CN115186415B - 一种凸轮优化设计方法和装置 - Google Patents

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CN115186415B CN202211115695.9A CN202211115695A CN115186415B CN 115186415 B CN115186415 B CN 115186415B CN 202211115695 A CN202211115695 A CN 202211115695A CN 115186415 B CN115186415 B CN 115186415B
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Abstract

本申请公开一种凸轮优化设计方法和装置，通过根据建立的凸轮槽曲面弯行程的凸轮曲线方程，设定凸轮曲线的约束因子，其中，所述约束因子包括凸轮曲线经过设定端点、活塞杆角速度、活塞杆角加速度、凸轮滚子的受力状态；调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程；带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线方程中，得到相应凸轮曲线的性能参数，并根据多个所述性能参数确定最优的凸轮曲线，以根据确定的凸轮曲线建模。本申请实现了通过调节凸轮曲线的约束因子从而获得多个调节后的凸轮曲线，并从中选择性能参数最优的凸轮曲线进行建模，从而提高凸轮槽的光顺度。

Description

一种凸轮优化设计方法和装置
技术领域
本申请涉及机械设计技术领域，尤其涉及一种凸轮优化设计方法和装置。
背景技术
在制瓶机的扑气机构中，活塞杆在气动驱动下作往复运动。活塞杆的一端安装有 凸轮滚子，其与凸轮槽配合，使得活塞杆在往复运动的同时还会绕中心轴旋转一个角度，从 而实现预设的动作。如图1所示，凸轮槽的轮廓由一段直行程和一段弯行程构成。其中，凸轮 槽的弯行程通过凸轮槽中心线的转角
Figure 891491DEST_PATH_IMAGE001
与活塞杆轴向坐标
Figure 176979DEST_PATH_IMAGE002
的通过函数
Figure 569783DEST_PATH_IMAGE003
进行描述。在目 前的凸轮槽的二维图纸中，
Figure 624327DEST_PATH_IMAGE003
通过散点数据表给出。
相关的凸轮结构设计中，按照二维图纸中给出的散点数据表绘制凸轮曲线，但是绘制出的凸轮曲线不够光顺，可能会导致凸轮滚子在运动中的卡顿。并且在三维建模中可能会出现凸轮槽曲面没有严格遵循凸轮滚子在运动中扫掠轨迹，导致凸轮槽和凸轮滚子之间存在干涉，从而导致凸轮机构在实际工作中出现卡顿的问题。
因此有必要对凸轮的设计方法进行改进，以提高凸轮槽的光顺度。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种凸轮优化设计方法和装置，旨在解决凸轮滚子在凸轮槽中运动卡顿的技术问题。
第一方面，本申请提供一种凸轮优化设计方法，所述方法包括以下步骤：
根据建立的凸轮槽曲面弯行程的凸轮曲线方程，设定凸轮曲线的约束因子，其中，所述约束因子包括凸轮曲线经过设定端点、活塞杆角速度、活塞杆角加速度、凸轮滚子的受力状态；
调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程；
带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线方程中，得到相应凸轮曲线的性能参数，并根据多个所述性能参数确定最优的凸轮曲线，以根据确定的凸轮曲线建模。
一些实施例中，建立的凸轮槽曲面弯行程的凸轮曲线方程具体包括以下步骤：
基于多项式函数建立所述凸轮曲线方程：
Figure 460696DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 967900DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 435834DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure 610463DEST_PATH_IMAGE007
为凸轮曲线，
Figure 352154DEST_PATH_IMAGE008
为多项式待定参数。
一些实施例中，建立活塞杆角速度的方程包括：
Figure 612234DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 81262DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 110398DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure 22990DEST_PATH_IMAGE010
为活塞杆往复运动 参数方程，
Figure 770366DEST_PATH_IMAGE011
为所述活塞杆角速度；
建立活塞杆角加速度的方程包括：
Figure 308664DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 192306DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 541379DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure 510472DEST_PATH_IMAGE010
为活塞杆往复运动 参数方程，
Figure 586881DEST_PATH_IMAGE013
为所述活塞杆角加速度；
设定凸轮曲线的约束因子的具体步骤包括：
设定所述凸轮曲线经过
Figure 325030DEST_PATH_IMAGE014
端点和
Figure 704059DEST_PATH_IMAGE015
端点，并设定活塞杆角加速度在
Figure 35814DEST_PATH_IMAGE014
端点和
Figure 791281DEST_PATH_IMAGE015
端点处连续；
设定凸轮滚子的推力与全反力满足：
Figure 774149DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 589658DEST_PATH_IMAGE017
为推力，
Figure 408710DEST_PATH_IMAGE018
为全反力，
Figure 702288DEST_PATH_IMAGE019
