高速凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)研制說明書[帶圖紙]

1、<p><b>　　緒論</b></p><p>　　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。</p><p>　　1.1

2、 選題的背景與意義</p><p>　　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

3、規(guī)律時(shí),這個(gè)優(yōu)點(diǎn)更加明顯和突出[1]。</p><p>　　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。</p><p>　　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

4、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)。</p><p>　　針對(duì)高速凸輪系統(tǒng)在工程應(yīng)用中出現(xiàn)的實(shí)際問題,大家正在從各種不同的角度去研究。不過因?yàn)閷?duì)工程問題實(shí)驗(yàn)研究的消耗較高,花費(fèi)時(shí)間也多,從而導(dǎo)致通過實(shí)驗(yàn)去研究相關(guān)問題的案例相對(duì)較少。本文望能通過理論上對(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。</p>

5、;<p>　　1.2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　1.2.1國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究 </p><p>　　現(xiàn)在國(guó)內(nèi)對(duì)高速凸輪研究有以下幾個(gè)方向:</p><p>　　1.首先在彈性理論學(xué)基礎(chǔ)上,建立高

6、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。</p><p>　　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

7、術(shù),設(shè)計(jì)制造出一系列新型凸輪機(jī)構(gòu),來滿足高速工況。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。</p><p>　　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

8、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。</p><p>　　1.2.2國(guó)外對(duì)這方面的研究</p><p>　　現(xiàn)在國(guó)外對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的研究有以下方向:</p><p>　　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

9、凸輪的力學(xué)問題的研究，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)

10、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</p><p&g

11、t;　　1.2.3凸輪機(jī)構(gòu)的研究發(fā)展的趨勢(shì)</p><p>　　(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。</p><p>　　(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)的公式過于繁多

12、,近似的較多,并影響到了其他方面(CAD、UG的應(yīng)用等)的研究。</p><p>　　(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。</p><p>　　(4)引入人工智能CAD系統(tǒng)或?qū)＜?/p>

13、系統(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。</p><p>　　(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

14、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。</p><p>　　(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。</p><p>　　(7)研究CAD / C A M系統(tǒng)的的一體化，使凸輪設(shè)計(jì)更加的高效。</p><p>　　(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。&l

15、t;/p><p>　　1.3 課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　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：</p><p>　　(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。</p><p>　　(2)相關(guān)測(cè)試用傳感器、型號(hào)

16、選定及安裝機(jī)架設(shè)計(jì)。</p><p>　　(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Auto CAD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。</p><p>　　(4)高速凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模分析。</p><p><b>　　高速凸輪的理論基礎(chǔ)</b></p>&

17、lt;p>　　2.1 凸輪-從動(dòng)件系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析</p><p>　　圖2.1 凸輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析</p><p>　　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]。</p><p>　　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)

18、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。</p><p>　　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)就是一個(gè)單純的剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)問題了。在這種情況下再假設(shè)凸輪

19、系統(tǒng)無系統(tǒng)內(nèi)部間隙，則工作端(推桿)的升程規(guī)律曲線即就是曲線1。</p><p>　　而當(dāng)考慮凸輪系統(tǒng)之間的間隙是。當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)開始低速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，在段表示系統(tǒng)間隙x0被壓縮而變小。而往后是由于凸輪系統(tǒng)剛度的影響，從而產(chǎn)生工作端的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于凸輪輸入運(yùn)動(dòng)有一個(gè)延后，此時(shí)的位移偏差等于系統(tǒng)的彈性變形即rs。</p><p>　　當(dāng)凸輪機(jī)構(gòu)以較高的速度運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，隨著凸輪轉(zhuǎn)速不斷的升高，工作端動(dòng)態(tài)

20、的升程曲線規(guī)律就可能出現(xiàn)如圖2.1中曲線3所示的情況。由加速度所引起的慣性力，隨著凸輪轉(zhuǎn)速不斷的的提高而逐漸的急劇加大，那么就使系統(tǒng)受到了附加動(dòng)載荷的作用影響；再由于凸輪機(jī)構(gòu)自身剛度的影響，彈性變形相應(yīng)變大，可能使輸出運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)較大的偏差。這種因?yàn)閯?dòng)力特性引起的運(yùn)動(dòng)偏差就稱為動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)偏差。尤其是當(dāng)激振頻率和系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)，那么動(dòng)態(tài)偏差急劇加大，工作端的實(shí)際的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離凸輪廓線設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，凸輪就無法按照預(yù)期來完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)

21、。這種情況下，要確定工作端真實(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或是希望得到想要的輸出運(yùn)動(dòng)，那么就必須將凸輪從動(dòng)件系統(tǒng)作為一個(gè)彈性系統(tǒng)處理，并考慮一些因素對(duì)動(dòng)力特性的影響。</p><p>　　如圖2.1中所示曲線3的AB段，由于動(dòng)載荷所引起的彈性變形量和系統(tǒng)質(zhì)量引起的相互疊加;而在BC段，動(dòng)載荷引起的彈性變形量和系統(tǒng)質(zhì)量引起的彈性變形就會(huì)相抵消。值得注意的是，在BC段，要是動(dòng)載荷引起的彈性變形量超過了系統(tǒng)質(zhì)量所引起的彈性變形量，那么在

22、BC曲線3高于曲線1，也就是說此時(shí)凸輪與推桿之間脫離接觸，發(fā)生騰現(xiàn)象。此現(xiàn)象對(duì)于凸輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)有相當(dāng)大的影響。同理，在回程，由于動(dòng)載荷所引起的彈性變形量大于系統(tǒng)質(zhì)量所引起的彈性變形的影響，也可能發(fā)生騰跳現(xiàn)象，偏離設(shè)計(jì)好的事項(xiàng)凸輪運(yùn)動(dòng)特性，是其無法獲得預(yù)計(jì)效果。</p><p>　　由以上分析可知，高速凸輪機(jī)構(gòu)在工作端的動(dòng)態(tài)位移變化規(guī)律是相當(dāng)復(fù)雜，有時(shí)可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離按靜態(tài)設(shè)計(jì)所確定的位移規(guī)律。這種動(dòng)態(tài)位移誤差不僅將使

