CN104070895A - 一种凸轮机构研究仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸轮机构研究仪，机架上部设有推杆底板，推杆底板通过上光杆、下光杆与机架相连，推杆底板上设有第三直齿轮组和推杆组件，第三直齿轮组的主动齿轮由第二步进电机驱动，推杆组件通过套筒贯穿第三直齿轮组的从动齿轮，推杆组件的下部设置画笔部件底盘，线阵CCD通过线阵CCD安装板与画笔底盘相连,线阵CCD与白色布带对应，画笔部件底盘垂直设置安装杆，安装杆末端设置画笔底盘，画笔底盘上设有带夹子的滑块，夹子上夹持画笔，并使画笔接触第二圆盘或圆柱筒，画笔底盘上的舵机通过曲柄连杆机构与滑块相连。本发明能够全面准确的演示凸轮机构的原理，给凸轮机构的教学带来一种很好的工具。

Description

一种凸轮机构研究仪

技术领域

本发明涉及教学仪器技术领域，具体为一种凸轮机构研究仪。

背景技术

凸轮机构是机械设计中常见的机构之一。由于凸轮机构具有分度精度高、高速性能好、运转平稳、传递扭距大，定位时自锁、结构紧凑、体积小、噪音低，寿命长等显著优点，因此凸轮机构在各种机械，特别是自动机和自动控制装置中，得到了广泛的应用。凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。凸轮是一个具有曲线轮廓的构件，一般为主动件作等速转动；与凸轮轮廓接触的构件一般作往复直线运动或摆动，称为从动件，常见形式为推杆和摆杆。凸轮轮廓曲线的设计,一般可分为图解法和解析法。利用图解法能比较方便地绘制出各种平面凸轮的轮廓曲线，但这种方法仅适用于比较简单的结构,用它对复杂结构进行设计则比较困难,而且利用图解法进行结构设计,作图误差较大,对一些精度要求高的结构不能满足设计要求。解析法可以根据设计要求,通过推导机构中各部分之间的几何关系,建立相应的方程,精确地计算出轮廓线上各点的坐标,然后把凸轮的轮廓曲线精确地绘制出来，但是,当从动件运动规律比较复杂时,利用解析法获得凸轮的轮廓曲线的工作量比较大。随着机械综合实验系统推出和不断应用，凸轮机构运动的解析法分析越来越高。

目前大学机械专业课程的教授过程中，凸轮机构的教学主要以理论授课为主，由于凸轮部分的内容繁多、内容抽象、枯燥、教学难度大。常用图解法中的“反转法”通过从动件的运动规律求凸轮的轮廓线。“反转法”原理是机构设计和机构分析的一种基本方法。凸轮廓线设计方法的基本原理无论是采用作图解法还是解析法设计凸轮轮廓曲线,所依据的基本原理都是反转法，反转法依据相对运动原理，利用从动件的运动轨迹、运动副的传递规则，反向计算出凸轮的型线的方法，该方法不足之处是违背直观思维，复杂难懂,是教学中的一大难点。

由于缺乏简易有效的“凸轮机构”教学仪器，学生很难直观有效的去了解学习这一结构，并且现有的凸轮教学仪器存在以下问题：

（1）、现有技术采用的多种凸轮机构动态测试实验台的相关教学仪器，占地面积较大，不便于在授课教室里放置，更不便于教师携带；

（2）、现有的机械课程教学设备大多是以计算机为平台的虚拟演示设备，缺少直观性；

（3）、少有专门针对于 “凸轮”这一典型机械结构设计的教学设备器材；

（4）、现有凸轮演示仪，只提供一个给定的固定位移曲线，然后对其进行凸轮轮廓分析，不能研究不同的、多种的位移曲线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种凸轮机构研究仪，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种凸轮机构研究仪，包括由底盘、左立柱、右立柱组成的机架，机架下部设有第一传动轴、第二传动轴和第三传动轴，第三传动轴两端分别由底盘上的第一支撑座和第二支撑座支撑，第一传动轴两端分别设有第一直齿轮组和第二直齿轮组，第一直齿轮组由第一步进电机驱动，第二直齿轮组中第一从动直齿轮通过第二传动轴与第一圆锥齿轮组相连，第二直齿轮组中第二从动直齿轮通过第三传动轴分别与第二圆锥齿轮组和第一正交齿轮组相连，第三传动轴贯穿第二从动齿轮且第二圆锥齿轮组和第一正交齿轮组分别位于第三传动轴两端，第一正交齿轮组的主动齿轮与第三传动轴同轴安装，第一正交齿轮组的从动齿轮位于第三传动轴上方，且第一正交齿轮组的从动齿轮的中心线与第三传动轴的轴线正交，第一正交齿轮组的从动齿轮设置在第二转轴上，第二转轴的外侧固定有第二圆盘；第一圆锥齿轮组的从动齿轮设置带传动主动轴上，带传动主动轴通过白色布带与带传动从动轴相连，所述白色布带位于机架的中部；第二圆锥齿轮组的从动齿轮设置在第一转轴上，第一转轴上端安装第一圆盘，第一圆盘上设置圆柱筒，所述白色布带和第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘同周期转动；

