機(jī)械鎖緊裝置凸輪機(jī)構(gòu)及優(yōu)化設(shè)計分析

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摘要：機(jī)械鎖緊裝置中凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動可靠、設(shè)計簡單，只要設(shè)計出合適的凸輪輪廓，就能依靠凸輪機(jī)構(gòu)各組成部分的相互配合得到設(shè)計需要的運(yùn)動規(guī)律。機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠的特點(diǎn)使其在紡織機(jī)、印刷機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、數(shù)控機(jī)床等機(jī)械中普遍應(yīng)用。決定其運(yùn)動可靠性的主要條件是凸輪輪廓的設(shè)計。凸輪輪廓的設(shè)計難度高，需要經(jīng)過大量的計算和推敲。凸輪輪廓的優(yōu)化是提高凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動可靠性和減少磨損程度的關(guān)鍵。本文總共分為四部分。第一部分簡單介紹了凸輪機(jī)構(gòu)；第二部分分析了凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程；第三部探討了影響凸輪機(jī)構(gòu)可靠性的設(shè)計因素；第四部分分析了凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。旨在為凸輪機(jī)構(gòu)動作系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供一些參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械鎖緊裝置；凸輪機(jī)構(gòu)；設(shè)計；凸輪輪廓

凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械設(shè)備重要的鎖緊裝置，常用于定位鎖緊設(shè)備中。如紡織機(jī)、印刷機(jī)、電動車剎車裝置、數(shù)碼產(chǎn)品外置記憶卡的卡槽裝置等。它由凸輪、從動件、機(jī)架等構(gòu)件構(gòu)成，其中決定凸輪機(jī)構(gòu)性能的主要構(gòu)件為凸輪。凸輪的性能主要由其曲線輪廓所決定，而凸輪的輪廓曲線運(yùn)動、直線運(yùn)動是凸輪設(shè)計的重點(diǎn)，也是凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容。由于凸輪機(jī)構(gòu)為機(jī)械控制裝置的重要組件，它在機(jī)械規(guī)律的運(yùn)動過程中承擔(dān)著傳動動能和完成預(yù)定的運(yùn)動規(guī)律的作用。在機(jī)械運(yùn)動過程中，凸輪機(jī)構(gòu)做往復(fù)的曲線擺動或直線運(yùn)動，在這個過程中凸輪輪廓會受到較強(qiáng)的壓力、剛性沖擊力和摩擦力，因此易發(fā)生磨損，從而影響工作性能。結(jié)合彈性流體動壓潤滑原理、圖解法、解析法對凸輪輪廓做精確計算，對凸輪輪廓進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，是改善凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律下綜合性能的重要途徑，也是當(dāng)前凸輪機(jī)構(gòu)的主要研究方向。

1凸輪機(jī)構(gòu)概述

凸輪機(jī)構(gòu)的主要構(gòu)建包括桿狀從動件、盤狀或柱狀曲線輪廓、三個機(jī)架構(gòu)件組成。常用于數(shù)控機(jī)床的進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、汽車發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)等。按照主要構(gòu)件凸輪的形狀分為盤形凸輪機(jī)構(gòu)、移動凸輪機(jī)構(gòu)、圓柱凸輪機(jī)構(gòu)。按照從動件的形狀分為尖頂從動件凸輪機(jī)構(gòu)、滾子從動件凸輪機(jī)構(gòu)、平底從動件凸輪機(jī)構(gòu)。按照凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動形式分為直動從動件對心凸輪機(jī)構(gòu)、直動從動件偏心凸輪機(jī)構(gòu)、擺動從動件凸輪機(jī)構(gòu)等。凸輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、便于設(shè)計、工作可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工制造等優(yōu)點(diǎn)。凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計要結(jié)合具體的工作要求選擇凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計形式、推桿運(yùn)動規(guī)律、結(jié)構(gòu)尺寸以及凸輪輪廓曲線等。凸輪曲線的設(shè)計是凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，而確定凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律則以及凸輪機(jī)構(gòu)的使用需求，是凸輪輪廓曲線設(shè)計的前提。因此，在進(jìn)行機(jī)械鎖緊裝置凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計時，首先要確定推桿的運(yùn)動規(guī)律，并對其進(jìn)行優(yōu)化。

2凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程

在凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程中，推桿的位移、速度、加速度的參數(shù)變化將會直接影響著運(yùn)動規(guī)律及機(jī)械鎖緊裝置的可靠性。凸輪機(jī)構(gòu)的滑柱在凸輪中進(jìn)行運(yùn)動，運(yùn)動過程中受滑槽的限制在到達(dá)凸輪槽位置時自動鎖緊。凸輪在外力的F的作用下向左運(yùn)動，在壓簧1的作用下滑柱從A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)（圖1）。當(dāng)取消外力F，在壓簧1、壓簧2的作用下接觸點(diǎn)從B運(yùn)動到C點(diǎn)鎖緊位置（圖2）。消除鎖緊，重新在外力F的作用下C點(diǎn)向D點(diǎn)運(yùn)動。再取消外力F，在壓簧1、壓簧2的作用下D點(diǎn)向E點(diǎn)運(yùn)動，最終回到起點(diǎn)A。這個完整的運(yùn)動周期即為機(jī)械鎖緊裝置的運(yùn)動過程。