为摩擦角，
Figure 539663DEST_PATH_IMAGE020
为凸轮曲线与
Figure 526073DEST_PATH_IMAGE005
轴夹角，
Figure 832421DEST_PATH_IMAGE021
为转动惯 量，R为支持力作用半径，
Figure 929690DEST_PATH_IMAGE022
为凸轮滚子的质量，
Figure 621571DEST_PATH_IMAGE010
为活塞杆往复运动参数方程。
一些实施例中，所述调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程具体包括以下步骤：
设定凸轮曲线在
Figure 778883DEST_PATH_IMAGE014
端点和
Figure 572527DEST_PATH_IMAGE015
端点处的一阶导数和二阶导数均为0，得 到第一凸轮曲线：
Figure 207907DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 19875DEST_PATH_IMAGE014
端点为
Figure 82508DEST_PATH_IMAGE024
端点，
Figure 97869DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 802520DEST_PATH_IMAGE026
为所述凸轮曲线转 角，
Figure 752151DEST_PATH_IMAGE028
为第一凸轮曲线。
一些实施例中，所述调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程具体包括以下步骤：
设定凸轮曲线在
Figure 392211DEST_PATH_IMAGE014
端点和
Figure 19501DEST_PATH_IMAGE015
端点处的活塞杆角速度不等于0，得到第 二凸轮曲线：
Figure 121318DEST_PATH_IMAGE029
其中，
Figure 783244DEST_PATH_IMAGE014
端点为
Figure 328626DEST_PATH_IMAGE024
端点，
Figure 443212DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 614299DEST_PATH_IMAGE026
为所述凸轮曲线转 角，
Figure 130731DEST_PATH_IMAGE031
为第二凸轮曲线。
一些实施例中，所述调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程具体包括以下步骤：
设定凸轮曲线在
Figure 847015DEST_PATH_IMAGE014
端点和
Figure 448897DEST_PATH_IMAGE015
端点处的活塞杆角加速度不等于0，得到 第三凸轮曲线：
Figure 892517DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure 263455DEST_PATH_IMAGE014
端点为
Figure 150640DEST_PATH_IMAGE024
端点，
Figure 974239DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 487129DEST_PATH_IMAGE026
为所述凸轮曲线转 角，
Figure 712574DEST_PATH_IMAGE034
为第三凸轮曲线。
一些实施例中，该方法还包括，根据余弦函数建立第四凸轮曲线：
Figure 770660DEST_PATH_IMAGE035
其中，
Figure 347135DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 7923DEST_PATH_IMAGE026
为所述凸轮曲线转角，
Figure 212509DEST_PATH_IMAGE036
为第四凸轮曲线。
一些实施例中，所述带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线方程中，得到相应凸轮曲线的性能参数，并根据多个所述性能参数确定最优的凸轮曲线具体包括以下步骤：
带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线中，得到相应凸轮曲线对应的凸轮滚子的位移、凸轮滚子的推力和活塞杆角加速度随时间变化的变化趋势；
根据相应凸轮曲线对应的凸轮滚子的位移、凸轮滚子的推力、活塞杆角加速度随时间的变化趋势综合确定最优凸轮曲线。
一些实施例中，根据确定的凸轮曲线建模具体包括以下步骤：
以凸轮滚子的轴线为轮廓，以活塞杆中心轴线和确定的凸轮曲线为引导线绘制扫琼曲面；
以凸轮滚子的半径为偏移距离对所述扫琼曲面进行前后偏移，获得凸轮槽的侧面曲面；
绘制凸轮槽起始位置和结束位置的圆柱曲面，获得完整凸轮槽曲面。
第二方面，本申请还提供一种凸轮优化设计装置，所述装置包括：
约束条件设定模块，其用于根据建立的凸轮槽曲面弯行程的凸轮曲线方程，设定凸轮曲线的约束因子，其中，所述约束因子包括凸轮曲线经过设定端点、活塞杆角速度、活塞杆角加速度、凸轮滚子的受力状态；
调节模块，其用于调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程；
凸轮曲线确定模块，其用于带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线方程中，得到相应凸轮曲线的性能参数，并根据多个所述性能参数确定最优的凸轮曲线，以根据确定的凸轮曲线建模。
本申请提供一种凸轮优化设计方法和装置，通过根据建立的凸轮槽曲面弯行程的凸轮曲线方程，设定凸轮曲线的约束因子，其中，所述约束因子包括凸轮曲线经过设定端点、活塞杆角速度、活塞杆角加速度、凸轮滚子的受力状态；调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程；带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线方程中，得到相应凸轮曲线的性能参数，并根据多个所述性能参数确定最优的凸轮曲线，以根据确定的凸轮曲线建模。本申请通过调节凸轮曲线的约束因子从而获得多个调节后的凸轮曲线，并从中选择性能参数最优的凸轮曲线进行建模，从而提高凸轮槽的光顺度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为凸轮槽轮廓示意图；
