本發(fā)明涉及機(jī)械工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種編碼器旋鈕軌道數(shù)據(jù)建模方法。

背景技術(shù)：

機(jī)械部件在設(shè)計(jì)過(guò)程中均需進(jìn)行實(shí)體造型，以供強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之用，除此之外還可供裝配分析及數(shù)控加工之用。

現(xiàn)有技術(shù)中，編碼器旋鈕軌道的設(shè)計(jì)存在以下缺點(diǎn)：(1)齒形設(shè)計(jì)曲線過(guò)于簡(jiǎn)化，且彈簧確定值僅為最大壓縮載荷(剛度及預(yù)壓不確定)，無(wú)法保證過(guò)程中扭矩變化，難以進(jìn)行復(fù)雜扭矩設(shè)計(jì)(如最大扭矩值不處于最大壓縮位置且要位置要求)，也無(wú)法控制扭矩增長(zhǎng)斜率，保證回位；(2)最大扭矩值求解有偏差，設(shè)計(jì)過(guò)程中最大扭矩點(diǎn)無(wú)法準(zhǔn)確確定(真實(shí)情況受彈簧壓力及回位角共同影響，為齒頂附近某一點(diǎn))。同時(shí)由于爬坡與下坡受力狀況不同，僅保證軌道上下坡曲線對(duì)稱的情況會(huì)導(dǎo)致波動(dòng)值有較大偏差；(3)產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)，且成本高，在多方案都偏離目標(biāo)時(shí)需重新設(shè)計(jì)，快速成型件成本遠(yuǎn)高于注塑件；(4)在齒形較少時(shí)，齒頂采用較大圓弧過(guò)渡會(huì)導(dǎo)致停位，同時(shí)由于未引入beta角進(jìn)行修正，設(shè)計(jì)波峰位置存在偏差。

由此可見，編碼器旋鈕軌道為很復(fù)雜的曲面造型，以往的建模方式必須依賴于人工操作，反復(fù)修改方能保證建模的準(zhǔn)確性，建模效率低下。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種編碼器旋鈕軌道數(shù)據(jù)建模方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中編碼器旋鈕軌道建模效率低下的問(wèn)題。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種編碼器旋鈕軌道數(shù)據(jù)建模方法，所述方法包括：

獲取編碼器旋鈕軌道的扭矩曲線；

根據(jù)扭矩或載荷的設(shè)計(jì)要求，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)所述確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)幾何與受力關(guān)系構(gòu)建出爬坡扭矩公式及下坡扭矩公式，且進(jìn)一步將所述扭矩曲線劃分成多個(gè)依序連接的爬坡直線和/或下坡直線，使得每一爬坡直線和下坡直線通過(guò)牛頓迭代思想離散微元直線的斜率均可通過(guò)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化后形成由軌道半徑隨角度增量變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

確定所述扭矩曲線的起點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的回位角、修正角和軌道半徑，并根據(jù)所述起點(diǎn)的回位角、修正角和軌道半徑，以及預(yù)設(shè)的角度增量，利用所述構(gòu)建出的爬坡扭矩公式及下坡扭矩公式，依序計(jì)算每一爬坡直線和/或下坡直線的軌道半徑；

將所述依序計(jì)算得到的軌道半徑進(jìn)行擬合，繪制出目標(biāo)軌道曲線。

其中，所述確定所述扭矩曲線的起點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的回位角、修正角和軌道半徑，并設(shè)置每一爬坡直線和/或下坡直線的角度增量，且進(jìn)一步根據(jù)所述起點(diǎn)的回位角、修正角和軌道半徑，以及預(yù)設(shè)的角度增量，依序計(jì)算每一爬坡直線和/或下坡直線的軌道半徑的步驟具體包括：

S1、統(tǒng)計(jì)計(jì)算次數(shù)N；其中，N由預(yù)設(shè)的總角度和角度增量決定，且N為整數(shù)；

S2、確定所述起點(diǎn)的回位角、修正角和軌道半徑，并確定與起點(diǎn)相連的直線及其利用的當(dāng)前扭矩公式；其中，當(dāng)與起點(diǎn)相連的直線為爬坡直線時(shí)，則所述與起點(diǎn)相連直線利用的扭矩公式為爬坡扭矩公式；當(dāng)與起點(diǎn)相連的直線為下坡直線時(shí)，則所述與起點(diǎn)相連直線利用的扭矩公式為下坡扭矩公式；

S3、根據(jù)所述起點(diǎn)的回位角、修正角和軌道半徑，所述預(yù)設(shè)的角度增量，以及所述與起點(diǎn)相連直線利用的扭矩公式，得到與起點(diǎn)相連直線的軌道半徑并作為當(dāng)前計(jì)算得到的軌道半徑輸出，且將N減一；