3影響凸輪機(jī)構(gòu)可靠性的設(shè)計因素

凸輪機(jī)構(gòu)滑柱的運(yùn)動規(guī)律可通過位移、速度和加速度反應(yīng)。建立滑柱橫豎向位移關(guān)系。假設(shè)在鎖緊凸輪固定的前提下，滑柱橫向速度為勻速v，以A點(diǎn)為中心建立鎖緊凸輪的坐標(biāo)系，設(shè)橫向運(yùn)動為x軸，豎向運(yùn)動為y軸。以該坐標(biāo)系中基礎(chǔ)建立鎖緊凸輪數(shù)學(xué)模型。對凸輪機(jī)構(gòu)滑柱的運(yùn)動路線進(jìn)行坐標(biāo)變換，求出oy的數(shù)學(xué)表達(dá)式。將凸輪輪廓方式帶入到ox中，求解凸輪輪廓在運(yùn)動過程中所受到的剛性沖擊。

3.1位移

3.2速度

3.3加速度

當(dāng)凸輪輪廓線從A點(diǎn)運(yùn)動到E點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：（0，0）、（30，8）、（23，14）、（20，30）（18，20）時，那么得到滑柱運(yùn)動方程后借助Matlab軟件可繪制出的類速度圖像。可觀察到，滑柱類速度在拐點(diǎn)位置加速度直接消失。在不考慮設(shè)備零部件發(fā)生形變的條件時，滑柱類速度圖表明凸輪機(jī)構(gòu)受到的猛烈的突發(fā)性剛性沖擊，因此加速度驟減為零。

4凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

4.1剛性沖擊性能多次優(yōu)化

常規(guī)的機(jī)械鎖緊凸輪在低速運(yùn)動情況下受機(jī)械設(shè)備振動作用會產(chǎn)生振動摩擦，摩擦阻力較大就會對凸輪輪廓造成損傷，從而縮短凸輪機(jī)構(gòu)的生命周期。當(dāng)機(jī)械鎖緊裝置中凸輪輪廓的損傷超過了拐點(diǎn)，這個拐點(diǎn)就是引發(fā)機(jī)械鎖緊裝置完全失效的動機(jī)。想要延長凸輪機(jī)構(gòu)的使用壽命，就必須最大程度的提高從動件運(yùn)動的流暢性，減少運(yùn)動過程中產(chǎn)生的摩擦力和振動沖擊力，防治凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中發(fā)生的磨損問題。在充分考慮凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動的轉(zhuǎn)速及工作壓力等問題，分析從動件的運(yùn)動規(guī)律，然后經(jīng)過圖解及解析對從動件運(yùn)動的速度、加速度進(jìn)行優(yōu)化，使其在運(yùn)動過程中更加的趨于穩(wěn)定、平順，就可以提高機(jī)械鎖緊裝置起始端到末端之間線性運(yùn)動的柔性，從而減少凸輪機(jī)構(gòu)所受沖擊力，即凸輪機(jī)構(gòu)剛性沖擊性能的優(yōu)化，它是延長凸輪機(jī)構(gòu)使用壽命的必要條件。凸輪機(jī)構(gòu)剛性沖擊性能的優(yōu)化可通過分析從運(yùn)動件的運(yùn)動規(guī)律實(shí)現(xiàn)。一般借助多項(xiàng)式分析、三角函數(shù)分析及組合分析法等分析運(yùn)動規(guī)律，研究凸輪機(jī)構(gòu)在不同工作條件小的運(yùn)動規(guī)律，掌握影響凸輪剛性沖擊的最大速度、最大加速度、最大躍度等，然后選擇最小的速度、加速度、躍度參數(shù)進(jìn)行凸輪輪廓線的設(shè)計，即可滿足凸輪機(jī)構(gòu)在多種工作轉(zhuǎn)速、工作壓力下的使用性能。同時隨著工業(yè)發(fā)展的需要，需要使用凸輪機(jī)構(gòu)的地方越來越多，凸輪機(jī)構(gòu)不能只滿足用于簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)前智能化、自動化設(shè)備發(fā)展的情況，不斷優(yōu)化改進(jìn)凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，不斷提高凸輪機(jī)構(gòu)的使用性能，以滿足機(jī)械行業(yè)發(fā)展需要。

4.2鎖緊凸輪運(yùn)動學(xué)仿真自動分析與優(yōu)化

ADAMS軟件與上文提到的Matlab軟件可對機(jī)械鎖裝署志凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動進(jìn)行建模，同時具有對運(yùn)動學(xué)仿真分析的功能。完成凸輪輪廓線的解析后可借助運(yùn)動學(xué)仿真分析模型進(jìn)一步分析數(shù)學(xué)模型的曲線表達(dá)，從而了解滑柱和凸輪在每一段的速度運(yùn)動情況。通過多次對凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的分析和運(yùn)動曲線的比對，來選擇和優(yōu)化滑柱起始位置、位移、速度、加速度。

5結(jié)語

綜上所述，機(jī)械鎖緊裝置中凸輪機(jī)構(gòu)從動件滑柱的位移、速度、加速度是影響凸輪輪廓剛性沖擊的關(guān)鍵要素。在凸輪機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，通過建立凸輪輪廓方程計算滑柱的位移、速度、加速度，并用圖解法、解析法對凸輪輪廓進(jìn)行多次優(yōu)化，最大程度的消除凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中可能受到的剛性沖擊。經(jīng)過優(yōu)化凸輪機(jī)構(gòu)從件在規(guī)律運(yùn)動過程中速度、加速度的穩(wěn)定性更好，因此凸輪機(jī)構(gòu)在機(jī)械鎖緊裝置中的銜接性能也得到改善，運(yùn)動的可靠性相應(yīng)提高。

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作者：李浩 單位：廣安職業(yè)技術(shù)學(xué)院