高速凸轮机构动力学试验平台研制【三维PROE】【毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 浙江理工大学 本科毕业设计（论文） 题 目 高速凸轮动力学试验台研制 学 院 机械与自动控制学院 专业班级 09 机械设计制造及其自动化（ 4）班 姓 名 毕昌洪 学 号 指导教师 唐浙东 系 主 任 胡明 学院院长 胡旭东 二 一三 年 五 月 二六 日 浙 江 理 工 大 学 机械与自动控制学院 毕业论文诚信声明 我谨在此保证：本人所写的毕业论文，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。论文主体均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。 声明人（签名）： 年 月 日 摘 要 凸轮从动件系统在各个领域如 纺织机械、包装机与食品机械、自动化工业、印刷行业、内燃机、农业机具都广泛被应用 。在一般情况下它被认为是刚性系统。但随着机械效率的提高，凸轮转速随之上升，因而产生了较大的弹性变形。从动件运动规律大大偏离了理论值。因此对凸轮从动件系统先进行测试是很重要的。 本文通过对高速凸轮的理论分析，针对几种影响高速凸轮运动规律的因素。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 研制特定的的试验平台，实验中可采用三种不同规律的凸轮，采用不同刚度的摆杆，使用不同的压紧弹簧，并在不 同转速下进行实验。在试验台一定位置安装相应的传感器，测试出在不同条件下他们的真实运动规律，从而了解各种影响因素对它们的影响。由于没有进行实验，本文对高速凸轮系统进行了一定的动力学建模分析。 关键词 ： 高速凸轮；传感器；试验台；动力学建模 am in as it is to be a a is In of a of of be in of of to at a in to of to of In of 录 摘要 1 章 绪论 . 1 题的背景与意义 . 1 内外研究现状和发展趋势 . 2 内对这方面的研究 . 2 外对这方面的研究 . 3 需要购买对应 纸 咨询 14951605 题研究主要内容 . 4 第 2 章 高速凸轮的理论基础 . 5 轮 . 5 响凸轮系统运动的因素 . 6 速凸轮的判断 . 7 第 3 章 高速凸轮试验台设计 . 9 验台的参数 . 9 验台的简介 . 11 机的选择 .的选 择 . 已知参数 . 13 计计算 . 13 5M 同步带的几何尺寸已知参数 . 14 5M 同步带轮的几何尺寸 . 14 的结构与校核 . 15 轮的设计 . 偏心轮的设计 . 16 加速等减速规律凸轮 . 17 弦加速度规律凸轮 . 19 杆的设计 .维模型的建立 . 4 章 传感器的选型 . 22 感器的选用原理 . 22 转编码器的选用 . 23 码器的简介 . 23 码器的分类 . 24 码器的型号 . 24 速度传感器的选用 . 26 电式传感器 . 27 速度传感器的型号 . 27 移传感器的选用 . 28 变片的选用 . 29 变片原理 . 29 变片的型号 . 29 变片的测量 . 30 第 5 章 试验台的动力学建模分析 . 32 件的动力学模型 . 32 子摆杆的动力学建模 . 32 杆的动力学建模 . 32 验台动力学模型建立 . 33 第 6 章 总结 . 35 参考文献 . 36 致 谢 . 37需要购买对应 纸 咨询 14951605 需要购买对应 纸 咨询 14951605 第 1章 绪论 凸轮从动件系统在各个领域如 纺织机械、包装机与食品机械、自动化工业、印刷行业、内燃机、农业机具都广泛被应用 。