1、工學(xué)碩士學(xué)位論文拋光磨頭凸輪輪廓設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真哈爾濱理工大學(xué)2011年 3月國內(nèi)圖書分類號(hào) : TP391.9工學(xué)碩士學(xué)位論文拋光磨頭凸輪輪廓設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真碩 士 研究生:導(dǎo) 師:申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:工學(xué)碩士學(xué) 科、專 業(yè):機(jī)械電子工程所 在 單 位:機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院 答 辯 日 期:2011年 3月授予學(xué)位單位 :哈爾濱理工大學(xué)Classified Index: TP391.9Dissertation for the Master Degree in EngineeringCam Profile Curve Design and Motion Simulation of Poshing HeadC

2、andidate :Supervisor :Academic Degree Applied for:Master of EngineeringSpeciality :Mechatronic Engineering Date of Oral Examination:March, 2011University :Harbin University of Science and Technology哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:此處所提交的碩士學(xué)位論文拋光磨頭凸輪輪廓設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿 真 ,是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下,在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間獨(dú)立進(jìn)行研究工 作所取得的成果。據(jù)本人所知

3、,論文中除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫過 的研究成果。對(duì)本文研究工作做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式注 明。本聲明的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)。作者簽名:日期:年 月 日哈爾濱理工大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書拋光磨頭凸輪輪廓設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真系本人在哈爾濱理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位 期間在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的碩士學(xué)位論文。本論文的研究成果歸哈爾濱理工大學(xué)所 有,本論文的研究內(nèi)容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了解哈爾濱理工大學(xué) 關(guān)于保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué)校保留并向有關(guān)部門提交論文和電子版 本,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)哈爾濱理工大學(xué)可以采用影印、縮印或其他 復(fù)制手段保存論文,可以

4、公布論文的全部或部分內(nèi)容。本學(xué)位論文屬于保密 年解密后適用授權(quán)書。不保密(請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打作者簽名:日期:年 月 日 導(dǎo)師簽名:日期:年 月 日哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文- - I 拋光磨頭凸輪輪廓設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真摘 要拋光磨頭是瓷質(zhì)磚拋光機(jī)上的核心部件,其性能優(yōu)劣直接影響到拋光磚的 加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。隨著我國房地產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展、國民生活水平的提高以及 國際化建材市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈,無論是對(duì)拋光磚的產(chǎn)量還是質(zhì)量都提出了更高 的要求。所有的這一切都需要提高國產(chǎn)拋光機(jī)的質(zhì)量才能得以實(shí)現(xiàn)。目前,國產(chǎn) 拋光機(jī)設(shè)備主要存在著拋光磨削加工過程中碎磚現(xiàn)象嚴(yán)重,加工噪音大等缺陷, 尤其是拋光磨頭更存在

5、凸輪局部磨損現(xiàn)象嚴(yán)重,擺桿運(yùn)動(dòng)精度低以及返修率高等 問題。如何提高拋光機(jī),尤其是拋光磨頭的工作性能,提高國產(chǎn)拋光機(jī)設(shè)備以及 拋光磚的國際競(jìng)爭(zhēng)力已經(jīng)是擺在我們面前迫切需要解決的問題。在實(shí)際調(diào)研和查閱大量的相關(guān)資料的基礎(chǔ)上,本文以瓷質(zhì)磚拋光機(jī)的拋光磨 頭為研究對(duì)象,對(duì)其凸輪擺桿機(jī)構(gòu)展開重點(diǎn)研究分析,針對(duì)其端面圓柱凸輪輪廓 的研究采用將圓柱凸輪展開成平面凸輪的方法,利用坐標(biāo)變換的原理,計(jì)算出其 1/6段理論輪廓曲線與實(shí)際輪廓曲線點(diǎn)坐標(biāo)表達(dá)式,并在 MA TLAB 中計(jì)算輪廓 采樣點(diǎn)處的坐標(biāo)值、繪制凸輪輪廓曲線以及輸出采樣點(diǎn)處的坐標(biāo),從而利用采樣 點(diǎn)凸輪輪廓坐標(biāo)在 SolidWorks 中建立凸輪三維

6、模型,并完成拋光磨頭其它零件 的建模與裝配。而針對(duì)采用將圓柱凸輪展開成平面凸輪計(jì)算凸輪輪廓所存在的誤 差問題,通過在 ADAMS 中模擬擺桿和凸輪的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況,并測(cè)量在運(yùn)動(dòng)仿 真過程中凸輪因誤差而上下浮動(dòng)的數(shù)值,從而對(duì)凸輪輪廓曲線進(jìn)行修正。最后, 利用修正后的輪廓線建立凸輪的三維模型以及凸輪擺桿機(jī)構(gòu)模型,并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿 真分析。從仿真得出的擺桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖來看,擺桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與理論設(shè)計(jì)基本相 符,從而證明了采用此種方法來設(shè)計(jì)空間凸輪輪廓曲線的正確性。本文的研究為 設(shè)計(jì)端面圓柱凸輪輪廓提供了一種新的思路,同時(shí)在今后對(duì)拋光磨頭結(jié)構(gòu)的研究 以及優(yōu)化方面也具有重要的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞 拋光磨頭;圓柱端面凸

