外文翻譯--凸輪速度對凸輪系統影響的實驗研究 中文版

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外 文 翻 譯 原文 1： F F N 文 1： 凸輪速度對凸輪 統影響的實驗研究 凸輪速度對凸輪系統影響的實驗研究 H. S. M. C. 國臺灣臺南 70101號國立成功大學 機械工程系 M. H. 國臺灣臺南 71016號永康昆山商業(yè)與技術學院 （ 收稿： 1994年 9月 9 日；發(fā)表： 1995年 10 月 26日 ） 摘要： 傳統上，在一個凸輪系統，一旦確定凸輪位移曲線的設計 ,從動件是以恒定的速度和運動特性運動的。從運動學角度看，通過改變輸入速度是一個改善從動件運動特征的可行方法。本文中，我們說明如何找到一個多項式的速度軌跡來減少運動特性的峰值。此外，通過約束和系統設計程序產生一個適當的凸輪角速度軌跡的方法正在開發(fā)。設計實例說明了這個程序 能 為變速凸輪系統的速度得到適當的速度軌跡。此外，一個帶有伺服控制器 的 實驗裝置正在開發(fā) 用 來研究這種 方法的可行性。實驗數據表明，結果是非常接近那些理論。 術語 A, c, d, e, n, x, J, 的時間 T, V, 1 2 3 4 的角度 1 2 3 4 引言 在一個凸輪系統 中， 慣性力所產生的負載是容易變形和 產生 振動 的。而且急動所產生的負載也 可能造成振動，這些都會影響凸輪 的工作 。因此，設計的運動曲線 來 盡量減少動態(tài)加載 對 高速凸輪機構 很 重要。 眾所周知，速度和加速度曲線 需要 是 連續(xù) 的 且 有較小的峰值。此外， 急動 曲線應該是有限 性 的。 在設計一個凸輪機構是凸輪速度往往被假定是不變的。 然而， 從動件的 運動特 性 是 隨 凸輪速度變化 而變化的。想要達到理想的運動狀態(tài)是一個合成有較好動態(tài)特性的新曲線的應用。 在本文中，我們提出一個通過改變轉速 的方法 。 在凸輪系統設計中用變速的觀念很少在文獻中有研究。 羅特巴特 1 設計了一個 變速 凸輪機構 ， 在其中 凸輪的輸入是輸出一 個急回機構 。 特薩和馬太福音 2 通過考慮變速凸輪的案例導出了從動件的運動方程 。 選擇消除從動件不連續(xù)運 動特性的適當角度是 人設計的 3 。從運動學角度講，這項工作的任務是找到減少從動件運動峰值的凸輪速度。 此外，通過約束和系統設計程序產生一個適當的凸輪角速度軌跡的方法正在開發(fā)。 設計實例說明，對于一個給定的從動系統程序設計適合的角速度。 一個 實驗 凸輪 系統是建立在其中一個伺服電機控制生成所需的速度軌跡 來進行 性能評估 上的 。 運動方程 對于一個凸輪系統，從動件的位移 s（ t）是凸輪旋轉角度（ t）的應變量。在算術上，他們可以這樣表達： 旋轉角度（ t）在 動件的速度 v（ t）是： f（） =） /且加速度 （ t） =且對應的從動件加速度 a（ t）和 j（ t）是： 方程 14 呈現了凸輪輸入角速度 （ t）和從動件運動參數 s（ t）， v(t) ， a（ t）的關系。很明顯，如果（ t）是連續(xù)的，它們就很簡單。令 h 是凸輪在時間 t 內轉過角時從動件的位移。讓 T=t/ ， = / ， S=s/h 。 我 們 有。那么方程 14 可以寫成如下的標準形式： s(t) 是標準的凸輪角速度， V（ T）， A（ T），和 J（ T）分別是標準的速度，加速度和從動件的急動值方程 18關系可以 表示成： 當凸輪以連續(xù)速度工作時，（ T） =1，從動件的標準的速度 T），加速度 T），和 T）可以寫成： 則（ T） =T。 （ T）的設計準則 對于一個給定的凸輪從動件系統，如 果我們正確的控制輸入速度軌跡，由恒定速度導致的標準速度，加速度，急動值的峰值可能減小。例如，為了減小標準速度的峰值，（ T）能能夠改變，那么 ，則 c。