高速凸輪輪廓曲線設計方法和系統的製作方法
2023-06-07 20:20:06 3
高速凸輪輪廓曲線設計方法和系統的製作方法
【專利摘要】本申請針對高速凸輪彈性從動件振動問題，提供了高速凸輪輪廓曲線設計方法和系統。根據所提供的方法設計的凸輪輪廓，可以在滿足凸輪輪廓曲線光滑程度前提下，實現在高轉速下彈性從動件零振動，並且在設計轉速點附近較大範圍內還能將振動抑制在較小範圍內。提出的凸輪輪廓曲線設計方法屬於組合發明，將光滑的基線函數和光滑器作卷積運算後，得到凸輪輪廓曲線。由於利用了基於彈性從動件固有特性，從而保證了凸輪輪廓曲線和彈性從動件運動的最優匹配。所提出的凸輪輪廓曲線設計方法實現簡單，支持電子凸輪和機械凸輪兩種方式實現。機械凸輪實現方式下，加工製造沒有特殊難度。
【專利說明】高速凸輪輪廓曲線設計方法和系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及機械彈性動力學領域，更具體地，涉及對高轉速下的凸輪彈性從動件振動抑制的方法和系統。通過設計凸輪輪廓曲線，來抑制高速凸輪下的彈性從動件振動。
【背景技術】
[0002]由於凸輪在操作轉速，運動精度，結構剛度，生產成本等方面許多優良特性，凸輪被廣泛應用在許多現代化機械當中。凸輪機構的應用有著非常悠久的歷史，廣泛應用於鋼鐵、礦山、輕工等自動機械和自動控制裝置中。例如，內燃機中的配氣機構，通過凸輪迫使推桿做往復運動，來實現氣閥的開啟或關閉，以控制可燃物質在適當的時間進入氣缸或排除廢氣；再如自動工具機的進刀機構，通過帶凹槽的圓柱凸輪的迴轉，迫使推桿往復運動，從而實現刀架的進刀和退刀運動。對於凸輪機構，只需設計適當的凸輪輪廓，便可使從動件得到任意的預期運動，而且結構簡單、緊湊、設計方便，因此在各類機械和機電一體化產品中得到廣泛應用。
[0003]隨著生產率的提高，機器的運轉速度日益提高。從動件設計也向輕型方向發展。高速運動過程中從動件彈性引起的機械振動迫使從動件實際運動偏離理論運動規律，產生動態運動誤差和停歇時的定位誤差。因此，彈性從動件振動抑制能力是高速凸輪輪廓曲線設計的關鍵之一。
[0004]在設計凸輪輪廓曲線時，為了使從動滿足運動要求的基礎上，具有良好的運動和動力學性能，儘量使凸輪輪廓曲線較為光滑。歷史上提出過很多類型的凸輪輪廓曲線，其中以高次多項式凸輪(包括多項動力凸輪)應用最為普遍。
【發明內容】
[0005]為克服凸輪彈性從動件在高轉速下的振動缺陷，本發明設計了組合發明，將光滑的基線函數和光滑器作卷積運算後產生凸輪輪廓曲線，來實現高速凸輪彈性從動件的振動抑制方法和系統。
[0006]本發明的一個方面是提供了高速凸輪輪廓曲線設計的方法。首先，確定基線函數類型和計算對應的上升時間。其次，根據實際應用，選擇光滑器的階次，然後確定光滑器的結構和上升時間。最後，將基線函數和光滑器卷積處理後得到凸輪輪廓曲線。
[0007]本發明的另一方面，提出了一種高速凸輪彈性從動件振動抑制的系統，電子凸輪實現包括:計算模塊、電氣驅動模塊和彈性從動件模塊。其中，該計算模塊用於將計算得到的凸輪輪廓曲線函數轉化為離散的形式通過數字模擬轉換單元輸出。電氣驅動模塊用於將計算模塊輸出的模擬電壓信號轉化為電機角位移輸出。彈性從動件模塊，連接到電氣驅動模塊，用於完成機械運動任務。機械凸輪實現包括:凸輪模塊和彈性從動件模塊。該凸輪模塊使用機械加工方式加工機械凸輪。直接驅動彈性從動件，同樣可以達到高速凸輪運動控制目的。兩種方式在製造領域都有廣泛應用前景。
[0008]本發明可以有效的對高速凸輪彈性從動件實現振動抑制。應用本發明的技術方案，可以在保證振動抑制目的的基礎上，滿足高速凸輪光滑性要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1示凸輪彈性從動件系統框圖；
[0010]圖2示光滑過程圖；
[0011]圖3示凸輪輪廓曲線設計流程圖；
[0012]圖4示凸輪輪廓曲線位移、速度、加速度和躍度圖；
