高速凸轮轮廓曲线设计方法和系统的制作方法
【专利摘要】本申请针对高速凸轮弹性从动件振动问题，提供了高速凸轮轮廓曲线设计方法和系统。根据所提供的方法设计的凸轮轮廓，可以在满足凸轮轮廓曲线光滑程度前提下，实现在高转速下弹性从动件零振动，并且在设计转速点附近较大范围内还能将振动抑制在较小范围内。提出的凸轮轮廓曲线设计方法属于组合发明，将光滑的基线函数和光滑器作卷积运算后，得到凸轮轮廓曲线。由于利用了基于弹性从动件固有特性，从而保证了凸轮轮廓曲线和弹性从动件运动的最优匹配。所提出的凸轮轮廓曲线设计方法实现简单，支持电子凸轮和机械凸轮两种方式实现。机械凸轮实现方式下，加工制造没有特殊难度。
【专利说明】高速凸轮轮廓曲线设计方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械弹性动力学领域，更具体地，涉及对高转速下的凸轮弹性从动件振动抑制的方法和系统。通过设计凸轮轮廓曲线，来抑制高速凸轮下的弹性从动件振动。
【背景技术】
[0002]由于凸轮在操作转速，运动精度，结构刚度，生产成本等方面许多优良特性，凸轮被广泛应用在许多现代化机械当中。凸轮机构的应用有着非常悠久的历史，广泛应用于钢铁、矿山、轻工等自动机械和自动控制装置中。例如，内燃机中的配气机构，通过凸轮迫使推杆做往复运动，来实现气阀的开启或关闭，以控制可燃物质在适当的时间进入气缸或排除废气；再如自动机床的进刀机构，通过带凹槽的圆柱凸轮的回转，迫使推杆往复运动，从而实现刀架的进刀和退刀运动。对于凸轮机构，只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便，因此在各类机械和机电一体化产品中得到广泛应用。
[0003]随着生产率的提高，机器的运转速度日益提高。从动件设计也向轻型方向发展。高速运动过程中从动件弹性引起的机械振动迫使从动件实际运动偏离理论运动规律，产生动态运动误差和停歇时的定位误差。因此，弹性从动件振动抑制能力是高速凸轮轮廓曲线设计的关键之一。
[0004]在设计凸轮轮廓曲线时，为了使从动满足运动要求的基础上，具有良好的运动和动力学性能，尽量使凸轮轮廓曲线较为光滑。历史上提出过很多类型的凸轮轮廓曲线，其中以高次多项式凸轮(包括多项动力凸轮)应用最为普遍。
【发明内容】
[0005]为克服凸轮弹性从动件在高转速下的振动缺陷，本发明设计了组合发明，将光滑的基线函数和光滑器作卷积运算后产生凸轮轮廓曲线，来实现高速凸轮弹性从动件的振动抑制方法和系统。
[0006]本发明的一个方面是提供了高速凸轮轮廓曲线设计的方法。首先，确定基线函数类型和计算对应的上升时间。其次，根据实际应用，选择光滑器的阶次，然后确定光滑器的结构和上升时间。最后，将基线函数和光滑器卷积处理后得到凸轮轮廓曲线。
[0007]本发明的另一方面，提出了一种高速凸轮弹性从动件振动抑制的系统，电子凸轮实现包括:计算模块、电气驱动模块和弹性从动件模块。其中，该计算模块用于将计算得到的凸轮轮廓曲线函数转化为离散的形式通过数字模拟转换单元输出。电气驱动模块用于将计算模块输出的模拟电压信号转化为电机角位移输出。弹性从动件模块，连接到电气驱动模块，用于完成机械运动任务。机械凸轮实现包括:凸轮模块和弹性从动件模块。该凸轮模块使用机械加工方式加工机械凸轮。直接驱动弹性从动件，同样可以达到高速凸轮运动控制目的。两种方式在制造领域都有广泛应用前景。
[0008]本发明可以有效的对高速凸轮弹性从动件实现振动抑制。应用本发明的技术方案，可以在保证振动抑制目的的基础上，满足高速凸轮光滑性要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1示凸轮弹性从动件系统框图；
[0010]图2示光滑过程图；
[0011]图3示凸轮轮廓曲线设计流程图；
[0012]图4示凸轮轮廓曲线位移、速度、加速度和跃度图；
[0013]图5示凸轮和弹性从动件动态过程计算机仿真结果图；
[0014]图6示多种转速下残余振动抑制效果仿真和试验结果图；
[0015]图7示光滑器幂次数为I和2时的频率响应曲线。
[0016]如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和具体实施例对本发明提供的高速凸轮轮廓曲线设计方法和系统进行详细描述。
[0018]在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。
[0019]首先给出凸轮弹性从动件系统框图，进而给出光滑器的设计依据。图1为凸轮-弹性从动件系统结构框图。凸轮10转动驱动弹簧20，质量块30连接弹簧20和弹簧40阻尼器50。由于弹簧-质量-阻尼动态系统作用，凸轮10位移和质量块30的动态过程和停歇位移会有很多偏差。凸轮-弹性从动件系统动态方程:
[0020]
【权利要求】
1.凸轮轮廓曲线设计方法，包括: 步骤10、确定基线函数的类型和上升时间。 步骤20、依据弹性从动件的系统特性来进行光滑器设计，以保证光滑器与弹性从动件动态过程的最优匹配。 步骤30、将基线函数和光滑器进行卷积运算，产生凸轮轮廓曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤10还包括，基线函数可以选择为任意光滑曲线。通常从以下几种中选择:凸轮多项式曲线、s曲线、三角函数、高斯曲线和样条函数等。
3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤10还包括，基线函数上升时间计算公式: tb=λtm-ts 其中，λ为设计周期比，tm = 2π/ω为从动件无阻尼自由振荡周期，ω为从动件固有频率，ts为光滑器上升时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤20还包括，所述光滑器的传递函数:
5.根据权利要求4所述的方法，还包括:某些凸轮弹性从动件系统可能被近似认为是零阻尼系统，此种近似情况下对应的光滑器传递函数:
6.根据权利要求3和4所述的方法，还包括:所述光滑器的幂次数η选择公式:
7.根据权利要求1提出的方法，可以使用电子凸轮方式实现凸轮弹性从动件机械系统。包括:计算模块、电气驱动模块和弹性从动件模块。 计算模块，用于将计算得到的凸轮轮廓曲线函数转化为离散时间序列，然后通过数字模拟转换单元输出； 电气驱动模块，用于将计算模块输出的模拟电压信号转化为电机角位移输出； 弹性从动件模块，连接到电气驱动模块，用于完成机械运动控制任务。
8.根据权利要求1提出的方法，也可以使用机械凸轮方式实现凸轮弹性从动件机械系统。依据所提供的凸轮轮廓曲线设计方法，使用机械加工方式制造机械凸轮，直接拖动弹性从动件，同样可以达到高速凸轮弹性从动件系统性能指标要求。
9.根据权利要求1提出的设计方法，不仅仅限于单自由度的凸轮弹性从动件机械系统，还可以延伸到具有多自由度的凸轮弹性从动件机械系统。
10.根据权利要求1提出的方法，可以延伸到其他机械弹性动力学系统应用领域，例如:齿轮传动弹性动力学、连杆机构弹性动力学、轴和轴系弹性动力学、机械臂弹性动力学等等。在保证机械系统闻速驱动如提下可以大幅度提闻系统控制性能。
【文档编号】G06F17/50GK103778302SQ201410062123
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】黄杰, 梁赞 申请人:黄杰