机架上部设有推杆底板，推杆底板通过上光杆、下光杆与机架相连，推杆底板上设有第三直齿轮组和推杆，第三直齿轮组的主动齿轮由第二步进电机驱动，推杆通过套筒贯穿第三直齿轮组的从动齿轮，推杆是由上部的丝杆和下部的方形杆焊接而成，方形杆通过直线轴承滑块与直线轴承平行连接，直线轴承用于约束丝杆的周向转动，第三直齿轮的从动轮中心有套筒，套筒内孔有与丝杆啮合的内螺纹，由于直线轴承对推杆的周向转动的约束形成相对运动，从而将第三直齿轮回转运动传递为推杆上下移动。

方形杆的下部设置画笔部件底盘，线阵CCD通过线阵CCD安装板与画笔底盘相连,线阵CCD进行视觉跟踪读取白色布带上曲线数据，并获得曲线的位置，然后将数据发送给控制系统，画笔部件底盘垂直设置安装杆，安装杆末端设置画笔底盘，画笔底盘上设有带夹子的滑块，夹子上夹持画笔，滑块通过曲柄连杆机构与舵机相连并构成曲柄滑块机构，实现画笔接触第二圆盘或圆柱筒，或者往复在第二圆盘或圆柱筒打印轮廓包络线。

本发明中白色布带和和第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘同周期转动，在白色布带上操作者可以用普通油笔画凸轮的位移曲线，线阵CCD进行视觉跟踪读取白色布带上曲线位置数据，然后将数据发送给控制系统，控制系统控制第二步进电机通过推杆组件带动线阵CCD安装板向上或者向下移动，从而使推杆的竖直位置始终跟踪白色布带上位移曲线而上下移动。由于第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘的匀速转动和推杆的上下运动形成相对运动，使画笔在第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘上绘制凸轮轮廓曲线；同理，在把线阵CCD和画笔调换位置之后，本发明可以检测预分析的凸轮轮廓，通过线阵CCD的捕捉，将信号传输到单片机的控制系统，进而控制第二步进电机带动推杆组件上下运动来跟踪凸轮轮廓曲线，最终在白色布带上绘制出相对应的凸轮位移曲线。

优选的，第一圆锥齿轮组、第二圆锥齿轮组的圆锥齿轮均为45°圆锥齿轮，第一正交齿轮组的正交齿轮均为45°正交齿轮。

优选的，带传动主动轴、带传动从动轴均安装有套筒，白色布带设置在套筒上，套筒和带传动主动轴之间没有相对转动，套筒和带传动从动轴之间可以相对转动，且带传动主动轴和带传动从动轴之间的位置可以调节。

优选的，安装杆通过螺纹活动安装在画笔部件底盘上，并通过安装杆调节画笔底盘与画笔部件底盘之间的间距。

优选的，第一直齿轮组的传动比为1:2，第二直齿轮组传动第三传动轴的传动比为1:3，第二直齿轮组传动第二传动轴的传动比为1:1，第一圆锥齿轮组的传动比为3:1，第二圆锥齿轮组的传动比为1:1，第一正交齿轮组的传动比为1:1。

优选的，带传动主动轴、带传动从动轴的直径为D，白色布带总长为L=9πD,带传动主动轴、带传动从动轴的中心距                                                。