图2为本申请实施例提供的一种凸轮优化设计方法的流程示意图；
图3为凸轮滚子全反力与X轴平行时的示意图；
图4为凸轮滚子的受力示意图；
图5为4种凸轮曲线的形状示意图；
图6为活塞杆运动规律为余弦函数时4种凸轮曲线的性能参数随时间变化示意图；
图7为活塞杆运动规律为匀速运动时4种凸轮曲线的性能参数随时间变化示意图；
图8为扫琼曲面示意图；
图9为凸轮槽的侧面曲面示意图；
图10为完整凸轮槽曲面示意图；
图11为完成建模后的凸轮示意图；
图12为本申请实施例提供的一种凸轮优化设计装置的示意性框图；
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
本申请实施例提供一种凸轮优化设计方法和装置。其中，该凸轮优化设计方法可应用于计算机设备中，该计算机设备可以是笔记本电脑、台式电脑等电子设备。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参照图2，图2为本申请的实施例提供的一种凸轮优化设计方法的流程示意图。
步骤S1、根据建立的凸轮槽曲面弯行程的凸轮曲线方程，设定凸轮曲线的约束因子，其中，所述约束因子包括凸轮曲线经过设定端点、活塞杆角速度、活塞杆角加速度、凸轮滚子的受力状态。
具体的，建立凸轮槽曲面弯行程的凸轮曲线具体包括一下步骤：
基于多项式函数建立所述凸轮曲线方程：
Figure 831709DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 505267DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 969746DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure 294417DEST_PATH_IMAGE007
为凸轮曲线，
Figure 84519DEST_PATH_IMAGE008
为多项式待定参数。
根据凸轮曲线的方程可以建立活塞杆角速度的方程和角加速度的方程。
建立活塞杆角速度的方程包括：
Figure 979793DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 513543DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 692720DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure 388144DEST_PATH_IMAGE010
为活塞杆往复运动 参数方程，
Figure 36294DEST_PATH_IMAGE011
为所述活塞杆角速度；
建立活塞杆角加速度的方程包括：
Figure 842576DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 882119DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 279603DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure 149470DEST_PATH_IMAGE010
为活塞杆往复运动 参数方程，
Figure 25022DEST_PATH_IMAGE013
为所述活塞杆角加速度；
具体的，设定凸轮曲线的约束因子的具体步骤包括：
设定凸轮曲线经过
Figure 444371DEST_PATH_IMAGE014
端点和
Figure 356963DEST_PATH_IMAGE015
端点。设定凸轮曲线经过两个设定的端 点即设定了凸轮曲线的转角和活塞杆的轴向行程。
值得说明的是，因为凸轮槽由一段直行程和一段弯行程组成，本申请实施例确定 的是弯行程的凸轮曲线，弯行程需要与直行程连接，因此弯行程的凸轮曲线经过(0,0)端 点，因此本实施例中
Figure 369918DEST_PATH_IMAGE014
端点可以为(0,0)端点。
凸轮曲线经过(0,0)端点时，凸轮曲线方程为
Figure 439374DEST_PATH_IMAGE040
，凸轮曲线经过
Figure 463962DEST_PATH_IMAGE014
端 点时，凸轮曲线方程为
Figure 327882DEST_PATH_IMAGE041
。
进一步的，设定约束条件还包括，设定活塞杆角加速度在
Figure 437920DEST_PATH_IMAGE014
端点和
Figure 311067DEST_PATH_IMAGE042
端点处连续。
值得说明的是，凸轮滚子在整个运动过程中，不应该存在加速度的突变。加速度的突变意味着存在冲击载荷，应尽可能避免。因此约束活塞杆的角加速度为连续函数，且变化平缓。本实施例中需保证在(0,0)端点处角加速度连续：
Figure 49216DEST_PATH_IMAGE043
并且，也在
Figure 834770DEST_PATH_IMAGE014
端点处加速度连续：
Figure 681372DEST_PATH_IMAGE044
由于前活塞杆具体的运动规律
Figure 577784DEST_PATH_IMAGE045
未知，可以设定凸轮曲线的充分条件为在(0, 0)端点和
Figure 701597DEST_PATH_IMAGE014
端点处一阶、二阶导数均为0，以保证上述公式成立。
在(0,0)端点处一阶导数为0包括：
Figure 907320DEST_PATH_IMAGE046
在(0,0)端点处二阶导数为0包括：
Figure 726371DEST_PATH_IMAGE047
在
Figure 675741DEST_PATH_IMAGE014
端点处一阶导数为0包括：
Figure 654062DEST_PATH_IMAGE048
在
Figure 515839DEST_PATH_IMAGE014
端点处二阶导数为0包括：
Figure 127911DEST_PATH_IMAGE049
其中，
Figure 21918DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 854745DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角。
进一步的，凸轮槽的弯曲度不能过大，以防止滚子运动过程中由于摩擦力过大而 出现卡顿和锁死。正常情况下，凸轮滚子的支持力
Figure 153002DEST_PATH_IMAGE050
和摩擦力
Figure 195913DEST_PATH_IMAGE051
的形成的合力（全反力）
