一种平面外凸轮和槽凸轮廓线的测量装置及方法

本发明属于凸轮廓线的测量领域，尤其是涉及了一种平面外凸轮和槽凸轮廓线的测量装置及方法。

背景技术：

1、凸轮机构是一种典型的高副传动、驱动控制机构，由凸轮、从动件和机架组成。凸轮机构的组合与形式繁多且在运动传递方面具有结构简单、适用性强的特点，在制造业、运输业、食品加工业等领域中均得到广泛应用。不同类型的凸轮机构能够实现设备和装置的不同运行需求。

2、平面外凸轮和平面槽凸轮是两类典型的、应用广泛的凸轮，平面外凸轮廓线和槽凸轮廓线是依据实际运行条件下所需要的从动件运动规律而进行分析和设计的。考虑到制造和加工过程中所存在的误差，有必要对制造和加工后的平面外凸轮和槽凸轮进行廓线测量，以判断该凸轮是否满足设计需求。目前针对平面外凸轮和槽凸轮廓线的实验装置中，普遍存在成本高、装置复杂和缺乏对凸轮角位移的基准零位定位的问题，使得针对平面外凸轮和槽凸轮廓线的验证难度较高。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种平面外凸轮和槽凸轮廓线的测量装置及方法。该装置同时具有测量功能和角位移基准零位定位功能。此外，由于平面外凸轮和平面槽凸轮具有不同的运动传动特点，其对应的测量部件和定位部件也都有所不同。实验过程中，仅需更换凸轮及相应的定位机构和测量机构，即可以实现对平面外凸轮和槽凸轮的廓线测量，提高了测量效率、降低了成本。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一、一种平面外凸轮和槽凸轮廓线的测量装置：

4、包括驱动机构、蜗杆蜗轮机构、凸轮机构和测量机构；驱动机构、凸轮机构和测量机构均安装在实验台上，驱动机构和凸轮机构之间通过蜗杆蜗轮机构连接，凸轮机构和测量机构之间接触，驱动机构通过蜗杆蜗轮机构驱动凸轮机构运动，测量机构用于测定运动过程中凸轮机构中的凸轮廓线。

5、所述的蜗杆蜗轮机构包括蜗轮和蜗杆，蜗轮和蜗杆之间啮合连接；所述的驱动系统包括步进电机、联轴器和固定支撑座，步进电机和蜗杆蜗轮机构的蜗杆均位于实验台的上方，且步进电机和蜗杆均通过固定支撑座安装在实验台上，步进电机的输出轴和蜗杆之间通过联轴器同轴连接；

6、所述的凸轮机构包括平面凸轮、输出轴轴承座和输出轴；输出轴位于蜗杆的上方，且输出轴和蜗杆之间呈垂直布置，输出轴通过输出轴轴承座安装在实验台上，平面凸轮和蜗杆蜗轮机构的蜗轮分别同轴套设在输出轴的两端，步进电机通过联轴器驱动蜗杆旋转，进而带动与蜗杆啮合的蜗轮旋转，蜗轮转动后驱动输出轴和平面凸轮同步旋转。

7、所述的测量机构包括柱台、移动滑台部件、凸轮定位部件和凸轮测量部件；移动滑台部件水平固定在实验台上，柱台可沿着蜗杆轴向移动地安装在移动滑台部件的导轨上，凸轮定位部件和凸轮测量部件分别安装在柱台的两侧；

8、所述的平面凸轮为平面外凸轮或平面槽凸轮；当平面凸轮为平面外凸轮时，凸轮定位部件和凸轮测量部件分别采用外凸轮定位部件和外凸轮测量部件，当平面凸轮为平面槽凸轮时，凸轮定位部件和凸轮测量部件分别采用槽凸轮定位部件和槽凸轮测量部件。

9、所述的外凸轮定位部件包括外凸轮定位杆、外凸轮定位测距传感器、剪叉杆、厚度压簧和夹紧螺栓；所述的剪叉杆是由两根杆柄连接形成的剪刀形状杆件，且两根杆柄呈交叉布置，外凸轮定位杆的里端连接在柱台上，外凸轮定位杆的外端与一个杆柄的里端连接，且外凸轮定位杆的外端连接有用于测距的外凸轮定位测距传感器，两根杆柄的里端之间通过厚度压簧和夹紧螺栓活动连接；

