CN108230870B - 一种凸轮实验教学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械原理机构学技术领域，提供了一种凸轮实验教学装置，它可以实现系统高副的快速匹配，使从动件的偏置距可以实时调整，不同规律凸轮可以方便更换。双导轨设计提供了良好的支撑刚度，表面处理增强了导轨的耐磨性，确保偏置调整单元长期运行的稳定性。从动件特殊的变换结构，使得对它的操作更有效率。该结构除了大大提高变换速度外，还很好的保证了变换的位置误差控制。凸轮除了满足整体更换外，还可以实现对凸轮部分参数调整变换的需求。该装置可以根据实验需求柔性的快速匹配高副系统的参数，配合百分表以及位移传感器，该实验装置可以实现，手动、自动检测模式，实现多种实验任务。
Description
技术领域
本发明属于机械原理机构学技术领域，特别涉及凸轮机构，具体为一种凸轮实验教学装置。
背景技术
凸轮是一种基本而重要的机械机构，具有结构简单紧凑，通过它可以比较简单的实现多种复杂运动，在一些半自动、自动机械中有着广泛的应用。
凸轮机构的内容抽象，学生学习较为困难，特别涉及到知识的综合运用。结合实验教学，对于相关内容的学习和理解有着事半功倍的效果。本装置是针对盘状凸轮类型配合的从动件而研制的。凸轮的轮廓规律曲线存在于轮缘，凸轮旋转，推动从动件，从而得到了相应的运动规律。
目前国内关于凸轮教学设备结构设计从定参数角度出发，针对特定的凸轮以及从动件进行定性或定量的测试分析。使得这些设备更多体现的是对给定凸轮规律与轮廓曲线的机械复现，而对学生知识综合运用、设计分析能力发挥反而体现的较弱。
这些设备要么是不能更改高副系统的参数，要么是缺乏实时设定的功能，要么是参数调整设定方式有不足，并不利于在教学实验中采用。当前凸轮实验教学的设备功能以及使用调整的局限性，并不利于在实验教学中发挥其应有的作用，更不利于相关知识的深入学习。为此结合教学需要实际，开发了新型凸轮实验教学装置。
发明内容
本发明针对目前凸轮实验教学中对于实验设备功能的实际需要，结合当前凸轮教学设备反映出的种种不足，本发明提供一种全新的实验装置，以及相关的使用方法。该装置具有结构简单、使用方便、可以灵活进行高副和从动件匹配、成本低等特点，可以很好满足凸轮实验教学的种种需要。
本发明的技术方案：
一种凸轮实验教学装置，包括实验凸轮1、滚子从动件2、尖顶从动件3、球形从动件4、平顶从动件5、旋转支撑架6、光电编码器7、柔性联轴器8、蜗轮蜗杆减速器9、调节手轮10、电机11、刚性联轴器12、偏置调节旋钮13、支撑横梁14、Y方向右导轨15、Y方向左导轨16、传动螺栓17、挡片18、X导轨19、上滑块20、下滑块21、导轨复位弹簧22、锁定孔23、锁定销24、从动件固定螺栓25、旋转件锁定螺栓26、锁定销弹簧27、传感器安装挡板28、设备底座29、安装调节座30、螺栓支撑座31、安装法兰盘32、刻度轮33、凸轮固定螺栓34、回转支承轴35、固定垫片36、Y方向导轨安装板37、安装板固定螺栓38、Y方向导轨固定螺栓39、上滑块固定螺栓40、电机固定座41、电机固定螺栓42；
所述的Y方向右导轨15和Y方向左导轨16通过Y方向导轨固定螺栓39固定在Y方向导轨安装板37上，Y方向导轨安装板37通过安装板固定螺栓38固定于设备底座29上；所述的支撑横梁14安装固定于Y方向右导轨15和Y方向左导轨16的顶部，其下表面设有挡片18；所述的传动螺栓17依次穿过支撑横梁14和挡片18，其端部通过偏置调节旋钮13限位于支撑横梁14外部，其尾部固定有螺栓支撑座31；所述的下滑块21在Y方向右导轨15和Y方向左导轨16形成的导轨内滑动，并通过传动螺栓17控制其滑动的位置；