Figure 831294DEST_PATH_IMAGE018
驱动滚子旋转。如图3所示，若
Figure 925152DEST_PATH_IMAGE018
与
Figure 987786DEST_PATH_IMAGE005
轴平行，则无论提供多大的推力，都无法驱动滚子运 动，从而形成自锁现象。
如图4所示，可以对凸轮滚子进行受力分析，确定活塞杆运动所需的推力大小，设 凸轮滚子与凸轮槽接触点的半径位置为（支持力作用半径）为R，则推力
Figure 517993DEST_PATH_IMAGE017
和全反力
Figure 691485DEST_PATH_IMAGE018
满足 以下控制方程：
Figure 374271DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 607806DEST_PATH_IMAGE053
其中，
Figure 625309DEST_PATH_IMAGE017
为推力，
Figure 743438DEST_PATH_IMAGE018
为全反力，
Figure 998839DEST_PATH_IMAGE019
为摩擦角，
Figure 121385DEST_PATH_IMAGE020
为凸轮曲线与
Figure 376916DEST_PATH_IMAGE005
轴夹角，
Figure 813583DEST_PATH_IMAGE021
为转动惯 量，R为支持力作用半径，
Figure 470960DEST_PATH_IMAGE022
为凸轮滚子的质量，
Figure 973529DEST_PATH_IMAGE010
为活塞杆往复运动参数方程。
Figure 309832DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 769764DEST_PATH_IMAGE018
较小并且变化平缓能够使得凸轮滚子的运动更加平顺，因此在活塞杆运动 规律
Figure 140702DEST_PATH_IMAGE045
未知的前提下，可以根据上述公式对凸轮滚子的受力进行定量分析。
步骤S2、调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程。
值得说明的是，根据上述已经确定的约束因子可以得到，
Figure 277154DEST_PATH_IMAGE054
，即多 项式至少为三次函数，那么凸轮曲线方程至少为三次函数。
一些实施例中，设定凸轮曲线在
Figure 366333DEST_PATH_IMAGE014
端点和
Figure 364376DEST_PATH_IMAGE015
端点处的一阶导数和二阶 导数均为0，得到第一凸轮曲线：
Figure 245613DEST_PATH_IMAGE055
其中，
Figure 428333DEST_PATH_IMAGE014
端点为
Figure 614595DEST_PATH_IMAGE024
端点，
Figure 540962DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 542285DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转 角，
Figure 36852DEST_PATH_IMAGE056
为第一凸轮曲线。
一些实施例中，可以调整凸轮滚子在端点处角速度或角加速度不为0，以得到不同的凸轮曲线。
即设定凸轮曲线在
Figure 490836DEST_PATH_IMAGE014
端点和
Figure 627419DEST_PATH_IMAGE015
端点处的活塞杆角速度不等于0，得到 第二凸轮曲线：
Figure 217669DEST_PATH_IMAGE057
其中，
Figure 7771DEST_PATH_IMAGE014
端点为
Figure 434204DEST_PATH_IMAGE024
端点，
Figure 92587DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 412710DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转 角，
Figure 249079DEST_PATH_IMAGE058
为第二凸轮曲线。
或者，设定凸轮曲线在
Figure 412076DEST_PATH_IMAGE014
端点和
Figure 624883DEST_PATH_IMAGE015
端点处的活塞杆角加速度不等于0， 得到第三凸轮曲线：
Figure 533933DEST_PATH_IMAGE059
其中，
Figure 604787DEST_PATH_IMAGE014
端点为
Figure 740233DEST_PATH_IMAGE024
端点，
Figure 5998DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 910500DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转 角，
Figure 478885DEST_PATH_IMAGE060
为第三凸轮曲线。
一些实施例中，本申请还包括根据余弦函数建立第四凸轮曲线：
Figure 85315DEST_PATH_IMAGE061
其中，
Figure 639925DEST_PATH_IMAGE005
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 523567DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure 121907DEST_PATH_IMAGE036
为第四凸轮曲线。
如图5所示，在确定4种凸轮曲线的方程后，可以根据凸轮曲线方程确定凸轮曲线的实际形状，并可以根据凸轮曲线的实际形状可以确定4种凸轮曲线的斜率。
步骤S3、带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线方程中，得到相应凸轮曲线的性能参数，并根据多个所述性能参数确定最优的凸轮曲线，以根据确定的凸轮曲线建模。
具体的，带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线中，得到相应凸轮曲线对应的凸轮滚子的位移、凸轮滚子的推力和活塞杆角加速度随时间变化的变化趋势。根据相应凸轮曲线对应的凸轮滚子的位移、凸轮滚子的推力、活塞杆角加速度随时间的变化趋势综合确定最优凸轮曲线。
一个实施例中，活塞杆随时间运动规律为余弦函数，设活塞杆的运动周期