7、輪;運(yùn)動(dòng)仿真; ADAMS哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文- -II Cam Profile Curve Design andMotion Simulation of Poshing HeadAbstractPolishing head is the core component of the ceramic tile polishing machine, the capability of which directly affects the machining quality and production efficiency of the polished tile. With the d

8、evelopments of real estate industry of our country, the enhance of national living standard and the fierce competition of the international building materials market, higher demands have been presented on the production and quality of the polished tile.Only to improve the quality of the polishing ma

9、chine can meet all the above requirements. For now, high defect rate and large noise in the grinding process are the main defects of the domestic polishing machine. As for the polishing head, serious cam concentrated wear, low kinematic accuracy of the swing link and high repair rate are the main fl

10、aws. How to improve the service behaviour of the polishing machine and the polishing head and enhance the global competitive ability of the domestic polishing machine and polished tile are the urgent problems to be solved ahead of us.On the basis of practical investigation and consultation of mass r

11、elevant data, this paper takes the polishing head of the polishing machine as the research object and carries out key research and analysis on the cam swing link mechanism. In orderto study the head faced cylindrical cam profile, the cylindrical cam was unfolded into the form of planner cam. Based o

12、n coordinate transformation principle, the coordinate expressions of 1/6 segment ideal profile and actual profile were deduced and the values of the coordinate points were calculated in MATLAB. The cam profile curve was plotted in MATLAB and the coordinate points values were outputted to establish t

13、he 3-D model of the cam. The models of the cam and other parts of polishing head were also establied in SolidWorks, as well as the polishing head assembly. Aimming at the profile curve error existed in the method of unfolding cylindrical cam into planner cam, the actual movements of the swing link a

14、nd the cam were simulated in ADAMS so as to measure the floating-values of the cam哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文- - IIIcaused by the profile curve error during the simulation process. The cam model was rebuilt according to the curve revised by the cam floating-values and the motion simulation of the cam swing link

15、 mechanism model was carried out in ADAMS. In the point of the simulation results, the swing link motion law basically accords with the design, which proves the correctness of this method to design the spatial cam profile curve. The research of this paper provides new ideas for the profile curve des

16、ign of the head faced cylindrical cam and has important reference value for the study and optimization of the polishing head.Keywords Polishing head, Head faced cylindrical cam, Motion simulation, ADAMS哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文目錄摘 要 . . I Abstract . II第 1章 緒論 . . 1 1.1 課題研究的目的和意義 . . 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . . 2 1.2.1

17、 拋光磨頭的研究現(xiàn)狀 . . 2 1.2.2 凸輪的研究現(xiàn)狀 . . 3 1.3 論文的研究對(duì)象 . . 4 1.4 課題來源及主要研究內(nèi)容 . . 5 1.4.1 課題來源 . . 5 1.4.2 主要研究內(nèi)容 . . 5第 2章 凸輪輪廓線計(jì)算 . . 7 2.1 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)概述 . . 7 2.1.1 凸輪與擺桿外形圖 . . 8 2.1.2 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)工作原理 . . 8 2.2 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律 . . 9 2.2.1 常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律 . . 10 2.2.2 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特征值 . . 12 2.2.3 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇 . . 13 2.3 空間坐標(biāo)變換 . .

18、14 2.4 凸輪輪廓曲線的計(jì)算 . . 15 2.4.1 凸輪理論展開輪廓曲線 . . 15 2.4.2 凸輪壓力角 . . 19 2.4.3 凸輪實(shí)際展開輪廓曲線 . . 22 2.5 本章小結(jié) . . 22第 3章 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)的三維建模 . . 23 3.1 MATLAB繪制凸輪輪廓曲線 . 23 3.1.1 MATLAB簡(jiǎn)介 . 23 3.1.2 MATLAB繪制凸輪 1/6段展開輪廓曲線 . 23- IV -哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文3.2 拋光磨頭零件的建模 . . 26 3.2.1 空間凸輪常用的建模方法 . . 27 3.2.2 凸輪建模 . . 27 3.2.3 其它零

19、件的建模 . . 30 3.2.4 標(biāo)準(zhǔn)件的建模 . . 30 3.3 裝配體模型的建立 . . 32 3.3.1 拋光磨頭的裝配 . . 32 3.3.2 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)的裝配 . . 33 3.4 本章小結(jié) . . 34第 4章 凸輪輪廓曲線修正與運(yùn)動(dòng)仿真 . . 35 4.1 凸輪輪廓曲線修正 . . 35 4.1.1 ADAMS簡(jiǎn)介 . . 35 4.1.2 凸輪輪廓曲線修正 . . 35 4.2 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真 . . 43 4.3 本章小結(jié) . . 46結(jié)論 . . 47參考文獻(xiàn) . . 48攻讀碩士期間發(fā)表的論文 . . 52致謝 . . 53- V -哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士