23、凸輪-從動(dòng)件系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性變差，而且嚴(yán)重時(shí)機(jī)器不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，就高速凸輪而言，必須進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。</p><p>　　2.2 影響凸輪系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的因素</p><p>　?。?）瞬時(shí)高副的時(shí)效 在力鎖合型的凸輪機(jī)構(gòu)中，通常采用彈簧或者重力等來實(shí)現(xiàn)凸輪機(jī)構(gòu)的鎖合。但是由于系統(tǒng)慣性力的作用，可能會(huì)產(chǎn)生“騰跳現(xiàn)象”。</p><p>　　影響

24、凸輪的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，更何況當(dāng)凸輪從動(dòng)件重新與凸輪輪廓接觸的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)進(jìn)一步影響凸輪實(shí)際運(yùn)動(dòng)。</p><p>　?。?）凸輪輪廓的加工質(zhì)量對(duì)凸輪系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響</p><p>　　凸輪輪廓幾何尺寸誤差 </p><p>　　首先由于加工過程中產(chǎn)生了幾何尺寸的誤差，是的凸輪-有用的激振元失去了其原本設(shè)計(jì)的所期望的運(yùn)動(dòng)以及動(dòng)力特性。很明顯凸輪輪廓曲線

25、必須具有較高的加工精度，通常情況下，我們要求其尺寸誤差不要大于0.02mm。</p><p>　　凸輪輪廓的表面質(zhì)量 </p><p>　　凸輪輪廓的所用的切削方法、機(jī)床的剛性都是對(duì)輪廓的表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。大的表面粗糙度是生產(chǎn)凸輪一從動(dòng)件系統(tǒng)的高頻小幅振動(dòng)及噪聲的主要原因之一。因此，制造高速凸輪輪廓時(shí)，機(jī)床和刀具質(zhì)量、

26、對(duì)機(jī)床和刀具質(zhì)量都需要有嚴(yán)格要求。通常情況下要求輪廓表面粗糙度不得超過0.4m。</p><p>　?。?）其他因素的影響</p><p><b>　　工作載荷的變化</b></p><p>　　由于執(zhí)行元件工藝動(dòng)作的影響，有時(shí)的工作載荷大有時(shí)的工作載荷小，就是因?yàn)檫@樣的載荷變化，也產(chǎn)生了附加的振動(dòng)與運(yùn)動(dòng)偏差。</p><p

27、><b>　　凸輪軸組件的不平衡</b></p><p>　　每個(gè)凸輪都是不平衡的回轉(zhuǎn)零件。因此，凸輪安裝前需要進(jìn)行平衡校準(zhǔn)。</p><p>　　只有經(jīng)過較好的校準(zhǔn)才能使凸輪運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)，更理想。</p><p><b>　　系統(tǒng)外的干擾</b></p><p>　　與凸輪-從動(dòng)件相連的傳動(dòng)或

28、驅(qū)動(dòng)元件的振動(dòng)也會(huì)是凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生偏差。</p><p>　　2.3 高速凸輪的判斷</p><p>　　通常情況下有兩種最普遍的判斷高速凸輪的評(píng)定準(zhǔn)則</p><p>　　根據(jù)推桿系統(tǒng)激振周期和自振周期之比來進(jìn)行判定。</p><p>　　凸輪機(jī)構(gòu)的振動(dòng)主要取決于推桿系統(tǒng)的激振周期T和自振周期的比。令/=10(為凸輪角速度，為推桿系

29、統(tǒng)的自振頻率)。當(dāng)d=3時(shí)為低速，d=2時(shí)為中速，d=1是為高速。此準(zhǔn)則反映了機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)速度偏離機(jī)構(gòu)固有頻率的程度，但其忽略了推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)的影響，是其不足之處。</p><p>　　根據(jù)實(shí)際最大加速度am和最大速度vm來評(píng)定。當(dāng)am1g（或vm1m/s）為低速;而1gam3g（或1m/svm2m/s）為低速;3gam8g（或2m/svm3m/s）為高速[4]。</p><p>　　

30、為了方便實(shí)用，我們用最大加速度來評(píng)定高速凸輪。</p><p><b>　　高速凸輪試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)</b></p><p>　　表3.1幾種常用的推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性</p><p>　　表3.2 偏心輪、等加速等減速、正弦加速凸輪在不同轉(zhuǎn)速下的特性&

31、lt;/p><p>　　首先為了體現(xiàn)不同輪廓對(duì)高速凸輪的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)中將選取3種不同輪廓的凸輪。分別是偏心圓凸輪，等加速等減速凸輪，還有正弦加速度凸輪（擺線凸輪）。又為了使實(shí)驗(yàn)不收其他因素影響。3種凸輪的推程都定位20mm，基圓也均為20mm。其中正弦加速度與等加速等減速均是推程和回程為120度，進(jìn)休遠(yuǎn)休為60度的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。那么他們的運(yùn)動(dòng)特性可從上表而知。</p><p>　　接下來考慮彈簧

32、的選?。?lt;/p><p>　　在凸輪機(jī)構(gòu)中彈簧是使凸輪與推桿保持始終杰出的重要條件，而且不同的彈簧對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響是不同的，為了具體了解彈簧對(duì)其的影響。本試驗(yàn)臺(tái)將選用兩種不同剛度的彈簧。</p><p>　　由公式知[5]：Kf=</p><p><b>　　D：彈簧中徑</b></p><p>　　G：彈簧材料的切

33、變模量</p><p><b>　　d：彈簧鋼絲的直徑</b></p><p><b>　　n：彈簧的有效圈數(shù)</b></p><p>　　大小剛度彈簧除了彈簧中徑分別為20mm，與22mm。其余參數(shù)均相同（d=2.5，n=9，G為78000N/mm2）</p><p>　　則大彈簧的Kf==9.5

