【毕业设计】高速凸轮机构动力学试验平台研制毕业设计说明书

就像些专家在摩擦及实验方面的些研究在高速凸轮的力学问题的研究，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，最下的为发展凸轮机构的，并且加强凸轮机构的标准化。

凸轮机构的研究发展的趋势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。

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，而且普遍是种凸轮也就种研究的方法，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应用等的研究。

另外是发展通用并且有效的系统。

但是由于种种原因，计算机设计在凸轮机构设计应用直都被局限于就几种简单的平面和圆柱凸轮机构，况且每程序通常只能处理二种机构，对于比较完整全面的系统进行的研究，在最近的几年的研究里直不够完善。

引入人工智能系统或专家系统。

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，所以被广为应用的系统，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，那么可以获得相当理想的结果。

动力学研究的进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。

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。

研究系统的的体化，使凸轮设计更加的高效。

最后是凸轮机构作为引导机构的的方面的研究与应用。

课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。

相关测试用传感器型号选定及安装机架设计。

高速凸轮机构动力学试验台各部分的具体结构设计，利用软件绘制机械装配图份及主要零件加工图若干份，并利用软件建立三维模型。

高速凸轮机构动力学建模分析。

第章高速凸轮的理论基础凸轮从动件系统动态运动分析图凸轮运动状态分析如图，在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。

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从动件系统运动性能的影响，也就是说可以将整个凸轮从动件系统完全近似地简化为个刚性的系统。

当在这种情况下，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。

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段表示系统间隙被压缩而变小。

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中曲线所示的情况。

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个弹性系统处理，并考虑些因素对动力特性的影响。

如图中所示曲线感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用。

这样，质量块就有正比于加速度的交变力作用在压电片上。

由于压电片具有压电效应，且传感器的输出电荷与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。

再接入定的放大器进行相应的处理，就可测出被测件的加速度。

加速度传感器的型号依据本试验台，考虑到传感器的尺寸分辨率性价比，我选用了压电式加速度传感器。

图加速度传感器其主要参数如下轴向灵敏度士最大横向灵敏度频率响应安装频率谐振频率极性正向绝缘电阻电容重量压电材料结构设计平面剪切安装输出方式顶端位移传感器的选用用于位移测量的传感器，因为测量范围的不同，那么传感器也是不同的。

小位移通常用应差动变压器式变式霍尔式电感式电容式等传感器来测量，他们的精度可以达到，其中电感式和差动变压器式传感器测量范围要大些，有些可达。

小位移传感器测微小位移，可从几微米到几个毫米，例如物体振动的振幅测量等。

而大的位移常用感应同步器磁栅光栅编码器等传感器来测量，精度高，易实现数字化，抗干扰能力强，安装方便，使用可靠。

根据本试验台的具体要求，量程要大于凸轮推程再考虑尺寸性价比等因素，选用了位移传感器图位移传感器其具体参数如下灵敏度初级励磁电压动态频率标准最高动态位移测量灵敏度漂移零点满度负载阻抗工作温度标准耐高低温高精度高分辨率供电电压输出电压输出电流应变片的选用为了测试出不同刚度的摆杆的变形，需要选用定的应变片来对其进行测试。

应变片原理电阻应变片测量原理为金属丝的电阻值除和材料的性质有关之外，还与金其长度，横截面积有关。

把金属丝粘贴在构件上，那么当构件受力变形时，则金属丝的长度和横截面积就会随着构件起变化，从而发生电阻变化。

ε其中，为材料的灵敏系数单位应变的电阻变化率，标志着该类丝材电阻应变片效应是否显著。

ε为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位的微应变，常用符号ε表示。

由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变ε和电阻变化率是成线性相关的，这就是利用金属应变片测量构件的应变的理论基础。

应变片的型号根据试验台要求，考虑到传感器的尺寸价格灵敏度等的因素，本试验台将选用应变片。

其主要参数为应变计电阻对标称值的偏差对平均值的公差灵敏系数对平均值的分散机械滞后室温下ε蠕变室温下小时ε绝缘电阻室温下横向效应系数室温下疲劳寿命室温下循环次数灵敏系数随温度的变化工作温度范围内的平均变化每温度下对平均值的分散ε热输出平均热输出系数ε对平均热输出的分散ε主要用途精密传感器和精密应力分析用片表应变片的参数应变片的测量图弯矩的测量如图，在摆杆两侧定位置粘帖，两片应变片按上图组成电桥。

此时弯矩可按下式计算式中为试件的抗弯截面系数，为试件的弹性模量，为测量的随机应变值第章试验台的动力学建模分析构件的动力学模型对构件的动力学模型是根据系统中各构件的运动特点质量分布弹性变形方式情况等，将构件简化为在些特定点上的集中质量，用有适当刚度的无质量弹簧和纯阻尼元件将集中质量联系起来，构成弹簧质量系统。

简化为弹簧的实际弹性体可能是非线性的，但在振动的幅度较小时，弹性体的变形与受力之间的关系符合胡克定律，这样简化得到的就是线性弹簧。

使用集中质量将大大方便动力学模型的建立及其求解。

滚子摆杆的动力学建模如图为摆杆的动力学建模，由于摆杆的支点在其中间，且摆杆左右对称。

滚子相对刚度较大。

于是得到化简后模型的等效质量和等效刚度为图滚子摆杆的动力学模型推杆的动力学建模推杆是试验台最终的输出对象，在高速是我们要将其视为弹性构件。

为了方便起见我们将其视为几何对称质量均匀的构件来进行建模图推杆的动力学模型构件在力的作用下产生的形变量为。

构件的变形能为构件的等效弹簧势能为由能量原理可知，则试验台动力学模型建立图试验台的模型化简根据之前的构件动力学建模，然后建立如图的动力学模型，而后进行定换算的化简得到如图。

其中的等效质量刚度为动力学方程建立继续进行化简得到但自由度力学模型图推杆的质量刚度模型其中实验台的等效质量约束弹簧的质量约束弹簧的刚度实验台的等效刚度推杆系统的阻尼推杆输出端的位移推杆输入端的位移凸轮端的位移模型弹簧都有相同变形时，其受力并不相同，分别为，，由于力的平衡关系，有，则等效刚度为。

对于像锁紧弹簧这类端固定另端运动的构件，由于构件的柔性使各部分质量的运动情况不同。

因此不能按构件全部质量进行计算，在机械振动学中，应用瑞利法证明了弹簧的等效质量可以近似的按弹簧质量的计算。

然后对其进步的简化，。

图单自由度动力学模型其中质量块受到弹簧力为，阻尼力为，惯性力为根据力的平衡方程得到得到运动微分方程后，就可采用解析法分析从动件的真实运动情况。

由杜哈梅积分得到其中，是有阻尼系统的固有频率，为阻尼比，是无阻尼系统的固有频率。

进而可以进步的求出输出端的位移，速度，