20、學(xué)位論文第 1章 緒論1.1課題研究的目的和意義近幾年來,中國房地產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了緊緊圍繞房地產(chǎn)業(yè)而生的建筑 墻、地瓷磚市場(chǎng)需求量的突飛猛漲。與此同時(shí),隨著國民收入水平和生活品味 的不斷提高,人們也越來越講究裝飾住房,對(duì)中高檔瓷磚的需求也越來越多 1。拋光磚因其具有表面光潔、堅(jiān)硬耐磨等優(yōu)點(diǎn),十分符合我國消費(fèi)者的追求 和審美觀點(diǎn),受到我國消費(fèi)者的普遍青睞 2。拋光磚的廣闊的市場(chǎng)需求,不但為陶瓷制造商帶來了大量的訂單,也為其 生產(chǎn)設(shè)備 拋光機(jī)設(shè)備供應(yīng)商提供了一個(gè)良好的發(fā)展機(jī)遇。 1995年中國陶瓷 工業(yè)第一臺(tái)拋光設(shè)備生產(chǎn)線在廣東佛山科達(dá)陶瓷機(jī)械公司誕生,這打破了國外 陶瓷設(shè)備供應(yīng)商對(duì)于拋光設(shè)備

21、的壟斷,開啟了拋光機(jī)國產(chǎn)化的歷程。到目前為 止,國產(chǎn)拋光機(jī)經(jīng)過十多年的發(fā)展,不斷滿足了國內(nèi)陶瓷市場(chǎng)上對(duì)于該生產(chǎn)設(shè) 備的需求,還大量的出口到越南、印度、巴西等一大批發(fā)展中國家,中國制造 在國際建筑陶瓷機(jī)械裝備市場(chǎng)上的聲譽(yù)和成交額都在一年邁上一個(gè)新臺(tái)階。盡 管國產(chǎn)拋光機(jī)在短短十多年的時(shí)間內(nèi)就完成了從依靠進(jìn)口到出口創(chuàng)匯的轉(zhuǎn)變, 但是中國制造在國際陶瓷裝備市場(chǎng)上即使依靠價(jià)廉的優(yōu)勢(shì)也仍只占不到 20%的 市場(chǎng)份額,而且在質(zhì)量上也無法與傳統(tǒng)的陶瓷強(qiáng)國,如意大利、西班牙等國家 的設(shè)備相媲美,質(zhì)量上的缺陷已成為遏制國產(chǎn)拋光機(jī)發(fā)展的瓶頸 3, 4。因此, 無論是對(duì)于陶瓷裝備行業(yè)還是陶瓷行業(yè)來講,都要求我們必須提

22、高國產(chǎn)拋光機(jī) 的質(zhì)量才能在國際化市場(chǎng)的舞臺(tái)上立于不敗之地。目前,國內(nèi)拋光機(jī)設(shè)備的主要供應(yīng)商有廣東科達(dá)機(jī)電股份有限公司、廣東 捷成工機(jī)械有限公司和佛山科信達(dá)有限公司。在這三家設(shè)備供應(yīng)商中,屬廣東 科達(dá)機(jī)電股份生產(chǎn)的 JP 系列拋光機(jī)的市場(chǎng)上占有率最高,其生產(chǎn)制造水平可 以說代表了國產(chǎn)拋光機(jī)的最高水平。但是該公司生產(chǎn)的拋光機(jī)仍存在拋光磨削 加工時(shí)碎磚現(xiàn)象嚴(yán)重、噪音大等缺陷,尤其是拋光機(jī)的核心部件 拋光磨 頭,其作用相當(dāng)于機(jī)床上的 “ 刀具 ” ,更存在著凸輪局部磨損現(xiàn)象嚴(yán)重,運(yùn)動(dòng)精 度低以及返修率高等問題。所有的這些方面問題,都嚴(yán)重制約了國產(chǎn)拋光機(jī)的 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。為此,我們與廣東科達(dá)機(jī)電有限公司采

23、用校企合作的方式,以該公司的 JP 系列拋光機(jī)為研究對(duì)象,重點(diǎn)對(duì)其核心部件拋光磨頭進(jìn)行研究分析。從提- 1 -哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文高拋光磨頭工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)精度方面入手,對(duì)其內(nèi)部凸輪擺桿機(jī)構(gòu)的凸輪進(jìn)行改 進(jìn)設(shè)計(jì),從而提高拋光機(jī)的工作性能,解決磨削加工時(shí)的碎磚問題。該課題的 研究不僅對(duì)于提高廣東科達(dá)機(jī)電的拋光機(jī)質(zhì)量有重要意義,對(duì)提高整個(gè)國產(chǎn)拋 光設(shè)備質(zhì)量乃至國產(chǎn)拋光磚的質(zhì)量以及國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力都具有十分重要的理論 意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1拋光磨頭的研究現(xiàn)狀由于陶瓷行業(yè)的局限性,國外對(duì)于該設(shè)備的研究也是集中在少數(shù)的幾個(gè)陶 瓷設(shè)備供應(yīng)商和科研機(jī)構(gòu)中,而且隨著國際陶瓷裝備