34、2N/mm</p><p>　　小彈簧的Kf==7.12N/mm</p><p>　　然后驗(yàn)算所選彈簧剛度是否會(huì)發(fā)生顫振而使鎖緊彈簧失效（比如彈簧的鄰圈相碰，彈簧端圈與彈簧座的脫離）</p><p><b>　　只要滿足：</b></p><p><b>　　mf：彈簧質(zhì)量</b></p>

35、;<p><b>　　Kf：彈簧剛度</b></p><p><b>　　f：彈簧自顫頻率</b></p><p><b>　?。和馆喕剞D(zhuǎn)角速度</b></p><p>　　經(jīng)驗(yàn)算大小剛度剛度彈簧都不會(huì)發(fā)生顫振。</p><p>　　3.2 試驗(yàn)臺(tái)的簡(jiǎn)介</

36、p><p>　　圖3.1 高速凸輪動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖</p><p><b>　　飛 輪</b></p><p><b>　　凸 輪</b></p><p><b>　　擺桿</b></p><p><b>　　電阻應(yīng)變片</b>&l

37、t;/p><p><b>　　加速度度傳感器</b></p><p><b>　　位移傳感器</b></p><p><b>　　電 機(jī)</b></p><p><b>　　帶 輪</b></p><p>　　如圖通過皮帶輪的傳動(dòng)，

38、電機(jī)使凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)再通過擺桿使受彈簧壓下的推桿來回上下運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的傳感器可測(cè)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可通過使用不同輪廓的凸輪，更換大小剛度的擺桿與彈簧。并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與理論凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律相比較，從而得到這些影響因素對(duì)高速凸輪系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。從而為設(shè)計(jì)出更符合實(shí)際應(yīng)用的高速凸輪系統(tǒng)提供一定的幫助。</p><p><b>　　3.3 電機(jī)的選擇</b></p>&

39、lt;p>　　根據(jù)表2.2，我們想凸輪的最大轉(zhuǎn)速限制在600r/min，再加上選用的齒帶輪傳動(dòng)比為3：1，因此電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速要達(dá)到1800轉(zhuǎn)以上。因此我們選擇了最大轉(zhuǎn)速為3000r/min的電機(jī)。又因?yàn)橐M(jìn)行不同速度范圍的測(cè)試所以選擇的電機(jī)需可調(diào)速，直流伺服電機(jī)具有:精確的速度控制,轉(zhuǎn)矩速度特性很硬,原理簡(jiǎn)單、使用方便,價(jià)格優(yōu)勢(shì)的優(yōu)點(diǎn)。所以選擇了可調(diào)速的直流伺服電機(jī)。然后對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)大致所需功率進(jìn)行估計(jì),由于機(jī)構(gòu)的主要阻尼為克服彈簧

40、所做的功，假設(shè)克服彈簧所做功占電機(jī)做功的50%，以凸輪軸轉(zhuǎn)速為最大值600r/min時(shí)計(jì)算：</p><p>　　P電機(jī)==76.16w</p><p>　　那么只要電機(jī)的額定功率大于76瓦，就可以選用。最后從尺寸，價(jià)格等因素，就選用了110sz04型號(hào)的電機(jī)（如圖3.2）。</p><p>　　圖3.2 110sz04電機(jī)外觀圖</p><p

41、>　　其參數(shù)分別為：轉(zhuǎn)矩 637mN.m</p><p>　　轉(zhuǎn)速 3000r/min</p><p>　　功率 200w</p><p>　　電壓 220v</p><p>　　電流 1

42、.4A</p><p>　　允許順逆轉(zhuǎn)速差 200r/min</p><p>　　轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不大于 0.56mN.m.s</p><p><b>　　3.4 帶的選擇</b></p><p>　　3.4.1 已知參數(shù)</p><p>　?、?M型同步帶，節(jié)距為mm</p&g

43、t;<p><b>　?、趲л嘄X數(shù)為，</b></p><p>　?、壑行木鄊m（暫?。?lt;/p><p>　　3.4.2 設(shè)計(jì)計(jì)算（參考GB11362-89）</p><p><b>　　節(jié)圓直徑為(mm)</b></p><p><b>　　(mm)</b>&l

44、t;/p><p><b>　　帶長(zhǎng)</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　帶齒數(shù) 取</p><p><b>　　帶長(zhǎng) mm</b></p><p>　　傳動(dòng)中心距的確定 </p><

45、;p><b>　　因?yàn)?，</b></p><p><b>　　所以，中心距 mm</b></p><p><b>　　帶寬</b></p><p>　　取基準(zhǔn)帶寬為12mm</p><p>　　3.4.3 5M同步帶的幾何尺寸</p><p>

46、　　圖3.3 同步帶的齒形尺寸</p><p>　　1.節(jié)距Pb：5mm</p><p>　　2.齒高h(yuǎn)f：2.06mm</p><p>　　3.齒頂圓角半徑rh：1.49</p><p>　　4.齒頂圓角半徑rf：0.40-0.44</p><p>　　5.齒根厚s：3.05</p><p>

47、;<b>　　6.齒形角2：14</b></p><p>　　7.帶高h(yuǎn)s：3.8</p><p>　　3.4.4 5M同步帶帶輪的幾何尺寸</p><p>　　圖3.4 同步帶輪齒形</p><p><b>　　節(jié)距：5mm</b></p><p><b>　　

48、齒高：2.16mm</b></p><p>　　底圓半徑：0.56mm</p><p>　　齒槽寬：3.35mm</p><p>　　齒頂圓半徑：0.48mm</p><p><b>　　6.齒形角：14</b></p><p>　　3.5 軸的結(jié)構(gòu)與校核</p><

49、;p><b>　　圖3.5凸輪傳動(dòng)軸</b></p><p>　　軸的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)根據(jù)軸的承載情況，采用相應(yīng)的計(jì)算方法。常見的軸的強(qiáng)度計(jì)算方法有兩種：按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算和按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算。本文采用扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核來校核。</p><p>　　用扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核適用于只承受轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)軸的精確計(jì)算，也可用于既受彎矩又受扭據(jù)的軸的近似計(jì)算[6]。</p><p

