CN101737470A - 含运动－停歇运动模式的自动化机械系统的节能减振方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含运动-停歇运动模式的自动化机械系统的节能减振方法。其主要特点是：拾取运动-停歇运动模式减速段惯性负载的动能，并以弹性势能的方式存储，在运动-停歇运动模式惯性负载启动与加速段，将拾取并储存的弹性势能以驱动力或力矩做功的方式释放，辅助驱动惯性负载，从而大幅消减系统的最大驱动力矩，降低系统的能耗。对减速段惯性动能的拾取，降低了系统的振动激励，进而降低了系统的振动响应。对停歇位置间歇机构几何封闭间隙的消除，提高了间歇运动机构的定位精度。因此，本发明对于解决含运动-停歇运动模式的自动化机械系统的节能、减振以及定位精度的提高，具有显著的效果。
Description
技术领域
本发明属于机械设计理论及方法领域，涉及自动化机械系统的节能、减振方法。
背景技术
在自动化机械中，处于对生产工艺或流水线节拍的考虑，一些自动化机械的输出运动行为具有运动-停歇的特征，如芯片封装机械的送料和封装过程具有明显的运动-停歇的特征。停歇的目的在于在工艺上保证产品的封装质量和性能。再如，在印后处理自动模切、烫金机械中，需要将烫印模切的纸张输送到指定的模切烫印位置，然后在该位置作一定时间的停歇，进行模切、烫印。间歇运动机构是提供运动-停歇运动模式的主要装置，在包装机械、烟草机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械、芯片封装机械、食品机械、流水生产线等领域得到广泛的应用。另一方面，在速度波动比较大的机械系统中，存在惯性负载对驱动电机做负功的情况，造成系统的能耗加大，能源利用率低。
提高产品的生产效率，降低产品的制造成本，促进了自动化机械向高速方向的发展。由于间歇运动机构，如盘型分度凸轮、弧面分度凸轮、圆柱分度凸轮机构等，其从动件的位置需要依赖其滚子与主动件的双侧接触面来确定。因滚子和双侧接触面之间存在间隙，根据非线性系统振动理论，含间隙的非线性系统在高速工作状态将产生复杂的非线性振动响应。因此，间歇运动机构的非线性振动响应制约了含间歇运动机构自动化机械向高速化的发展。
与此同时，因间歇运动机构需要提供运动-停歇的运动输出，当输出轴拖动的惯性负载从静止工作状态进入到加速运动状态时，间歇运动机构的主动件需要提供很大的扭矩来克服惯性负载。负载越大，系统工作速度越高，需要主动件提供的扭矩就越大，由此造成驱动电机的功率过大；而在输出轴减速工作区间，负载惯性力(矩)对由间歇运动机构和牙排链条组成的超多自由度间隙非线性系统产生冲击激励，导致系统产生强烈的残余振动。系统工作速度越高，这种残余振动的幅值就越大，对含间歇运动机构的自动化机械系统的工作精度、振动噪声影响就越大。因此可见，在含高速间歇运动机构的自动化机械系统中，一方面，在间歇运动机构输出轴由静止状态到加速运动的过程中需要提供很大的驱动力矩，产生大的能耗；另一方面，在间歇运动机构输出轴由最大速度运动状态到静止停歇的过程中，又要释放大量的动能，导致含高速间歇运动机构的自动化机械系统产生较大的振动和噪声。