在一般情况下它被认为是刚性系统。但随着机械效率的提高，凸轮转速随之上升，因而产生了较大的弹性变形。从动件运动规律大大偏离了理论值。因此对凸轮从动件系统先进行测试是很重要的。 题的背景与意义 凸轮运动机构是一种非常典型的机构 ,它可以将回转轴的转动运动输出为所需要的特定运动形式。因为它能以简单紧凑的结构，却 能实现任意复杂的预期运动。而且具有良好的精度和运动刚性 ,长期都被广泛的应用于各种机械当中。还因为凸轮机构相对于其他运动机构 (比如连杆 )相比，具有比较高可靠性、寿命长、容易于设计和能精确的预测所产生的运动等优点 ,尤其是在要求机构产生给定的运动规律、速度规律和加速度规律时 ,这个优点更加明显和突出 1。 因为以上优点 ,所以在纺织机械、农业机具、自动机床、矿山机械、自动化专用机床、包装机与食品机械、数控机床、印刷工业、内燃机、建筑机械等等机械产品中 ,凸轮都被广泛的应用。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 而在其应用中 ,凸轮机构转动速度随着机械工业 的不断发展 ,和对机械系统技术要求的不断提高 ,而表现出越来越高的趋势 ,从而导致系统当中运动构件的惯性力也大幅增大 ,构件的弹性形变也随之而变大。尤其是当机构转速到达在共振频率附近时 ,那么凸轮机构输出端的运动规律将可能远远偏离预期的设计。 针对高速凸轮系统在工程应用中出现的实际问题 ,大家正在从各种不同的角度去研究。不过因为对工程问题实验研究的消耗较高 ,花费时间也多 ,从而导致通过实验去研究相关问题的案例相对较少。本文望能通过理论上对高速凸轮试验台研究 ,在相关方面做出一点点有益的工作。 国内外研究现状 和发展趋势 内对这方面的研究 现在国内对高速凸轮研究有以下几个方向 : 建立高速凸轮机构的动力学模型及得到其运动微分方程 ,然后把高速凸轮机构动力学模型的运动方程式进行分析 ,之后得到了凸轮机构输出端的动态响应 ,就可以找到确定的凸轮机构输出端运动规律。还可以在建立一个能准确描述凸轮动力特性的数学模型的基础上 ,通过仿真分析 ,得到高速凸轮机构在不同的轮廓或结构参数下的动力学特性的曲线。 提出在高速条件下适合采用的推杆运动规律 ,并且要结合现代加工的技术 ,设计制造出一系列新型凸轮机构 ,来满足高速工况。这方面的研究方向主要体现为 :运动分析和静力分析、考虑几何尺寸、润滑、误差影响、考虑动力学、弹性变形等。 加上计算机技术、各种机械软件的普遍应用 ,使人们逐渐摆脱了繁重的重复的计算工作 ,而且可以在计算机的帮助下实现凸轮研究可视化。像凸轮机构 设计、凸轮机构优化设计 、 境下的基于虚拟样机技术条件下的凸轮动力学仿真分析的研究和数字化凸轮设计及其实现等。这一系列研究都是国内的热门。 外对这方面的研究 现在国外对凸轮机构的研究有以下方向 : 目前在欧美等国家 ,已经有很多学者都为凸轮机构的研究作出很大的贡献 ,这些研究成果还体现了欧美在凸轮研究方面的动向。就像一些专家在摩擦及实验方 面的一些研究、在高速凸轮的力学问题的研究，某位专家论文中对高速凸轮机构采用多项式运动规律的运动特性有非常详细完整的的论述与分析、还有些专家们在凸轮稳定性的研究方面都先后发 表了许许多多有关系的凸轮机构设计与优化等方面的论文、还有一些专家在计算机辅助设计的方面也有卓有成效的研究、当然在计算机辅助设计制造的方面与高速凸轮设计与优化方面都有一定量的研究。近期 ,德国、英国等国家在高速凸轮机构也有了最新的研究 ,他们对凸轮机构的研究分析采用了各种像谐分析、谐综合等分析设计方法的研究 ,从而使得高速凸轮机构动力学性能得到了很大幅度的改善。