50、><b>　　強(qiáng)度條件：</b></p><p>　　圖3.6 軸的幾種常用材料[]和C</p><p>　　則dmin=7.5mm</p><p>　　明顯本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的凸輪傳動(dòng)軸符合強(qiáng)度要求。</p><p><b>　　3.6凸輪的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　

51、3.6.1偏心輪的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3.7 圓偏心輪凸輪簡(jiǎn)圖</p><p>　　偏心輪為余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其運(yùn)動(dòng)方程為[7]</p><p>　　帶入h=20，=180，取=1。利用matlab繪出從動(dòng)件理論的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線</p><p>　　圖3.8 圓偏心凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律</p><p>　?。▓D中藍(lán)線為

52、位移曲線，綠色為速度曲線，黃線為加速度曲線）</p><p>　　3.6.2等加速等減速規(guī)律凸輪</p><p>　　表3.3 等加速度凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律</p><p>　　利用matlab繪出等加速等減速凸輪輪廓線，以及從動(dòng)件相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律</p><p>　　圖3.9 等加速等減速凸輪輪廓曲線</p><p>　　圖3

53、.10等加速等減速凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律</p><p>　　3.6.3正弦加速度規(guī)律凸輪</p><p>　　表3.4 正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律</p><p>　　圖3.11 正弦加速度凸輪輪廓</p><p>　　圖3.12 正弦加速度凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律</p><p>　?。▓D中藍(lán)線為位移曲線，綠色為速度曲線，黃線為加速度曲線）&

54、lt;/p><p><b>　　3.7擺桿設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖3.13擺桿的簡(jiǎn)圖</p><p>　　擺桿在運(yùn)動(dòng)中，中間固定，將擺桿視為懸臂梁。</p><p>　　圖3.14 懸臂梁的變形</p><p><b>　　=</b></p><

55、p>　　Fmax=kx=20=190N</p><p>　　分別選用彈性模量為206Gpa合金鋼，與彈性模量為172Gpa的鑄鋼</p><p>　　大剛度：=190=0.118mm</p><p>　　小剛度：=190=0.141mm</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)時(shí)試用應(yīng)變片對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。</p><p>　　3

56、.8三維模型的建立</p><p>　　采用proe軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行3維建模</p><p>　　圖3.15 試驗(yàn)臺(tái)的三維建模</p><p>　　第4章 傳感器的選型</p><p>　　本試驗(yàn)臺(tái)要求測(cè)量數(shù)據(jù)有推桿的位移加速度，凸輪旋轉(zhuǎn)的加速度，以及擺桿的變形，需要選擇四種傳感器進(jìn)行測(cè)量:位移傳感器，旋轉(zhuǎn)編碼器，加速度傳感器和應(yīng)變

57、片。</p><p>　　4.1傳感器的選用原理</p><p>　　1.確定傳感器的類型</p><p>　　傳感器的類型多種多樣，不同的原理的傳感器可以用來實(shí)現(xiàn)同種的測(cè)量目的，如對(duì)于溫度的測(cè)量，可以選用熱電阻傳感器、熱電偶傳感器、集成溫度傳感器等</p><p>　　等;對(duì)于機(jī)械量的測(cè)量可以選用電感式、應(yīng)變式、電容式、差動(dòng)變壓器式、霍爾式

58、等傳感器。對(duì)于不同的測(cè)量量要選取不同的傳感器類型，這是傳感器選用的第一步。</p><p><b>　　2.靈敏度</b></p><p>　　一般的講，傳感器的靈敏度是越高越好。靈敏度越高，那么意味著傳感器所能感應(yīng)的變化量小，那么被測(cè)量如果有一點(diǎn)很微小的變化的時(shí)候，傳感器就會(huì)有較大的響應(yīng)。不過，靈敏度越高，往往會(huì)造成與與測(cè)量量無關(guān)的外界噪聲及其他的無關(guān)因素也容易被混

59、入，噪音也會(huì)隨之放大。那么此時(shí)必須考慮既要去檢測(cè)微小量值，又要去噪聲小。為了達(dá)到這個(gè)目的，我們往往要求信噪比愈大愈好，也就是需要傳感器本身的噪聲要小，而且不容易從外界得到干擾噪聲。在現(xiàn)實(shí)中，高精度的機(jī)械系統(tǒng)，他們的運(yùn)動(dòng)誤差量非常微小，甚至只有微米以下，那么要能夠檢測(cè)微小量的條件，就是必須要求傳感器具有相當(dāng)高的靈敏度。量程范圍是與靈敏度緊密相關(guān)的。</p><p><b>　　3.線性</b>

60、</p><p>　　每個(gè)傳感器都自己的線性工作范圍，就是在線性范圍內(nèi)他們的輸出與輸入成正比關(guān)系，如果線性范圍越寬，就表明傳感器的工作量程是越大的。在測(cè)量時(shí)保證測(cè)量精度基本條件就是要傳感器在線性區(qū)內(nèi)工作。對(duì)于任何傳感器，要使其保證在在線性區(qū)是非常不容易的。在一定情況下的許可限度內(nèi)，可以取其近似線性區(qū)域。4.精確度</p><p>　　精確度，是表示傳感器的輸出量和被測(cè)量的對(duì)應(yīng)的精準(zhǔn)程度。而

61、傳感器是處于測(cè)試系統(tǒng)的輸入端，那么傳感器能否真實(shí)地測(cè)出被測(cè)量值，就對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)有很大的影響。不過，也不是要求在任何場(chǎng)合下使用的傳感器精確度都是越高越好的，因?yàn)檫€要考慮到經(jīng)濟(jì)性。</p><p><b>　　5.響應(yīng)特性</b></p><p>　　響應(yīng)特性是指在所測(cè)的頻率范圍內(nèi)，傳感器保持不失真的測(cè)量的條件。而在實(shí)際傳感器的響應(yīng)總那么有一定的延遲，我們則希望延遲時(shí)間

