機械設(shè)計外文翻譯-凸輪速度對凸輪系統(tǒng)影響的實驗研究【中文4500字】【PDF+中文WORD】
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凸輪速度對凸輪系統(tǒng)影響的實驗研究摘要:傳統(tǒng)上,在一個凸輪系統(tǒng),一旦確定凸輪位移曲線的設(shè)計,從動件是以恒定的速度和運動特性運動的。從運動學(xué)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(tǒng)設(shè)計程序產(chǎn)生一個適當?shù)耐馆喗撬俣溶壽E的方法正在開發(fā)。設(shè)計實例說明了這個程序能為變速凸輪系統(tǒng)的速度得到適當?shù)乃俣溶壽E。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(shù)據(jù)表明,結(jié)果是非常接近那些理論。術(shù)語a-從動件的加速度A, At-從動件的標準加速度c, d, e, n, Ta, Tb, x, y-常參數(shù)h-從動件的最大位移j-從動件的急動值J, Jc-從動件的標準急動值s-從動件的位移S-從動件的標準位移t-凸輪轉(zhuǎn)動過的時間T, Tpa, Tpj, pv-標準時間v-從動件的速度V, Vc-從動件的標準速度-凸輪上升h高度是轉(zhuǎn)過的角度1234-凸輪轉(zhuǎn)過的角度-標準凸輪轉(zhuǎn)過的角度-凸輪轉(zhuǎn)過的角度-凸輪上升h高度用的時間1234-凸輪旋轉(zhuǎn)的-凸輪角速度ave-一個完整循環(huán)中凸輪的平均角速度s1s2s3s4-在從動件一個運動周期中凸輪平均角速度-的一階導(dǎo)-的二階導(dǎo)-標準凸輪角速度-的一階導(dǎo)-的二階導(dǎo)引言在一個凸輪系統(tǒng)中,慣性力所產(chǎn)生的負載是容易變形和產(chǎn)生振動的。而且急動所產(chǎn)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(shè)計的運動曲線來盡量減少動態(tài)加載對高速凸輪機構(gòu)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(yīng)該是有限性的。在設(shè)計一個凸輪機構(gòu)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(yīng)用。在本文中,我們提出一個通過改變轉(zhuǎn)速的方法。在凸輪系統(tǒng)設(shè)計中用變速的觀念很少在文獻中有研究。羅特巴特 1 設(shè)計了一個變速凸輪機構(gòu),在其中凸輪的輸入是輸出一個急回機構(gòu)。特薩和馬太福音 2 通過考慮變速凸輪的案例導(dǎo)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Yan等人設(shè)計的 3 。從運動學(xué)角度講,這項工作的任務(wù)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(tǒng)設(shè)計程序產(chǎn)生一個適當?shù)耐馆喗撬俣溶壽E的方法正在開發(fā)。設(shè)計實例說明,對于一個給定的從動系統(tǒng)程序設(shè)計適合的角速度。一個實驗凸輪系統(tǒng)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(tǒng),從動件的位移s(t)是凸輪旋轉(zhuǎn)角度(t)的應(yīng)變量。在算術(shù)上,他們可以這樣表達: 旋轉(zhuǎn)角度(t)在t時間時,從動件的速度v(t)是: f()=df()/d,而且加速度(t)=d/dt。而且對應(yīng)的從動件加速度a(t)和jerk,j(t)是: 方程14呈現(xiàn)了凸輪輸入角速度(t)和從動件運動參數(shù)s(t),v(t) ,a(t)的關(guān)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(nèi)轉(zhuǎn)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(guān)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Vc(T),加速度Ac(T),和jerk,Jc(T)可以寫成: 則(T)=T。(T)的設(shè)計準則對于一個給定的凸輪從動件系統(tǒng),如果我們正確的控制輸入速度軌跡,由恒定速度導(dǎo)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Vc在標準時間Tpv時有峰值Vc。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Tpa時Ac取峰值。在方程7和14的基礎(chǔ)上,(T)應(yīng)該這樣選: 請注意必須為非零。相似的,如果要求,則Jc在標準時間Tpj時有峰值。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(yīng)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??紤]到(T)的連續(xù)性,(T)的斜率在T為0和1是,可能為了0,即(0)=0,(1)=0。而且,由于標準凸輪旋轉(zhuǎn)角度的邊界限制,(0)=0和(1)=1,(T)整合必須滿足下列條件: C是連續(xù)的。