优选的，所述的凸轮机构研究仪配置三种画笔，当画顶尖凸轮时用尖头的油笔，当画平底推杆凸轮时用特制的直线笔头，当画滚子凸轮时用环形笔头。

本发明应用于机械原理教学中对不同类型凸轮的轮廓设计、凸轮运动检验、凸轮运动动力学分析，以及凸轮轮廓失真现象等研究。

操作者可以在白色布带上用普通油笔手绘出任意的凸轮位移曲线，第一步进电机通过底盘部件传动使第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘匀速转动，同时使白色布带与第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘同步转动。同时，线阵CCD进行视觉跟踪读取白色布带上曲线位置数据，然后将数据发送给控制系统，控制系统控制第二步进电机通过推杆组件带动线阵CCD安装板向上或者向下移动，从而使推杆的竖直位置始终跟踪白色布带上位移曲线而上下移动。推杆上的尖头油笔接触第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘，由于推杆上的油笔的上下运动和第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘的转动构成相对运动，当白色布带转动一个周期后，即第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘转动一个周期后，在第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘就绘制出白色布带上凸轮位移曲线对应的轮廓曲线。

在把线阵CCD和油笔调换位置之后，可以通过检测准备分析的凸轮轮廓，通过线阵CCD的捕捉，将信号传输到单片机的控制系统，进而控制步进电机带动推杆上下运动来跟踪凸轮轮廓，最终绘制出相对应的凸轮位移曲线，从而实现凸轮的检测。

本发明中，画笔有三种模式可以更换。画笔机构有三种工作状态：

a、当笔头更换为尖头画笔，此时舵机和曲柄滑块固定不动时，且使画笔接触第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘，可以实现顶尖推杆凸轮的轮廓线绘制；

b、当笔头更换为直线笔头画笔，使舵机带动曲柄滑块来回运动，使直线笔头往复在第二圆盘上打印，可以实现平底推杆凸轮包络线的绘制。

c、当笔头更换为环形笔头时，此时使舵机带动曲柄滑块来回运动，使圆圈笔头往复在第二圆盘上打印，可以实现滚子推杆凸轮包络线的绘制。

当使用线阵CCD采集凸轮位移曲线绘制凸轮轮廓曲线时，通过三种笔头的模式和第一圆盘上的圆柱筒、第二圆盘的组合，可以完成顶尖推杆圆盘凸轮轮廓线、顶尖推杆圆柱凸轮轮廓线、平底推杆圆盘凸轮包络线、滚子推杆凸轮包络线的绘制；

当使用线阵CCD采集凸轮轮廓曲线绘制凸轮位移曲线时，可以绘制顶尖推杆圆盘凸轮位移曲线、顶尖推杆圆柱凸轮位移曲线的绘制。

推杆底盘是安装在上光杆和下光杆上，在水平方向推杆底盘可以左右移动，进而可以实现推杆与第二圆盘对心和偏心情况；而且在上光杆上有刻度，进而可以设置具体的圆盘凸轮的偏心距。画笔底盘上的安装杆为螺纹结构的零件，其高度可以调节，进而可以实现对凸轮基圆半径大小不同的调节。通过对凸轮基本参数，即基圆半径和偏心距的设定，可以分析同一条凸轮位移曲线在不同基圆半径和偏心距下的失真情况。

本发明采用单片机控制推杆电机的运动，单片机在控制时，同时记录出第二步进电机的转动角度，根据电机转动的角度和推杆的位置的函数关系，即可以得出推杆的位置数据，利用这些得到的凸轮的位置数据组，通过串口传送到上位机，在利用数值分析的方法，得到凸轮运动的速度数据组，和加速度数据组，并且可以绘制出相应的图像，实现凸轮运动的动力学分析。

本发明具有如下创新点：

（1）、具有高度可操作性，甚至可以徒手画出推杆位移曲线即可作出对应凸轮轮廓曲线；

（2）、作品当中的机构具有高柔性和可组合性，可以通过不同的组合可以实现不同凸轮机构的研究；

（3）、机构灵活便于调节，能过实现多个功能，几乎涵盖所有凸轮参数；

（4）、独立开发的算法；

（5）、应用机电一体化技术；

本发明具有良好的互动性，具体体现在以下几个方面：

每一位同学可以自己随意画一条凸轮位移曲线，本发明可以根据画出的曲线绘制凸轮轮廓，具有很好的可操作性，而且完成各式各样的凸轮的绘制，带给同学们更加直观的感受；

通过互动，可以很好地提升同学们的学习兴趣，便于同学们以愉快的心情学到更多的知识。本发明不同于反转法设计凸轮的传统凸轮设计思想，利用机电一体化技术，可以用于机械原理教学课堂上对凸轮轮廓设计、以及凸轮轮空失真现象等研究。作品有助于学生理解机械原理，帮助学生进行机构设计和仿真，使机械课堂变得生动有趣，使机械教学变得更直观，提高教学效率。