24、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈,國 外關(guān)于拋光機(jī)結(jié)構(gòu)方面有價(jià)值的研究資料很少公開發(fā)表,這就在無形中制約著 我國陶瓷裝備行業(yè)設(shè)計(jì)與制造水平的提高。除了美國的 Luigi Pedrini 在 2001年提出一種新型的拋光磨頭結(jié)構(gòu)專利外,關(guān)于拋光機(jī)結(jié)構(gòu)方面的論文幾乎沒 有。在該專利中, Luigi Pedrini 提出一種新型的拋光磨頭,該磨頭外形與本文 研究的拋光磨頭基本相同,但是在內(nèi)部驅(qū)動(dòng)方式上,用偏心輪機(jī)構(gòu)取代凸輪擺 桿機(jī)構(gòu) 6。目前國外對(duì)拋光機(jī)的研究主要集中在提高磨削效率和瓷質(zhì)磚表面光 潔度方面。 F.J.P.Sousa 等人對(duì)瓷質(zhì)磚拋光磨削加工過程中的表面光潔度展開研 究,通過對(duì)整個(gè)拋光磨削加工過程中

25、的仿真分析,得出橫梁擺動(dòng)造成瓷質(zhì)磚表 面質(zhì)量呈現(xiàn)波浪形分布的結(jié)論 7; Yavuz , H. 分析傳送帶速度與磨塊目數(shù)間對(duì)瓷 質(zhì)磚表面質(zhì)量的影響,當(dāng)磨塊目數(shù)大于 320時(shí),傳送帶速度對(duì)磚坯表面質(zhì)量影 響很小 8; M.F. Huang 等人針對(duì)影響拋光磨削效率的因素 壓力、時(shí)間、轉(zhuǎn) 速、磨塊目數(shù)等展開試驗(yàn)研究,并得出它們各自對(duì)磨削率的影響規(guī)律 9。 盡管國外對(duì)于拋光磨頭結(jié)構(gòu)的研究一直處于保密階段,國內(nèi)還是有一大批 高校學(xué)者對(duì)它進(jìn)行了研究,具有代表性的有以下幾個(gè)高校:安徽理工大學(xué)的葉 友東等人主要對(duì)拋光磨頭內(nèi)的兩齒差外嚙合行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)展開研究,利用優(yōu)化 算法得到齒輪副間合理的變位系數(shù),推導(dǎo)出該行

26、星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率的計(jì)算公式, 并分析影響該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率和壽命的主要因素以及相應(yīng)的改善措施 10-12;景德 鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院的田鋒、 朱金貴采用 ANSYS 軟件對(duì)磨頭及磨頭上部的 Pro/E簡(jiǎn)化 模型進(jìn)行模態(tài)分析,通過對(duì)固有頻率的分析計(jì)算以避免因共振而產(chǎn)生噪聲,還 提出在拋光磨削過程中加水降噪的想法 13, 14;該學(xué)院的聶陶蓀、馮浩通過建立 動(dòng)力學(xué)模型方法對(duì)主軸的橫向擺動(dòng)和縱向振動(dòng)進(jìn)行研究分析,并從減小主軸振 動(dòng)的角度出發(fā),提出提高拋光磚的表面質(zhì)量的措施 15; 中南大學(xué)的湯迎紅于- 2 -哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文2006年對(duì)拋光磨頭原有設(shè)計(jì)方案中凸輪擺桿機(jī)構(gòu)的主動(dòng)擺桿和從動(dòng)擺桿的位 移、速

27、度、加速度進(jìn)行分析,并結(jié)合適當(dāng)?shù)膹膭?dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并對(duì)原有凸輪輪 廓曲線進(jìn)行優(yōu)化分析 5, 16;該校的陳玉芬則于同一年研究和建立了磨頭的力學(xué) 模型和數(shù)學(xué)模型并對(duì)固有頻率特性進(jìn)行求解,并利用信號(hào)分析處理的計(jì)算機(jī)程 序,找到磨頭的內(nèi)部振動(dòng)源,并提出了控制磨頭振動(dòng)的措施 17。除了高校眾多學(xué)者對(duì)于該款磨頭的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行大量研究外,廣東科達(dá) 機(jī)電股份有限公司的工程師也對(duì)自己的核心產(chǎn)品進(jìn)行大量的研究分析。周鵬、 何高和鄧小明對(duì)拋光磨頭中各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究,并分析引起磨頭振動(dòng) 的因素 18;鄧小明、丘兆才于 2006年介紹了拋光磨頭中的旋回機(jī)構(gòu)的工作原 理,并對(duì)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析,對(duì)瓷質(zhì)磚拋光磨頭