62、要愈短愈好。普遍的講，利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等傳感器，響應(yīng)時(shí)間小，但是工作頻率范圍寬;而用結(jié)構(gòu)型，如電容、電感、電磁感應(yīng)型等傳感器時(shí)，由于要受到結(jié)構(gòu)特性影響，其固有頻率較低，影響了傳感器的工作的頻率范圍。</p><p><b>　　6.測(cè)量方式</b></p><p>　　在實(shí)際條件下的工作方式，測(cè)試方法也是選用傳感器時(shí)必須應(yīng)考慮的重要因素。如，接觸和非接觸測(cè)量;在

63、線和非在線測(cè)量;破壞和非破壞性測(cè)量等，在條件不同時(shí)，對(duì)傳感器的要求也不同。</p><p><b>　　7.穩(wěn)定性</b></p><p>　　指經(jīng)過長(zhǎng)期的使用以后，傳感器的輸出特性發(fā)生變化率的性能的衡量。影響傳感器穩(wěn)定性的因素與時(shí)間和環(huán)境有關(guān)。為了確保穩(wěn)定性，我們?cè)谶x擇傳感器之前，必須對(duì)使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，來選擇較合適的傳感器型號(hào)。</p><p&

64、gt;<b>　　其它</b></p><p>　　除了以上的選用傳感器時(shí)需要充分考慮的因素外，我們還應(yīng)該盡可能的兼顧結(jié)構(gòu)、體積、重量、維修、價(jià)格、等條件[8]。</p><p>　　4.2旋轉(zhuǎn)編碼器的選用</p><p>　　4.2.1編碼器的簡(jiǎn)介</p><p>　　旋轉(zhuǎn)編碼器就是用來測(cè)量物體轉(zhuǎn)速的裝置，光電式的旋轉(zhuǎn)

65、編碼器經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，能輸出角位移、角速度等等的把機(jī)械量轉(zhuǎn)換成一定的電脈沖來數(shù)字量輸出（。他們分為單路的輸出和雙路輸出兩種。其技術(shù)參數(shù)有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，和供電電壓等。單路輸出指旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的是一組脈沖，而雙路輸出指旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的是兩組A/B相位差90度脈沖，通過兩組脈沖不但可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，更可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。</p><p>　　4.2.2編碼器分類</p><p>　　我們可以將旋轉(zhuǎn)編碼器

66、分為增量式編碼器、絕對(duì)值編碼器、混合式編碼器這三種。</p><p><b>　　增量式編碼器</b></p><p>　　增量式編碼器軸旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，有相應(yīng)的相位輸出。旋轉(zhuǎn)方向的判別與脈沖數(shù)量的增減，都需借助后部判向電路與計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。它的計(jì)數(shù)起點(diǎn)能任意設(shè)定，并且可實(shí)現(xiàn)多圈無限累加與測(cè)量。并可以把每轉(zhuǎn)發(fā)出的一個(gè)脈沖Z信號(hào)，當(dāng)作參考機(jī)械的零位。當(dāng)脈沖是已固定，而且需要提

67、高分辨率的時(shí)候，可用帶90度相位差A(yù)/B兩路信號(hào)，對(duì)原脈沖數(shù)來進(jìn)行倍頻。</p><p><b>　　絕對(duì)值編碼器</b></p><p>　　絕對(duì)值編碼器軸旋轉(zhuǎn)器時(shí)，有與位置對(duì)應(yīng)的代碼（二進(jìn)制或BCD碼等）輸出，我們從代碼大小的變更即可判別是正反方向和位移所處的位置，就無需判向電路。它有一個(gè)絕對(duì)零位代碼，當(dāng)停電或關(guān)機(jī)后再開機(jī)重新測(cè)量的時(shí)候，還可準(zhǔn)確地讀出關(guān)機(jī)位置地代

68、碼，并且準(zhǔn)確地找到零位代碼。在一般情況下絕對(duì)值編碼器測(cè)量范圍為0～360度，不過特殊型號(hào)也可實(shí)現(xiàn)多圈測(cè)量。</p><p><b>　　混合式編碼器</b></p><p>　　混合式軸編碼器兼具有增量式軸編碼器和絕對(duì)式軸編碼器的功能，不僅內(nèi)部是以格雷碼編碼，來輸出轉(zhuǎn)子的空間位置信號(hào)，且同時(shí)還輸出增量式軸編碼器有的脈沖信號(hào)。所以混合式軸編碼器能同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)子的空間位置

69、和轉(zhuǎn)速。因?yàn)榛旌鲜捷S編碼器的功能齊全，并且它的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，那么價(jià)格相對(duì)較高。</p><p>　　4.2.3編碼器型號(hào)</p><p>　　依據(jù)本試驗(yàn)臺(tái)的要求電機(jī)通過同步帶帶動(dòng)凸輪軸傳動(dòng)，那么編碼器可安裝在凸輪軸上測(cè)試其轉(zhuǎn)速。選擇增量式編碼器，再考慮到了經(jīng)濟(jì)性，從而選擇了歐姆龍E6B2-C型號(hào)的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，并選擇分辨率為1800脈沖/轉(zhuǎn)。其實(shí)體圖如下。</p><

70、;p>　　圖4.1 E6B2-CWZ6C</p><p><b>　　輸出回路為：</b></p><p>　　圖4.2 E6B2的輸出回路</p><p><b>　　具體參數(shù)為：</b></p><p>　　圖4.3 E6B2-CW6ZC的參數(shù)</p><p>　　

71、4.3 加速度傳感器的選用</p><p>　　目前來測(cè)量加速度的應(yīng)用最廣泛傳感器有電容式傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器等等。這幾種傳感器都具有其特點(diǎn)，本課題研究的是，高速凸輪的動(dòng)態(tài)性能，需要測(cè)量推桿的加速度。推桿在凸輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也受各種動(dòng)態(tài)力、以及沖擊和振動(dòng)，我們選擇了)應(yīng)變式加速度傳感器。</p><p>　　4.3.1壓電式傳感器</p><p>　

