第1章 绪论凸轮从动件系统在各个领域如纺织机械、包装机与食品机械、自动化工业、印刷行业、内燃机、农业机具都广泛被应用。在一般情况下它被认为是刚性系统。但随着机械效率的提高，凸轮转速随之上升，因而产生了较大的弹性变形。从动件运动规律大大偏离了理论值。因此对凸轮从动件系统先进行测试是很重要的。全套图纸，加153893706 1.1 选题的背景与意义 凸轮运动机构是一种非常典型的机构,它可以将回转轴的转动运动输出为所需要的特定运动形式。因为它能以简单紧凑的结构，却能实现任意复杂的预期运动。而且具有良好的精度和运动刚性,长期都被广泛的应用于各种机械当中。还因为凸轮机构相对于其他运动机构(比如连杆)相比，具有比较高可靠性、寿命长、容易于设计和能精确的预测所产生的运动等优点,尤其是在要求机构产生给定的运动规律、速度规律和加速度规律时,这个优点更加明显和突出1。因为以上优点,所以在纺织机械、农业机具、自动机床、矿山机械、自动化专用机床、包装机与食品机械、数控机床、印刷工业、内燃机、建筑机械等等机械产品中,凸轮都被广泛的应用。而在其应用中,凸轮机构转动速度随着机械工业的不断发展,和对机械系统技术要求的不断提高,而表现出越来越高的趋势,从而导致系统当中运动构件的惯性力也大幅增大,构件的弹性形变也随之而变大。尤其是当机构转速到达在共振频率附近时,那么凸轮机构输出端的运动规律将可能远远偏离预期的设计。针对高速凸轮系统在工程应用中出现的实际问题,大家正在从各种不同的角度去研究。不过因为对工程问题实验研究的消耗较高,花费时间也多,从而导致通过实验去研究相关问题的案例相对较少。本文望能通过理论上对高速凸轮试验台研究,在相关方面做出一点点有益的工作。 1.2. 国内外研究现状和发展趋势 1.2.1国内对这方面的研究 现在国内对高速凸轮研究有以下几个方向:1.首先在弹性理论学基础上,建立高速凸轮机构的动力学模型及得到其运动微分方程,然后把高速凸轮机构动力学模型的运动方程式进行分析,之后得到了凸轮机构输出端的动态响应,就可以找到确定的凸轮机构输出端运动规律。还可以在建立一个能准确描述凸轮动力特性的数学模型的基础上,通过仿真分析,得到高速凸轮机构在不同的轮廓或结构参数下的动力学特性的曲线。2.还有从凸轮的廓线设计出发,提出在高速条件下适合采用的推杆运动规律,并且要结合现代加工的技术,设计制造出一系列新型凸轮机构,来满足高速工况。这方面的研究方向主要体现为:运动分析和静力分析、考虑几何尺寸、润滑、误差影响、考虑动力学、弹性变形等。3.当然由于数值计算方法的发展，再加上计算机技术、各种机械软件的普遍应用,使人们逐渐摆脱了繁重的重复的计算工作,而且可以在计算机的帮助下实现凸轮研究可视化。像凸轮机构CAD/CAM的设计、凸轮机构优化设计、UG环境下的基于虚拟样机技术条件下的凸轮动力学仿真分析的研究和数字化凸轮设计及其实现等。这一系列研究都是国内的热门。 1.2.2国外对这方面的研究 现在国外对凸轮机构的研究有以下方向:目前在欧美等国家,已经有很多学者都为凸轮机构的研究作出很大的贡献,这些研究成果还体现了欧美在凸轮研究方面的动向。就像一些专家在摩擦及实验方面的一些研究、在高速凸轮的力学问题的研究，某位专家论文中对高速凸轮机构采用多项式运动规律的运动特性有非常详细完整的的论述与分析、还有些专家们在凸轮稳定性的研究方面都先后发表了许许多多有关系的凸轮机构设计与优化等方面的论文、还有一些专家在计算机辅助设计的方面也有卓有成效的研究、当然在计算机辅助设计制造的方面与高速凸轮设计与优化方面都有一定量的研究。