高速凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)的制作方法
【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(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)。根據(jù)所提供的方法設(shè)計(jì)的凸輪輪廓，可以在滿足凸輪輪廓曲線光滑程度前提下，實(shí)現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速下彈性從動件零振動，并且在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速點(diǎn)附近較大范圍內(nèi)還能將振動抑制在較小范圍內(nèi)。提出的凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)方法屬于組合發(fā)明，將光滑的基線函數(shù)和光滑器作卷積運(yùn)算后，得到凸輪輪廓曲線。由于利用了基于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(yùn)動的最優(yōu)匹配。所提出的凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)簡單，支持電子凸輪和機(jī)械凸輪兩種方式實(shí)現(xiàn)。機(jī)械凸輪實(shí)現(xiàn)方式下，加工制造沒有特殊難度。
【專利說明】高速凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械彈性動力學(xué)領(lǐng)域，更具體地，涉及對高轉(zhuǎn)速下的凸輪彈性從動件振動抑制的方法和系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)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(shù)】
[0002]由于凸輪在操作轉(zhuǎn)速，運(yùn)動精度，結(jié)構(gòu)剛度，生產(chǎn)成本等方面許多優(yōu)良特性，凸輪被廣泛應(yīng)用在許多現(xiàn)代化機(jī)械當(dāng)中。凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用有著非常悠久的歷史，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、礦山、輕工等自動機(jī)械和自動控制裝置中。例如，內(nèi)燃機(jī)中的配氣機(jī)構(gòu)，通過凸輪迫使推桿做往復(fù)運(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)氣閥的開啟或關(guān)閉，以控制可燃物質(zhì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)入氣缸或排除廢氣；再如自動機(jī)床的進(jìn)刀機(jī)構(gòu)，通過帶凹槽的圓柱凸輪的回轉(zhuǎn)，迫使推桿往復(fù)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)刀架的進(jìn)刀和退刀運(yùn)動。對于凸輪機(jī)構(gòu)，只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到任意的預(yù)期運(yùn)動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計(jì)方便，因此在各類機(jī)械和機(jī)電一體化產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。
[0003]隨著生產(chǎn)率的提高，機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度日益提高。從動件設(shè)計(jì)也向輕型方向發(fā)展。高速運(yùn)動過程中從動件彈性引起的機(jī)械振動迫使從動件實(shí)際運(yùn)動偏離理論運(yùn)動規(guī)律，產(chǎn)生動態(tài)運(yùn)動誤差和停歇時(shí)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。
[0004]在設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線時(shí)，為了使從動滿足運(yùn)動要求的基礎(chǔ)上，具有良好的運(yùn)動和動力學(xué)性能，盡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(xiàng)式凸輪(包括多項(xiàng)動力凸輪)應(yīng)用最為普遍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服凸輪彈性從動件在高轉(zhuǎn)速下的振動缺陷，本發(fā)明設(shè)計(jì)了組合發(fā)明，將光滑的基線函數(shù)和光滑器作卷積運(yùn)算后產(chǎn)生凸輪輪廓曲線，來實(shí)現(xiàn)高速凸輪彈性從動件的振動抑制方法和系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的一個(gè)方面是提供了高速凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)的方法。首先，確定基線函數(shù)類型和計(jì)算對應(yīng)的上升時(shí)間。其次，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，選擇光滑器的階次，然后確定光滑器的結(jié)構(gòu)和上升時(shí)間。最后，將基線函數(shù)和光滑器卷積處理后得到凸輪輪廓曲線。
[0007]本發(fā)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(tǒng)，電子凸輪實(shí)現(xiàn)包括:計(jì)算模塊、電氣驅(qū)動模塊和彈性從動件模塊。其中，該計(jì)算模塊用于將計(jì)算得到的凸輪輪廓曲線函數(shù)轉(zhuǎn)化為離散的形式通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換單元輸出。電氣驅(qū)動模塊用于將計(jì)算模塊輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為電機(jī)角位移輸出。彈性從動件模塊，連接到電氣驅(qū)動模塊，用于完成機(jī)械運(yùn)動任務(wù)。機(jī)械凸輪實(shí)現(xiàn)包括:凸輪模塊和彈性從動件模塊。該凸輪模塊使用機(jī)械加工方式加工機(jī)械凸輪。直接驅(qū)動彈性從動件，同樣可以達(dá)到高速凸輪運(yùn)動控制目的。兩種方式在制造領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用前景。
[0008]本發(fā)明可以有效的對高速凸輪彈性從動件實(shí)現(xiàn)振動抑制。應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，可以在保證振動抑制目的的基礎(chǔ)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(tǒng)框圖；
[0010]圖2示光滑過程圖；
[0011]圖3示凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)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(tài)過程計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果圖；
[0014]圖6示多種轉(zhuǎn)速下殘余振動抑制效果仿真和試驗(yàn)結(jié)果圖；
[0015]圖7示光滑器冪次數(shù)為I和2時(shí)的頻率響應(yīng)曲線。
[0016]如圖所示，為了能明確實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，在圖中標(biāo)注了特定的結(jié)構(gòu)和器件，但這僅為示意需要，并非意圖將本發(fā)明限定在該特定結(jié)構(gòu)、器件和環(huán)境中，根據(jù)具體需要，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以將這些器件和環(huán)境進(jìn)行調(diào)整或者修改，所進(jìn)行的調(diào)整或者修改仍然包括在后附的權(quán)利要求的范圍中。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明提供的高速凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0018]在以下的描述中，將描述本發(fā)明的多個(gè)不同的方面，然而，對于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言，可以僅僅利用本發(fā)明的一些或者全部結(jié)構(gòu)或者流程來實(shí)施本發(fā)明。為了解釋的明確性而言，闡述了特定的數(shù)目、配置和順序，但是很明顯，在沒有這些特定細(xì)節(jié)的情況下也可以實(shí)施本發(fā)明。在其他情況下，為了不混淆本發(fā)明，對于一些眾所周知的特征將不再進(jìn)行詳細(xì)闡述。
[0019]首先給出凸輪彈性從動件系統(tǒng)框圖，進(jìn)而給出光滑器的設(shè)計(jì)依據(jù)。圖1為凸輪-彈性從動件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。凸輪10轉(zhuǎn)動驅(qū)動彈簧20，質(zhì)量塊30連接彈簧20和彈簧40阻尼器50。由于彈簧-質(zhì)量-阻尼動態(tài)系統(tǒng)作用，凸輪10位移和質(zhì)量塊30的動態(tài)過程和停歇位移會有很多偏差。凸輪-彈性從動件系統(tǒng)動態(tài)方程:
[0020]
【權(quán)利要求】
1.凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)方法，包括: 步驟10、確定基線函數(shù)的類型和上升時(shí)間。 步驟20、依據(jù)彈性從動件的系統(tǒng)特性來進(jìn)行光滑器設(shè)計(jì)，以保證光滑器與彈性從動件動態(tài)過程的最優(yōu)匹配。 步驟30、將基線函數(shù)和光滑器進(jìn)行卷積運(yùn)算，產(chǎn)生凸輪輪廓曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟10還包括，基線函數(shù)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(xiàng)式曲線、s曲線、三角函數(shù)、高斯曲線和樣條函數(shù)等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟10還包括，基線函數(shù)上升時(shí)間計(jì)算公式: tb=λtm-ts 其中，λ為設(shè)計(jì)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(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)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(shù):