10、所述的外凸轮测量部件包括外凸轮测量基座、外凸轮位移测量传感器、力锁弹簧和外凸轮测量直杆；外凸轮测量基座的里端连接在柱台上，外凸轮测量基座的外端通过可伸缩的力锁弹簧与外凸轮测量直杆的里端同轴连接，外凸轮测量直杆的外端设有滚子，外凸轮测量基座上连接有用于测定位移的外凸轮位移测量传感器；

11、平面外凸轮与剪叉杆的外端或外凸轮测量直杆的滚子接触；所述外凸轮定位测距传感器的激光路径的延长线与输出轴的轴线垂直且相交，外凸轮测量直杆的里端设有圆柱形杆柄，圆柱形杆柄的轴线与输出轴的轴线垂直且相交。

12、所述的槽凸轮定位部件包括槽凸轮定位杆、槽凸轮定位测距传感器、槽凸轮定位弹簧和呈l形的定位端杆；槽凸轮定位杆的里端连接在柱台上，槽凸轮定位杆的外端呈倒u形设置，定位端杆位于槽凸轮定位杆的外部，槽凸轮定位杆中u形结构的里端设有第一圆柱挡块，定位端杆的外部设有第二圆柱挡块，槽凸轮定位杆上的第一圆柱挡块和定位端杆上的第二圆柱挡块之间设有可伸缩的槽凸轮定位弹簧，槽凸轮定位杆中u形结构外端的顶部与定位端杆外端的顶部连接，u形结构里端的底部与定位端杆的里端连接，槽凸轮定位杆的里部连接有用于测距的槽凸轮定位测距传感器；槽凸轮定位杆和定位端杆的外端均设有柱状的滚子；

13、所述的槽凸轮测量部件包括槽凸轮测量基座、槽凸轮位移测量传感器和槽凸轮测量直杆；槽凸轮测量基座的里端连接在柱台上，槽凸轮测量基座的外端与槽凸轮测量直杆的里端同轴连接，槽凸轮测量直杆的外端设有滚子，槽凸轮测量基座上连接有用于测定位移的槽凸轮位移测量传感器；槽凸轮定位杆的滚子与平面槽凸轮的槽接触，定位端杆的滚子与平面槽凸轮外边缘接触；

14、所述的移动滑台部件包括第一丝杠滑台、第一滑块、第二丝杠滑台和第二滑块；第一丝杠滑台和第二丝杠滑台之间呈垂直布置，第一丝杠滑台水平固定在实验台上，且第一丝杠滑台沿着输出轴的轴向设置，第一滑块可沿着输出轴轴向移动地连接在第一丝杠滑台的丝杠导轨上，第二丝杠滑台的下表面和第一滑块的上表面固定连接，第二滑块可沿着蜗杆轴向移动地连接在第二丝杠滑台的丝杠导轨上，柱台的底端和第二滑块固定连接。

15、所述第一丝杠滑台和第二丝杠滑台中的丝杠导轨采用具有自锁功能的梯形丝杠。

16、二、一种平面外凸轮廓线的测量方法，包括以下步骤：

17、步骤s1、首先将移动滑台部件调节到预设位置，接着改变夹紧螺栓的位置使得剪叉杆的外端夹紧平面外凸轮的两侧端面，利用游标卡尺测量剪叉杆的里端间距h1，根据间距距离h1按照以下公式处理得到平面外凸轮的厚度h2：

18、

19、其中，h1为剪叉杆中两根杆柄里端的内间距，l1为剪叉杆的交叉点到斜杆里端的距离，l2为剪叉杆的交叉点到斜杆外端的距离；

20、步骤s2、再次调节移动滑台部件至给定位置，打开步进电机为平面外凸轮提供驱动力，利于外凸轮定位测距传感器实时测定平面外凸轮转动过程中外凸轮定位测距传感器到平面外凸轮边缘的距离，当外凸轮定位测距传感器的读数达到最大且开始减小时，使平面外凸轮保持在该位置不动并将该位置作为零位基准转角a0，并将该零位基准转角下平面外凸轮的向径作为平面外凸轮的最小向径rmin；