72、　圖4.4 壓電式加速度的結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　如圖4.4壓電元件一般是由兩片壓電片組成。在壓電片的兩個(gè)表面上鍍銀層，并且在銀層上焊接輸出引線，要么在兩個(gè)壓電片之間夾一片金屬，引線焊接在金屬片上，輸出端另一根引線直接與傳感器基座相連。然后在壓電片上放置一個(gè)比重較大的質(zhì)量塊，之后用一硬彈簧或螺帽、螺栓對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷。整個(gè)組件裝在一個(gè)厚基座的金屬殼體中[9]。</p><p>　　

73、測(cè)量的時(shí)候，將傳感器基座與被測(cè)對(duì)象剛性固定在一起。當(dāng)傳感器感受到振動(dòng)時(shí)，由于彈簧的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對(duì)較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小，因此質(zhì)量塊感受到與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片具有壓電效應(yīng)，且傳感器的輸出電荷與作用力成正比，即與試件的加速度成正比。再接入一定的放大器進(jìn)行相應(yīng)的處理，就可測(cè)出被測(cè)件的加速度。</p>&

74、lt;p>　　4.3.2 加速度傳感器的型號(hào)</p><p>　　依據(jù)本試驗(yàn)臺(tái)，考慮到傳感器的尺寸、分辨率性價(jià)比，我選用了AD-YD-107壓電式加速度傳感器。</p><p>　　圖4.5 AD—YD—107加速度傳感器</p><p><b>　　其主要參數(shù)如下：</b></p><p>　　軸向靈敏度 (2

75、0士5℃) 最大橫向靈敏度 5%</p><p>　　頻率響應(yīng) 10% 0.5~6O00Hz 安裝頻率諧振頻率 25000Hz</p><p>　　極性 正向 絕緣電阻 >109</p><p>　　電容

76、 1200Pf 重量 28g</p><p>　　壓電材料 PZT-5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 平面剪切</p><p>　　安裝 M5 輸出方式 頂端L5</p><

77、p>　　4.4位移傳感器的選用</p><p>　　用于位移測(cè)量的傳感器，因?yàn)闇y(cè)量范圍的不同，那么傳感器也是不同的。小位移通常用應(yīng)差動(dòng)變壓器式、變式、霍爾式、電感式、電容式等傳感器來測(cè)量，他們的精度可以達(dá)到 0.5%~1.0%，其中電感式和差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量范圍要大一些，有些可達(dá)100mm。小位移傳感器測(cè)微小位移，可從幾微米到幾個(gè)毫米，例如物體振動(dòng)的振幅測(cè)量等。而大的位移常用感應(yīng)同步器、磁柵、光柵、編碼

78、器等傳感器來測(cè)量，精度高，易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，抗干擾能力強(qiáng)，安裝方便，使用可靠。根據(jù)本試驗(yàn)臺(tái)的具體要求，量程要大于凸輪推程20mm再考慮尺寸、性價(jià)比等因素，選用了WY-DC-30L位移傳感器</p><p>　　圖4.6 位移傳感器</p><p><b>　　其具體參數(shù)如下：</b></p><p>　　1、靈敏度（mv/v/mm）：100-100

79、02、初級(jí)勵(lì)磁電壓：5V（3-8）3、動(dòng)態(tài)頻率：0-200HZ（3DB）標(biāo)準(zhǔn)0-800HZ最高（動(dòng)態(tài)位移測(cè)量）4、靈敏度漂移：零點(diǎn)：0.01（%/℃）滿度：0.025（%/℃）5、負(fù)載阻抗：20KΩ</p><p>　　6、工作溫度：-20℃+70℃標(biāo)準(zhǔn) -40℃+200℃（耐高低溫）</p><p>　　7、高精度：0.05%8、高分辨率：0.001um9、供電電壓：6VD

80、C 12VDC 24VDC ±9VDC ±12VDC ±15VDC</p><p>　　10、輸出電壓：0——5V 0——10V 0——±5V 0——±10V</p><p>　　輸出電流：0——10mA 0-20mA 4-20mA</p><p><b>　　4.5應(yīng)變片的選用<

81、/b></p><p>　　為了測(cè)試出不同剛度的擺桿的變形，需要選用一定的應(yīng)變片來對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。</p><p>　　4.5.1 應(yīng)變片原理 電阻應(yīng)變片測(cè)量原理為：金屬絲的電阻值除和材料的性質(zhì)有關(guān)之外，還與金其長(zhǎng)度，橫截面積有關(guān)。把金屬絲粘貼在構(gòu)件上，那么當(dāng)構(gòu)件受力變形時(shí)，則金屬絲的長(zhǎng)度和橫截面積就會(huì)隨著構(gòu)件一起變化，從而發(fā)生電阻變化。</p><p>

82、;<b>　　dR/R=Ks*ε</b></p><p>　　其中，Ks為材料的靈敏系數(shù)（單位應(yīng)變的電阻變化率），標(biāo)志著該類絲材電阻應(yīng)變片效應(yīng)是否顯著。ε為測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變，為無量綱的量，但習(xí)慣上仍給以單位的微應(yīng)變，常用符號(hào)με表示。由此可知，金屬絲在產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)時(shí)，應(yīng)變?chǔ)藕碗娮枳兓蔰R/R是成線性相關(guān)的，這就是利用金屬應(yīng)變片測(cè)量構(gòu)件的應(yīng)變的理論基礎(chǔ)。</p><p>　

83、　4.5.2 應(yīng)變片的型號(hào)</p><p>　　根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)要求，考慮到傳感器的尺寸、價(jià)格、靈敏度等的因素，本試驗(yàn)臺(tái)將選用ZJ.3-BX120-3AA應(yīng)變片。</p><p><b>　　其主要參數(shù)為：</b></p><p>　　表4.1 應(yīng)變片的參數(shù)</p><p>　　4.5.3應(yīng)變片的測(cè)量</p>&