近期,德国、英国等国家在高速凸轮机构也有了最新的研究,他们对凸轮机构的研究分析采用了各种像谐分析、谐综合等分析设计方法的研究,从而使得高速凸轮机构动力学性能得到了很大幅度的改善。另外日本在第二次世界大战结束之后也致力于研究发展相当实用的自动化设备,特别是及其重视对凸轮机构及其动力学性能的研究。他们近期在凸轮机构的技术发展上免所做的杰出工作主要在以下方面,:在机构设计方面，他们不断加强凸轮机构动力学方面和振动方面的研究，致力于寻求凸轮机构的精确解，研制新的凸轮加工设备和使凸轮轮廓曲线多样化、也致力于把凸轮机构制造的不断小型化和大型化(目前日本已生产出世界上最大和最小的蜗杆凸轮机构,最大的中心矩为800mm,最下的为28mm)、发展凸轮机构的CAD/CAM，并且加强凸轮机构的标准化2。 1.2.3凸轮机构的研究发展的趋势 (l)在从动件运动规律研究方面：不仅要继续寻找更好的运动规律,还要研究有效可行的分析方法。 (2)而在运动学和几何学的方面的研究,那就要综合全面的考虑各种凸轮机构,使其尽可能导出那些普遍而且适用的计算公式。而现有的研究大多数的集中于圆柱和平面凸轮,而且普遍是一种凸轮也就一种研究的方法,而且设计的公式过于繁多,近似的较多,并影响到了其他方面(CAD、UG的应用等)的研究。 (3)另外是发展通用并且有效的CAD系统。但是由于种种原因，计算机设计在凸轮机构设计应用一直都被局限于就几种简单的平面和圆柱凸轮机构 ,况且每一程序通常只能处理一、二种机构 ,对于比较完整全面的CAD系统进行的研究,在最近的几年的研究里一直不够完善。 (4)引入人工智能CAD系统或专家系统。因为凸轮机构并不是标准机构,种类繁多,并且应用相当的广泛,加上许多已有的知识不能把它们公式化,所以被广为应用的CAD系统,其实际作用效果并不十分的理想。但是如果引入了专家系统,那么可以获得相当理想的结果。 (5) 动力学研究的进一步深化及研究成果的实用化。由于动力学问题题本身十分的复杂,导致凸轮机构的研究主要集中在低、中速凸轮机构,而对高速凸轮机构的动力学方面的研究还并不够深入、完善。因此,人们对于哪些研究成果的可靠性存在怀疑的态度,这些成果并未得到广泛的应用。 (6）在凸轮的运动学和动力学方面运动计算机模拟,从而不断的提高设计质量，并且缩短了产品研制的周期。 (7)研究CAD / C A M系统的的一体化，使凸轮设计更加的高效。 (8)最后是凸轮机构作为引导机构的的方面的研究与应用。 1.3 课题研究的主要内容本课题重点完成实验台传动电机及调速方法选择、相应传感器的按装设计、机械结构设计，其主要内容有： (1)了解高速凸轮机构动力学试验平台研制、研究目的。理解各种典型凸轮机构结构及其特点，确定完整实验系统总体方案。 (2)相关测试用传感器、型号选定及安装机架设计。 (3)高速凸轮机构动力学试验台各部分的具体结构设计，利用Auto CAD软件绘制机械装配图一份及主要零件加工图若干份，并利用Pro/Engineer软件建立三维模型。 (4)高速凸轮机构动力学建模分析。第2章 高速凸轮的理论基础 2.1 凸轮-从动件系统动态运动分析 图2.1 凸轮运动状态分析 如图2.1，在所示的直角坐标系中，用纵坐标表示凸轮从动件的升程，然后以横坐标表示凸轮轴的转角，而虚线则表示当量凸轮的升程的曲线3。当凸轮机构在相对比较低的速度运转时，并且运动构件的质量较小、刚度较大时，那么此时就可以忽略构件产生弹性变形对凸轮-从动件系统运动性能的影响，也就是说可以将整个凸轮-从动件系统完全近似地简化为一个刚性的系统。当在这种情况下，凸轮系统工作端的运动规律就取决于凸轮实际廓线和系统的机械传动比了。那么此时若机械传动比为常数，则工作端运动规律和凸轮端的成一定的比例。