另外日本在第二次世界大战结束之后也致力于研究发展相当实用的自动化设备 ,特别是及其重视对凸轮机构及其动力学性能的研究。他们近期在凸轮机构的技术发展上免所做的杰 出工作主要在以下方面 ,:在机构设计方面，他们不断加强凸轮机构动力学方面和振动方面的研究，致力于寻求凸轮机构的精确解，研制新的凸轮加工设备和使凸轮轮廓曲线多样化、也致力于把凸轮机构制造的不断小型化和大型化 (目前日本已生产出世界上最大和最小的蜗杆凸轮机构 ,最大的中心矩为 800下的为28发展凸轮机构的 且加强凸轮机构的标准化 2。 轮机构的研究发展的趋势 (l)在从动件运动规律研究方面：不仅要继续寻找更好的运动规律 ,还要研究有效可行的分析方法。 (2)而在运动学和几何学的方面的研究 ,那就要综合全面的考虑各种凸轮机构 ,使其尽可能导出那些普遍而且适用的计算公式。而现有的研究大多数的集中于圆柱和平面凸轮 ,而且普遍是一种凸轮也就一种研究的方法 ,而且设计的公式过于繁多 ,近似的较多 ,并影响到了其他方面 (的研究。 (3)另外是发展通用并且有效的 统。但是由于种种原因，计算机设计在凸轮机构设计应用一直都被局限于就几种简单的平面和圆柱凸轮机构 ,况且每一程序通常只能处理一、二种机构 ,对于比较完整全面的 统进行的研究 ,在最近的几年的研 究里一直不够完善。 (4)引入人工智能 统或专家系统。因为凸轮机构并不是标准机构 ,种类繁多 ,并且应用相当的广泛 ,加上许多已有的知识不能把它们公式化 ,所以被广为应用的 统 ,其实际作用效果并不十分的理想。但是如果引入了专家系统 ,需要购买对应 纸 咨询 14951605 那么可以获得相当理想的结果。 (5) 动力学研究的进一步深化及研究成果的实用化。由于动力学问题题本身十分的复杂 ,导致凸轮机构的研究主要集中在低、中速凸轮机构 ,而对高速凸轮机构的动力学方面的研究还并不够深入、完善。因此 ,人们对于哪些研究成果的可靠性存在怀疑的态度 ,这些成 果并未得到广泛的应用。 (6）在凸轮的运动学和动力学方面运动计算机模拟 ,从而不断的提高设计质量，并且缩短了产品研制的周期。 (7)研究 C A M 系统的的一体化，使凸轮设计更加的高效。 (8)最后是凸轮机构作为引导机构的的方面的研究与应用。 题研究的主要内容 本课题重点完成实验台传动电机及调速方法选择、相应传感器的按装设计、机械结构设计，其主要内容有： (1)了解 高速凸轮机构动力学试验平台研制 、研究 目的。理解各种典型 凸轮机构 结构及其特点，确定完整实验系统总体方案。 (2)相关测试用传感器、型号选定及安装机架设计。 (3)高速凸轮机构动力学 试验台各部分的具体结构设计，利用 件绘制机械装配图一份及主要零件加工图若干份，并利用 件建立三维模型。 (4)高速凸轮机构动力学建模 分析。 第 2章 高速凸轮的理论基础 轮 图 凸轮运动状态分析 如图 所示的直角坐标系中，用纵坐标表示凸轮从动件的升程，然 后需要购买对应 纸 咨询 14951605 以横坐标表示凸轮轴的转角，而虚线则表示当量凸轮的升程的曲线 3。 当凸轮机构在相对比较低的速度运转时，并且运动构件的质量较小、刚度较大时，那么此时就可以忽略构件产生弹性变形对凸轮 就是说可以将整个凸轮 在这种情况下，凸轮系统工作端的运动规律就取决于凸轮实际廓线和系统的机械传动比了。那么此时若机械传动比为常数，则工作端运动规律和凸轮端的成一定的比例。 那么将凸轮机构视为刚性系统处理的时候，就不涉及弹性变形，凸轮系统就是一个单纯的刚体运 动学问题了。在这种情况下再假设凸轮系统无系统内部间隙，则工作端 (推杆 )的升程规律曲线即就是曲线 1。 而当考虑凸轮系统之间的间隙是。当凸轮机构开始低速运转的时候，在00段表示系统间隙 压缩而变小。