高速凸輪輪廓曲線設計方法和系統(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計方法和系統(tǒng)。根據(jù)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(xiàn)在高轉(zhuǎn)速下彈性從動件零振動，并且在設計轉(zhuǎn)速點附近較大范圍內(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計方法屬于組合發(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動的最優(yōu)匹配。所提出的凸輪輪廓曲線設計方法實現(xiàn)簡單，支持電子凸輪和機械凸輪兩種方式實現(xiàn)。機械凸輪實現(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計方法和系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及機械彈性動力學領域，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]由于凸輪在操作轉(zhuǎn)速，運動精度，結構剛度，生產(chǎn)成本等方面許多優(yōu)良特性，凸輪被廣泛應用在許多現(xiàn)代化機械當中。凸輪機構的應用有著非常悠久的歷史，廣泛應用于鋼鐵、礦山、輕工等自動機械和自動控制裝置中。例如，內(nèi)燃機中的配氣機構，通過凸輪迫使推桿做往復運動，來實現(xiàn)氣閥的開啟或關閉，以控制可燃物質(zhì)在適當?shù)臅r間進入氣缸或排除廢氣；再如自動機床的進刀機構，通過帶凹槽的圓柱凸輪的回轉(zhuǎn)，迫使推桿往復運動，從而實現(xiàn)刀架的進刀和退刀運動。對于凸輪機構，只需設計適當?shù)耐馆嗇喞?，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(chǎn)品中得到廣泛應用。
[0003]隨著生產(chǎn)率的提高，機器的運轉(zhuǎn)速度日益提高。從動件設計也向輕型方向發(fā)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(guī)律，產(chǎn)生動態(tài)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，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，其中以高次多項式凸輪(包括多項動力凸輪)應用最為普遍。

【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)明設計了組合發(fā)明，將光滑的基線函數(shù)和光滑器作卷積運算后產(chǎn)生凸輪輪廓曲線，來實現(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(shù)類型和計算對應的上升時間。其次，根據(jù)實際應用，選擇光滑器的階次，然后確定光滑器的結構和上升時間。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)，電子凸輪實現(xiàn)包括:計算模塊、電氣驅(qū)動模塊和彈性從動件模塊。其中，該計算模塊用于將計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)動模塊用于將計算模塊輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為電機角位移輸出。彈性從動件模塊，連接到電氣驅(qū)動模塊，用于完成機械運動任務。機械凸輪實現(xiàn)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(qū)動彈性從動件，同樣可以達到高速凸輪運動控制目的。兩種方式在制造領域都有廣泛應用前景。
[0008]本發(fā)明可以有效的對高速凸輪彈性從動件實現(xiàn)振動抑制。應用本發(fā)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(tǒng)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(tài)過程計算機仿真結果圖；
[0014]圖6示多種轉(zhuǎn)速下殘余振動抑制效果仿真和試驗結果圖；
[0015]圖7示光滑器冪次數(shù)為I和2時的頻率響應曲線。
[0016]如圖所示，為了能明確實現(xiàn)本發(fā)明的實施例的結構，在圖中標注了特定的結構和器件，但這僅為示意需要，并非意圖將本發(fā)明限定在該特定結構、器件和環(huán)境中，根據(jù)具體需要，本領域的普通技術人員可以將這些器件和環(huán)境進行調(diào)整或者修改，所進行的調(diào)整或者修改仍然包括在后附的權利要求的范圍中。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的高速凸輪輪廓曲線設計方法和系統(tǒng)進行詳細描述。
[0018]在以下的描述中，將描述本發(fā)明的多個不同的方面，然而，對于本領域內(nèi)的普通技術人員而言，可以僅僅利用本發(fā)明的一些或者全部結構或者流程來實施本發(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，在沒有這些特定細節(jié)的情況下也可以實施本發(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行詳細闡述。
[0019]首先給出凸輪彈性從動件系統(tǒng)框圖，進而給出光滑器的設計依據(jù)。圖1為凸輪-彈性從動件系統(tǒng)結構框圖。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(shù)的類型和上升時間。 步驟20、依據(jù)彈性從動件的系統(tǒng)特性來進行光滑器設計，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)和光滑器進行卷積運算，產(chǎn)生凸輪輪廓曲線。
2.根據(jù)權利要求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(jù)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(shù):


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

6.根據(jù)權利要求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)權利要求1提出的方法，可以使用電子凸輪方式實現(xiàn)凸輪彈性從動件機械系統(tǒng)。包括:計算模塊、電氣驅(qū)動模塊和彈性從動件模塊。 計算模塊，用于將計算得到的凸輪輪廓曲線函數(shù)轉(zhuǎn)化為離散時間序列，然后通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換單元輸出； 電氣驅(qū)動模塊，用于將計算模塊輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為電機角位移輸出； 彈性從動件模塊，連接到電氣驅(qū)動模塊，用于完成機械運動控制任務。
8.根據(jù)權利要求1提出的方法，也可以使用機械凸輪方式實現(xiàn)凸輪彈性從動件機械系統(tǒng)。依據(jù)所提供的凸輪輪廓曲線設計方法，使用機械加工方式制造機械凸輪，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(tǒng)性能指標要求。
9.根據(jù)權利要求1提出的設計方法，不僅僅限于單自由度的凸輪彈性從動件機械系統(tǒng)，還可以延伸到具有多自由度的凸輪彈性從動件機械系統(tǒng)。
10.根據(jù)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(tǒng)應用領域，例如:齒輪傳動彈性動力學、連桿機構彈性動力學、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(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)先權日:2014年2月25日
【發(fā)明者】黃杰, 梁贊 申請人:黃杰