3）中的即时速度中心的位置。 nts 图 4：凸轮与从动件的接触位置 如图四所示，接触角是有一个滑动速度线和从动件滚子的法线之间的夹角由式子（ 4）定义，接触点坐标由 式子（ 5）给出，滚子中心坐标（yx RR,）可以由位移（ Y）和凸轮机构给定的几何条件（素圆和偏心）计算出来，其中 rR 是滚子的半径。最后，联系点（xC和yC）是由式子（ 5）给出的。 nts 图 5：往复式 平面从动件盘形凸轮 图 5 显示了一个往复平面从动件的凸轮机构。即时速度中心 Q 位于水平线和根据式子（ 6）在速度中心在瞬间的速度条件基础下得到。然后，接触点由式子（ 7）定义。 图 6 是一种摆动滚子从动件的机构，凸轮中心和即时速度中心的距离由方程（ 8）得到。方程（ 9）表示凸轮和滚子之间的接触角，方程（ 10）表示接触点。在这里，xyZ是轴和凸轮中心的距离。 nts 图 6：摆动滚子从动件盘形凸轮 图 7 表示摆动平面从动件的凸轮机 构，由方程（ 11）得到即时速度中心点的位置，由方程（ 12）得到接触点位置。 nts 图 7：摆动平面从动件盘形凸轮 最后，可以由方程（ 13）通过变换接触点和凸轮旋转的反向角来确定凸轮形状的外形。这边ySSx和是凸轮的轮廓坐标。 3.3 接触点内部正常的角度 图 4-7 显示了，在四种不同情况下的凸轮机构在每一个接触点的法线。一个内部的正常角（ ）在本文中 被定义为接触点连接到凸轮中心和即时速度中心的线之间的角度，如图 8 所示。因为用于加工刀具和双圆弧中心的用于曲线拟合的中心位于通过接触点的法线方向线，内部的正常角度必须被转移为加工数据，以保证凸轮的精确形状。 nts用方程（ 14）可以更容易的定义如图 8 所示的接触点的位置角（c）。此外，滚子从动件和凸轮机构接触点的法线角（f）在图 8（ a）和同样在图 8（ c）中 ，由方程（ 15）得。法线的角度分别由式子（ 16）定义为往复运动平面从动件（图 8b）和方程（ 17）定义为振荡平底从动件（图 8d） 最后，内部正常的角度在凸轮接触点上可以表示成方程（ 18）为盘形凸轮机构如图 8. （ a） 往复式滚子从动件 nts （ b）往复式平面从动件 （ c）摆动滚子从动件 nts （ d）摆动平面从动件 图 8.盘形凸轮机构内部的正常角度 4.双圆弧插补 4.1 双圆弧曲线的特性 双圆弧插补是内部由 2 点，其中的双圆弧必须有一个在每个点处的切向分量的跨度连接来连接这两个圆弧。因此，所有的点上的双圆弧插补 曲线具有独特的斜率和朝向：双圆弧中心（这就是在本文中所谓的径向方向的角度，也有独特的方向角）。如图 9所示的径向方向的角度（ 21 和 ）可以定义为一
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