28、的研發(fā)有一定的參考價(jià)值 19;鄧小明、隋旭東、陳光永于 2009年提出一種加工拋光磨頭凸輪的構(gòu)想, 即將主動(dòng)擺桿上滾輪換成磨削刀具,當(dāng)擺桿按照選定運(yùn)動(dòng)規(guī)律擺動(dòng)的同時(shí),磨 削刀具對(duì)旋轉(zhuǎn)的凸輪進(jìn)行磨削加工,從而在這復(fù)合運(yùn)動(dòng)中制造出高精確的凸輪 20。1.2.2凸輪的研究現(xiàn)狀早在 19世紀(jì) 20年代, Furman 就在其出版的專著中對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行 介紹,標(biāo)志著人們對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)研究的開始。在以后的幾十年內(nèi),包括美國、日 本、蘇聯(lián)等國的眾多學(xué)者都對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)展開了深入的研究,從最初地簡(jiǎn)單考慮 幾何尺寸、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,發(fā)展到對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造 階段,并發(fā)表了大量有關(guān)凸輪機(jī)構(gòu)的專著和研

29、究論文。在從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律方 面,牧野洋提出簡(jiǎn)諧梯形運(yùn)動(dòng)規(guī)律、 Webor 、 Gutman 與 Freudenstein 等人提出 富氏級(jí)數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、 Stoddart 與 Fawcett 等提出多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律、 Yoon K 等采 用三次樣條曲線作為凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、 Tsay D M 等人采用 B 樣條函數(shù)設(shè)計(jì)出 凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律 21-25。在凸輪輪廓設(shè)計(jì)方面,已經(jīng)從早期的繪圖法發(fā)展到針 對(duì)某些簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特定凸輪機(jī)構(gòu)的解析法,其中 Chakrabosty J 與 Dhande S G 針對(duì)平面與空間凸輪機(jī)構(gòu)建立統(tǒng)一的計(jì)算方法,通過應(yīng)用螺旋理論確定凸 輪與從動(dòng)件表面間的接觸條件,能夠直接

30、求出各種凸輪輪廓的所有數(shù)據(jù) 26;牧 野洋提出用旋轉(zhuǎn)張量法來設(shè)計(jì)空間凸輪輪廓 23; Backhouse . C . J . 等運(yùn)用包絡(luò)理 論分析線圈纏繞凸輪的輪廓,并證明該理論在凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造方面的優(yōu)越 性 27; Shyue-Cheng Yang 基于包絡(luò)理論和微分幾何知識(shí),推導(dǎo)出球面凸輪廓面 表達(dá)式,并利用雙參數(shù)包絡(luò)理論設(shè)計(jì)光學(xué)球面凸輪的輪廓面 28, 29; Chen F Y . 對(duì) 6種常用平面凸輪機(jī)構(gòu)的輪廓面展開研究,并用單參數(shù)包絡(luò)理論推導(dǎo)出上述 6- 3 -哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文種常用輪廓表達(dá)式 30。在國外,對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)展開研究的不光有眾多學(xué)者,還有 專門從事 凸輪生

31、產(chǎn)和研發(fā)的機(jī)構(gòu)和公司,如美國的 IMC 公司和 Stelron Components 公司、日本的大塚凸輪公司、三共制作所、協(xié)會(huì)凸輪公司以及俄 羅斯金屬機(jī)床研究院,這些公司在凸輪機(jī)構(gòu)的研發(fā)和制造方面都處于世界領(lǐng)先 地位,無論是開發(fā)還是設(shè)計(jì)都采用自己研發(fā)的凸輪機(jī)構(gòu)的 CAD/CAM系統(tǒng),大 幅度降低了凸輪的科研費(fèi)用以及加工費(fèi)用,促進(jìn)了凸輪機(jī)構(gòu)的在各行各業(yè)的廣 泛應(yīng)用 31。近 20多年來,我國科研人員在凸輪的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律、凸輪輪廓設(shè)計(jì)和 CAD/CAM等方面都取得了很大的成就。肖正揚(yáng)等人提出通用簡(jiǎn)諧梯形運(yùn)動(dòng)規(guī) 律特性值公式,并運(yùn)用混合懲罰函數(shù)法對(duì)簡(jiǎn)諧梯形運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化, 設(shè)計(jì)了一些運(yùn)動(dòng)

32、規(guī)律較好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 21, 32;彭國勛、葛正浩等人提出橢圓運(yùn)動(dòng) 規(guī)律,并給出多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律的通用方程式及邊界條件以及開發(fā)出可以任意增 加局部控制條件多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律的通用設(shè)計(jì)軟件,還給出樣條函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的 通用表達(dá)式和邊界條件 33, 34;連景巖,張?jiān)莆牡热瞬捎脴O坐標(biāo)矢量解析法設(shè)計(jì) 圓柱凸輪輪廓線,直接得出凸輪輪廓線的極坐標(biāo)方程,并用 Matlab 軟件對(duì)凸 輪輪廓線的壓力角變化情況進(jìn)行分析 35;丁爵曾、趙韓、梁錦華等人應(yīng)用共軛 曲面原理求解凸輪曲面方程,并推導(dǎo)出平底從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)、滾子從動(dòng)件 盤形凸輪機(jī)構(gòu)、空間同心滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)和空間正交滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu) 的通用計(jì)算公式,并介紹