节能、减振是含高速间歇运动机构自动化机械系统向高速化发展必须很好解决的关键技术难题。飞轮机构(含高速飞轮)是解决机械系统运动平稳性的一种有效的方法，通过飞轮吸收高速下的动能，以及在低速时释放动能，在一定程度上调节速度波动的同时，有限地提高了系统的能量利用率。也有采用非圆齿轮加飞轮的模式降低机械系统速度波动的方法，其效果较单独采用飞轮机构调节速度波动的性能有所提高。采用飞轮调节速度波动的方法一般只能调节一个运动周期内的速度波动，而对于一个运动周期具有明显停歇过程的运动行为，其对速度波动的调节是无能为力的，甚至起反作用。其原因在于在惯性负载启动时，飞轮作为惯性负载增加了系统的驱动力矩，而在减速阶段，飞轮又增加了系统的惯量，导致冲击加剧。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含运动-停歇运动模式的自动化机械的节能减振方法，通过拾取惯性负载在减速段的动能，将其转换为弹性势能并加以存储，然后在加速段以驱动力(矩)做功的方式释放，实现含运动-停歇运动模式的自动化机械的节能减振。
实现本发明的目的所采用的技术路线是：将运动-停歇运动模式减速段惯性负载的动能转化为加速段的驱动力(矩)，从而降低含运动-停歇运动模式的自动化机械系统在启动阶段所需要的驱动力(矩)，达到节能的目的；另一方面，减速段惯性负载动能的转化，降低了引起系统产生非线性振动的激励，系统的振动噪声得到降低。本发明的主要特点是：在提供运动-停歇运动模式的间歇运动机构的输出轴上，加装一个能量拾取和释放装置，该装置能够拾取运动-停歇运动模式减速段惯性负载的动能，并将该动能转换为弹性势能加以存储，然后在加速段以驱动力(矩)做功的方式释放。特别是，加装的能量拾取和释放装置，在输出轴及其拖动的惯性负载启动的初期，能够为输出轴及惯性负载的启动提供较大的驱动力矩；在输出轴由高速工作状态到低速停止运动的过程中，能够拾取惯性负载的大部分动能，并以势能的方式储存起来，待惯性负载由静止到启动的初期过程释放。
进一步，所述的能量拾取和释放过程是基于凸轮机构、连杆机构、弹性储能单元、调压装置和阻尼装置组成的系统来实现的。凸轮机构的从动件拾取与提供运动-停歇运动模式的间歇运动机构输出轴固连的凸轮廓线的变化，连杆机构将从动件感知的凸轮廓线的变化传递到弹性储能单元，弹性储能单元根据连杆机构传递的从动件的位移变化，将其转变为弹性势能或驱动力(矩)，通过调压装置调节弹性储能单元与含间歇运动的自动化机械系统的节能匹配，利用阻尼装置改善能量拾取和释放装置的动力学特性，使整体系统获得良好的减振效果。
所述的凸轮机构的凸轮廓线是能量拾取和释放的关键。当运动-停歇运动模式的惯性负载处于减速工作段时，凸轮廓线应该使与凸轮从动件相连的连杆机构所感知的位移使弹性储能单元的弹性势能增加；反之，当惯性负载处于加速工作段时，凸轮廓线应该使与凸轮从动件相连的连杆机构所感知的位移使弹性储能单元的弹性势能减小。尤其是，在惯性负载由停止到运动的启动过程中，由连杆机构传递的来自弹性储能单元的驱动力，通过凸轮廓线与从动件的外切接触，使凸轮获得一个与输出轴转向一致的驱动力矩；在惯性负载由高速运动到逐步停止的减速过程中，凸轮廓线应该使惯性负载的动能大部分转化为弹性势能。
本发明提供了一种含运动-停歇运动模式的自动化机械系统的节能减振方法。该方法通过对惯性负载减速段动能的拾取以及以驱动力做功的方式释放，降低了自动化机械系统的驱动能耗，达到节能的目的。另一方面，对减速段动能的拾取，消减了导致含运动-停歇运动模式的自动化机械系统产生振动的激励，从而降低整体系统的振动噪声。本发明可以提高含运动-停歇运动模式的自动化机械系统的节能、减振效果，并实现高速、高精度运行。
附图说明
图1是运动-停歇运动模式及含该运动模式的自动化机械系统。
图2是运动-停歇运动模式。
图3是典型的实施本发明的装置。
图1a为间歇运动机构提供的典型的位移输出曲线(