84、lt;p>　　圖4.7 彎矩的測(cè)量</p><p>　　如圖4.7，在擺桿兩側(cè)一定位置粘帖R1，R2兩片應(yīng)變片按上圖組成電橋[10]。此時(shí)：</p><p>　　彎矩M可按下式計(jì)算：</p><p><b>　　M=</b></p><p>　?。ㄊ街蠾為試件的抗彎截面系數(shù)，E為試件的彈性模量，為測(cè)量的隨機(jī)應(yīng)變值）

85、</p><p>　　第5章 試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力學(xué)建模分析</p><p>　　5.1構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)模型</p><p>　　對(duì)構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)模型是根據(jù)系統(tǒng)中各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、質(zhì)量分布、彈性變形方式情況等，將構(gòu)件簡(jiǎn)化為在某些特定點(diǎn)上的集中質(zhì)量，用有適當(dāng)剛度的無質(zhì)量彈簧和純阻尼元件將集中質(zhì)量聯(lián)系起來，構(gòu)成“彈簧一質(zhì)量系統(tǒng)”。簡(jiǎn)化為彈簧的實(shí)際彈性體可能是非線性的，但在振動(dòng)的幅度較

86、小時(shí)，彈性體的變形與受力之間的關(guān)系符合胡克定律，這樣簡(jiǎn)化得到的就是線性彈簧。使用集中質(zhì)量將大大方便動(dòng)力學(xué)模型的建立及其求解。</p><p>　　5.1.1滾子擺桿的動(dòng)力學(xué)建模</p><p>　　如圖5.1為擺桿的動(dòng)力學(xué)建模，由于擺桿的支點(diǎn)在其中間，且擺桿左右對(duì)稱。滾子相對(duì)剛度較大。于是得到化簡(jiǎn)后模型的等效質(zhì)量和等效剛度為：</p><p>　　圖5.1 滾子擺桿

87、的動(dòng)力學(xué)模型</p><p>　　5.1.2 推桿的動(dòng)力學(xué)建模</p><p>　　推桿是試驗(yàn)臺(tái)最終的輸出對(duì)象，在高速是我們要將其視為彈性構(gòu)件。為了方便起見我們將其視為幾何對(duì)稱質(zhì)量均勻的構(gòu)件來進(jìn)行建模：</p><p>　　圖5.2 推桿的動(dòng)力學(xué)模型</p><p>　　構(gòu)件在力F的作用下產(chǎn)生的形變量為。</p><p&g

88、t;<b>　　構(gòu)件的變形能為：</b></p><p>　　構(gòu)件的等效彈簧勢(shì)能為：</p><p>　　由能量原理可知H=U，則</p><p>　　5.2試驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型建立</p><p>　　圖5.3 試驗(yàn)臺(tái)的模型化簡(jiǎn)</p><p>　　根據(jù)之前的構(gòu)件動(dòng)力學(xué)建模，然后建立如圖5.3（a）

89、的動(dòng)力學(xué)模型，而后進(jìn)行一定換算的化簡(jiǎn)得到如圖5.3（b）。其中的等效質(zhì)量剛度為：</p><p><b>　　m=</b></p><p>　　5.3動(dòng)力學(xué)方程建立</p><p>　　繼續(xù)進(jìn)行化簡(jiǎn)得到但自由度力學(xué)模型</p><p>　　圖5.4 推桿的質(zhì)量剛度模型</p><p><b&

90、gt;　　其中：</b></p><p>　　m—實(shí)驗(yàn)臺(tái)的等效質(zhì)量;</p><p>　　mx—約束彈簧的質(zhì)量;</p><p>　　k0—約束彈簧的剛度;</p><p>　　k—實(shí)驗(yàn)臺(tái)的等效剛度;</p><p>　　c一推桿系統(tǒng)的阻尼;</p><p>　　y—推桿輸出端的位移

91、;</p><p>　　yc—推桿輸入端的位移;</p><p><b>　　s—凸輪端的位移</b></p><p>　　模型彈簧k、k0都有相同變形時(shí)，其受力并不相同，分別為F1=k，F(xiàn)2=k0，由于力的平衡關(guān)系，有F=F1+F2=（k+k0），則等效剛度為K=k+k0。</p><p>　　對(duì)于像鎖緊彈簧這類一端固

92、定另一端運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件，由于構(gòu)件的柔性使各部</p><p>　　分質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)情況不同。因此不能按構(gòu)件全部質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，在機(jī)械振動(dòng)學(xué)中，應(yīng)用瑞利(Rayleigh)法證明了彈簧的等效質(zhì)量可以近似的按彈簧質(zhì)量的l/3計(jì)算。然后對(duì)其進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，M=m+。</p><p>　　圖5.5 單自由度動(dòng)力學(xué)模型</p><p>　　其中質(zhì)量塊受到彈簧力為K（y-yc），阻尼力為c

93、（），慣性力為根據(jù)力的平衡方程得到：</p><p>　?。?K（y-yc）=0</p><p>　　得到運(yùn)動(dòng)微分方程后，就可采用解析法分析從動(dòng)件的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況。</p><p>　　由杜哈梅積分得到[11]：</p><p>　　其中，是有阻尼系統(tǒng)的固有頻率，為阻尼比，是無阻尼系統(tǒng)的固有頻率。</p><p>　　進(jìn)

94、而可以進(jìn)一步的求出輸出端的位移，速度，加速度，作用力等量。</p><p><b>　　第六章 總結(jié)</b></p><p>　　為期六個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，還有一周大學(xué)生活就將結(jié)束，在完成大學(xué)</p><p>　　里最后一項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)——畢業(yè)設(shè)計(jì)之后，我的感慨頗深。做完了這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，</p><p>　　終于認(rèn)識(shí)到大

95、學(xué)里所學(xué)的一切都是有作用的，我為沒有虛度大學(xué)四年的光陰而感</p><p>　　到高興。雖然在大學(xué)四年里學(xué)習(xí)的不是很認(rèn)真，但是對(duì)于沒有放棄學(xué)習(xí)而興奮，</p><p>　　畢竟我在大學(xué)四年里學(xué)到了一些應(yīng)該掌握的東西，因而擁有了一絲收獲的喜悅。</p><p>　　四年來，我在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，還遵循學(xué)校的實(shí)踐要求而要求自己，積極的</p><p