21、步骤s3、将外凸轮测量部件绕柱台的轴线转动到靠近平面外凸轮的一侧，外凸轮定位部件绕柱台的轴线转动到远离平面外凸轮的一侧；然后，调节移动滑台部件并利用力锁弹簧使外凸轮测量直杆的滚子与平面外凸轮保持接触；

22、步骤s4、利用外凸轮位移测量传感器测量自身到外凸轮测量直杆上的片状标记物的距离，并作为初始传感距离x0；打开步进电机为平面外凸轮提供驱动力，平面外凸轮的旋转角度每增加预设的固定角度△a时，记录该旋转角度ai下外凸轮位移测量传感器测得的传感距离xi；

23、步骤s5、最后，将外凸轮测量直杆上滚子中心的运动轨迹曲线作为平面外凸轮的实际廓线的等距曲线，滚子中心的运动轨迹曲线和平面外凸轮的实际廓线之间的法向距离为滚子半径r，滚子中心的运动轨迹曲线按照以下公式处理得到：

24、

25、ai＝a0+i×δa

26、li＝rmin+x0-xi+r

27、式中，为平面外凸轮的角位移，i为增加固定角度△a的次数，rmin为平面外凸轮的最小向径，xi为第i次旋转角度增加时外凸轮位移测量传感器到片状标记物的距离，r为滚子半径，li为滚子中心的轨迹向径；

28、三、一种平面槽凸轮廓线的测量方法，包括以下步骤：

29、步骤s1、首先将移动滑台部件调节到预设位置，启动步进电机为平面槽凸轮提供驱动力，利用槽凸轮定位测距传感器实时测定平面槽凸轮转动过程中槽凸轮定位测距传感器到定位端杆里侧的距离，当槽凸轮定位测距传感器的读数达到最小且开始增大时，使平面槽凸轮保持在该位置不动并将该位置作为零位基准转角a0，并将该零位基准转角下平面槽凸轮外廓面的向径作为最小向径rmin；

30、步骤s2、将槽凸轮测量部件绕柱台的轴线转动到靠近平面槽凸轮的一侧，槽凸轮定位部件绕柱台的轴线转动到远离平面槽凸轮的一侧；然后，调节移动滑台部件，使槽凸轮测量直杆的滚子与平面槽凸轮保持接触；

31、步骤s3、利用槽凸轮位移测量传感器测量自身到槽凸轮测量直杆上的片状标记物的距离，并作为初始传感距离x0；打开步进电机为平面槽凸轮提供驱动力，平面槽凸轮的旋转角度每增加预设的固定角度△a时，记录该旋转角度ai下槽凸轮位移测量传感器测得的传感距离xi；

32、步骤s4、最后，将槽凸轮测量直杆上滚子中心的运动轨迹曲线作为平面槽凸轮的实际内、外廓线的等距曲线，平面槽凸轮的实际内、外廓线到滚子中心的运动轨迹曲线的法向距离均为滚子半径r，滚子中心的运动轨迹曲线按照以下公式处理得到：

33、

34、ai＝a0+i×δa

35、li＝rmin+x0-xi+r

36、式中，为平面槽凸轮的角位移，i为增加固定角度△a的次数，rmin为平面槽凸轮外廓面的最小向径，xi为第i次旋转角度增加时槽凸轮位移测量传感器到片状标记物的距离，r为滚子半径，li为滚子中心的轨迹向径。

37、本发明的平面外凸轮廓线机构装置创新性地将外凸轮定位部件和外凸轮测量部件相结合，确保了测量的起始位置位于外凸轮升程起点处，并且该外凸轮定位部件具有测量凸轮厚度的功能。本发明中的平面槽凸轮廓线部件创新性地将槽凸轮定位部件和槽凸轮测量部件相结合，确保了测量的起始位置位于槽凸轮升程起点处，增加了测量精确度。

38、本发明的有益效果为：

39、1、本发明结合凸轮机构原理、利用简单装置实现了对于平面外凸轮和平面槽凸轮的基准零位定位功能和廓线测量功能的结合，缩短测量步骤并降低了装置的成本。

40、2、本发明中的实验装置可通过仅更换部分组件匹配针对平面外凸轮、平面槽凸轮的实验环境并测得不同类型凸轮的凸轮廓线，有利于提升实验的效率。