高速凸輪機構(gòu)動力學(xué)試驗平臺研制說明書[帶圖紙].doc

第1章緒論凸輪從動件系統(tǒng)在各個領(lǐng)域如紡織機械、包裝機與食品機械、自動化工業(yè)、印刷行業(yè)、內(nèi)燃機、農(nóng)業(yè)機具都廣泛被應(yīng)用。在一般情況下它被認為是剛性系統(tǒng)。但隨著機械效率的提高，凸輪轉(zhuǎn)速隨之上升，因而產(chǎn)生了較大的彈性變形。從動件運動規(guī)律大大偏離了理論值。因此對凸輪從動件系統(tǒng)先進行測試是很重要的。1.1選題的背景與意義凸輪運動機構(gòu)是一種非常典型的機構(gòu),它可以將回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動運動輸出為所需要的特定運動形式。因為它能以簡單緊湊的結(jié)構(gòu)，卻能實現(xiàn)任意復(fù)雜的預(yù)期運動。而且具有良好的精度和運動剛性,長期都被廣泛的應(yīng)用于各種機械當(dāng)中。還因為凸輪機構(gòu)相對于其他運動機構(gòu)(比如連桿)相比，具有比較高可靠性、壽命長、容易于設(shè)計和能精確的預(yù)測所產(chǎn)生的運動等優(yōu)點,尤其是在要求機構(gòu)產(chǎn)生給定的運動規(guī)律、速度規(guī)律和加速度規(guī)律時,這個優(yōu)點更加明顯和突出1。因為以上優(yōu)點,所以在紡織機械、農(nóng)業(yè)機具、自動機床、礦山機械、自動化專用機床、包裝機與食品機械、數(shù)控機床、印刷工業(yè)、內(nèi)燃機、建筑機械等等機械產(chǎn)品中,凸輪都被廣泛的應(yīng)用。而在其應(yīng)用中,凸輪機構(gòu)轉(zhuǎn)動速度隨著機械工業(yè)的不斷發(fā)展,和對機械系統(tǒng)技術(shù)要求的不斷提高,而表現(xiàn)出越來越高的趨勢,從而導(dǎo)致系統(tǒng)當(dāng)中運動構(gòu)件的慣性力也大幅增大,構(gòu)件的彈性形變也隨之而變大。尤其是當(dāng)機構(gòu)轉(zhuǎn)速到達在共振頻率附近時,那么凸輪機構(gòu)輸出端的運動規(guī)律將可能遠遠偏離預(yù)期的設(shè)計。針對高速凸輪系統(tǒng)在工程應(yīng)用中出現(xiàn)的實際問題,大家正在從各種不同的角度去研究。不過因為對工程問題實驗研究的消耗較高,花費時間也多,從而導(dǎo)致通過實驗去研究相關(guān)問題的案例相對較少。本文望能通過理論上對高速凸輪試驗臺研究,在相關(guān)方面做出一點點有益的工作。1.2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2.1國內(nèi)對這方面的研究現(xiàn)在國內(nèi)對高速凸輪研究有以下幾個方向:1.首先在彈性理論學(xué)基礎(chǔ)上,建立高速凸輪機構(gòu)的動力學(xué)模型及得到其運動微分方程,然后把高速凸輪機構(gòu)動力學(xué)模型的運動方程式進行分析,之后得到了凸輪機構(gòu)輸出端的動態(tài)響應(yīng),就可以找到確定的凸輪機構(gòu)輸出端運動規(guī)律。還可以在建立一個能準確描述凸輪動力特性的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,通過仿真分析,得到高速凸輪機構(gòu)在不同的輪廓或結(jié)構(gòu)參數(shù)下的動力學(xué)特性的曲線。2.還有從凸輪的廓線設(shè)計出發(fā),提出在高速條件下適合采用的推桿運動規(guī)律,并且要結(jié)合現(xiàn)代加工的技術(shù),設(shè)計制造出一系列新型凸輪機構(gòu),來滿足高速工況。這方面的研究方向主要體現(xiàn)為:運動分析和靜力分析、考慮幾何尺寸、潤滑、誤差影響、考慮動力學(xué)、彈性變形等。3.當(dāng)然由于數(shù)值計算方法的發(fā)展，再加上計算機技術(shù)、各種機械軟件的普遍應(yīng)用,使人們逐漸擺脫了繁重的重復(fù)的計算工作,而且可以在計算機的幫助下實現(xiàn)凸輪研究可視化。像凸輪機構(gòu)CAD/CAM的設(shè)計、凸輪機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、UG環(huán)境下的基于虛擬樣機技術(shù)條件下的凸輪動力學(xué)仿真分析的研究和數(shù)字化凸輪設(shè)計及其實現(xiàn)等。這一系列研究都是國內(nèi)的熱門。1.2.2國外對這方面的研究現(xiàn)在國外對凸輪機構(gòu)的研究有以下方向:目前在歐美等國家,已經(jīng)有很多學(xué)者都為凸輪機構(gòu)的研究作出很大的貢獻,這些研究成果還體現(xiàn)了歐美在凸輪研究方面的動向。就像一些專家在摩擦及實驗方面的一些研究、在高速凸輪的力學(xué)問題的研究，某位專家論文中對高速凸輪機構(gòu)采用多項式運動規(guī)律的運動特性有非常詳細完整的的論述與分析、還有些專家們在凸輪穩(wěn)定性的研究方面都先后發(fā)表了許許多多有關(guān)系的凸輪機構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化等方面的論文、還有一些專家在計算機輔助設(shè)計的方面也有卓有成效的研究、當(dāng)然在計算機輔助設(shè)計制造的方面與高速凸輪設(shè)計與優(yōu)化方面都有一定量的研究。