[0013]圖5示凸輪和彈性從動件動態過程計算機仿真結果圖；
[0014]圖6示多種轉速下殘餘振動抑制效果仿真和試驗結果圖；
[0015]圖7示光滑器冪次數為I和2時的頻率響應曲線。
[0016]如圖所示，為了能明確實現本發明的實施例的結構，在圖中標註了特定的結構和器件，但這僅為示意需要，並非意圖將本發明限定在該特定結構、器件和環境中，根據具體需要，本領域的普通技術人員可以將這些器件和環境進行調整或者修改，所進行的調整或者修改仍然包括在後附的權利要求的範圍中。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的高速凸輪輪廓曲線設計方法和系統進行詳細描述。
[0018]在以下的描述中，將描述本發明的多個不同的方面，然而，對於本領域內的普通技術人員而言，可以僅僅利用本發明的一些或者全部結構或者流程來實施本發明。為了解釋的明確性而言，闡述了特定的數目、配置和順序，但是很明顯，在沒有這些特定細節的情況下也可以實施本發明。在其他情況下，為了不混淆本發明，對於一些眾所周知的特徵將不再進行詳細闡述。
[0019]首先給出凸輪彈性從動件系統框圖，進而給出光滑器的設計依據。圖1為凸輪-彈性從動件系統結構框圖。凸輪10轉動驅動彈簧20，質量塊30連接彈簧20和彈簧40阻尼器50。由於彈簧-質量-阻尼動態系統作用，凸輪10位移和質量塊30的動態過程和停歇位移會有很多偏差。凸輪-彈性從動件系統動態方程:
[0020]
【權利要求】
1.凸輪輪廓曲線設計方法，包括: 步驟10、確定基線函數的類型和上升時間。 步驟20、依據彈性從動件的系統特性來進行光滑器設計，以保證光滑器與彈性從動件動態過程的最優匹配。 步驟30、將基線函數和光滑器進行卷積運算，產生凸輪輪廓曲線。
2.根據權利要求1所述的方法，其中步驟10還包括，基線函數可以選擇為任意光滑曲線。通常從以下幾種中選擇:凸輪多項式曲線、s曲線、三角函數、高斯曲線和樣條函數等。
3.根據權利要求1所述的方法，其中步驟10還包括，基線函數上升時間計算公式: tb=λtm-ts 其中，λ為設計周期比，tm = 2π/ω為從動件無阻尼自由振蕩周期，ω為從動件固有頻率，ts為光滑器上升時間。
4.根據權利要求1所述的方法，其中步驟20還包括，所述光滑器的傳遞函數:
5.根據權利要求4所述的方法，還包括:某些凸輪彈性從動件系統可能被近似認為是零阻尼系統，此種近似情況下對應的光滑器傳遞函數:
6.根據權利要求3和4所述的方法，還包括:所述光滑器的冪次數η選擇公式:
7.根據權利要求1提出的方法，可以使用電子凸輪方式實現凸輪彈性從動件機械系統。包括:計算模塊、電氣驅動模塊和彈性從動件模塊。 計算模塊，用於將計算得到的凸輪輪廓曲線函數轉化為離散時間序列，然後通過數字模擬轉換單元輸出； 電氣驅動模塊，用於將計算模塊輸出的模擬電壓信號轉化為電機角位移輸出； 彈性從動件模塊，連接到電氣驅動模塊，用於完成機械運動控制任務。
8.根據權利要求1提出的方法，也可以使用機械凸輪方式實現凸輪彈性從動件機械系統。依據所提供的凸輪輪廓曲線設計方法，使用機械加工方式製造機械凸輪，直接拖動彈性從動件，同樣可以達到高速凸輪彈性從動件系統性能指標要求。
9.根據權利要求1提出的設計方法，不僅僅限於單自由度的凸輪彈性從動件機械系統，還可以延伸到具有多自由度的凸輪彈性從動件機械系統。
10.根據權利要求1提出的方法，可以延伸到其他機械彈性動力學系統應用領域，例如:齒輪傳動彈性動力學、連杆機構彈性動力學、軸和軸系彈性動力學、機械臂彈性動力學等等。在保證機械系統聞速驅動如提下可以大幅度提聞系統控制性能。
【文檔編號】G06F17/50GK103778302SQ201410062123
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月25日 優先權日:2014年2月25日
【發明者】黃杰, 梁贊 申請人:黃杰