弧面分度凸轮机构参数优化设计及其动力学研究

论文摘要

弧面分度凸轮机构是一种精密传动机构,因其具有分度数大、分度精度高、定位可靠等优点,被广泛应用于各类自动机械中。相对于美国、日本等发达国家,我国研究弧面分度凸轮的时间相对较短。而凸轮机构工作廓面的复杂性,使得其设计理论和制造技术相对比较复杂,从而制约了弧面分度凸轮机构的进一步发展。（1）本文以弧面分度凸轮机构为研究对象,基于空间曲面的啮合原理采用坐标旋转变换、矢量合成等方法推导出了弧面分度凸轮的廓面方程、啮合方程、法线方程和压力角条件。（2）以最大接触应力最小为目标函数,基于机构的功能守恒定理出发分析弧面凸轮机构的啮合点受力,考虑诱导主曲率对啮合点所受应力的影响,建立了弧面凸轮机构的优化设计模型;具体包括目标函数的选取、约束条件的确定等,并且给出了弧面分度凸轮机构工作阔面三维坐标的求解过程。在此基础上,基于VC++面向对象的方法及Pro/ENGINEER参数化建模技术,利用Pro/Engineer中的Protoolkit提供的二次开发功能,在综合考虑了凸轮机构从动件所受载荷、压力角、以及凸轮和滚子在接触区域的曲率半径等因素的影响的基础上,建立了弧面分度凸轮参数化优化造型设计系统,通过实例演示了弧面分度凸轮机构参数的优化过程。该系统给出了界面友好的参数输入对话框,能够自动完成机构的参数优化和参数化驱动建模,并可利用Pro/Engineer的曲面造型工具生成凸轮的工作廓面,直接在Pro/ENGINEER环境下进行装配。同时为了便于观察凸轮机构在各位置和各角度下的运动情况,还对弧面分度机构的啮合过程进行了运动仿真并对机构的运动干涉以及运动特性进行了分析,以便及时发现问题修正设计结果。简要阐述了弧面分度凸轮机构的几类不同误差产生的原因,基于微分几何的方法着重对机构的传动误差进行了分析,并利用传动误差分析软件分析了各尺寸因素对传动误差的影响。（3）针对目前弧面分度凸轮机构传动系统,从机电耦合的角度出发,考虑扭震和凸轮轴向变形以及两者的耦合作用,将驱动电机作为凸轮机构的一部分,初步建立了弧面分度凸轮机构的机电统一动力学分析的数学模型,从而为此类机构的深入研究提供了参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 弧面分度凸轮机构概述
• 1.2 弧面分度凸轮机构的研究现状
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 论文进行的主要工作
• 第二章 弧面分度凸轮的廓面方程及啮合特性
• 2.1 弧面分度凸轮机构的结构形式及工作原理
• 2.2 弧面分度凸轮机构的主要运动参数和几何参数
• 2.2.1 弧面分度凸轮机构的主要运动参数
• 2.2.2 凸轮机构主要几何尺寸
• 2.2.3 从动件的常用运动规律
• 2.3 弧面分度凸轮廓面模型
• 2.3.1 弧面分度凸轮廓面方程
• 2.3.2 相对速度
• 2.3.3 公法线的确定
• 2.3.4 柱面坐标参数β（接触方程）
• 2.3.5 弧面凸轮压力角计算
• 本章小结
• 第三章 弧面分度凸轮机构参数优化设计
• 3.1 弧面分度凸轮机构的优化
• 3.1.1 设计变量的选取
• 3.1.2 从动件运动规律确定
• 3.1.3 目标函数选择
• 12^m 的推导'>3.1.3.1 诱导主曲率k₁₂^m的推导
• 3.1.3.2 凸轮副法向压力F 的推导
• 3.1.4 约束条件
• f 的选取'>3.1.4.1 滚子直径r_f的选取
• m'>3.1.4.2 弧面凸轮的长度L_m
• 3.1.4.3 压力角条件
• 3.1.4.4 不根切条件
• 3.1.4.5 不干涉条件
• 3.1.4.6 机构周向尺寸不干涉条件
• 3.1.4.7 滚子宽度约束条件
• 3.1.5 优化步骤
• 3.1.6 优化方法
• 3.2 弧面凸轮工作廓面三维坐标值求解
• 本章小结
• 第四章 弧面凸轮的计算机辅助设计
• 4.1 设计系统介绍
• 4.1.1 设计思路
• 4.1.2 设计系统的工作流程
• 4.2 弧面分度凸轮的参数化设计
• 4.2.1 基于样板模型的参数化设计原理
• 4.2.2 三维模型样板的建立
• 4.2.2.1 转盘三维模板的建立
• 4.2.2.2 轮毂三维模板的建立
• 4.2.3 弧面凸轮的优化设计程序
• 4.3 弧面凸轮的参数化设计实例
• 4.3.1 设计条件
• 4.3.2 优化设计步骤
• 4.3.3 三维模型的生成步骤
• 4.3.4 弧面分度凸轮机构的仿真
• 4.4 分度误差分析
• 4.4.1 机构尺寸误差对分度精度的影响
• 本章小结
• 第五章 弧面分度凸轮机构动力学建模
• 5.1 弧面分度凸轮机构的主要动力学特点
• 5.2 系统的组成
• 5.3 电机模型的建立
• 5.4 凸轮机构传动系统动力学模型的建立
• 5.4.1 瞬时传动比的确定
• 5.4.2 分度盘位置确定
• 5.4.3 运动方程
• 5.4.4 运动中的阻尼分析
• 5.4.5 等效刚度、等效质量
• 5.4.6 动力学方程的求解和响应分析
• 本章小结
• 结论
• 6.1 研究成果
• 6.2 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