CN107273644A - 一种高速稳定凸轮设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高速稳定凸轮设计方法，包括如下步骤：确定凸轮轮廓曲线，具体如下：将凸轮轮廓曲线分为等速段、静止段和正弦加速度段；将正弦加速度段进行分段处理；假设凸轮基圆半径为r0，从动件升程为h，0为凸轮转角，s为凸轮转角0时的位移，v为凸轮转角θ时的速度，a为凸轮转角0时的加速度，ω为凸轮转角0时的角速度，凸轮轮廓曲线的生成；对凸轮轮廓曲线偏置，重新生成凸轮轮廓曲线；确定凸轮本体滑槽的位置；确定凸轮本体内的平稳孔位置和大小。本发明可以使高速运动过程中，凸轮驱动系统的振幅最小，从而减小从动件的输出运动与输入运动的动态误差，同时减小附加动载荷，减少系统噪声与磨损，提高使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及凸轮设计领域，特别涉及一种高速稳定凸轮设计方法。
背景技术
由于凸轮在操作转速，运动精度，结构刚度，生产成本等方面许多优良特性，凸轮组件是在网机、织机中大量使用，是网机、织机重要工作部件，随着生产率的提高，机器的运转速度日益提高，其在工作过程中高速运转，如何保证凸轮组件的高速、稳定运行是凸轮机构设计的重要目标。2012年，王曦等提供了一种变焦凸轮曲线的快速设计优化方法，解决了传统凸轮曲线的升角难以控制的问题；伍良前等提出了一种凸轮型线平滑优化设计方法，利用优化后的型线表加工出振纹较小的凸轮；2014年，朱世林等提出了一种数控磨床凸轮磨削的速度优化控制方法，解决了常用的恒角速度磨削产生的非线性弹性变形和恒线速度磨削的过切或切削不充分现象；闰世民提出了一种数控凸轮铣床铣削速度优化控制方法，每种产品只需制作一次控制参数，导入数控程序中，即可永久使用。
但是，当凸轮高速运行时，凸轮与从动件之间会产生振动，同时摩擦力也增大，并产生高温，缩短了凸轮工作寿命，且在高速运转使用过程中产生严重噪音。现已有的专利对凸轮轮廓曲线进行了优化，并对缝制装置中的凸轮机构进行了改进，采用滚针结构，增加了通风孔，一定程度上减少了振动与摩擦，降低了噪声，这种改进并不适用于网机、织机中的大体量凸轮优化。若在高速运动过程中使用弹性从动件，从动件弹性引起的机械振动迫使从动件实际运动偏离理论运动规律,产生动态运动误差和停歇时的定位误差。这对网机、织机的上勾、下勾定位不利。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种高速稳定凸轮设计方法，可以使高速运动过程中，凸轮驱动系统的振幅最小，从而减小从动件的输出运动与输入运动的动态误差，同时减小附加动载荷，减少系统噪声与磨损，提高使用寿命。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种高速稳定凸轮设计方法，包括如下步骤：
S01：确定凸轮轮廓曲线，具体如下：
S01.1：将凸轮轮廓曲线分为等速段、静止段和正弦加速度段；
S01.2：将正弦加速度段进行分段处理；
S01.3：假设凸轮基圆半径为r0，从动件升程为h，0为凸轮转角，s为凸轮转角0时的位移，v为凸轮转角θ时的速度，a为凸轮转角0时的加速度，ω为凸轮转角0时的角速度，凸轮轮廓曲线的生成；
S01.4：对凸轮轮廓曲线偏置，重新按照S01.3生成凸轮轮廓曲线；
S02：确定凸轮本体滑槽的位置；
S03：确定凸轮本体内的平稳孔位置和大小。
进一步，所述S01.1具体为将360°内凸轮轮廓曲线分为等速段、静止段和正弦加速度段，等速段的范围为[0°，θ1]、静止段的范围为[θ1，θ2]、正弦加速度段的范围为[θ2，360°]，其中，θ1、θ2为分段点的凸轮转角。