所述的X导轨19通过上滑块20和上滑块固定螺栓40限位，并垂直固定于Y方向右导轨15和Y方向左导轨16的背面，X导轨19只能沿X方向滑动，其端部设有传感器安装挡板28；所述的导轨复位弹簧22一端固定在传感器安装挡板28上，另一端固定在上滑块20的端面，用于实现X导轨19的复位；
所述的滚子从动件2、尖顶从动件3、球形从动件4和平顶从动件5通过回转支承轴35活动连接在旋转支撑架6上，四者在旋转支撑架6上呈对称分布，通过转动旋转支撑架6实现四种选择；通过X导轨19带动旋转支撑架6沿X向运动；
所述的安装调节座30固定在设备底座29上；实验凸轮1通过固定垫片36和凸轮固定螺栓34安装于蜗轮蜗杆减速器9的安装法兰盘32上，并与蜗轮蜗杆减速器9保持同步转动；实验凸轮1的中心与旋转支撑架6的中心在同一水平线上；安装法兰盘32安装在刻度轮33上，安装法兰盘32和刻度轮33通过凸轮固定螺栓34固定为一体；
所述的光电编码器7通过柔性联轴器8与蜗轮蜗杆减速器9相连接；调节手轮10用于手动旋转蜗轮蜗杆减速器9的蜗杆，进而带动安装法兰盘32驱动刻度轮33和实验凸轮1工作；
所述的蜗轮蜗杆减速器9下部安装有安装调节座30，使得实验凸轮1的回转中心与旋转支撑架6的中心在同一水平线上；所述的电机11通过电机安装座41，利用电机固定螺栓42将电机11固定于设备底座29上；
所述的锁定孔23有8个，分别对应在滚子从动件2、尖顶从动件3、球形从动件4、平顶从动件5在旋转支撑架6对应安装位置的两侧；锁定销24位于X导轨19上，锁定销弹簧27作用在锁定销24，锁定销24与锁定孔23就位时提供弹力。
本发明的有益效果：本发明提供一种全新的实验装置，它可以实现系统高副的快速匹配，使从动件的偏置距可以实时调整，不同规律凸轮可以方便更换。双导轨设计提供了良好的支撑刚度，表面处理增强了导轨的耐磨性，确保偏置调整单元长期运行的稳定性。从动件特殊的变换结构，使得对它的操作更有效率。该结构除了大大提高变换速度外，还很好的保证了变换的位置误差控制。凸轮除了满足整体更换外，还可以实现对凸轮部分参数调整变换的需求。该装置可以根据实验需求柔性的快速匹配高副系统的参数，配合百分表以及位移传感器，该实验装置可以实现，手动、自动检测模式，实现多种实验任务。
附图说明
图1为一种凸轮实验教学装置的示意图。
图2为图1的侧视图。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
凸轮系统的偏置距是一项重要的参数，生产实际中，从动件无论是对心还是偏置，均与实际工况相关，不同偏置距的选择会影响从动件规律的分布。本发明的实验装置可以根据需要动态配置从动件偏置距，调整完成后自动利用自身的自锁性保持恒定。设备中偏置距的调整是Y方向的，为保证系统稳定可靠，零件之间的间隙、导向性、耐磨性均进行了特殊考虑。本发明中的偏置距调整单元，为增加刚度，使用了包括Y方向右导轨15和Y方向左导轨16，作为导向和支撑，它们安装在导轨安装板37上。同时导轨经过表面处理后，硬度可以达到HRC60以上。偏置单元滑块的传动采用了自锁螺杆和螺母的方式，将旋转运动变换为平动，其中螺杆直径为12，螺距为1。
进行从动件偏置距调整时，需要将偏置调节旋钮13正旋或逆旋，即可使上滑块20、下滑块21以及从动件旋转变换单元、从动件导向检测单元沿Y方向导轨上下移动。调整完成后，沿X方向移动的各单元在Y右导轨15，Y左导轨16螺栓支撑座31以及传动螺栓17自锁性的综合作用下保持恒定。
从动件导向和检测单元直接关乎凸轮从动件的运行效果与测试精度，因此必须始终让从动件与竖直的Y右导轨15，Y左导轨16，保持垂直关系。X导轨19的材料表面经过硬化处理，硬度达到HRC60以上，配合润滑液作用，提高材料的耐磨性及使用寿命，确保平台长期稳定的运行。