本发明针对机械教学中对凸轮轮廓设计采用繁琐、抽象传统“反转法”的缺点，以及现有凸轮教学研究仪器的不足；本发明根据位移曲线绘制凸轮轮廓曲线或者凸轮轮廓包络线的凸轮类型有：圆盘顶尖推杆凸轮，圆盘滚子推杆凸轮，圆盘平板推杆凸轮，圆柱顶尖推杆凸轮，以及上述各种凸轮的对心和偏心的情况；本发明根据凸轮的轮廓绘制位移曲线的凸轮类型有：圆盘顶尖推杆凸轮，圆柱顶尖推杆凸轮，以及上述各种凸轮的对心和偏心的情况。本发明还具有位移曲线与轮廓曲线的分析、凸轮运动动力学分析、凸轮运动检验以及凸轮轮廓失真现象，并且实现凸轮的位移曲线可以任意给定、凸轮基本参数可以设置，能够全面准确的演示凸轮机构的原理，给凸轮机构的教学带来一种很好的工具。

附图说明

图1为本发明的装配结构示意图。

图2为本发明底盘传动机构的俯视结构示意图。

图3为本发明第一正交齿轮组的传动结构示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为本发明第二圆锥齿轮组的传动结构示意图。

图6为本发明白色布带的传动结构示意图。

图7为本发明推杆底板的结构示意图。

图8为本发明推杆与直线轴承导轨之间的连接结构示意图。

图9为本发明画笔部件底盘的结构示意图。

图10为图9中曲柄滑块机构的的仰视图。

图11为本发明采用的尖头画笔的结构示意图。

图12为本发明采用的直线笔头画笔的结构示意图。

图13为本发明采用的环形笔头画笔的结构示意图。

图14为本发明线阵CCD的结构示意图。

图15为本发明线阵CCD竖直扫描位移曲线的示意图。

图16为本发明线阵CCD水平扫描位移曲线的示意图。

图中：第一主动直齿轮1、第一从动直齿轮2、第二从动直齿轮3、第二主动直齿轮4、第一主动圆锥齿轮5、第一从动圆锥齿轮6、 第二从动直齿轮7、 第二主动圆锥齿轮8、第二从动圆锥齿轮9、第一主动正交齿轮10、第一从动正交齿轮11、第一步进电机12、 第二传动轴13、 第一传动轴14、第三传动轴15、带传动主动轴16、带传动从动轴套筒17、带传动从动轴18、白色布带19、第一圆盘20、 第一转轴21、第二转轴22、 第二圆盘23、圆柱筒24、第二步进电机25、第三主动直齿轮26、推杆27、第三从动直齿轮28、画笔部件底盘29、线阵CCD30、线阵CCD安装板31、舵机32、曲柄33、连杆34、带夹子的滑块35、画笔36、安装杆37、画笔底盘38、上光杆39、下光杆40、推杆底板41、左立柱42、右立柱43、底盘44、第一支撑座45、第二支撑座46、直线轴承导轨47、带固定块的直线轴承48、丝杆套筒49。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1～10，本发明提出一种凸轮机构研究仪，包括由底盘44、左立柱42、右立柱43组成的机架，机架下部设有第一传动轴14、第二传动轴13和第三传动轴15，第三传动轴15两端分别由底盘44上的第一支撑座45和第二支撑座46支撑，第一传动轴14两端分别设有第一直齿轮组和第二直齿轮组，第一直齿轮组由第一步进电机12驱动，第二直齿轮组中第一从动直齿轮2通过第二传动轴13与第一圆锥齿轮组相5连，第二直齿轮组中第二从动直齿轮3通过第三传动轴15分别与第二圆锥齿轮组和第一正交齿轮组相连，第三传动轴15贯穿第二从动齿轮3且第二圆锥齿轮组和第一正交齿轮组分别位于第三传动轴15两端，第一主动正交齿轮10与第三传动轴15同轴安装，第一从动正交齿轮11位于第三传动轴上15方，且第一从动正交齿轮11的中心线与第三传动轴15的轴线正交，第一从动正交齿轮11设置在第二转轴22上，第二转轴22的外侧固定有第二圆盘23；第一圆锥齿轮组的从动齿轮设置带传动主动轴16上，带传动主动轴16通过白色布带19与带传动从动轴18相连，所述白色布带19位于机架的中部；第二圆锥齿轮组的从动齿轮设置在第一转轴21上，第一转轴21上端同轴固定安装第一圆盘20，第一圆盘20上同轴固定安装圆柱筒24；