进一步，所述S01.2具体为将正弦加速度段分为4段，第一段的范围为表示周期为Ta的正弦加速度曲线；第二段的范围为表示周期为3Ta的正弦加速度曲线；第三段的范围为表示周期为3Td的正弦加速度曲线，第四段的范围为表示周期为Td的正弦加速度曲线，其中θ2+Ta+Td＝360°。
进一步，所述S01.3具体为：
[0°，θ1]的等速段曲线生成方法：
v＝ωr0，
a＝0；
[θ1，θ2]的静止段曲线生成方法：
s＝h，
v＝0，
a＝0；
[θ2，360°]的正弦加速度段曲线生成方法：
第一段
第二段
第三段
第四段
其中，θ01、θ02、θ03、θ04为初始值，满足下面不等式：
ai＝2πhω2 sin(2πθ/θi)/θi 2≤5.53，其中i∈(01,02,03,04)。
进一步，所述正弦加速度段中θ01＝Ta、θ02＝3Ta、θ03＝3Td和θ04＝Td。
进一步，所述S01.4具体为：根据高速时速度大小与速度方向对凸轮轮廓曲线的影响，将凸轮轮廓曲线沿旋转方向的反方向设置偏置α，凸轮转角修正为θ'＝(θ-α)，将θ'代替S01.3中θ，重新生成修正后的凸轮轮廓曲线。
进一步，所述S02具体为：在凸轮轮廓曲线的基础上等距偏移，得到滑槽的轮廓曲线。
进一步，所述滑槽为球形滑槽。
进一步，所述S03具体为：计算凸轮本体绕旋转中心的偏心质量m和偏心距e；确定设置的平稳孔位置和大小，使修正后凸轮本体绕旋转中心的偏心质量和偏心距的值接近于0，用于确保凸轮高速旋转时，凸轮驱动系统的振幅最小。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的高速稳定凸轮设计方法，设计了正弦加速度运动规律，取得了从动件速度与加速度的一个较好的均衡，凸轮在网机等高负载条件下，具有较高的运转速度时，仍能保持稳定运行。
2.本发明所述的高速稳定凸轮设计方法，凸轮轮廓曲线设计考虑了高速时速度大小与速度方向对凸轮轮廓曲线的影响，将凸轮轮廓曲线沿旋转方向的反方向做了一个偏置，以消除高速运行时旋转切线动量对从动件的冲击。
3.本发明所述的高速稳定凸轮设计方法，通过设置平稳孔，使凸轮驱动系统的偏心质量m和偏心距e的值接近于0，从而凸轮高速旋转时，凸轮驱动系统的振幅最小，从而减小从动件的输出运动与输入运动的动态误差，同时减小附加动载荷，减少系统噪声与磨损，提高使用寿命。
附图说明
图1为本发明所述高速稳定凸轮结构图。
图2为本发明所述正弦加速度段运动曲线图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1所示，已知凸轮基圆半径为r0＝176mm，凸轮的设计升程为h＝30.1mm，凸轮的角速度ω＝2rad/s，根据如下步骤设计凸轮：
S01：确定凸轮轮廓曲线，具体如下：
S01.1：将凸轮轮廓曲线分为等速段、静止段和正弦加速度段；
将360°内凸轮轮廓曲线分为等速段、静止段和正弦加速度段，等速段的范围为[0°，θ1]、静止段的范围为[θ1，θ2]、正弦加速度段的范围为[θ2，360°]，其中，θ1、θ2为分段点的凸轮转角，本实施例的θ1＝110°，θ2＝190°。
S01.2：将正弦加速度段进行分段处理；
如图2所示的正弦加速度段运动曲线图，将正弦加速度段分为4段，第一段的范围为表示周期为Ta的正弦加速度曲线；第二段的范围为表示周期为3Ta的正弦加速度曲线；第三段的范围为表示周期为3Td的正弦加速度曲线，第四段的范围为表示周期为Td的正弦加速度曲线，其中θ2+Ta+Td＝360°。本实施例中Ta＝70°，Td＝100°，即第一段的范围为[190°,207.5°]，第二段的范围为[207.5°,260°]，第三段的范围为[260°,335°]，第四段的范围为[335°,360°]。