Figure 91000DEST_PATH_IMAGE062
， 活塞杆往复运动行程
Figure 183721DEST_PATH_IMAGE063
，且该运动规律非常平滑，不存在任何加 速度的突变，是一种非常理想的运动形式。将上述的活塞杆运动参数分别带入到上述获得 的四种凸轮曲线中，得到四种凸轮曲线下凸轮滚子的位移、凸轮滚子所需推力，活塞杆角加 速度、随时间的变化趋势，并根据变化趋势形成变化趋势图，如图6所示。若活塞杆采用最简 单的匀速运动规律，则凸轮滚子的运动参数变化趋势会有一定差异，如图7所示。
将四种凸轮曲线按照凸轮曲线是否严格光滑、凸轮曲线端点处活塞杆角速度是否为0、凸轮滚子推力和加速度的变化情况、凸轮滚子的最大推力和最大加速度以及凸轮滚子是否有磨损风险形成四种凸轮曲线方案优缺点的对比表，如表1所示。
Figure 921870DEST_PATH_IMAGE064
结合图5、图6、图7和表1综合分析可以得到，余弦函数方案形成的第四凸轮曲线所 需的凸轮滚子推力、活塞杆角加速度、以及凸轮曲线斜率四种凸轮曲线中最小的，并且变化 平缓。并且凸轮滚子根据第四凸轮曲线运动时的
Figure 691112DEST_PATH_IMAGE065
角最小，加速度也较小，但是由于直行程 的连接点处二阶导数不为0，因此会存在冲击载荷，由于凸轮滚子推力和加速度总体幅值都 较小，因此产生的冲击载荷也相对有限，因此对于凸轮滚子的推力和加速度的突变可以忽 略不计。
第二凸轮曲线的凸轮滚子推力和加速度幅值较小并且变化平缓，仅次于第四凸轮曲线，在端点处凸轮滚子推力和加速度也实现了平滑过渡。但由于该曲线的斜率是四种方案中最大的，在凸轮行程较短而转角较大时，可能出现自锁或磨损问题。
四种方案中，第一凸轮曲线能够保证端点处活塞杆角速度和角加速严格为0，无论 活塞杆在端点附近是否平滑运动，都能保证活塞杆机构不会出现横向的抖动。但是由于第 一凸轮曲线的斜率较大，有磨损和自锁的风险。但是对第一凸轮曲线分析可知，若凸轮滚子 根据第一凸轮曲线运动，
Figure 147501DEST_PATH_IMAGE066
轴夹角
Figure 778334DEST_PATH_IMAGE065
较大，因此凸轮滚子需要活塞杆施加比较大的推力，并 且凸轮滚子运动中加速度会产生激烈变化，在端点附近的凸轮滚子推力和加速度变化过于 剧烈，可能表现为冲击载荷。活塞在运动至端点前实际上存在一个缓冲减速过程，因此无论 凸轮曲线的斜率是否为0，机构转动角速度都会随着活塞杆平缓减速至零，因此不会产生横 向的抖动。
本实施例中经过综合确定可以选择第四凸轮曲线作为本申请实施例中最优凸轮曲线。
进一步的，根据确定的凸轮曲线建模具体包括以下步骤：
以凸轮滚子的轴线为轮廓，以活塞杆中心轴线和确定的凸轮曲线为引导线绘制扫琼曲面；
以凸轮滚子的半径为偏移距离对所述扫琼曲面进行前后偏移，获得凸轮槽的侧面曲面；
绘制凸轮槽起始位置和结束位置的圆柱曲面，获得完整凸轮槽曲面。
值得说明的是，凸轮槽曲面理论上为凸轮滚子沿工作曲线运动时扫掠形成的包络 面。如图8所示，圆柱体滚子轴线的一端始终与活塞杆中心轴线相交，滚子轴线的转角满足 凸轮的工作曲线
Figure 636568DEST_PATH_IMAGE067
。本申请建立凸轮槽具体包括以下步骤：
如图8所示，在solidworks软件中使用扫掠命令，以滚子轴线为轮廓，以活塞杆中 心轴线和凸轮工作曲线
Figure 311132DEST_PATH_IMAGE067
为两条引导线，绘制扫掠曲面，可附加选择活塞杆中心轴线为 脊线，得到凸轮滚子轴线扫掠曲面。
如图9所示，使用偏移命令，对扫掠曲面进行偏移，偏移距离为滚子半径（凸轮槽半宽），此步骤将得到凸轮槽的侧面曲面。
如图10所示，绘制起始和结束位置的圆柱面，补齐前后端的曲面。
如图11所示，封闭曲面形成实体，并在凸轮毛坯上挖除该实体，以完成凸轮槽的建模。
本申请公开一种凸轮优化设计方法和装置，通过根据建立的凸轮槽曲面弯行程的凸轮曲线方程，设定凸轮曲线的约束因子，其中，所述约束因子包括凸轮曲线经过设定端点、活塞杆角速度、活塞杆角加速度、凸轮滚子的受力状态；调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程；带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线方程中，得到相应凸轮曲线的性能参数，并根据多个所述性能参数确定最优的凸轮曲线，以根据确定的凸轮曲线建模。本申请实现了通过调节凸轮曲线的约束因子从而获得多个调节后的凸轮曲线，并从中选择性能参数最优的凸轮曲线进行建模，从而提高凸轮槽的光顺度。
请参照图12，图12为本申请实施例提供的一种凸轮优化设计装置的示意性框图。
如图12所示，该装置包括：
约束条件设定模块，其用于根据建立的凸轮槽曲面弯行程的凸轮曲线方程，设定凸轮曲线的约束因子，其中，所述约束因子包括凸轮曲线经过设定端点、活塞杆角速度、活塞杆角加速度、凸轮滚子的受力状态;
调节模块，其用于调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程；
凸轮曲线确定模块，其用于带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线方程中，得到相应凸轮曲线的性能参数，并根据多个所述性能参数确定最优的凸轮曲线，以根据确定的凸轮曲线建模。
其中，该装置还用于：
基于多项式函数建立所述凸轮曲线方程：
Figure 254817DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 689341DEST_PATH_IMAGE066
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 402082DEST_PATH_IMAGE068
为所述凸轮曲线转角，
Figure 513126DEST_PATH_IMAGE069
为凸轮曲线，
Figure 678528DEST_PATH_IMAGE070
为多项式待定参数。
其中，约束条件设定模块还用于：
建立活塞杆角速度的方程包括：
Figure 651164DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 483990DEST_PATH_IMAGE066
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 765936DEST_PATH_IMAGE068
为所述凸轮曲线转角，
Figure 418634DEST_PATH_IMAGE071
为活塞杆往复运动 参数方程，