机架上部设有推杆底板41，推杆底板41通过上光杆39、下光杆40与机架相连，推杆底板41上设有第三直齿轮组和推杆27，第三主动直齿轮26由第二步进电机25驱动，推杆27通过丝杆套筒49贯穿第三从动直齿轮28，推杆27是由上部的丝杆和下部的方形杆焊接而成，方形杆通过直线轴承滑块与直线轴承平行连接，直线轴承用于约束丝杆的周向转动，第三直齿轮的从动轮中心有套筒，套筒内孔有与丝杆啮合的内螺纹，由于直线轴承对推杆的周向转动的约束形成相对运动，从而将第三直齿轮回转运动传递为推杆上下移动。

方形杆的下部设置画笔部件底盘29，线阵CCD 30通过线阵CCD安装板31与画笔底盘相连,线阵CCD30与白色布带19对应，画笔部件底盘29垂直设置安装杆37，安装杆37末端设置画笔底盘29，画笔底盘29上设有带夹子的滑块35，夹子上夹持画笔36，并使画笔36接触第二圆盘23或圆柱筒24，画笔底盘29上的舵机32通过曲柄33、连杆34机构与滑块相连。

其中第一圆锥齿轮组、第二圆锥齿轮组的圆锥齿轮均为45°圆锥齿轮，第一正交齿轮组的正交齿轮均为45°正交齿轮。

参照图2～6，第一圆盘20、第二圆盘23的同周期运动。圆盘凸轮的圆盘转动一圈，圆柱凸轮的圆柱筒24也要转动一圈，同时安装好白色布带19的带传动机构的白色布带19也要转动一圈，并且都是匀速同步调运动。驱动方式是用步进电机驱动，同周期运动的实现方式是齿轮的传动，此外，由于考虑到带传动张紧力的问题，带传动的中心距在一定的范围内可以调节。带传动主动轴16贯穿第一从动圆锥齿轮6，带传动主动轴16上面部分是套筒，并且套筒和轴之间没有相对转动；套筒和带传动从动轴18之间可以相对转动，而且摩擦很小。带传动主动轴16和带传动从动轴18之间的位置可以调节，从而实现白色布带传动中心距可以调节。第一直齿轮组的传动比为1:2，第二直齿轮组传动第三传动轴的传动比为1:3，第二直齿轮组传动第二传动轴的传动比为1:1，第一圆锥齿轮组的传动比为3:1，第二圆锥齿轮组的传动比为1:1，第一正交齿轮组的传动比为1:1。带传动主动轴、带传动从动轴的直径D=60mm，白色布带总长为L=9πD=1696.5mm,带传动主动轴、带传动从动轴的中心距=754.00mm。

参照图7-8，第二步进电机25带动第三主动直齿轮26转动，从而第三从动直齿轮28转动，第三从动直齿轮28中心固定安装丝杆套筒49，套筒孔有内螺纹与推杆27上部的丝杆啮合。推杆 27 为焊接件，其上面部分是标准螺纹传动丝杆，下面部分是正方形杆，通过焊接成型。推杆下部正方形杆与直线轴承导轨47通过滑块48的连接，如图8所示，直线轴承导轨47固定不动，从而约束推杆27的周向转动，而带滑块的直线轴承48在直线轴承导轨47上可以上下滑动，故轴线轴承导轨对推杆27上下运动没有约束。第三从动直齿轮28转动，带动丝杆套筒49转动，由于套筒内孔的内螺纹和推杆上部的丝杆啮合，形成螺纹传动，但由于推杆周向方向已经被约束，进而实现推杆的上下运动，即把第三从动直齿轮的圆周运动传递为推杆27的上下直线运动。

参照图9-10，画笔部件实现的功能是：第一，安装线阵CCD；第二：安装画笔，使画笔接触圆盘或者圆柱筒，也可以使其做直线的来回运动；画笔直线往复运动的；驱动方式为舵机；以舵机为驱动件，连接曲柄33，连杆34，以及滑块35构成曲柄滑块机构实现来回的直线运动。当需要将画笔36固定接触到圆盘或者圆柱筒，舵机转动到合适的角度然后固定不动；当需要来回直线运动时，舵机在一定的角度范围内转动。此外，安装杆为螺纹杆，可以上下移动来调节画笔的位置高度。

本发明中，画笔有三种模式可以更换。画笔机构有三种工作状态：

参照图11，当笔头更换为尖头画笔，此时舵机和曲柄滑块固定不动时，且使画笔接触第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘，可以实现顶尖推杆凸轮的轮廓线绘制；

