第1章緒論凸輪從動(dòng)件系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域如紡織機(jī)械、包裝機(jī)與食品機(jī)械、自動(dòng)化工業(yè)、印刷行業(yè)、內(nèi)燃機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)具都廣泛被應(yīng)用。在一般情況下它被認(rèn)為是剛性系統(tǒng)。但隨著機(jī)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(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律大大偏離了理論值。因此對(duì)凸輪從動(dòng)件系統(tǒng)先進(jìn)行測(cè)試是很重要的。1.1選題的背景與意義凸輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種非常典型的機(jī)構(gòu),它可以將回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)輸出為所需要的特定運(yùn)動(dòng)形式。因?yàn)樗芤院?jiǎn)單緊湊的結(jié)構(gòu)，卻能實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的預(yù)期運(yùn)動(dòng)。而且具有良好的精度和運(yùn)動(dòng)剛性,長(zhǎng)期都被廣泛的應(yīng)用于各種機(jī)械當(dāng)中。還因?yàn)橥馆啓C(jī)構(gòu)相對(duì)于其他運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(比如連桿)相比，具有比較高可靠性、壽命長(zhǎng)、容易于設(shè)計(jì)和能精確的預(yù)測(cè)所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),尤其是在要求機(jī)構(gòu)產(chǎn)生給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、速度規(guī)律和加速度規(guī)律時(shí),這個(gè)優(yōu)點(diǎn)更加明顯和突出1。因?yàn)橐陨蟽?yōu)點(diǎn),所以在紡織機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)具、自動(dòng)機(jī)床、礦山機(jī)械、自動(dòng)化專用機(jī)床、包裝機(jī)與食品機(jī)械、數(shù)控機(jī)床、印刷工業(yè)、內(nèi)燃機(jī)、建筑機(jī)械等等機(jī)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(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)速度隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展,和對(duì)機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)要求的不斷提高,而表現(xiàn)出越來(lái)越高的趨勢(shì),從而導(dǎo)致系統(tǒng)當(dāng)中運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速到達(dá)在共振頻率附近時(shí),那么凸輪機(jī)構(gòu)輸出端的運(yùn)動(dòng)規(guī)律將可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離預(yù)期的設(shè)計(jì)。針對(duì)高速凸輪系統(tǒng)在工程應(yīng)用中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題,大家正在從各種不同的角度去研究。不過(guò)因?yàn)閷?duì)工程問(wèn)題實(shí)驗(yàn)研究的消耗較高,花費(fèi)時(shí)間也多,從而導(dǎo)致通過(guò)實(shí)驗(yàn)去研究相關(guān)問(wèn)題的案例相對(duì)較少。本文望能通過(guò)理論上對(duì)高速凸輪試驗(yàn)臺(tái)研究,在相關(guān)方面做出一點(diǎn)點(diǎn)有益的工作。1.2.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.2.1國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究現(xiàn)在國(guó)內(nèi)對(duì)高速凸輪研究有以下幾個(gè)方向:1.首先在彈性理論學(xué)基礎(chǔ)上,建立高速凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型及得到其運(yùn)動(dòng)微分方程,然后把高速凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)方程式進(jìn)行分析,之后得到了凸輪機(jī)構(gòu)輸出端的動(dòng)態(tài)響應(yīng),就可以找到確定的凸輪機(jī)構(gòu)輸出端運(yùn)動(dòng)規(guī)律。還可以在建立一個(gè)能準(zhǔn)確描述凸輪動(dòng)力特性的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)仿真分析,得到高速凸輪機(jī)構(gòu)在不同的輪廓或結(jié)構(gòu)參數(shù)下的動(dòng)力學(xué)特性的曲線。2.還有從凸輪的廓線設(shè)計(jì)出發(fā),提出在高速條件下適合采用的推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并且要結(jié)合現(xiàn)代加工的技術(shù),設(shè)計(jì)制造出一系列新型凸輪機(jī)構(gòu),來(lái)滿足高速工況。這方面的研究方向主要體現(xiàn)為:運(yùn)動(dòng)分析和靜力分析、考慮幾何尺寸、潤(rùn)滑、誤差影響、考慮動(dòng)力學(xué)、彈性變形等。3.當(dāng)然由于數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，再加上計(jì)算機(jī)技術(shù)、各種機(jī)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(jì)算工作,而且可以在計(jì)算機(jī)的幫助下實(shí)現(xiàn)凸輪研究可視化。像凸輪機(jī)構(gòu)CAD/CAM的設(shè)計(jì)、凸輪機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、UG環(huán)境下的基于虛擬樣機(jī)技術(shù)條件下的凸輪動(dòng)力學(xué)仿真分析的研究和數(shù)字化凸輪設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)等。這一系列研究都是國(guó)內(nèi)的熱門(mén)。1.2.2國(guó)外對(duì)這方面的研究現(xiàn)在國(guó)外對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的研究有以下方向:目前在歐美等國(guó)家,已經(jīng)有很多學(xué)者都為凸輪機(jī)構(gòu)的研究作出很大的貢獻(xiàn),這些研究成果還體現(xiàn)了歐美在凸輪研究方面的動(dòng)向。