S01.3：假设0为凸轮转角，s为凸轮转角0时的位移，v为凸轮转角0时的速度，a为凸轮转角0时的加速度，ω为凸轮转角0时的角速度，凸轮轮廓曲线的生成：
[0°，110°]的等速段曲线生成方法：
v＝ωr0＝352，
a＝0；
[110°，190°]的静止段曲线生成方法：
s＝30.1，
v＝0，
a＝0；
[190°，360°]的正弦加速度段曲线生成方法：
第一段[190°,207.5°]：
第二段[207.5°,260°]：
第三段[260°,335°]：
第四段[335°,360°]：
其中，θ01、θ02、θ03、θ04为初始值，满足下面不等式：
ai＝2πhω2 sin(2πθ/θi)/θi 2≤5.53，其中i∈(01,02,03,04)。
满足不等式可以取得凸轮从动件的速度与加速度的一个较好的均衡。本发明中，凸轮轮廓曲线设计考虑了高速时速度大小与速度方向对凸轮轮廓曲线的影响，将凸轮轮廓曲线沿旋转方向的反方向做了一个偏置，以消除高速运行时旋转切线动量对从动件的冲击。
因此，本实施例中的θ01＝Ta＝70°，θ02＝3Ta＝210°，θ03＝3Td＝300°，θ04＝Td＝100°；
S01.4：对凸轮轮廓曲线偏置，重新按照S01.3生成凸轮轮廓曲线；
根据高速时速度大小与速度方向对凸轮轮廓曲线的影响，将凸轮轮廓曲线沿旋转方向的反方向设置偏置α，凸轮转角修正为θ'＝(θ-α)，将θ'代替S01.3中θ，重新生成修正后的凸轮轮廓曲线，本例中α＝0.5°。本凸轮轮廓曲线设计考虑了高速时速度大小与速度方向对凸轮轮廓曲线的影响，将凸轮轮廓曲线沿旋转方向的反方向做了一个偏置，以消除高速运行时旋转切线动量对从动件的冲击。
S02：确定凸轮本体滑槽的位置；在凸轮轮廓曲线的基础上等距偏移，得到滑槽的轮廓曲线，所述滑槽为球形滑槽。本实施例中球形滑槽半径为2mm。
S03：确定凸轮本体内的平稳孔位置和大小。计算凸轮本体绕旋转中心的偏心质量m和偏心距e；确定设置的平稳孔位置和大小，使修正后凸轮本体绕旋转中心的偏心质量和偏心距的值接近于0，用于确保凸轮高速旋转时，凸轮驱动系统的振幅最小。
当凸轮驱动系统的速度很高，接近其共振转速时，高速旋转凸轮的不平衡量产生的离心力的激励会引起凸轮驱动系统的强迫振动：
其中M为凸轮质量，m为转子总偏心质量，k为从动件刚度因子，c为从动件阻尼系数；
激振频率f与转速ω成正比；凸轮驱动系统的振幅与凸轮驱动系统的偏心质量m和偏心距e以及转速ω的平方成正比；当ω＝ωn时，凸轮驱动系统发生共振。发明专利中凸轮本体设计模块的特点是：在凸轮本体通过设置平稳孔机构，使凸轮驱动系统的偏心质量m和偏心距e的值接近于0，当凸轮高速旋转时，凸轮驱动系统的振幅最小，从而减小从动件的输出运动与输入运动的动态误差，同时减小附加动载荷，减少系统噪声与磨损，提高使用寿命。
假设平稳孔1与平稳孔2的质量分别为m1与m2，凸轮的回转中心为坐标原点，平稳孔1与平稳孔2的质心到凸轮旋转中心的距离分别为r1与r2，平稳孔1与平稳孔2的中心到凸轮旋转中心与x轴夹角分别为α1和α2，平稳孔1质心的坐标为(α1，r1)，平稳孔2质心的坐标为(α2，r2)，平稳孔1与平稳孔2长半轴分别为a1、a2，短半轴分别为b1、b2。在本实施中，凸轮质量M为27kg，m1与m2均为0.86kg，a1＝a2＝18.5mm，b1＝9.6mm、b2＝-9.6mm，r1和r2均为197.5mm，α1＝2.5°、α2＝-2°，k取94661.83N/mm，c取102.157Ns/m，挖去平稳孔1与平稳孔2后，凸轮驱动系统的偏心质量m、偏心距e和振幅Ax，Ay均可视为0。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种高速稳定凸轮设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：确定凸轮轮廓曲线，具体如下：