)、速度输出曲线(ω1)和加速度输出曲线(ε1)。图1b所示为典型的由间歇运动机构和惯性负载组成的含运动-停歇运动模式的自动化机械系统。间歇运动机构(3)的功能是将由电机及其减速装置传递到其输入轴(4)上的连续运动，转变为输出轴(2)上的间歇运动。输出轴(2)的间歇运动通过链轮或同步轮(1)转换为链条(5)或同步齿形带的间歇移动。链条(5)拖动输送线上的惯性负载(6)实现运动-停歇运动，以适应装配生产线的工艺动作要求。
在输出轴(2)由静止停歇状态到启动的过程中，输出轴的角加速度非常大，系统需要用很大的驱动力矩来克服惯性负载(6)，导致选用的驱动电机功率较大。当输出轴(2)到达最大速度点后，系统的动能达到最大值，此后，惯性负载(6)的运动速度大于间歇机构输出轴(2)提供的运动速度，惯性负载(6)拖动链条(5)或同步齿形带，带动链轮(1)反向驱动间歇运动机构的输入轴(4)，导致系统产生强烈的振动与噪声。
具体实施方式
本发明是通过加装在提供运动-停歇运动模式的间歇运动机构的输出轴上的能量拾取与释放装置来具体实现的，其原理如图2所示。在未加装基于本发明的能量拾取与释放装置之前，间歇运动机构的驱动电机(12)驱动间歇运动机构的输入轴(4)，通过输出轴(2)带动惯性负载(6)。基于本发明方法的能量拾取与释放装置(14)，通过扩张套(13)和路径(15)将间歇运动机构减速段惯性负载的动能拾取并以弹性势能的方式存储；在惯性负载处于启动加速阶段，能量拾取与释放装置(14)经由路径(16)将弹性势能转换为对间接运动机构输出轴(2)的驱动力矩，协助对惯性负载(6)的驱动。
图3所示为基于本发明的一个典型结构。该结构由凸轮机构、连杆机构、储能单元、调压装置和阻尼装置构成。用扩张套(13)将凸轮(17)和间歇分度机构的输出轴(2)固连，不允许凸轮(17)相对输出轴(2)产生转动。凸轮(17)与滚子(18)外切接触。从动件(20)的一端与滚子(18)枢动连接，另一端与机架(19)枢动连接。连杆(21)的一端与从动件(20)枢动连接，另一端与滑块或活塞(23)枢动连接。滑块或活塞(23)在与机架固定的活塞缸或导轨(27)中移动。活塞(23)与活塞腔一端的弹性储能弹簧(25)或图4所示的气囊-液压油储能单元连接。储能单元(25)与调压装置(26)连接，以调节弹性储能单元的基准势能。活塞腔另一端与阻尼装置(22)连接，以调节能量拾取和释放装置的阻尼特性。
下面结合图3阐述实施本发明，取得节能、减振效果的机理。
如图3a所示，凸轮(17)具有特定的凸轮轮廓曲线。当输出轴(2)位于惯性负载由静止到运动的预起始位置时，AB段的凸轮廓线使得由连杆机构传递的来自弹性储能单元(25)的弹性力通过从动件(20)上的滚子(18)与凸轮(17)的接触公法线，给凸轮(17)一个很大的沿输出轴(2)旋转方向的驱动力矩，一旦间歇分度机构的几何封闭关系允许输出轴(2)沿ω1方向由静止开始转动，该驱动力矩通过输出轴(2)、链轮(1)和链条(5)对惯性负载(6)进行驱动。合理设计BCD段的凸轮廓线，可以使来自弹性储能单元的驱动力矩极大地发挥驱动作用，从而尽可能地消减系统所需要的驱动力矩，降低系统的能耗。同时，在凸轮廓线AB段，来自弹性储能单元的弹性力驱动凸轮(17)和输出轴(2)，使间歇运动机构的从动件上的滚子与主动件的啮合间隙消除，从而使从动件在停歇运动过程中获得高精度的定位。