而往后是由于凸轮系统刚度的影响，从而产生工作端的运动相对于凸轮输入运动有一个延后，此时的位移偏差等于系统的弹性变形即 当凸轮机构以较高的速度运转的时候，随着凸轮转速不断的升高，工作端动态的升程曲线规律就可能出现如图 所示的情况。由加速度所引起的惯性力，随着凸轮转速不断的的提高而逐渐的急剧加大，那么就使系统受到了附加动载荷的作用影响；再由于凸轮机构自身刚度的影响，弹性变形相应变大，可能使输出运动出现较大的偏差。这种因为动力特性引起的运动偏差就称为动态运动偏差。尤其是当激振频率和系统固有频率接近时，那么动态偏差急剧加大，工作端的实际的运动规律就会远远偏离凸轮廓线设计的运动规律，凸轮就无法按照预期来完成相应的运动。这种情况下，要确定工作端真实的运动规律或是希望得到想要的输出运动，那么就必须将凸轮从动件系统作为一个弹性系统处理 ，并考虑一些因素对动力特性的影响。 如图 所示曲线 3 的 ，由于动载荷所引起的弹性变形量和系统质量引起的相互叠加 ;而在 载荷引起的弹性变形量和系统质量引起的弹性变形就会相抵消。值得注意的是，在 ，要是动载荷引起的弹性变形量超过了系统质量所引起的弹性变形量 ，那么在 线 3高于曲线 1，也就是说此时凸轮与推杆之间脱离接触，发生腾现象。此现象对于凸轮机构的传动有相当大的 影响。同理，在回程，由于动载荷所引起的弹性 变形量大于系统质量所引起的弹性变形的影响，也可能发生腾跳现象，偏离设计好的事项凸轮运动特性，是其无法获得预计效果。 由以上分析可知，高速凸轮机构在工作端的动态位移变化规律是相当复杂，有时可能远远偏离按静态设计所确定的位移规律。这种动态位移误差不仅将使凸轮 且严重时机器不能正常运转。因此，就高速凸轮而言，必须进行系统的动态分析和动态设计。 响凸轮系统运动的因素 （ 1）瞬时高副的时效 在力锁合型的凸轮机构中，通常采用弹簧或者重力等来实现凸轮机构的锁合。但是由 于系统惯性力的作用，可能会产生“腾跳现象”。 影响凸轮的实际运动情况，更何况当凸轮从动件重新与凸轮轮廓接触的时候，就会产生冲击振动进一步影响凸轮实际运动。 （ 2）凸轮轮廓的加工质量对凸轮系统动态特性的影响 凸轮轮廓几何尺寸误差 首先由于加工过程中产生了几何尺寸的误差，是的凸轮 明显凸轮轮廓曲线必须具有较高的加工精度，通常情况下，我们要求其尺寸误差不要大于 凸轮轮廓的表面质量 凸轮轮 廓的所用的切削方法、机床的刚性都是对轮廓的表面质量的关键因素。大的表面粗糙度是生产凸轮一从动件系统的高频小幅振动及噪声的主要原因之一。因此，制造高速凸轮轮廓时，机床和刀具质量、对机床和刀具质量都需要有严格要求。通常情况下要求轮廓表面粗糙度不得超过 m。 （ 1）其他因素的影响 工作 载荷的变化 由于执行元件工艺动作的影响，有时的工作载荷大有时的工作载荷小，就是因为这样的载荷变化，也产生了附加的振 动与运动偏差。 凸轮轴组件的不平衡 每个凸轮都是不平衡的回转零件。因此，凸轮安装前需要进行平衡校准。 只有经过较好的校准才能使凸轮运动更平稳，更理想。 需要购买对应 纸 咨询 14951605 系统外的干扰 与凸轮 高速凸轮的判断 通常情况下有两种最普遍的判断高速凸轮的评定准则 （ 1） 根据推杆系统激振周期和自振周期之比来进行判定。 凸轮机构的振动主要取决于推杆系统的激振周期 T 和自振周期 的比。令 / n =10 d ( 为凸轮角速度， n 为推杆系统的自振频率 )。当 d=3 时为低速，d=2 时为 中速， d=1 是为高速。此准则反映了机构运转速度偏离机构固有频率的程度，但其忽略了推杆运动规律对系统振动的影响，是其不足之处。 （ 2） 根据实际最大加速度 最大速度 评定。当 1g（或 1m/s）为低速 ;而 1g 3g（或 1m/s 2m/s）为低速 ;3g 8g（或 2m/s 3m/s）为高速 4。 