S4、判斷N是否大于0；

S5、如果是，則獲取所述當(dāng)前計(jì)算得到的軌道半徑，并獲取當(dāng)前依序計(jì)算的下一直線及其利用的扭矩公式、回位角和修正角；其中，當(dāng)所述下一直線為爬坡直線時(shí)，則所述下一直線利用的扭矩公式為爬坡扭矩公式；當(dāng)所述下一直線為下坡直線時(shí)，則所述下一直線利用的扭矩公式為下坡扭矩公式；

S6、根據(jù)所述獲取到的當(dāng)前計(jì)算得到的軌道半徑，所述下一直線利用的扭矩公式、回位角和修正角，以及所述預(yù)設(shè)的角度增量，得到所述下一直線的軌道半徑并作為當(dāng)前計(jì)算得到的軌道半徑輸出，且將N再減一后，返回步驟S4；

S7、如果否，則輸出所有計(jì)算得到的軌道半徑。

其中，所述爬坡直線得到的由軌道半徑隨角度增量變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系為大于0；所述下坡直線得到的由軌道半徑隨角度增量變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系為小于0。

其中，所述繪制出的目標(biāo)軌道曲線可根據(jù)3D數(shù)據(jù)參數(shù)化建?；騽?dòng)力學(xué)模擬驗(yàn)證。

其中，所述方法進(jìn)一步包括：

獲取所述繪制出的目標(biāo)軌道曲線對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)據(jù)，并將所述獲取到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD實(shí)現(xiàn)三維模型建立。

其中，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)、檔位銷上方的球半徑、球心至旋轉(zhuǎn)中心形成的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑、檔位銷與旋轉(zhuǎn)中心之間的彈簧參數(shù)、檔位銷與軌道形成的摩擦系數(shù)及扭矩值。

實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例，具有如下有益效果：

基于軌道扭矩正轉(zhuǎn)公式，利用數(shù)值分析方法對(duì)軌道曲線進(jìn)行離散，以直代曲，對(duì)多參數(shù)進(jìn)行定量，建立軌道半徑增量求解方程，然后利用MATLAB，根據(jù)扭矩及軌道曲線尺寸范圍要求，反求軌道曲線，從而解決了多參數(shù)引起的扭矩不確定問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用方便，參數(shù)可調(diào)，適用面廣，能夠快速精確建立軌道數(shù)據(jù)模型，減少了設(shè)計(jì)人員的工作負(fù)擔(dān)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖仍屬于本發(fā)明的范疇。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的編碼器旋鈕軌道數(shù)據(jù)建模方法的流程圖；

圖2a-2b為本發(fā)明實(shí)施例提供的編碼器旋鈕軌道數(shù)據(jù)建模方法中旋鈕工作原理圖；其中，2a為結(jié)構(gòu)參數(shù)分析圖；2b為修正角分析圖；

圖3a-3b為本發(fā)明實(shí)施例提供的編碼器旋鈕軌道數(shù)據(jù)建模方法中檔位銷受力分析圖；其中，3a為爬坡受力分析圖；3b為下坡受力分析圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的編碼器旋鈕軌道數(shù)據(jù)建模方法中步驟S103的流程圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的編碼器旋鈕軌道數(shù)據(jù)建模方法中扭矩的應(yīng)用場(chǎng)景圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的編碼器旋鈕軌道數(shù)據(jù)建模方法中MATLAB生成曲線的應(yīng)用場(chǎng)景圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例中，提供的一種編碼器旋鈕軌道數(shù)據(jù)建模方法，所述方法包括：

步驟S101、獲取編碼器旋鈕軌道的扭矩曲線；

具體過(guò)程為，該扭矩曲線為預(yù)先設(shè)置的，所獲取的扭矩曲線可在后續(xù)處理過(guò)程中進(jìn)行離散處理。

步驟S102、根據(jù)扭矩或載荷的設(shè)計(jì)要求，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)所述確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)幾何與受力關(guān)系構(gòu)建出爬坡扭矩公式及下坡扭矩公式，且進(jìn)一步將所述扭矩曲線劃分成多個(gè)依序連接的爬坡直線和/或下坡直線，使得每一爬坡直線和下坡直線通過(guò)牛頓迭代思想離散微元直線的斜率均可通過(guò)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化后形成由軌道半徑隨角度增量變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

具體過(guò)程為，基于MATLAB編程，根據(jù)扭矩或載荷設(shè)計(jì)要求，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)幾何與受力關(guān)系構(gòu)建出爬坡扭矩公式及下坡扭矩公式，具體如圖2a至圖3b所示：