33、了一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu) CAD/EXPERT系統(tǒng) 36;張策、楊玉 虎等人提出應(yīng)用包絡(luò)理論生成空間分度嚙合曲面方程的新方法,并通過推導(dǎo)驗(yàn) 證該方法能取得與采用共軛曲面理論完全相同的結(jié)論 37;鄒慧君、何有鈞等人 提出采用等距曲面的方法來設(shè)計(jì)凸輪輪廓面,提出兩重包絡(luò)的加工方法制造凸 輪并構(gòu)建凸輪 CAD/CAM集成平臺(tái)模型進(jìn)行驗(yàn)證 38;褚金奎、尹明富、鄭武等 人從弧面分度凸輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、嚙合特性等方面入手,對(duì)凸輪的加工工藝、廓面 檢測(cè)以及嚙合效率方面展開研究分析,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證單側(cè)面加工工藝原理的正確 性 22, 39;曹巨江等人主要對(duì)弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)展開研究,基于嚙合原理和微分 幾何的理論推導(dǎo)出弧面凸輪輪

34、廓方程以及接觸應(yīng)力計(jì)算力學(xué)模型,并設(shè)計(jì)出專 用數(shù)控設(shè)備加工弧面分度凸輪 40, 41。1.3論文的研究對(duì)象本文以瓷質(zhì)磚拋光機(jī)上的核心部件拋光磨頭為研究對(duì)象(其外形圖如 圖 1-1所示 ,重點(diǎn)對(duì)其凸輪擺桿機(jī)構(gòu)展開研究分析。正是通過該部件,拋光 機(jī)完成對(duì)瓷質(zhì)磚表面的拋光磨削加工。通常,一臺(tái)拋光機(jī)上裝有 16個(gè)或 20個(gè)- 4 -哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 - 5 -拋光磨頭,其中拋光磨頭、磨頭上部和電機(jī)安裝在擺動(dòng)橫梁上。圖 1-1 拋光磨頭外觀圖Fig.1-1 Picture of polishing head當(dāng)拋光機(jī)工作時(shí),輸送帶承載瓷質(zhì)磚向前運(yùn)動(dòng),橫梁通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)實(shí)現(xiàn)左右往復(fù)擺動(dòng)

35、,從而帶動(dòng)拋光磨頭相對(duì)于瓷質(zhì)磚做往復(fù)擺動(dòng)式運(yùn)動(dòng)。拋 光磨頭除了做往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)外,還在擺動(dòng)橫梁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn),并通過 其內(nèi)部的凸輪擺桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)在圓周方向上均勻分布的 6個(gè)磨塊繞擺桿軸擺動(dòng), 從而實(shí)現(xiàn)磨塊對(duì)瓷質(zhì)磚表面的線接觸式磨削。在這一系列復(fù)合運(yùn)動(dòng)過程中,磨 頭上部的氣缸還通過主軸對(duì)拋光磨頭施加一恒定的壓力,從而增大磨塊與瓷質(zhì) 磚間的摩擦力,以提高生產(chǎn)效率。1.4 課題來源及主要研究內(nèi)容1.4.1 課題來源本課題來源于哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院與廣東科達(dá)機(jī)電簽訂的關(guān) 于拋光機(jī)磨頭振動(dòng)問題的校企合作項(xiàng)目。1.4.2 主要研究內(nèi)容本文將以拋光機(jī)的核心部件拋光磨頭為研究對(duì)象,重點(diǎn)對(duì)其凸輪擺桿

36、 機(jī)構(gòu)展開研究分析,以解決該磨頭存在的擺桿運(yùn)動(dòng)精度低、凸輪輪廓面局部磨 損現(xiàn)象嚴(yán)重、以及加工碎磚等問題,主要開展了以下幾方面的研究工作:1結(jié)合該拋光磨頭凸輪擺桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理,對(duì)其端面圓柱凸輪哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文的輪廓曲線進(jìn)行設(shè)計(jì);2根據(jù)設(shè)計(jì)的凸輪理論輪廓曲線和實(shí)際輪廓曲線表達(dá)式,繪制相應(yīng)的曲 線,并利用計(jì)算出的實(shí)際輪廓曲線對(duì)凸輪進(jìn)行建模,最后建立拋光磨頭裝配體 模型;3采用仿真分析的方法對(duì)理論計(jì)算的凸輪輪廓曲線進(jìn)行修正,并重新建 立凸輪以及凸輪擺桿機(jī)構(gòu)裝配體模型,并利用修正后的裝配體模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分 析,從而對(duì)設(shè)計(jì)的凸輪輪廓進(jìn)行驗(yàn)證分析- 6 -哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第