96、>　　培養(yǎng)了自己的實(shí)踐能力，在綜合方面提高自己的能力。雖然這是大學(xué)的最后一個(gè)</p><p>　　階段，但是我也沒有放縱自己，我仍然以端正的學(xué)習(xí)態(tài)度對(duì)待自己的可以設(shè)計(jì)課</p><p>　　題，為自己做好時(shí)間安排。同時(shí)，希望利用這最后一次的畢業(yè)設(shè)計(jì)充分的鍛煉自</p><p>　　己，使自己的能力進(jìn)一步提高。</p><p>　　當(dāng)然在

97、畢業(yè)設(shè)計(jì)中，由于自己的水平有限，雖然經(jīng)過了一定的努力。但是整個(gè)高速凸輪試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)還是有一定的缺陷的，比如對(duì)高速凸輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性考慮的并不全面，在分析計(jì)算的時(shí)候采用了一些估算，近似。導(dǎo)致分析的結(jié)果可能并不準(zhǔn)確。且最后對(duì)高速凸輪動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)建模，并沒有進(jìn)行求解。希望以后有機(jī)會(huì)能進(jìn)一步的進(jìn)行改善。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]

98、 仇志平．凸輪實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的研究[D]．西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007，9</p><p>　　[2]莫亞梅．凸輪機(jī)構(gòu)研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[D]．江蘇：南通工學(xué)院機(jī)械系 ，2007，3．</p><p>　　[3]石永剛．凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2007，205-207． [4]孫恒．機(jī)械原理[M]．高等教育出版社，200

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102、ers of a disk cam translatingollower mechanmm using Chebyehev approximation-Addvance in Design Autortion- 1992．ASME Des Eng Div Pu b1 DE，1992</p><p>　　[14]Belestij V Y．0ptimization synthesis and analysis of

103、cam- rocker mechanism with roller．Mashinored，1991</p><p>　　[15]chan YW．Optimization cm dean．Int J Comput ApplTechnol，1996</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　通過這六個(gè)月來的忙碌和學(xué)習(xí)，本次畢業(yè)論

104、文設(shè)計(jì)已接近尾聲，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，一開始對(duì)自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)“高速凸輪動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)研制”感到十分渺茫，不過最后經(jīng)過一系列的努力，終于成功的完成了這一課題。這都要?dú)w功于唐老師對(duì)我們孜孜不倦的教導(dǎo)，他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神、精益求精、言傳身教的工作作風(fēng)，對(duì)我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)的如期完成時(shí)不可缺少的。</p><p>　　時(shí)光匆匆，四年的大學(xué)校園生活即將結(jié)束，自入學(xué)以來，本人得到了很多老師的關(guān)懷

105、和同學(xué)的幫助，在此懷著感激之情，說聲老師，您辛苦了。最后辛苦評(píng)閱老師對(duì)我的論進(jìn)行評(píng)閱。</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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

106、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。</p><p>　　本文通過對(duì)高速凸輪的理論分析，針對(duì)幾種影響高速凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律的因素。</p><p>　　研制特定的的試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中可采用三種不同規(guī)律的凸輪，采用不同剛度的擺桿，使用不同的壓緊彈簧，并在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在試驗(yàn)臺(tái)一定位置安裝相應(yīng)的傳感器，測(cè)試出在不同條件下他們的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而了解各種影響因素對(duì)它們的影響

107、。由于沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本文對(duì)高速凸輪系統(tǒng)進(jìn)行了一定的動(dòng)力學(xué)建模分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：高速凸輪；傳感器；試驗(yàn)臺(tái)；動(dòng)力學(xué)建模 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Cam follower system in various fields such as textile machinery, pac

108、kaging machine and food machinery, automation industry, printing industry, internal combustion engines, agricultural machinery are widely applied. Under normal circumstances it is considered to be a rigid system. But wit

109、h the mechanical efficiency, the cam speed rise, thus creating a greater elastic deformation. Follower motion rule greatly deviated from the theoretical value. Therefore tested against the cam follower system is </p&g

110、t;<p>　　Key words: high-speed cam；sensing element；test bench；dynamic modeling</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p><b>　　Abstract</b

111、></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1選題的背景與意義1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)2</p><p>　　1.2.1 國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究2</p><p>　　1.2.3 國(guó)外對(duì)這方面的研究3</p>

112、;<p>　　1.3 課題研究主要內(nèi)容4</p><p>　　第2章 高速凸輪的理論基礎(chǔ)5</p><p>　　2.1 凸輪-從動(dòng)件系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析5</p><p>　　2.2 影響凸輪系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的因素6</p><p>　　2.3 高速凸輪的判斷7</p><p>　　第3章 高速凸輪試驗(yàn)臺(tái)設(shè)

113、計(jì)9</p><p>　　3.1 試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)9</p><p>　　3.2 試驗(yàn)臺(tái)的簡(jiǎn)介11</p><p>　　3.3 電機(jī)的選擇..................................................................................................................

114、.....12</p><p>　　3.4 帶的選擇...........................................................................................................................13</p><p>　　3.4.1 已知參數(shù)13</p><p>

115、　　3.4.2 設(shè)計(jì)計(jì)算13</p><p>　　3.4.3 5M同步帶的幾何尺寸已知參數(shù)14</p><p>　　3.4.4 5M同步帶輪的幾何尺寸14</p><p>　　3.5 軸的結(jié)構(gòu)與校核15</p><p>　　3.6 凸輪的設(shè)計(jì).............................................

116、..........................................................................16</p><p>　　3.6.1 偏心輪的設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.6.2 等加速等減速規(guī)律凸輪17</p><p>　　3.6.3 正弦加速度規(guī)律凸輪19</p><p>　　

117、3.7 擺桿的設(shè)計(jì).......................................................................................................................20</p><p>　　3.8 三維模型的建立........................................................