將扭矩曲線轉(zhuǎn)換為不同角度位上下坡目標(biāo)扭矩值、并獲取摩擦系數(shù)；同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行初始定義(如旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)、檔位銷上方的球半徑、球心至旋轉(zhuǎn)中心形成的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑、檔位銷與旋轉(zhuǎn)中心之間的彈簧參數(shù)、檔位銷與軌道形成的摩擦系數(shù)及扭矩值；彈簧參數(shù)包括線徑、中徑及預(yù)壓)；

建立爬坡扭矩公式、下坡扭矩公式；其中，爬坡扭矩公式及下坡扭矩公式均為由回位角、修正角和軌道半徑形成的關(guān)系式。

以爬坡扭矩公式為例，進(jìn)行說(shuō)明，具體如下：

爬坡扭矩方程：M_爬＝F_N×L×sinα+F_f×(L×cosα-r)

其中F_N為法向力，L為旋轉(zhuǎn)中心到球心距離，α為回位角，F(xiàn)_f為摩擦力，r為球半徑。

$F_N=\frac{S}{cos\mathrm{\α}-\mathrm{\μ}\×sin\mathrm{\α}}$

$F_f=\mathrm{\μ}\×\frac{S}{cos\mathrm{\α}-\mathrm{\μ}\×sin\mathrm{\α}}$

其中S為瞬時(shí)彈簧力

$L=\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2+r^2-cos(\mathrm{\π}-\mathrm{\α}-\mathrm{\β})\×2\×\mathrm{\ρ}\×r}$

S＝S₀+k×(L-L₀)

其中β為修正角，S₀為初始預(yù)壓力。

$\mathrm{\β}=\frac{r\×\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\ρ}}$

對(duì)應(yīng)ρ為軌道半徑。

應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，回位角為軌道與球相切時(shí)的法線與檔位銷中心線之間形成的夾角；軌道半徑為軌道與球相切時(shí)到旋轉(zhuǎn)中心的距離。

進(jìn)一步的，該扭矩曲線使用內(nèi)部函數(shù)離散成數(shù)組形式來(lái)表示，從而對(duì)扭矩曲線分解的單獨(dú)段(爬坡或下坡段)進(jìn)行角度離散分段。

此時(shí)，爬坡直線和下坡直線的斜率進(jìn)行極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化后，使得回位角α夾角方程與極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化方程相對(duì)應(yīng)，從而形成軌道半徑隨角度增量變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體如下：

$tan\left(\mathrm{\α}\right)=\left|\frac{k_n-tan(\mathrm{\θ}-\mathrm{\β})}{1+tan(\mathrm{\θ}-\mathrm{\β})\×k_n}\right|$

其中k_n為軌道法線斜率，軌道斜率為

后續(xù)進(jìn)行直角坐標(biāo)向極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化

$k_t=\frac{dy}{tk}=\frac{\frac{d\mathrm{\ρ}}{d\mathrm{\θ}}\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+\mathrm{\ρ}\·cos\left(\mathrm{\θ}\right)}{\frac{d\mathrm{\ρ}}{d\mathrm{\θ}}\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-\mathrm{\ρ}\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}$

即建立幾何、力學(xué)方程、極坐標(biāo)微分方程，通過(guò)變量回位角α為中間橋梁建立起角度隨半徑增量與目標(biāo)扭矩的關(guān)系式。

在本發(fā)明實(shí)施例中，下坡直線得到的由軌道半徑隨角度增量變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系為小于0，即下坡直線對(duì)應(yīng)的爬坡直線得到的由軌道半徑隨角度增量變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系為大于0，即爬坡直線對(duì)應(yīng)的

步驟S103、確定所述扭矩曲線的起點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的回位角、修正角和軌道半徑，并根據(jù)所述起點(diǎn)的回位角、修正角和軌道半徑，以及預(yù)設(shè)的角度增量，利用所述構(gòu)建出的爬坡扭矩公式及下坡扭矩公式，依序計(jì)算每一爬坡直線和/或下坡直線的軌道半徑；

具體過(guò)程為，步驟S1、統(tǒng)計(jì)計(jì)算次數(shù)N；其中，N由預(yù)設(shè)的總角度和角度增量決定，且N為整數(shù)；在一個(gè)實(shí)施例中，N＝預(yù)設(shè)的總角度/預(yù)設(shè)的角度增量，且取整；

步驟S2、確定起點(diǎn)的回位角、修正角和軌道半徑，并確定與起點(diǎn)相連的直線及其利用的當(dāng)前扭矩公式；其中，當(dāng)與起點(diǎn)相連的直線為爬坡直線時(shí)，則與起點(diǎn)相連直線利用的扭矩公式為爬坡扭矩公式；當(dāng)與起點(diǎn)相連的直線為下坡直線時(shí)，則與起點(diǎn)相連直線利用的扭矩公式為下坡扭矩公式；