为了方便实用，我们用最大加速度来评定高速凸轮。 第 3章 高速凸轮试验台设计 验台的参数 运动规律 最大速度 h / 最大加速度 h 2 / 2 最大跃度 h 3 / 3 适合场合 等速运动 1 低速轻载 等加速等减速 2 4 中速轻载 余弦加速度 中低速重载 正弦加速度 2 中高速轻载 五次多项式 60 高速中载 表 种常用的推杆运动规律特性 转速 （转 /分） 偏心轮 等加速等减速 正弦加速度 m/s） m/s） m/s） m/s） m/s） m/s） 100 00 要购买对应 纸 咨询 14951605 300 8 00 2 00 0 00 2 心轮、等加 速等减速、正弦加速凸轮在不同转速下的特性 首先为了体现不同轮廓对高速凸轮的动态响应，实验中将选取 3种不同轮廓的凸轮。分别是偏心圆凸轮，等加速等减速凸轮，还有正弦加速度凸轮（摆线凸轮）。又为了使实验不收其他因素影响。 3 种凸轮的推程都定位 20圆也均为 20中正弦加速度与等加速等减速均是推程和回程为 120 度，进休远休为 60度的运动规律。那么他们的运动特性可从上表而知。 接下来考虑弹簧的选取： 在凸轮机构中弹簧是使凸轮与推杆保持始终杰出的重要条件，而且不同的弹簧对凸轮机构运动的影响是不同的，为了具体了 解弹簧对其的影响。本试验台将选用两种不同刚度的弹簧。 由公式知 5： Kf=簧中径 G：弹簧材料的切变模量 d：弹簧钢丝的直径 n：弹簧的有效圈数 大小刚度弹簧除了弹簧中径分别为 20 22余参数均相同（ d=2.5，n=9， G 为 78000N/ 则大弹簧的 208 4 =弹簧的 228 4 =后验算所选弹簧刚度是否会发生颤振而使锁紧弹簧失效（比如弹簧的邻圈相碰，弹簧端圈与弹簧座的脱离） 只要满足： 簧质量 簧刚度 f：弹簧自颤频率 ：凸轮回转 角速度 经验算大小刚度刚度弹簧都不会发生颤振。 验台的简介 图 速凸轮动力学试验台简图 飞 轮 凸 轮 摆杆 电阻应变片 加速度度传感器 位移传感器 电 机 带 轮 需要购买对应 纸 咨询 14951605 如图通过皮带轮的传动，电机使凸轮轴转动 ，凸轮转动再通过摆杆使受弹簧压下的推杆来回上下运动，相应的传感器可测出相应的数据。实验时，可通过使用不同轮廓的凸轮，更换大小刚度的摆杆与弹簧。并记录实验数据，与理论凸轮从动件运动规律 相比较，从而得到这些影响因素对高速凸轮系统动态性能的影响。从而为设计出更符合实际应用的高速凸轮系统提供一定的帮助 。 机的选择 根据表 们想凸轮的最大转速限制在 600r/加上选用的齿带轮传动比为 3： 1，因此电机的最大转速要达到 1800 转以上。因此我们选择了最大转速为 3000r/因为要进行不同速度范围的测试所以选择的电机需可调速，直流伺服电机具有 :精确的速度控制 ,转矩速度特性很硬 ,原理简单、使用方便 ,价格优势的优点。所以选择了可调速的直流伺服电机。然后对凸轮机构大 致所需功率进行估计 ,由于机构的主要阻尼为克服弹簧所做的功，假设克服弹簧所做功占电机做功的 50%，以凸轮轴转速为最大值 600r/ P 电机 =1 121 2么只要电机的额定功率大于 76 瓦，就可以选用。最后从尺寸，价格等因素，就选用了 110图 图 110机外观图 其参数分别为： 转矩 速 3000r/功率 200w 电压 220v 电流 许顺逆转速差 200r/动惯量不大于 的选择 知参数 5距为 5带轮齿数为 241 z ， 722 z 中心距 160a 取） 计计算（参考 节圆直径为 d(5722 d( 带长 1802c o p 其中： 14s 121 a (o p 带齿数 14 传动中心距的确定 因为 211412 2 b ， 所以，中心距 4725c 2 带宽 取基准带宽为 12 5 需要购买对应 纸 咨询 14951605 图 同步带的齿形尺寸 b： 5s： ： 14 5图 同步带轮齿形 514 的结构与校核 图 轮传动轴 轴的强度计算应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法。