Figure 194960DEST_PATH_IMAGE072
为所述活塞杆角速度；
建立活塞杆角加速度的方程包括：
Figure 882294DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 944928DEST_PATH_IMAGE066
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 480994DEST_PATH_IMAGE068
为所述凸轮曲线转角，
Figure 654487DEST_PATH_IMAGE071
为活塞杆往复运动 参数方程，
Figure 71693DEST_PATH_IMAGE073
为所述活塞杆角加速度；
设定凸轮曲线的约束因子的具体步骤包括：
设定所述凸轮曲线经过
Figure 570807DEST_PATH_IMAGE074
端点和
Figure 322731DEST_PATH_IMAGE075
端点，并设定活塞杆角加速度在
Figure 565494DEST_PATH_IMAGE074
端点和
Figure 837206DEST_PATH_IMAGE075
端点处连续；
设定凸轮滚子的推力与全反力满足：
Figure 507222DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 746442DEST_PATH_IMAGE076
为推力，
Figure 792896DEST_PATH_IMAGE077
为全反力，
Figure 919115DEST_PATH_IMAGE078
为摩擦角，
Figure 760032DEST_PATH_IMAGE065
为凸轮曲线与轴夹角，
Figure 486548DEST_PATH_IMAGE021
为转动惯量， R为支持力作用半径，
Figure 71113DEST_PATH_IMAGE079
为凸轮滚子的质量，
Figure 317418DEST_PATH_IMAGE071
为活塞杆往复运动参数方程。
其中，所述调节模块还用于:
设定凸轮曲线在
Figure 329236DEST_PATH_IMAGE074
端点和
Figure 808628DEST_PATH_IMAGE075
端点处的一阶导数和二阶导数均为0，得 到第一凸轮曲线：
Figure 806671DEST_PATH_IMAGE055
其中，
Figure 32116DEST_PATH_IMAGE074
端点为
Figure 136207DEST_PATH_IMAGE080
端点，
Figure 588048DEST_PATH_IMAGE066
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 904629DEST_PATH_IMAGE068
为所述凸轮曲线转 角，
Figure 922264DEST_PATH_IMAGE081
为第一凸轮曲线。
其中，所述调节模块还用于：
设定凸轮曲线在
Figure 666098DEST_PATH_IMAGE074
端点和
Figure 729868DEST_PATH_IMAGE075
端点处的活塞杆角速度不等于0，得到第 二凸轮曲线：
Figure 600873DEST_PATH_IMAGE082
其中，
Figure 185263DEST_PATH_IMAGE074
端点为
Figure 850731DEST_PATH_IMAGE080
端点，
Figure 401798DEST_PATH_IMAGE066
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 60181DEST_PATH_IMAGE068
为所述凸轮曲线转 角，
Figure 990091DEST_PATH_IMAGE083
为第二凸轮曲线。
其中，所述调节模块还用于：
设定凸轮曲线在
Figure 951094DEST_PATH_IMAGE074
端点和
Figure 114091DEST_PATH_IMAGE075
端点处的活塞杆角加速度不等于0，得到 第三凸轮曲线：
Figure 61318DEST_PATH_IMAGE059
其中，
Figure 501527DEST_PATH_IMAGE074
端点为
Figure 492486DEST_PATH_IMAGE080
端点，
Figure 752566DEST_PATH_IMAGE066
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 503484DEST_PATH_IMAGE068
为所述凸轮曲线转 角，
Figure 657254DEST_PATH_IMAGE084
为第三凸轮曲线。
其中，该装置还用于：
根据余弦函数建立第四凸轮曲线：
Figure 960059DEST_PATH_IMAGE085
其中，
Figure 317222DEST_PATH_IMAGE066
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 730886DEST_PATH_IMAGE068
为所述凸轮曲线转角，
Figure 739162DEST_PATH_IMAGE086
为第四凸轮曲线。
其中，凸轮曲线确定模块还用于：
带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线中，得到相应凸轮曲线对应的凸轮滚子的位移、凸轮滚子的推力和活塞杆角加速度随时间变化的变化趋势；
根据相应凸轮曲线对应的凸轮滚子的位移、凸轮滚子的推力、活塞杆角加速度随时间的变化趋势综合确定最优凸轮曲线。
其中，凸轮曲线确定模块还用于：
以凸轮滚子的轴线为轮廓，以活塞杆中心轴线和确定的凸轮曲线为引导线绘制扫琼曲面；
以凸轮滚子的半径为偏移距离对所述扫琼曲面进行前后偏移，获得凸轮槽的侧面曲面；
绘制凸轮槽起始位置和结束位置的圆柱曲面，获得完整凸轮槽曲面。
需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和各模块及单元的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种凸轮优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据建立的凸轮槽曲面弯行程的凸轮曲线方程，设定凸轮曲线的约束因子，其中，所述约束因子包括凸轮曲线经过设定端点、活塞杆角速度、活塞杆角加速度、凸轮滚子的受力状态；
调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程；