5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括:某些凸輪彈性從動件系統(tǒng)可能被近似認(rèn)為是零阻尼系統(tǒng)，此種近似情況下對應(yīng)的光滑器傳遞函數(shù):

6.根據(jù)權(quán)利要求3和4所述的方法，還包括:所述光滑器的冪次數(shù)η選擇公式:



7.根據(jù)權(quán)利要求1提出的方法，可以使用電子凸輪方式實(shí)現(xiàn)凸輪彈性從動件機(jī)械系統(tǒng)。包括:計(jì)算模塊、電氣驅(qū)動模塊和彈性從動件模塊。 計(jì)算模塊，用于將計(jì)算得到的凸輪輪廓曲線函數(shù)轉(zhuǎn)化為離散時(shí)間序列，然后通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換單元輸出； 電氣驅(qū)動模塊，用于將計(jì)算模塊輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為電機(jī)角位移輸出； 彈性從動件模塊，連接到電氣驅(qū)動模塊，用于完成機(jī)械運(yùn)動控制任務(wù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1提出的方法，也可以使用機(jī)械凸輪方式實(shí)現(xiàn)凸輪彈性從動件機(jī)械系統(tǒng)。依據(jù)所提供的凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)方法，使用機(jī)械加工方式制造機(jī)械凸輪，直接拖動彈性從動件，同樣可以達(dá)到高速凸輪彈性從動件系統(tǒng)性能指標(biāo)要求。
9.根據(jù)權(quán)利要求1提出的設(shè)計(jì)方法，不僅僅限于單自由度的凸輪彈性從動件機(jī)械系統(tǒng)，還可以延伸到具有多自由度的凸輪彈性從動件機(jī)械系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1提出的方法，可以延伸到其他機(jī)械彈性動力學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，例如:齒輪傳動彈性動力學(xué)、連桿機(jī)構(gòu)彈性動力學(xué)、軸和軸系彈性動力學(xué)、機(jī)械臂彈性動力學(xué)等等。在保證機(jī)械系統(tǒng)聞速驅(qū)動如提下可以大幅度提聞系統(tǒng)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(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】黃杰, 梁贊 申請人:黃杰