S01.1：将凸轮轮廓曲线分为等速段、静止段和正弦加速度段；
S01.2：将正弦加速度段进行分段处理；
S01.3：假设凸轮基圆半径为r0，从动件升程为h，0为凸轮转角，s为凸轮转角0时的位移，v为凸轮转角θ时的速度，a为凸轮转角0时的加速度，ω为凸轮转角0时的角速度，凸轮轮廓曲线的生成；
S01.4：对凸轮轮廓曲线偏置，重新按照S01.3生成凸轮轮廓曲线；
S02：确定凸轮本体滑槽的位置；
S03：确定凸轮本体内的平稳孔位置和大小。
2.根据权利要求1所述的高速稳定凸轮设计方法，其特征在于，所述S01.1具体为将360°内凸轮轮廓曲线分为等速段、静止段和正弦加速度段，等速段的范围为[0°，θ1]、静止段的范围为[θ1，θ2]、正弦加速度段的范围为[θ2，360°]，其中，θ1、θ2为分段点的凸轮转角。
3.根据权利要求1所述的高速稳定凸轮设计方法，其特征在于，所述S01.2具体为将正弦加速度段分为4段，第一段的范围为表示周期为Ta的正弦加速度曲线；第二段的范围为表示周期为3Ta的正弦加速度曲线；第三段的范围为表示周期为3Td的正弦加速度曲线，第四段的范围为表示周期为Td的正弦加速度曲线，其中θ2+Ta+Td＝360°。
4.根据权利要求3所述的高速稳定凸轮设计方法，其特征在于，所述S01.3具体为：
[0°，01]的等速段曲线生成方法：
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a＝0；
[01，02]的静止段曲线生成方法：
s＝h，
v＝0，
a＝0；
[02，360°]的正弦加速度段曲线生成方法：
第一段
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</mrow>
其中，θ01、θ02、θ03、θ04为初始值，满足下面不等式：
<mrow>
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<mi>i</mi>
</msub>
<mo>&le;</mo>
<mn>1.76</mn>
</mrow>
其中i∈(01,02,03,04)。
5.根据权利要求4所述的高速稳定凸轮设计方法，其特征在于，所述正弦加速度段中θ01＝Ta、θ02＝3Ta、θ03＝3Td和θ04＝Td。
6.根据权利要求1所述的高速稳定凸轮设计方法，其特征在于，所述S01.4具体为：根据高速时速度大小与速度方向对凸轮轮廓曲线的影响，将凸轮轮廓曲线沿旋转方向的反方向设置偏置α，凸轮转角修正为θ'＝(θ-α)，将θ'代替S01.3中θ，重新生成修正后的凸轮轮廓曲线。
7.根据权利要求1所述的高速稳定凸轮设计方法，其特征在于，所述S02具体为：在凸轮轮廓曲线的基础上等距偏移，得到滑槽的轮廓曲线。
8.根据权利要求6所述的高速稳定凸轮设计方法，其特征在于，所述滑槽为球形滑槽。
9.根据权利要求1所述的高速稳定凸轮设计方法，其特征在于，所述S03具体为：计算凸轮本体绕旋转中心的偏心质量m和偏心距e；确定设置的平稳孔位置和大小，使修正后凸轮本体绕旋转中心的偏心质量和偏心距的值接近于0，用于确保凸轮高速旋转时，凸轮驱动系统的振幅最小。
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