常见的轴的强度计算方法有两种：按扭转强度计算和按弯扭合成强度计算。本文 采用扭转强度校核来校核。 用扭转强度校核适用于只承受转矩的传动轴的精确计算，也可用于既受弯矩又受扭据的轴的近似计算 6。 强度条件： 。许用扭切应力，；轴的直径，；轴的转速，；传递的功率，对圆截面轴抗扭截面系数，；转矩，；轴的扭切应力，式中：M P m i n;图 轴的几种常用材料 T 和 C 需要购买对应 纸 咨询 14951605 则 503 5 明显本实验台的凸轮传动轴符合强度要求。 轮的设计 图 偏心轮凸轮简图 偏心轮为余弦加速度运动规律。其运动方程为 7 )2/()/c )2/()/s 2/)/c 120022000 带入 h=20，0=180，取 =1。利用 出从动件理论的运动规律曲线 图 偏心凸轮运动规律 （图中蓝线为位移曲线，绿色为速度曲线，黄线为加速度曲线） 加速等减速规律凸轮 s v a 近休止 66 ，0 0 0 等加速推程 26 ，22)6/(90 26/180 2/180 等减速推程 652 ，22)6/5(9020 26/5180 2/180 远休止 6765 ，20 0 0 等加速回程 2367 ，22)6/7(9020 2 6/7180 等减速回程 61123 ，22)6/11(90 26/11180 2/180 表 加速度凸轮运动规律 利用 出等加速等减速凸轮轮廓线，以及从动件相应的运动规律 需要购买对应 纸 咨询 14951605 图 加速等减速凸轮轮廓曲线 图 加速等减速凸轮运动规律 弦加速度 规律凸轮 s v a 推程 320， )3030 )3(30 3远休止 ，32 20 0 0 回程 35， )303020 )3(30 3静休止 235 ， 0 0 0 表 弦加速度运动规律 图 正弦加速度凸轮轮廓 需要购买对应 纸 咨询 14951605 图 弦加速度凸轮运动规律 （图中蓝线为位移曲线，绿色为速度曲线，黄线为加速度曲线） 杆设计 图 杆的简图 摆杆在运动中，中间固定，将摆杆视为悬臂梁。 图 悬臂梁的变形 B = 0 =190N 分别选用弹性模量为 206金钢，与弹性模量为 172铸钢 大刚度： B =19012/3 =刚度： B =19012/3 =实验时试用应变片对其进行测量。 维模型的建立 采用 件，对所设计的试验台进行 3 维建模 图 验台的三维建模 需要购买对应 纸 咨询 14951605 第 4 章 传感器的选型 本试验台要求测量数据有推杆的位移加速度，凸轮旋转的加速度，以及摆杆的变形，需要选择四种传感器进行测量 :位移传感器，旋转编码器，加速度传感器和应变片。 感器的选用原理 传感器的类型多种多样，不同的原理的传感器可以用来实现同种的测量目的，如对于温度的测量，可 以选用热电阻传感器、热电偶传感器、集成温度传感器等 等 ;对于机械量的测量可以选用电感式、应变式、电容式、差动变压器式、霍尔式等传感器。对于不同的测量量要选取不同的传感器类型，这是传感器选用的第一步。 一般的讲，传感器的灵敏度是越高越好。灵敏度越高，那么意味着传感器所能感 应的变化量小，那么被测量如果有一点很微小的变化的时候，传感器就会有较大的响应。不过，灵敏度越高，往往会造成与与测量量无关的外界噪声及其他的无关因素也容易被混入，噪音也会随之放大。那么此时必须考虑既要去检测微小量值