那么，從方程 6，13我們知道（ T）必須滿足下面條件： 為了減小標準加速度的峰值， 是，當在標準時間 方程 7和 14的基礎上，（ T）應該這樣選： 請注意 必須為非零。相似的，如果要求 ，則 。那么從方程（ 8）和（ 15）知，（ T）需要滿足： 當 為了避免從動件的過度振動，（ T）的諧波應該越小越好。這里，我們選擇一個合適的速度軌跡。 由于速度和加速度曲線，方程（ 6）和（ 7），要求是連續(xù)的，且急動值曲線，方程（ 9），也需要有限的，那么（ T）必須至少是二階可微。 考慮到 （ T）的連續(xù)性，（ T）的斜率在 和 1是， 可能為了 0，即（ 0） =0， （ 1） =0。 而且，由于標準凸輪旋轉角度的邊界限制，（ 0） =0 和（ 1） =1， （ T）整合必須滿足下列條件： 在一個變速凸輪從動件系統中，凸輪在時間周期中以角速度（ t）運轉，轉過角度為 （ t），我們得到： 由于 ，那么方程（ 20）實際等同于： 這里，我們只考慮（ T） 0 的情況，凸輪速度方向不改變。因此選擇（ T）來減小從動件峰值的標準是： (a) (I)為了減小標準速度的峰值： (了減小標準加速度的峰值： (了減小標準急動值的峰值： (b) （ T）至少二階可微 (c) （ 0） =（ 1） =0 (d)根據邊界條件 （ 0） =0和（ 1） =1，連續(xù)的 (e)（ T）有盡可能低的諧波 (f) (g)（ T） 0 讓方程（ 5） 方程（ 8），在從動件的上升期，代表標準運動特性。那么，下降期的運動特性為： 很容易可以發(fā)現，標準速度，加速度，急動值在上升期和下降期是分別相等的。所以，我們有以下事實： 如果同樣的位移曲線用在從動件的上升期和下降期，函數 （ T） 在兩個階段是相同的。 角速度 （ T） 考慮到一個有凸輪提供擺線運動的凸輪從動件系統，并且凸輪輸入 （ T）是多項式。要在上升（或下降）時間，用標準（ a）和標準（ g）來減小運動曲線的峰值，我們選擇如下多項式（ T）， 1: 圖 . 1上升或下降時期的多項式角速度 圖 . 2休止時間的多項式角速度 變速 定速 圖 . 表 1擺線運動 定角速度 變角 速度 相差 % 的峰值 的峰值 當 當 當恒定參數 d， e， x， y， b 是 要確定的。參數 T）的波動，根據準則（ g） -1d1。 為了滿足設計準則（ b） （ d），要： 參數 x， y 是根據凸輪位移曲線決定于凸輪位移曲線和設計準則。參數 e 服從準則 f 如下： 顯然我們可以在多項式 （ T）圖中，選擇合適的 d， 由于擺線運動特性具有對稱性，為了簡單和對稱我們讓 另外，當從動件在休止階段是，根據設計準則（ c），（ g）和方程（ 26），（ 29），我們得到 （ T）： 在設計準則（ d）和方程（ 30）條件下，我們得到： 且從設計準則（ c）和（ g），我們得到： 圖 角速度 位移 速度 加速度 急動值 變速 圖 5：擺線凸輪運動（ n=0， d=0， 1， 00 -1n1 假設凸輪具有如下擺線運動： 因此 為了減小給定擺線凸輪運動的標準速度 與加速度的峰值，我們認為要選取， ， ，d= x=y=2 把方程（ 34） （ 38）代用到方程（ 5） （ 8），我們的到像圖 3所示標準的位移，速度，加速度和急動值。在圖 3中，我們可以看到連續(xù)的標準的速度，加速度曲線和急動值曲線是有限的。表 1 中的 V， A，和 設計實例 設計一個滿足如下條件的凸輪從動件系統： 當凸輪裝過 60度時，徑向滾子停止，且再下一個 120度做擺線運動，總共上升 30 動件停止當凸輪在轉 60度過程中，然后在最后的 120度做擺線運動退回 30 讓 升階段，第二個休止階段，下降階段的平均角速度。相似的讓 1， 2， 3， 4凸輪旋轉角度， 1， 2， 3，4分別是以上階段的時間。