37、 2章 凸輪輪廓曲線計(jì)算2.1凸輪擺桿機(jī)構(gòu)概述拋光磨頭的凸輪擺桿機(jī)構(gòu)是整個(gè)拋光磨頭的核心機(jī)構(gòu)。通過該高副機(jī)構(gòu), 拋光磨頭驅(qū)動(dòng)擺腳擺動(dòng),帶動(dòng)磨塊實(shí)現(xiàn)對(duì)磚坯表面的線接觸式磨削,而不是面 接觸式。采用線接觸式磨削,有利于保證在磨削加工的過程中產(chǎn)生的磨屑能及 時(shí)的被從中空主軸中流出的水沖走,防止磨屑對(duì)瓷質(zhì)磚表面形成二次刮傷,從 而提高瓷質(zhì)磚表面的光潔度。拋光磨頭在高速公轉(zhuǎn)的同時(shí),安裝在同一軸套上的主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪分 別與相對(duì)固定的中間齒輪同時(shí)嚙合。其中,主動(dòng)齒輪固定安裝在軸套上,與中 間齒輪采用負(fù)變位安裝;從動(dòng)齒輪安裝在凸輪上并空套在軸套上,與中間齒輪 采用負(fù)變位安裝;并且主動(dòng)齒輪比從動(dòng)齒輪多 2個(gè)

38、齒。由于主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒 輪同時(shí)與中間齒輪配合,主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪之間將產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)速差,即凸 輪產(chǎn)生相對(duì)于拋光磨頭自身的轉(zhuǎn)動(dòng)。在凸輪自轉(zhuǎn)的過程中,其端面輪廓將推動(dòng) 在磨頭座圓周方向上均勻分布的 3個(gè)主動(dòng)擺桿上的滾輪做與輪廓線相對(duì)應(yīng)的運(yùn) 動(dòng),進(jìn)而完成主動(dòng)擺桿繞擺桿軸的左右擺動(dòng);相鄰的兩個(gè)主動(dòng)擺桿再驅(qū)動(dòng)夾在 其中間的從動(dòng)擺桿運(yùn)動(dòng),從而完成 3個(gè)從動(dòng)擺桿的左右往復(fù)擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)磚坯 表面的線接觸式磨削 5。其傳動(dòng)示意圖如圖 2-1所示。 圖 2-1凸輪擺桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖Fig.2-1 Transmission schematic of cam swing link mechanism- 7 -哈爾濱

39、理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 - 8 -2.1.1 凸輪與擺桿外形圖該拋光磨頭所用的凸輪屬于幾何形狀鎖合的端面圓柱凸輪,其端面輪廓曲 線由 3段完全相同的曲線組合而成,從而驅(qū)動(dòng)圓周方向上均勻分布的 3個(gè)主動(dòng) 擺桿完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng),其外形圖如圖 2-2所示。主動(dòng)擺桿的外形圖如圖 2-3所 示,由對(duì)稱分布的 A 、 B 兩側(cè)組成,其目的是擺桿的兩側(cè)與凸輪輪廓線同時(shí)接 觸,從而形成形鎖合。圖 2-2 凸輪 圖 2-3 主動(dòng)擺桿 Fig.2-2 Cam Fig.2-3 Active swing link2.1.2 凸輪擺桿機(jī)構(gòu)工作原理在凸輪自轉(zhuǎn)的過程中,其端面輪廓將推動(dòng)圓周方向上的主動(dòng)擺桿左右往復(fù) 擺動(dòng)。當(dāng)

40、主動(dòng)擺桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), A 側(cè)滾輪受到凸輪輪廓施加力的作用,完成 相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng), B 側(cè)滾輪起消除運(yùn)動(dòng)間隙的作用;反之,當(dāng)擺桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), B 側(cè)滾輪受力, A 側(cè)滾輪起消除間隙的作用。主動(dòng)擺桿正是通過 A 側(cè)與 B 側(cè)滾 輪的交替受力才實(shí)現(xiàn)左右往復(fù)擺動(dòng)。對(duì)于凸輪輪廓線而言,其端面輪廓線就有 工作段與非工作段之分,而且只有工作段輪廓才對(duì)擺桿施加力的作用 5。為了形象地描述凸輪與主動(dòng)擺桿之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系,我們將端面圓柱凸 輪展開成平面移動(dòng)凸輪的形式,在平面內(nèi)對(duì)凸輪與擺桿之間的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。 當(dāng)把該磨頭所用的端面圓柱凸輪展開成平面輪廓后,其與主動(dòng)擺桿上滾輪的運(yùn) 動(dòng)示意圖如圖 2-4所示,具體的運(yùn)