带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线方程中，得到相应凸轮曲线的性能参数，并根据多个所述性能参数确定最优的凸轮曲线，以根据确定的凸轮曲线建模；
其中，建立的凸轮槽曲面弯行程的凸轮曲线方程具体包括以下步骤：
基于多项式函数建立所述凸轮曲线方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为凸轮曲线，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为多项式待定参数；
其中，建立活塞杆角速度的方程包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 684963DEST_PATH_IMAGE004
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 70945DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为活塞杆往复运动参数方程，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为所述活塞杆角速度；
建立活塞杆角加速度的方程包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 631109DEST_PATH_IMAGE004
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 698422DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure 981636DEST_PATH_IMAGE014
为活塞杆往复运动参数方程，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为所述活塞杆角加速度；
设定凸轮曲线的约束因子的具体步骤包括：
设定所述凸轮曲线经过
Figure DEST_PATH_IMAGE022
端点和
Figure DEST_PATH_IMAGE024
端点，并设定活塞杆角加速度在
Figure 115682DEST_PATH_IMAGE022
端点和
Figure 117137DEST_PATH_IMAGE024
端点处连续；
设定凸轮滚子的推力与全反力满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为推力，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为全反力，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为摩擦角，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为凸轮曲线与
Figure 215237DEST_PATH_IMAGE004
轴夹角，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为转动惯量，R为支持力作用半径，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为凸轮滚子的质量，
Figure 212012DEST_PATH_IMAGE014
为活塞杆往复运动参数方程；
其中，所述调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程具体包括以下步骤：
设定凸轮曲线在
Figure 939797DEST_PATH_IMAGE022
端点和
Figure 412235DEST_PATH_IMAGE024
端点处的一阶导数和二阶导数均为0，得到第一凸轮曲线：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
其中，
Figure 477143DEST_PATH_IMAGE022
端点为
Figure DEST_PATH_IMAGE044
端点，
Figure 656321DEST_PATH_IMAGE004
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 23848DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为第一凸轮曲线。
2.按照权利要求1所述的凸轮优化设计方法，其特征在于，所述调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程具体包括以下步骤：
设定凸轮曲线在
Figure 921266DEST_PATH_IMAGE022
端点和
Figure 134072DEST_PATH_IMAGE024
端点处的活塞杆角速度不等于0，得到第二凸轮曲线：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
其中，
Figure 902177DEST_PATH_IMAGE022
端点为
Figure 226891DEST_PATH_IMAGE044
端点，
Figure 893496DEST_PATH_IMAGE004
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 893682DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为第二凸轮曲线。
3.按照权利要求1或2任意一项所述的凸轮优化设计方法，其特征在于，所述调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程具体包括以下步骤：
设定凸轮曲线在
Figure 798184DEST_PATH_IMAGE022
端点和
Figure 553519DEST_PATH_IMAGE024
端点处的活塞杆角加速度不等于0，得到第三凸轮曲线：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
其中，
Figure 628791DEST_PATH_IMAGE022
端点为
Figure 183401DEST_PATH_IMAGE044
端点，
Figure 270305DEST_PATH_IMAGE004
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 134225DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为第三凸轮曲线。