参照图12，当笔头更换为直线笔头画笔，使舵机带动曲柄滑块来回运动，使直线笔头往复在第二圆盘上打印，可以实现平底推杆凸轮包络线的绘制。

参照图13，当笔头更换为环形笔头时，此时使舵机带动曲柄滑块来回运动，使圆圈笔头往复在第二圆盘上打印，可以实现滚子推杆凸轮包络线的绘制。

本发明的机架上还设有控制系统，控制系统由两块单片机组成：分别是8051和xs128；8051用于控制第一步进电机12的转动以及推杆部分的舵机32运动；xs128用于收集线阵CCD数据，并且实时控制第二步进电机的转动。

本发明的控制过程为：第一步进电机的控制、第二步进电机的控制、舵机的控制是独立的；第一步进电机实现匀速转动，其速度可以调节；舵机实现某一个角位置固定和在一个角范围内来回转动。推杆部分的信息处理与控制：线阵CCD采集线条数据，然后将这个数据传送给xs128，xs128计算这个线条的位置，然后根据算法来驱动推杆部分的第二步进电机，使得在推杆上的线阵CCD始终能够跟踪线条，实现视觉跟踪。

在具体实施中，在一张白色布带上用黑色油笔画出需要分析的凸轮的位移曲线，这条位移曲线可以是任意的，也可以是按照某种公式或者运动规律，然后将这个白色布带安装到仪器的带传动主动轴和带传动从动轴上，然后线阵CCD开始读取白色布带上曲线数据，获得曲线的位置，然后将数据传送给控制中心，控制中心发送信号控制第二步进电机开启，驱动推杆27上下运动，进而线阵CCD安装板向上或者向下移动，线阵CCD安装板在安装杆上，即安装杆37向上或向下动，线阵CCD30也向上或向下动，使得白布上的曲线刚好在线阵CCD的中点位置，然后，打开第一步进电机，通过第三直齿轮组传动，白色布带和第一圆盘开始转动，同时线阵CCD也在自动实时的读取白色布带上曲线的位置数据，然后实时驱动第二步进电机，进行视觉跟踪，使得位移曲线始终在线阵CCD的中点，从而实现推杆跟随位移曲线进行上下运动。

本发明应用于机械原理教学中对不同类型凸轮的轮廓设计、凸轮运动检验、凸轮运动动力学分析、凸轮运动仿真、以及凸轮轮廓失真现象等研究。

凸轮的轮廓设计：操作者可以在位移曲线白色布带上手绘出任意的凸轮位移曲线，通过线阵CCD的捕捉，将信号传输到单片机的控制系统，进而控制步进电机带动推杆的运动，使推杆实时跟踪凸轮仪的位移曲线，最终绘制出相对应的凸轮轮廓曲线。

为了得到平底推杆凸轮、带滚子的推杆凸轮等的轮廓线，可以设计了不同笔头，有普通型的，圆圈型的，直线型的。使用圆圈型笔头完成滚子推杆凸轮的轮廓包络线设计，使用直线型笔头完成平底推杆凸轮轮廓包络线设计。在绘制包络线时，画笔底板上的舵机转动，有曲柄滑块构成的直线运动，可以往复地在第二圆柱和圆盘上打印，当一个周期内打印频率达到一定时，就近似形成包络线。

凸轮运动检验和仿真：在把线阵CCD和画笔调换位置之后，可以通过检测已经设计好的凸轮轮廓，通过线阵CCD的捕捉，将信号传输到单片机的控制系统，进而控制步进电机带动推杆的运动，最终绘制出相对应的凸轮位移曲线，从而实现凸轮的检测。

凸轮运动动力学分析：采用单片机控制第二步进电机的运动，记录出第二步进电机的转动角度，第二步进电机转动的角度和推杆的位置成函数关系，所以可以得出推杆的位置数据，利用这些可以得到的凸轮的位置数据组，通过串口传送到上位机，在利用数值分析的方法，得到凸轮运动的速度数据组、和加速度数据组，并且可以绘制出相应的函数图像，实现凸轮运动的动力学分析。