凸轮常见的从动件包括尖顶、平顶、滚子，它们工作时所处的摩擦状态各不一样，所适用的场合也有所不同。凸轮实验装置必须满足从动件可以更换才能满足不同类型的需求。从动件的安装匹配情况，对后续的运行情况和测量精度影响很大。安装时要调整好刀头与安装座之间的位置关系，这通常是费时费力可能还需要多人协作。
本实验装置克服了惯常的直接安装调整的弊病，优化改造了该步骤，同时从保证安装精度为出发点，设计了从动件旋转变换单元。具体是将常用的几种从动件类型，包括滚子从动件2，尖顶从动件时3，球形从动件4，平顶从动件5，由从动件固定螺栓25，组合安装到旋转支撑架6上。使用时只需打开旋转件锁定螺栓26，旋转变换单元即可完成从动件的更换。从动件旋转变换单元，每转过90°，锁定销24和锁定孔23重新就位一次，转到所需的从动件对应位置后，拧紧旋转件锁定螺栓26开关即可。从动件安装组合到旋转支撑架6的安装精度只需在制造装配时保证一次即可，后续不需要任何调整，大大节约了装配调整时间。同时在锁定销24，旋转件锁定螺栓26，回转支承轴35的作用下，即可保证从动件在直线运行时的精度要求。
用于测试位移的百分表或位移传感器安装在上滑块20上，测试位移时，需要保证测试元件与安装挡板28相连接。凸轮转角的分度通过刻度轮33来实现，刻度轮采用有色金属铝制作，在刻度轮的轮缘位置刻画出若干刻度，按从0°～359°规律分布。刻度轮分度精度较低通常在手动操作方式时采用。如需要测试精度较高的分度则需要采用光电编码器7，它通过柔性联轴器8与实验凸轮1连接并保持同轴转动。编码器根据实际需要可以选择1024线或3600线。
凸轮单元作为实验装置的核心，满足可换性和调整性原则。凸轮单元除了可以自由更换外，凸轮的参数区别于其它同类型实验装置轮廓、基圆等基本参数不可变的刚性设计方式，装置中使用的凸轮，根据实验教学需要设计为部分参数可调整方式。
设计保证在满足凸轮总体规律不变的前提下，实现凸轮偏心距与基圆半径的动态调整，根据需要最大调整量可达0～30mm。具体是在凸轮的几何回转中心位置，开一个安装通槽，安装匹配时根据需要，安装到对应位置即可。
本实验装置可以实现凸轮规律设计与给定凸轮规律检验、从动件运动规律测试分析、凸轮轮廓测试等多种实验任务。可以通过手动或自动模式来完成这些实验。手动方式是基于人工读数，有利于灵活反应测试的过程和本质，但精度较低，而自动方式则是基于计算机测试技术，从测试精度角度来讲更有优势。
手动模式时从动件的位移由在上滑块20上安装的百分表(图中未标出)度量，凸轮转角由刻度轮33反映。具体是首先将实验凸轮1安装匹配好，旋转调节手轮10驱动实验凸轮1，每转过一定角度，记录当前的角度值与百分表数值，后续数值处理角度和百分表数值即可得到对应角度下从动件的升程。
自动模式时从动件位移由在上滑块20上安装的位移传感器(图中未标出)度量，凸轮转角由光电编码器7反映。利用电机11，蜗轮蜗杆减速器9，驱动凸轮1，光电编码器7输出角度量，位移传感器输出位移量。此时实验凸轮1的转角与光电编码器7输出的脉冲相对应，位移传感器根据具体要求可以是电感式或光栅尺式。电机11旋转后，此时测试系统，根据光电编码器7输出的角度分度信息，记录位移传感器的数据信息，即可得到连续的数据。位移传感器和光电编码器的数据经过测试系统采集和处理后，传输给PC机进行下一步的处理，即可得到所需的分析结果。