41、動(dòng)過程如下:假定在初始時(shí)刻時(shí),主動(dòng)擺桿順時(shí)針擺動(dòng)到最大角度位置, A 側(cè)滾輪位于 最高點(diǎn), B 側(cè)滾輪位于最低點(diǎn),如圖 2-4(a 所示;當(dāng)凸輪向左水平移動(dòng)時(shí), 凸輪端面輪廓推動(dòng)主動(dòng)擺桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),擺桿的 A 側(cè)受力,此側(cè)凸輪輪廓線為 工作段, B 側(cè)對(duì)應(yīng)的凸輪輪廓為非工作側(cè),起形鎖合作用,如圖 2-4(b 所 示;當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過 /6時(shí), A 側(cè)滾輪運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn), B 側(cè)滾輪運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn),凸哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 - 9 -輪工作段 2即將開始參與運(yùn)動(dòng),推動(dòng) B 側(cè)滾輪運(yùn)動(dòng),使主動(dòng)擺桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng), 如圖 2-4(c 所示。依此類推,當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過 2/3時(shí),主動(dòng)擺桿正好完成一個(gè) 往復(fù)擺動(dòng)的運(yùn)

42、動(dòng)過程。在凸輪自轉(zhuǎn)一圈的過程中,主動(dòng)擺桿共實(shí)現(xiàn) 3次這樣的 往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),從動(dòng)擺桿也在主動(dòng)擺桿的驅(qū)動(dòng)下,完成 3次往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。a 凸輪初始位置b 凸輪轉(zhuǎn)動(dòng) /12c 凸輪轉(zhuǎn)動(dòng) /6圖 2-4 擺桿與凸輪運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.2-4 Motion schematic between swing link and cam2.2 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)于凸輪機(jī)構(gòu)而言,其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是對(duì)影響凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度、傳動(dòng)效 率和壽命的凸輪輪廓曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)。在分析設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線之前,我們必須 首先選擇恰當(dāng)?shù)膹膭?dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律以滿足該凸輪機(jī)構(gòu)工作性能的要求。所謂從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,就是指從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)時(shí),其位移 s 、速度 v

43、 和加 速度 a 隨凸輪轉(zhuǎn)角 (或運(yùn)動(dòng)時(shí)間 t 變化的規(guī)律,即 ( s s =。它的一階導(dǎo)數(shù)為d d s v =,稱為類速度;其二階導(dǎo)數(shù)為 222d d s a=,稱為類加速度;其三階導(dǎo) 數(shù)為 333d d s J=,稱為類躍度。對(duì)于擺動(dòng)從動(dòng)件而言,只需用從動(dòng)件的角位移參哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文- 10 -數(shù) 代替位移 s 即可,其函數(shù)變?yōu)?( =,其類角速度為d d /d d t=,類 角加速度為 22222d d /d d t =,類角躍度為 3333d d /d d 3t =21, 42。2.2.1 常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律常用的從動(dòng)件基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要分為以下兩類:常用的從動(dòng)件基本運(yùn)動(dòng)

44、規(guī)律主要分為以下兩類: (1 多項(xiàng)式類型運(yùn)動(dòng)規(guī)律該種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本位移方程式為:2012n n s c c c c =+ (2-1式中, 012n c c c c 、 、 、 均為待定系數(shù)。通過設(shè)定不同的邊界條件,確定 012n c c c c 、 、 、 的值,便可得到不同的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律。等速運(yùn)動(dòng)、等加速等 減速運(yùn)動(dòng)、五次項(xiàng)運(yùn)動(dòng)和七次項(xiàng)運(yùn)動(dòng)等都屬于這種類型。(2 三角函數(shù)類型運(yùn)動(dòng)規(guī)律該類型運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要包括簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、雙諧運(yùn)動(dòng)、擺線運(yùn)動(dòng)和橢圓形運(yùn) 動(dòng)。除了上述兩類基本的運(yùn)動(dòng)規(guī)律之外,還有各種基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律之間的組合形 式,如修正等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、修正等加速等減速運(yùn)動(dòng)和組合擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。構(gòu) 建組合型

45、運(yùn)動(dòng)規(guī)律,就是為了充分利用各種基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的優(yōu)勢(shì),做到揚(yáng)長避 短,從而避免從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)的起、停階段發(fā)生剛性或柔性沖擊,減少振動(dòng)等。關(guān)于這兩類基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的詳細(xì)介紹一般的機(jī)械原理教材中均有所敘述, 故在此只列舉幾種典型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律列于表 2-1中 42。哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文表 2-1 常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律 Tab.2-1 Common motion law of follower - 11 -哈爾濱理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 - 12 -(續(xù)表 2-1當(dāng)用從動(dòng)件的角位移參數(shù) 和角度沖程 m 分別替代表中的位移 s 和沖程 h ,便可得到擺動(dòng)從動(dòng)件的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2.2.2 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特征值對(duì)于凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律而言,在保證從動(dòng)件位移無突變的前提 下,應(yīng)力求速度、加速度也沒有突變。常用來評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)規(guī)律優(yōu)劣的參