步驟S3、根據(jù)起點(diǎn)的回位角、修正角和軌道半徑，預(yù)設(shè)的角度增量，以及與起點(diǎn)相連直線利用的扭矩公式，得到與起點(diǎn)相連直線的軌道半徑并作為當(dāng)前計(jì)算得到的軌道半徑輸出，且將N減一；

步驟S4、判斷N是否大于0；

步驟S5、如果是，則獲取當(dāng)前計(jì)算得到的軌道半徑，并獲取當(dāng)前依序計(jì)算的下一直線及其利用的扭矩公式、回位角和修正角；其中，當(dāng)下一直線為爬坡直線時(shí)，則下一直線利用的扭矩公式為爬坡扭矩公式；當(dāng)下一直線為下坡直線時(shí)，則下一直線利用的扭矩公式為下坡扭矩公式；

步驟S6、根據(jù)獲取到的當(dāng)前計(jì)算得到的軌道半徑，下一直線利用的扭矩公式、回位角和修正角，以及預(yù)設(shè)的角度增量，得到下一直線的軌道半徑并作為當(dāng)前計(jì)算得到的軌道半徑輸出，且將N再減一后，返回步驟S4；

步驟S7、如果否，則輸出所有計(jì)算得到的軌道半徑。

應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，本發(fā)明實(shí)施例中的方法首先根據(jù)上一直線的半徑作為當(dāng)前計(jì)算得到的軌道半徑，其次利用下一直線對(duì)應(yīng)的扭矩公式來(lái)求解回位角α，再次根據(jù)回位角α求解下一直線斜率，然后將下一直線的斜率進(jìn)行極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化求出軌道半徑隨角度增量。根據(jù)角度增量與半徑隨角度增量相乘得到半徑增量，最后加上初始半徑就得到本次計(jì)算的半徑值。

步驟S104、將所述依序計(jì)算得到的軌道半徑進(jìn)行擬合，繪制出目標(biāo)軌道曲線。

具體過(guò)程為，繪制出的目標(biāo)軌道曲線可根據(jù)3D數(shù)據(jù)參數(shù)化建?；騽?dòng)力學(xué)模擬驗(yàn)證。當(dāng)然，更進(jìn)一步的，獲取繪制出的目標(biāo)軌道曲線對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)據(jù)，并將獲取到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD實(shí)現(xiàn)三維模型建立。

如圖5至圖6所示，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的編碼器旋鈕軌道數(shù)據(jù)建模方法的應(yīng)用場(chǎng)景做進(jìn)一步說(shuō)明：

扭矩最大值為1±0.2N*cm，外側(cè)加阻尼環(huán)最小值大于0，無(wú)回檔力，整周30檔位。將MATLAB生產(chǎn)的曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入cad完成陣列，相連齒做光順連接，生成編碼器軌道體外側(cè)齒形，軌道體與檔位銷通過(guò)彈簧相連，彈簧放置于固定的外殼內(nèi)，模擬最大載荷9.9-10.2N*mm，波動(dòng)結(jié)果為數(shù)據(jù)導(dǎo)入精度所致。因編碼器除圖示結(jié)構(gòu)外，外側(cè)帶有阻尼環(huán)，阻尼環(huán)與軌道體1通過(guò)油脂相連，個(gè)別部位由于打油不均勻出現(xiàn)略微偏動(dòng)，模擬過(guò)程將測(cè)量的阻尼扭矩當(dāng)為定值0.5N*cm計(jì)算，成品件實(shí)測(cè)最大扭矩值1.2N*cm，最小值0.9N*cm，其余為1N*cm附近滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證算法合理。

實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例，具有如下有益效果：

基于軌道扭矩正轉(zhuǎn)公式，利用數(shù)值分析方法對(duì)軌道曲線進(jìn)行離散，以直代曲，對(duì)多參數(shù)進(jìn)行定量，建立軌道半徑增量求解方程，然后利用MATLAB，根據(jù)扭矩及軌道曲線尺寸范圍要求，反求軌道曲線，從而解決了多參數(shù)引起的扭矩不確定問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用方便，參數(shù)可調(diào)，適用面廣，能夠快速精確建立軌道數(shù)據(jù)模型，減少了設(shè)計(jì)人員的工作負(fù)擔(dān)。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例方法中的全部或部分步驟是可以通過(guò)程序來(lái)指令相關(guān)的硬件來(lái)完成，所述的程序可以存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中，所述的存儲(chǔ)介質(zhì)，如ROM/RAM、磁盤、光盤等。

以上所揭露的僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來(lái)限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。