如图3b所示，当间歇分度机构的输出轴(2)运动到图1b所示的(加速度)减速运动区域时，在该区域的某点E构建凸轮廓线EF，使从动件(20)的位移通过连杆机构传递到弹性储能单元后使其弹性势能增加。保持凸轮廓线的矢径，弹性储能单元的弹性势能不发生变化。合理确定E点的位置以及EF段凸轮廓线的形状，可以拾取惯性负载(6)的大部分动能，使其对提供运动-停歇运动模式的间歇运动机构的含间隙几何封闭系统的冲击效应降到最小，并基本消除惯性负载(6)对驱动电机的反向做功问题，从而降低非线性振动的激励，消减产生振动的激励。
调压装置(26)和阻尼装置(22)是作为优化基于本发明构造的自动化机械系统的高速动力学特性，提高系统的节能减振效果而设置的辅助装置。
虽然本说明书对本发明的方法进行了介绍和描述，在不违背本发明的精神的前提下，熟知这方面技术的人们可以进行多方面改进、改型，例如可以将本发明应用于周期速度波动比较大的自动化机械系统、具有负载反向做功的系统等的节能、减振装置的构造。因此，本发明方法的实施不局限于这里的典型实施结构，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种含运动-停歇运动模式的自动化机械系统的节能减振方法，其特征是：利用能量拾取与释放装置，拾取含运动-停歇运动模式的自动化机械系统的惯性负载(6)在减速段的动能，并将其转换为弹性势能加以存储，然后在加速段以驱动力(矩)做功的方式释放，实现含运动-停歇运动模式的自动化机械系统的节能减振。
2.按照权利要求1所述，能量拾取和释放是通过由凸轮机构、连杆机构、弹性储能单元、调压装置和阻尼装置组成的系统来实现的。凸轮机构的凸轮(17)与提供运动-停歇运动模式的间歇运动机构输出轴(2)固连，存储于弹性储能单元(25)的弹性力(势能)通过连杆机构传递给凸轮机构的从动件(20)，该构件通过感知凸轮(17)廓线的变化，实施惯性负载动能的拾取，或释放存储于弹性储能单元(25)的弹性势能。
3.按照权利要求1所述，能量的拾取方法为：当运动-停歇运动模式的惯性负载(6)处于减速工作段时，凸轮廓线应该使与凸轮从动件(20)相连的连杆机构在与弹性储能单元(25)连接端所产生的位移使弹性储能单元(25)的弹性势能增加。合理设计该段的凸轮廓线，以及合理确定阻尼器件(22)的阻尼系数，可以使减速段惯性负载的动能得到充分拾取，进而降低引起系统产生非线性振动的激励。
4.按照权利要求1所述，拾取的减速段惯性负载动能的释放方法为：当惯性负载处于加速工作阶段，凸轮廓线应该使与凸轮从动件(20)相连的连杆机构在与弹性储能单元(25)连接端所产生的位移使弹性储能单元的弹性势能减小；尤其是惯性负载处于由停止到运动的启动阶段，由连杆机构传递的来自弹性储能单元的弹性力，通过凸轮(17)廓线与从动件(20)上的滚子(18)的外切接触，使凸轮(17)获得一个与输出轴(2)转向一致的驱动力矩。合理设计该段凸轮廓线，可以使来自弹性储能单元的驱动力矩充分发挥驱动作用，从而有效地消减系统所需要的驱动力矩，降低系统的能耗。
5.按照权利要求2所述，调压装置(26)和阻尼装置(22)是作为优化基于本发明构造的自动化机械系统的高速动力学特性，提高系统的节能减振效果而设置的辅助装置。通过调压装置(26)调节弹性储能单元与含运动-停歇运动模式的自动化机械系统的节能匹配，利用阻尼装置(22)改善能量拾取和释放装置的动力学特性，使整体系统获得良好的减振效果。
6.按照权利要求1所述，弹性势能的存储是通过保持凸轮(17)廓线的矢径来实现的。
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