凸轮轮廓失真：如图1所示，推杆底盘是安装在上光杆和下光杆上，在水平方向推杆底盘可以左右移动，进而可以实现推杆与第二圆盘对心和偏心情况。而且在上光杆上有刻度，进而可以设置具体的圆盘凸轮的偏心距。画笔底盘上的安装杆为螺纹结构的零件，其高度可以调节，进而可以实现对凸轮基圆半径大小不同的调节。通过这两种方式实现对凸轮基本参数，即基圆半径和偏心距的设定。根据机械原理，偏心距增大和基圆半径减小时可能出现凸轮失真的现象。观察在偏心距增大和基圆半径减小两种改变的情况下，根据同一位移曲线设计出来的凸轮轮廓有没有失真现象，也就是同一条位移曲线可以根据基圆半径不同和偏心距的不同设计出无数的凸轮轮廓，但是有些基圆半径和偏心距会导致失真。

移动推杆的位置到圆柱筒上面时，可以进行圆柱凸轮的分析。

本发明中，线阵CCD处理数据的算法分为两个部分：

1）顶尖推杆凸轮和滚子推杆凸轮的位移曲线或者轮廓曲线的视觉跟踪的算法描述如下：

如图15所示，线阵CCD感光阵列竖直放置，在线阵CCD感光阵列中间标记一段区间，当采集到的曲线的信号在这段区间范围内时，线阵CCD感光阵列的位置和曲线的位置同步。当采集到的曲线的信号处于这段区间之上时，说明曲线的位置高于线阵CCD感光阵列中点的位置，此时控制第二步进电机，使推杆向上运动，即抬高线阵CCD的位置，直到采集到的曲线的信号处于线阵CCD感光阵列中间标记的区间内，停止第二步进电机运动。同理，当采集到的曲线的信号处于这段区间之下时，控制第二步进电机反向运动，使推杆向下运动，直到采集到的曲线的信号始终处于中间标记区间内。通过线阵CCD的连续检测，和第二步进电机的连续调整，实现线阵CCD对曲线的实时跟踪。

例如，参照图14，线阵CCD的a区域为线阵CCD感光阵列的中间区域，为了便于说明将感光单元减少为16个感光单元的线阵CCD，实际使用的感光单元个数为128个，此例中编程设置a部分为中间的4个感光单元。

当曲线处于线阵CCD中间时，检测到的数据信号为：

0000 0001 1000 0000

其中0代表感光单元检测到的灰度值最高，为白色的信号，1代表检测到的灰度值最低，为黑色的信号。这组信号的物理意义是11部分为黑色，即为线阵CCD与黑线的交点，两段其余部分为白色。11部分处于数据的a区域内，说明黑线与线阵CCD的交点刚好处于线阵CCD感光阵列的中点。

当曲线往上移动时，得到的数据信号为：

0000 1100 0000 0000

此时得到的11数据的位置在a区域左边，说明线阵CCD与黑线的交点在线阵CCD中点的上面。于是单片机控制控制推杆往上移动，进而使得线阵CCD的位置也使它往上移动，直至满足在11数据完全在a区域内：

0000 0011 0000 0000

那么，这是就实现了线阵CCD与曲线的位置视觉跟踪。

采用这种算法的好处在于：我们可以设置a 部分的区域，用于控制判断黑线位置的精度，进而得到较理想的作图曲线。如果把a部分设置窄，那么得到的图像会更加精确，而且，反应也会很灵敏，即作图可能会出现毛刺；所以可以适当的放宽a区域的范围。但是，如果a 部分设置过窄会导致形成的曲线不够光滑，甚至不能凸轮轮廓不能封闭。所以，通过合理的设置a 部分的大小，可以选择在操作环境和精度要求下的理想作图模式。由于采用这种闭环的机电系统，执行部件的精度能够得到保证。

2）平底推杆凸轮轮廓曲线视觉跟踪算法如下：

如图16所示，线阵CCD感光阵列水平放置，采集曲线的信号，当线阵CCD采集的数据中反映有两处黑点数据时，说明这时线阵CCD的位置在曲线最高点切线的下方，如图所示。这时需要控制第二步进电机，使推杆和线阵CCD向上移动。当线阵CCD采集的数据中反映没有黑点数据时，说明这时线阵CCD的位置在曲线最高点切线上方，这时需要控制步进电机，是推杆和线阵CCD向下移动。直到，在线阵CCD采集的数据中只有一个黑点数据，这时线阵CCD恰好在曲线最高点切线的位置。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。 