近期,德國、英國等國家在高速凸輪機構(gòu)也有了最新的研究,他們對凸輪機構(gòu)的研究分析采用了各種像諧分析、諧綜合等分析設(shè)計方法的研究,從而使得高速凸輪機構(gòu)動力學(xué)性能得到了很大幅度的改善。另外日本在第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束之后也致力于研究發(fā)展相當(dāng)實用的自動化設(shè)備,特別是及其重視對凸輪機構(gòu)及其動力學(xué)性能的研究。他們近期在凸輪機構(gòu)的技術(shù)發(fā)展上免所做的杰出工作主要在以下方面,:在機構(gòu)設(shè)計方面，他們不斷加強凸輪機構(gòu)動力學(xué)方面和振動方面的研究，致力于尋求凸輪機構(gòu)的精確解，研制新的凸輪加工設(shè)備和使凸輪輪廓曲線多樣化、也致力于把凸輪機構(gòu)制造的不斷小型化和大型化(目前日本已生產(chǎn)出世界上最大和最小的蝸桿凸輪機構(gòu),最大的中心矩為800mm,最下的為28mm)、發(fā)展凸輪機構(gòu)的CAD/CAM，并且加強凸輪機構(gòu)的標準化2。1.2.3凸輪機構(gòu)的研究發(fā)展的趨勢(l)在從動件運動規(guī)律研究方面：不僅要繼續(xù)尋找更好的運動規(guī)律,還要研究有效可行的分析方法。(2)而在運動學(xué)和幾何學(xué)的方面的研究,那就要綜合全面的考慮各種凸輪機構(gòu),使其盡可能導(dǎo)出那些普遍而且適用的計算公式。而現(xiàn)有的研究大多數(shù)的集中于圓柱和平面凸輪,而且普遍是一種凸輪也就一種研究的方法,而且設(shè)計的公式過于繁多,近似的較多,并影響到了其他方面(CAD、UG的應(yīng)用等)的研究。(3)另外是發(fā)展通用并且有效的CAD系統(tǒng)。但是由于種種原因，計算機設(shè)計在凸輪機構(gòu)設(shè)計應(yīng)用一直都被局限于就幾種簡單的平面和圓柱凸輪機構(gòu),況且每一程序通常只能處理一、二種機構(gòu),對于比較完整全面的CAD系統(tǒng)進行的研究,在最近的幾年的研究里一直不夠完善。(4)引入人工智能CAD系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)。因為凸輪機構(gòu)并不是標準機構(gòu),種類繁多,并且應(yīng)用相當(dāng)?shù)膹V泛,加上許多已有的知識不能把它們公式化,所以被廣為應(yīng)用的CAD系統(tǒng),其實際作用效果并不十分的理想。但是如果引入了專家系統(tǒng),那么可以獲得相當(dāng)理想的結(jié)果。(5)動力學(xué)研究的進一步深化及研究成果的實用化。由于動力學(xué)問題題本身十分的復(fù)雜,導(dǎo)致凸輪機構(gòu)的研究主要集中在低、中速凸輪機構(gòu),而對高速凸輪機構(gòu)的動力學(xué)方面的研究還并不夠深入、完善。因此,人們對于哪些研究成果的可靠性存在懷疑的態(tài)度,這些成果并未得到廣泛的應(yīng)用。(6）在凸輪的運動學(xué)和動力學(xué)方面運動計算機模擬,從而不斷的提高設(shè)計質(zhì)量，并且縮短了產(chǎn)品研制的周期。(7)研究CAD/CAM系統(tǒng)的的一體化，使凸輪設(shè)計更加的高效。(8)最后是凸輪機構(gòu)作為引導(dǎo)機構(gòu)的的方面的研究與應(yīng)用。1.3課題研究的主要內(nèi)容本課題重點完成實驗臺傳動電機及調(diào)速方法選擇、相應(yīng)傳感器的按裝設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，其主要內(nèi)容有：(1)了解高速凸輪機構(gòu)動力學(xué)試驗平臺研制、研究目的。理解各種典型凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)及其特點，確定完整實驗系統(tǒng)總體方案。(2)相關(guān)測試用傳感器、型號選定及安裝機架設(shè)計。(3)高速凸輪機構(gòu)動力學(xué)試驗臺各部分的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用AutoCAD軟件繪制機械裝配圖一份及主要零件加工圖若干份，并利用Pro/Engineer軟件建立三維模型。(4)高速凸輪機構(gòu)動力學(xué)建模分析。第2章高速凸輪的理論基礎(chǔ)2.1凸輪-從動件系統(tǒng)動態(tài)運動分析圖2.1凸輪運動狀態(tài)分析如圖2.1，在所示的直角坐標系中，用縱坐標表示凸輪從動件的升程，然后以橫坐標表示凸輪軸的轉(zhuǎn)角，而虛線則表示當(dāng)量凸輪的升程的曲線3。當(dāng)凸輪機構(gòu)在相對比較低的速度運轉(zhuǎn)時，并且運動構(gòu)件的質(zhì)量較小、剛度較大時，那么此時就可以忽略構(gòu)件產(chǎn)生彈性變形對凸輪-從動件系統(tǒng)運動性能的影響，也就是說可以將整個凸輪-從動件系統(tǒng)完全近似地簡化為一個剛性的系統(tǒng)。當(dāng)在這種情況下，凸輪系統(tǒng)工作端的運動規(guī)律就取決于凸輪實際廓線和系統(tǒng)的機械傳動比了。那么此時若機械傳動比為常數(shù)，則工作端運動規(guī)律和凸輪端的成一定的比例。那么將凸輪機構(gòu)視為剛性系統(tǒng)處理的時候，就不涉及彈性變形，凸輪系統(tǒng)就是一