機(jī)械鎖緊裝置中凸輪機(jī)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

（廣安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川廣安市，638000） 李 浩

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(dòng)車(chē)剎車(chē)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(dòng)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(xiàn)輪廓所決定，而凸輪的輪廓曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)是凸輪設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)過(guò)程中承擔(dān)著傳動(dòng)動(dòng)能和完成預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的作用。在機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，凸輪機(jī)構(gòu)做往復(fù)的曲線(xiàn)擺動(dòng)或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中凸輪輪廓會(huì)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(dòng)壓潤(rùn)滑原理、圖解法、解析法對(duì)凸輪輪廓做精確計(jì)算，對(duì)凸輪輪廓進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是改善凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(dòng)件、盤(pán)狀或柱狀曲線(xiàn)輪廓、三個(gè)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(chē)發(fā)動(dòng)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(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)、移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)、圓柱凸輪機(jī)構(gòu)。按照從動(dòng)件的形狀分為尖頂從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)、滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)、平底從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)。按照凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式分為直動(dòng)從動(dòng)件對(duì)心凸輪機(jī)構(gòu)、直動(dòng)從動(dòng)件偏心凸輪機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)等。凸輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于設(shè)計(jì)、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(jì)要結(jié)合具體的工作要求選擇凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)形式、推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律、結(jié)構(gòu)尺寸以及凸輪輪廓曲線(xiàn)等。凸輪曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)是凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，而確定凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律則以及凸輪機(jī)構(gòu)的使用需求，是凸輪輪廓曲線(xiàn)設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)，首先要確定推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

2 凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

在凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，推桿的位移、速度、加速度的參數(shù)變化將會(huì)直接影響著運(yùn)動(dòng)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(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受滑槽的限制在到達(dá)凸輪槽位置時(shí)自動(dòng)鎖緊。

凸輪在外力的F 的作用下向左運(yùn)動(dòng)，在壓簧1的作用下滑柱從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)。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(dòng)，最終回到起點(diǎn)A。這個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)周期即為機(jī)械鎖緊裝置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

圖1

圖2

3 影響凸輪機(jī)構(gòu)可靠性的設(shè)計(jì)因素

凸輪機(jī)構(gòu)滑柱的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可通過(guò)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(dòng)為x軸，豎向運(yùn)動(dòng)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(duì)凸輪機(jī)構(gòu)滑柱的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)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(dòng)過(guò)程中所受到的剛性沖擊。

3.1 位移

設(shè)Q點(diǎn)坐標(biāo)為（x,y），鎖緊凸輪輪廓線(xiàn)表達(dá)式為f(x)，動(dòng)件的位移方程為y，則凸輪各運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的坐標(biāo)為（xA,yA），（xB,yB），（xC,yC），（xD,yD），（xE,yE），a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4的值由凸輪的具體尺寸確定。

3.2 速度

3.3 加速度

當(dāng)凸輪輪廓線(xiàn)從A 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到E 點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：（0，0）、（30，8）、（23，14）、（20，30）（18，20）時(shí)，那么得到滑柱運(yùn)動(dòng)方程后借助Matlab 軟件可繪制出的類(lèi)速度圖像。可觀察到，滑柱類(lèi)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(shí)，滑柱類(lèi)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(jì)

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(dòng)情況下受機(jī)械設(shè)備振動(dòng)作用會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)摩擦，摩擦阻力較大就會(huì)對(duì)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(guò)了拐點(diǎn)，這個(gè)拐點(diǎn)就是引發(fā)機(jī)械鎖緊裝置完全失效的動(dòng)機(jī)。想要延長(zhǎng)凸輪機(jī)構(gòu)的使用壽命，就必須最大程度的提高從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的流暢性，減少運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力和振動(dòng)沖擊力，防治凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的磨損問(wèn)題。在充分考慮凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速及工作壓力等問(wèn)題，分析從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后經(jīng)過(guò)圖解及解析對(duì)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的速度、加速度進(jìn)行優(yōu)化，使其在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(xiàn)性運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(guò)分析從運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)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(dòng)規(guī)律，研究凸輪機(jī)構(gòu)在不同工作條件小的運(yùn)動(dòng)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(xiàn)的設(shè)計(jì)，即可滿(mǎn)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(shí)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(lái)越多，凸輪機(jī)構(gòu)不能只滿(mǎn)足用于簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)前智能化、自動(dòng)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(mǎn)足機(jī)械行業(yè)發(fā)展需要。

4.2 鎖緊凸輪運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真自動(dòng)分析與優(yōu)化

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

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，機(jī)械鎖緊裝置中凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件滑柱的位移、速度、加速度是影響凸輪輪廓?jiǎng)傂詻_擊的關(guān)鍵要素。在凸輪機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)建立凸輪輪廓方程計(jì)算滑柱的位移、速度、加速度，并用圖解法、解析法對(duì)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(dòng)過(guò)程中可能受到的剛性沖擊。經(jīng)過(guò)優(yōu)化凸輪機(jī)構(gòu)從件在規(guī)律運(yùn)動(dòng)過(guò)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(dòng)的可靠性相應(yīng)提高。