然后我們得到以下事實： 其中 圖 4所示的（ t）必須是連續(xù)的。根據方程（ 26） （ 29）和（ 30） （ 33），我們得到： 角速度 位移 速度 加速度 急動值 圖 n=2， d= 00 （基圓與標準圓） 圖 其中 1= /3， 2=2 /3， 3= /3， 4=2 /3， d= 00。凸輪的角速度，速度，加速度和從動件的急動值就能計算出來。圖 5 可以看出凸輪從動件在定速 100似的，圖 6中 00且，圖 5和圖 6表面在變速和定速凸輪從動件系統中峰值出現的時間是不同的。這意味著，可以設計一個合理的速度來改變峰值出現的時間，以使凸輪從動件系統具有的更好的運動特性。 圖 圖 實驗計劃和步驟 這項研究中用到了變速凸輪從動件實驗系統和設備。實驗用的盤形凸輪的直徑，有 $50構成，有 60慮到靜態(tài)平衡，如圖 7所示盤形凸輪的質心是（ 0凸輪 的厚度、質量、面積和慣性矩分別是 131082g 和 大的凸輪壓力角是 18 度，那樣設計可以正確承受側向推力。如圖 8 所示這個凸輪從動件系統是安裝在一個與地基固定的框架上的。滾子從動件可在固定在導軌上的支架上水平移動，且可以由旋轉的凸輪驅動。 從動件是一個長為 495徑為 20子固定在靠近凸輪端的棒子，直徑為 22度為 10以繞著直徑為 8 長度為 36滾子銷旋轉。由于凸輪從動件系統截面尺寸大且是由碳鋼做的，所以被認為是剛性的。預設彈簧 為規(guī)格 度為 6樣就可以保證滾子從動件可以和凸輪始終保持接觸。 因為凸輪軸和電機軸由剛性聯軸器（剛性， 接的，所以凸輪角速度和點擊轉速要相同。因此要利用直流私服電機（三洋，點擊， 850w， 1000 轉每分）和圖 8所示的驅動馬達，它可以很容易的控制凸輪輸入角速度來驅動凸輪從動件系統。 圖 10a 采用速度控制系統（ 4），可以最容易的通過電機來改變角速度的變化。在插件板上的 統板，是用在實時 實驗安裝的。圖 9 描述了實驗系統的硬件配置。除了通過 輸入 /輸出模擬信號可以通過車載模數轉換器（模數轉換器）和數模轉換器（數模轉換器） 。 這些輸入 和 輸出通道的 分別是為了對 信號反饋 和 對 控制 裝置 的控制 信號。在實時控制中，采樣頻率 60 每秒是合適的，那樣遙控器可以連續(xù)的控制。 圖 10b 圖 10c 控制的輸出響應 通過機載模數轉換器 測量，并存儲在記憶板中。 驅動電機的轉速是 從電機電壓信號 ，即內置的轉速，并輸入到個人計算機 486來 完成 。加速度和位移可以通過如圖 8所示的 加速度測量工具（ 353和線性編碼器（ 圖 10d 圖 10e 來自加速度 儀 的 信號取決于電 源單元 (80利用最小二乘擬合方法 7 ，從位移信號獲得從動件加速度，從加速度信號獲得急動值。測量的數據傳回電腦來進行性能評價。分別能從圖 10， 11中得到凸輪在轉速為 150和 200 n=0， d=然運轉速度波動，但圖 10， 11 表明在每個中期中實驗與理論結果一致。本實驗結果表面該方法是可行的。 圖 11a 圖 11b 圖 11c 圖 11d 圖 11e 結論 在這項工作中，從運動學角度，根據 凸輪輸入速度的控制，我們提出了一個來提高凸輪從動件系統的運動特性可行的方法。 通過約束和系統設計程序產生一個適當的凸輪角速度軌跡的方法正在開發(fā) 。實例表明，當速度加速度是連續(xù)，急動值是有限時，這個變速凸輪設計方法是有效的。另外，一個用來實驗的變速凸輪從動件系統已建立用來研究變速凸輪從動件系統。在每個周期的實驗于理論結果都高度一致。實驗結果表明，該方法是可行的。 文獻 1. H. A. 1956). 2. D. . K. 1976). 3. H. S. M. H. M. K. . H. 3 2, 1993). 4. C. K. . 5. 0990). 6. s (1991). 7. R. H. S. C. . C. 9, I (1992).