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种凸轮机构研究仪，其特征在于：包括由底盘、左立柱、右立柱组成的机架，机架下部设有第一传动轴、第二传动轴和第三传动轴，第三传动轴两端分别由底盘上的第一支撑座和第二支撑座支撑，第一传动轴两端分别设有第一直齿轮组和第二直齿轮组，第一直齿轮组由第一步进电机驱动，第二直齿轮组中第一从动直齿轮通过第二传动轴与第一圆锥齿轮组相连，第二直齿轮组中第二从动直齿轮通过第三传动轴分别与第二圆锥齿轮组和第一正交齿轮组相连，第三传动轴贯穿第二从动齿轮且第二圆锥齿轮组和第一正交齿轮组分别位于第三传动轴两端，第一正交齿轮组的主动齿轮与第三传动轴同轴安装，第一正交齿轮组的从动齿轮位于第三传动轴上方，且第一正交齿轮组的从动齿轮的中心线与第三传动轴的轴线正交，第一正交齿轮组的从动齿轮设置在第二转轴上，第二转轴的外侧固定有第二圆盘；第一圆锥齿轮组的从动齿轮设置带传动主动轴上，带传动主动轴通过白色布带与带传动从动轴相连，所述白色布带位于机架的中部；第二圆锥齿轮组的从动齿轮设置在第一转轴上，第一转轴上端安装第一圆盘，第一圆盘上设置圆柱筒，所述白色布带和第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘同周期转动，并且在第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘上可以粘贴更换白纸，用于绘制凸轮轮廓曲线或者包络线；

机架上部设有推杆底板，推杆底板通过上光杆、下光杆与机架相连，推杆底板上设有第三直齿轮组和推杆，第三直齿轮组的主动齿轮由第二步进电机驱动，推杆通过套筒贯穿第三直齿轮组的从动齿轮，推杆是由上部的丝杆和下部的方形杆焊接而成，方形杆通过直线轴承滑块与直线轴承平行连接，直线轴承用于约束丝杆的周向转动，第三直齿轮的从动轮中心有套筒，套筒内孔有与丝杆啮合的内螺纹；方形杆的下部设置画笔部件底盘，线阵CCD通过线阵CCD安装板与画笔底盘相连,线阵CCD进行视觉跟踪读取白色布带上曲线数据，并获得曲线的位置，然后将数据发送给控制系统，然后控制系统控制第二步进电机，带动推杆上下运动来实时跟踪白色布带上的位移曲线；画笔部件底盘垂直设置安装杆，安装杆末端设置画笔底盘，画笔底盘上设有带夹子的滑块，夹子上夹持画笔，滑块通过曲柄连杆机构与舵机相连并构成曲柄滑块机构，实现画笔接触第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘，或者往复在第一圆盘上的圆柱筒或第二圆盘上打印轮廓曲线。

2.根据权利要求1所述的凸轮机构研究仪，其特征在于：第一圆锥齿轮组、第二圆锥齿轮组的圆锥齿轮均为45°圆锥齿轮，第一正交齿轮组的正交齿轮均为45°正交齿轮。

3.根据权利要求1所述的凸轮机构研究仪，其特征在于：带传动主动轴、带传动从动轴均安装有套筒，白色布带设置在套筒上，套筒和带传动主动轴之间没有相对转动，套筒和带传动从动轴之间可以相对转动，且带传动主动轴和带传动从动轴之间的位置可以调整。

4.根据权利要求1所述的凸轮机构研究仪，其特征在于：安装杆通过螺纹活动安装在画笔部件底盘上，并通过安装杆调节画笔底盘与画笔部件底盘之间的间距。

5.根据权利要求1所述的凸轮机构研究仪，其特征在于：第一直齿轮组的传动比为1:2，第二直齿轮组传动第三传动轴的传动比为1:3，第二直齿轮组传动第二传动轴的传动比为1:1，第一圆锥齿轮组的传动比为3:1，第二圆锥齿轮组的传动比为1:1，第一正交齿轮组的传动比为1:1。

6.根据权利要求1或5所述的凸轮机构研究仪，其特征在于：带传动主动轴、带传动从动轴的直径为D，白色布带总长为L=9πD，带传动主动轴、带传动从动轴的中心距                                                。

7.根据权利要求1的所述的凸轮机构研究仪，其特征在于：所述的凸轮机构研究仪配置三种画笔，当画顶尖推杆凸轮时用尖头的油笔，当画平底推杆凸轮时用特制的直线笔头，当画滚子推杆凸轮时用环形笔头。

8.根据权利要求1～7的所述的凸轮机构研究仪，其特征在于：由控制系统、线阵CCD以及机器构成一个闭环的机电一体化系统。