那么将凸轮机构视为刚性系统处理的时候，就不涉及弹性变形，凸轮系统就是一个单纯的刚体运动学问题了。在这种情况下再假设凸轮系统无系统内部间隙，则工作端(推杆)的升程规律曲线即就是曲线1。而当考虑凸轮系统之间的间隙是。当凸轮机构开始低速运转的时候，在段表示系统间隙x0被压缩而变小。而往后是由于凸轮系统刚度的影响，从而产生工作端的运动相对于凸轮输入运动有一个延后，此时的位移偏差等于系统的弹性变形即rs。当凸轮机构以较高的速度运转的时候，随着凸轮转速不断的升高，工作端动态的升程曲线规律就可能出现如图2.1中曲线3所示的情况。由加速度所引起的惯性力，随着凸轮转速不断的的提高而逐渐的急剧加大，那么就使系统受到了附加动载荷的作用影响；再由于凸轮机构自身刚度的影响，弹性变形相应变大，可能使输出运动出现较大的偏差。这种因为动力特性引起的运动偏差就称为动态运动偏差。尤其是当激振频率和系统固有频率接近时，那么动态偏差急剧加大，工作端的实际的运动规律就会远远偏离凸轮廓线设计的运动规律，凸轮就无法按照预期来完成相应的运动。这种情况下，要确定工作端真实的运动规律或是希望得到想要的输出运动，那么就必须将凸轮从动件系统作为一个弹性系统处理，并考虑一些因素对动力特性的影响。如图2.1中所示曲线3的AB段，由于动载荷所引起的弹性变形量和系统质量引起的相互叠加;而在BC段，动载荷引起的弹性变形量和系统质量引起的弹性变形就会相抵消。值得注意的是，在BC段，要是动载荷引起的弹性变形量超过了系统质量所引起的弹性变形量，那么在BC曲线3高于曲线1，也就是说此时凸轮与推杆之间脱离接触，发生腾现象。此现象对于凸轮机构的传动有相当大的影响。同理，在回程，由于动载荷所引起的弹性变形量大于系统质量所引起的弹性变形的影响，也可能发生腾跳现象，偏离设计好的事项凸轮运动特性，是其无法获得预计效果。由以上分析可知，高速凸轮机构在工作端的动态位移变化规律是相当复杂，有时可能远远偏离按静态设计所确定的位移规律。这种动态位移误差不仅将使凸轮-从动件系统的工作稳定性和可靠性变差，而且严重时机器不能正常运转。因此，就高速凸轮而言，必须进行系统的动态分析和动态设计。 2.2 影响凸轮系统运动的因素（1）瞬时高副的时效 在力锁合型的凸轮机构中，通常采用弹簧或者重力等来实现凸轮机构的锁合。但是由于系统惯性力的作用，可能会产生“腾跳现象”。影响凸轮的实际运动情况，更何况当凸轮从动件重新与凸轮轮廓接触的时候，就会产生冲击振动进一步影响凸轮实际运动。（2）凸轮轮廓的加工质量对凸轮系统动态特性的影响 凸轮轮廓几何尺寸误差 首先由于加工过程中产生了几何尺寸的误差，是的凸轮-有用的激振元失去了其原本设计的所期望的运动以及动力特性。很明显凸轮轮廓曲线必须具有较高的加工精度，通常情况下，我们要求其尺寸误差不要大于0.02mm。 凸轮轮廓的表面质量 凸轮轮廓的所用的切削方法、机床的刚性都是对轮廓的表面质量的关键因素。大的表面粗糙度是生产凸轮一从动件系统的高频小幅振动及噪声的主要原因之一。因此，制造高速凸轮轮廓时，机床和刀具质量、对机床和刀具质量都需要有严格要求。通常情况下要求轮廓表面粗糙度不得超过0.4m。（1）其他因素的影响 工作载荷的变化由于执行元件工艺动作的影响，有时的工作载荷大有时的工作载荷小，就是因为这样的载荷变化，也产生了附加的振动与运动偏差。 凸轮轴组件的不平衡 每个凸轮都是不平衡的回转零件。因此，凸轮安装前需要进行平衡校准。只有经过较好的校准才能使凸轮运动更平稳，更理想。 系统外的干扰 与凸轮-从动件相连的传动或驱动元件的振动也会是凸轮从动件的运动产生偏差。 2.3 高速凸轮的判断通常情况下有两种最普遍的判断高速凸轮的评定准则（1） 根据推杆系统