就像一些專家在摩擦及實(shí)驗(yàn)方面的一些研究、在高速凸輪的力學(xué)問(wèn)題的研究，某位專家論文中對(duì)高速凸輪機(jī)構(gòu)采用多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)特性有非常詳細(xì)完整的的論述與分析、還有些專家們?cè)谕馆喎€(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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化等方面的論文、還有一些專家在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方面也有卓有成效的研究、當(dāng)然在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造的方面與高速凸輪設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面都有一定量的研究。近期,德國(guó)、英國(guó)等國(guó)家在高速凸輪機(jī)構(gòu)也有了最新的研究,他們對(duì)凸輪機(jī)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(jì)方法的研究,從而使得高速凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)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(shí)用的自動(dòng)化設(shè)備,特別是及其重視對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)性能的研究。他們近期在凸輪機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，他們不斷加強(qiáng)凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面和振動(dòng)方面的研究，致力于尋求凸輪機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu),最大的中心矩為800mm,最下的為28mm)、發(fā)展凸輪機(jī)構(gòu)的CAD/CAM，并且加強(qiáng)凸輪機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化2。1.2.3凸輪機(jī)構(gòu)的研究發(fā)展的趨勢(shì)(l)在從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究方面：不僅要繼續(xù)尋找更好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,還要研究有效可行的分析方法。(2)而在運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu),使其盡可能導(dǎo)出那些普遍而且適用的計(jì)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(jì)的公式過(guò)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(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)在凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用一直都被局限于就幾種簡(jiǎn)單的平面和圓柱凸輪機(jī)構(gòu),況且每一程序通常只能處理一、二種機(jī)構(gòu),對(duì)于比較完整全面的CAD系統(tǒng)進(jìn)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?yàn)橥馆啓C(jī)構(gòu)并不是標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(shí)不能把它們公式化,所以被廣為應(yīng)用的CAD系統(tǒng),其實(shí)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(dòng)力學(xué)研究的進(jìn)一步深化及研究成果的實(shí)用化。由于動(dòng)力學(xué)問(wèn)題題本身十分的復(fù)雜,導(dǎo)致凸輪機(jī)構(gòu)的研究主要集中在低、中速凸輪機(jī)構(gòu),而對(duì)高速凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方面的研究還并不夠深入、完善。因此,人們對(duì)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(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面運(yùn)動(dòng)計(jì)算機(jī)模擬,從而不斷的提高設(shè)計(jì)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(jì)更加的高效。(8)最后是凸輪機(jī)構(gòu)作為引導(dǎo)機(jī)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(diǎn)完成實(shí)驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)電機(jī)及調(diào)速方法選擇、相應(yīng)傳感器的按裝設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容有：(1)了解高速凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)研制、研究目的。理解各種典型凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，確定完整實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體方案。(2)相關(guān)測(cè)試用傳感器、型號(hào)選定及安裝機(jī)架設(shè)計(jì)。(3)高速凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)各部分的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用AutoCAD軟件繪制機(jī)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(jī)構(gòu)動(dòng)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(dòng)件系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析圖2.1凸輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析如圖2.1，在所示的直角坐標(biāo)系中，用縱坐標(biāo)表示凸輪從動(dòng)件的升程，然后以橫坐標(biāo)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(jī)構(gòu)在相對(duì)比較低的速度運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，并且運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的質(zhì)量較小、剛度較大時(shí)，那么此時(shí)就可以忽略構(gòu)件產(chǎn)生彈性變形對(duì)凸輪-從動(dòng)件系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能的影響，也就是說(shuō)可以將整個(gè)凸輪-從動(dòng)件系統(tǒng)完全近似地簡(jiǎn)化為一個(gè)剛性的系統(tǒng)。當(dāng)在這種情況下，凸輪系統(tǒng)工作端的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就取決于凸輪實(shí)際廓線和系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)比了。那么此時(shí)若機(jī)械傳動(dòng)比為常數(shù)，則工作端運(yùn)動(dòng)規(guī)律和凸輪端的成一定的比例。那么將凸輪機(jī)構(gòu)視為剛性系統(tǒng)處理的時(shí)候，就不涉及彈性變形，凸輪系統(tǒng)就是一