4.按照权利要求1所述的凸轮优化设计方法，其特征在于，还包括：
根据余弦函数建立第四凸轮曲线：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
其中，
Figure 900056DEST_PATH_IMAGE004
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 242044DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为第四凸轮曲线。
5.按照权利要求1所述的凸轮优化设计方法，其特征在于，所述带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线方程中，得到相应凸轮曲线的性能参数，并根据多个所述性能参数确定最优的凸轮曲线具体包括以下步骤：
带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线中，得到相应凸轮曲线对应的凸轮滚子的位移、凸轮滚子的推力和活塞杆角加速度随时间变化的变化趋势；
根据相应凸轮曲线对应的凸轮滚子的位移、凸轮滚子的推力、活塞杆角加速度随时间的变化趋势综合确定最优凸轮曲线。
6.按照权利要求5所述的凸轮优化设计方法，其特征在于，根据确定的凸轮曲线建模具体包括以下步骤：
以凸轮滚子的轴线为轮廓，以活塞杆中心轴线和确定的凸轮曲线为引导线绘制扫琼曲面；
以凸轮滚子的半径为偏移距离对所述扫琼曲面进行前后偏移，获得凸轮槽的侧面曲面；
绘制凸轮槽起始位置和结束位置的圆柱曲面，获得完整凸轮槽曲面。
7.一种凸轮优化设计装置，包括：
约束条件设定模块，其用于根据建立的凸轮槽曲面弯行程的凸轮曲线方程，设定凸轮曲线的约束因子，其中，所述约束因子包括凸轮曲线经过设定端点、活塞杆角速度、活塞杆角加速度、凸轮滚子的受力状态；
调节模块，其用于调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程；
凸轮曲线确定模块，其用于带入活塞杆运动参数到调节后的凸轮曲线方程中，得到相应凸轮曲线的性能参数，并根据多个所述性能参数确定最优的凸轮曲线，以根据确定的凸轮曲线建模；
其中，该装置还用于：
基于多项式函数建立所述凸轮曲线方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
其中，
Figure 308089DEST_PATH_IMAGE004
为所述活塞杆轴向坐标，为所述凸轮曲线转角，
Figure 155959DEST_PATH_IMAGE008
为凸轮曲线，
Figure 832640DEST_PATH_IMAGE010
为多项式待定参数；
其中，约束条件设定模块还用于：
建立活塞杆角速度的方程包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
其中，
Figure 181581DEST_PATH_IMAGE004
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 977499DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure 448801DEST_PATH_IMAGE014
为活塞杆往复运动参数方程，
Figure 533431DEST_PATH_IMAGE016
为所述活塞杆角速度；
建立活塞杆角加速度的方程包括：
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
其中，
Figure 686064DEST_PATH_IMAGE004
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 336488DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure 713112DEST_PATH_IMAGE014
为活塞杆往复运动参数方程，
Figure 81776DEST_PATH_IMAGE020
为所述活塞杆角加速度；
设定凸轮曲线的约束因子的具体步骤包括：
设定所述凸轮曲线经过
Figure 382308DEST_PATH_IMAGE022
端点和
Figure 605347DEST_PATH_IMAGE024
端点，并设定活塞杆角加速度在
Figure 700342DEST_PATH_IMAGE022
端点和
Figure 8833DEST_PATH_IMAGE024
端点处连续；
设定凸轮滚子的推力与全反力满足：
Figure 113055DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_IMAGE028A
其中，
Figure 128284DEST_PATH_IMAGE030
为推力，
Figure 597443DEST_PATH_IMAGE032
为全反力，
Figure 195827DEST_PATH_IMAGE034
为摩擦角，
Figure 41423DEST_PATH_IMAGE036
为凸轮曲线与
Figure 520946DEST_PATH_IMAGE004
轴夹角，
Figure 472590DEST_PATH_IMAGE038
为转动惯量，R为支持力作用半径，
Figure 240826DEST_PATH_IMAGE040
为凸轮滚子的质量，
Figure 686851DEST_PATH_IMAGE014
为活塞杆往复运动参数方程；
其中，所述调节所述约束因子获得至少一种调节后的凸轮曲线方程具体包括以下步骤：
设定凸轮曲线在
Figure 473410DEST_PATH_IMAGE022
端点和
Figure 346688DEST_PATH_IMAGE024
端点处的一阶导数和二阶导数均为0，得到第一凸轮曲线：
Figure DEST_PATH_IMAGE042A
其中，
Figure 54750DEST_PATH_IMAGE022
端点为
Figure 773307DEST_PATH_IMAGE044
端点，
Figure 945532DEST_PATH_IMAGE004
为所述活塞杆轴向坐标，
Figure 724132DEST_PATH_IMAGE006
为所述凸轮曲线转角，
Figure 716227DEST_PATH_IMAGE046
为第一凸轮曲线。
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