本说明书介绍该发明装置时，是以自制零件为例予以说明。其它的使用通用标准零件，以及相应组合来实现本发明的功能和用途为目的情况，均在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种凸轮实验教学装置，其特征在于，所述的凸轮实验教学装置包括实验凸轮（1）、滚子从动件（2）、尖顶从动件（3）、球形从动件（4）、平顶从动件（5）、旋转支撑架（6）、光电编码器（7）、柔性联轴器（8）、蜗轮蜗杆减速器（9）、调节手轮（10）、电机（11）、刚性联轴器（12）、偏置调节旋钮（13）、支撑横梁（14）、Y方向右导轨（15）、Y方向左导轨（16）、传动螺栓（17）、挡片（18）、X导轨（19）、上滑块（20）、下滑块（21）、导轨复位弹簧（22）、锁定孔（23）、锁定销（24）、从动件固定螺栓（25）、旋转件锁定螺栓（26）、锁定销弹簧（27）、传感器安装挡板（28）、设备底座（29）、安装调节座（30）、螺栓支撑座（31）、安装法兰盘（32）、刻度轮（33）、凸轮固定螺栓（34）、回转支承轴（35）、固定垫片（36）、Y方向导轨安装板（37）、安装板固定螺栓（38）、Y方向导轨固定螺栓（39）、上滑块固定螺栓（40）、电机固定座（41）、电机固定螺栓（42）；
所述的Y方向右导轨（15）和Y方向左导轨（16）通过Y方向导轨固定螺栓（39）固定在Y方向导轨安装板（37）上，Y方向导轨安装板（37）通过安装板固定螺栓（38）固定于设备底座（29）上；所述的支撑横梁（14）安装固定于Y方向右导轨（15）和Y方向左导轨（16）的顶部，其下表面设有挡片（18）；所述的传动螺栓（17）依次穿过支撑横梁（14）和挡片（18），其端部通过偏置调节旋钮（13）限位于支撑横梁（14）外部，其尾部固定有螺栓支撑座（31）；所述的下滑块（21）在Y方向右导轨（15）和Y方向左导轨（16）形成的导轨内滑动，并通过传动螺栓（17）控制其滑动的位置；
所述的X导轨（19）通过上滑块（20）和上滑块固定螺栓（40）限位，并垂直固定于Y方向右导轨（15）和Y方向左导轨（16）的背面，X导轨（19）只能沿X方向滑动，其端部设有传感器安装挡板（28）；所述的导轨复位弹簧（22）一端固定在传感器安装挡板（28）上，另一端固定在上滑块（20）的端面，用于实现X导轨（19）的复位；
所述的滚子从动件（2）、尖顶从动件（3）、球形从动件（4）和平顶从动件（5）通过回转支承轴（35）活动连接在旋转支撑架（6）上，四者在旋转支撑架（6）上呈对称分布，通过转动旋转支撑架（6）实现四种选择；通过X导轨（19）带动旋转支撑架（6）沿X向运动；
所述的安装调节座（30）固定在设备底座（29）上；实验凸轮（1）通过固定垫片（36）和凸轮固定螺栓（34）安装于蜗轮蜗杆减速器（9）的安装法兰盘（32）上，并与蜗轮蜗杆减速器（9）保持同步转动；实验凸轮（1）的中心与旋转支撑架（6）的中心在同一水平线上；安装法兰盘（32）安装在刻度轮（33）上，安装法兰盘（32）和刻度轮（33）通过凸轮固定螺栓（34）固定为一体；
所述的光电编码器（7）通过柔性联轴器（8）与蜗轮蜗杆减速器（9）相连接；调节手轮（10）用于手动旋转蜗轮蜗杆减速器（9）的蜗杆，进而带动安装法兰盘（32）驱动刻度轮（33）和实验凸轮（1）工作；
所述的蜗轮蜗杆减速器（9）下部安装有安装调节座（30）， 使得实验凸轮（1）的回转中心与旋转支撑架（6）的中心在同一水平线上；所述的电机（11）通过电机固定座（41），利用电机固定螺栓（42）将电机（11）固定于设备底座（29）上；
所述的锁定孔（23）有8个，分别对应在滚子从动件（2）、尖顶从动件（3）、球形从动件（4）、平顶从动件（5）在旋转支撑架（6）对应安装位置的两侧；锁定销（24）位于X导轨（19）上，锁定销弹簧（27）作用在锁定销（24），锁定销（24）与锁定孔（23）就位时提供弹力。
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