在一個變速凸輪從動件系統(tǒng)中,凸輪在時間周期中以角速度(t)運轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)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: (II)為了減小標準加速度的峰值: (III)為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(jù)邊界條件(0)=0和(1)=1,連續(xù)的c滿足:(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(xiàn),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(shù)(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(tǒng),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),F(xiàn)ig. 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. 3.擺線運動表1擺線運動 定角速度 變角速度 相差% V的峰值 2.00 1.83 -8.5 A的峰值 6.28 5.97 -4.9 J的峰值 39.48 52.55 33.1 當 當 當 恒定參數(shù)d,e,x,y,Ta和Tb是要確定的。參數(shù)d呈現(xiàn)了函數(shù)(T)的波動,根據(jù)準則(g)-1d1。為了滿足設(shè)計準則(b)(d),要: 參數(shù)x,y是根據(jù)凸輪位移曲線決定于凸輪位移曲線和設(shè)計準則。參數(shù)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,Ta,和Tb來獲得最小的運動特性峰值。由于擺線運動特性具有對稱性,為了簡單和對稱我們讓Tb=1-Ta。另外,當從動件在休止階段是,根據(jù)設(shè)計準則(c),(g)和方程(26),(29),我們得到(T): 在設(shè)計準則(d)和方程(30)條件下,我們得到: 且從設(shè)計準則(c)和(g),我們得到: 圖4.變速凸輪從動件系統(tǒng)角速度角速度位移速度加速度急動值-恒速 變速 圖5:擺線凸輪運動(n=0,d=0,1,ave=100rpm) -1n1假設(shè)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,Ta=0,Tb=1,d=0.1,且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J的峰值表明標準速度和加速度的峰值減小了。設(shè)計實例設(shè)計一個滿足如下條件的凸輪從動件系統(tǒng):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30mm。從動件停止當凸輪在轉(zhuǎn)60度過程中,然后在最后的120度做擺線運動退回30mm到遠處。讓s1,s2,s3,s4分別代表從動件在第一個休止階段,上升階段,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(zhuǎn)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ave是整個循環(huán)中的平均角速度。如圖4所示的(t)必須是連續(xù)的。根據(jù)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6.擺線運動凸輪從動件系統(tǒng)(n=2,d=0.1,ave=100rpm)(基圓與標準圓)圖7.擺線凸輪 其中1=/3,2=2/3,3=/3,4=2/3,d=0.1,且s1=s2。令ave為100rpm且為0。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100rpm是的運轉(zhuǎn)結(jié)果。相似的,圖6中ave為100rpm,n為0.2。而且,圖5和圖6表面在變速和定速凸輪從動件系統(tǒng)中峰值出現(xiàn)的時間是不同的。這意味著,可以設(shè)計一個合理的速度來改變峰值出現(xiàn)的時間,以使凸輪從動件系統(tǒng)具有的更好的運動特性。圖8.實驗裝置示意圖和使用儀器圖9.基于DSP控制的實驗系統(tǒng)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(tǒng)和設(shè)備。實驗用的盤形凸輪的直徑,有$50構(gòu)成,有60mm長。考慮到靜態(tài)平衡,如圖7所示盤形凸輪的質(zhì)心是(-0.478mm,0mm)。凸輪的厚度、質(zhì)量、面積和慣性矩分別是13mm,9777.7mm,1082g和0.0031kg.m2。最大的凸輪壓力角是18度,那樣設(shè)計可以正確承受側(cè)向推力。如圖8所示這個凸輪從動件系統(tǒng)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(dǎo)軌上的支架上水平移動,且可以由旋轉(zhuǎn)的凸輪驅(qū)動。從動件是一個長為495mm,直徑為20mm的圓柱棒。滾子固定在靠近凸輪端的棒子,直徑為22mm厚度為10ram,可以繞著直徑為8長度為36mm的滾子銷旋轉(zhuǎn)。由于凸輪從動件系統(tǒng)截面尺寸大且是由碳鋼做的,所以被認為是剛性的。預(yù)設(shè)彈簧為規(guī)格d13160,剛度為0.146公斤每毫米且長36mm,那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(lián)軸器(剛性,MJC50)連接的,所以凸輪角速度和點擊轉(zhuǎn)速要相同。因此要利用直流私服電機(三洋,點擊,cn-800-10,850w,1000轉(zhuǎn)每分)和圖8所示的驅(qū)動馬達,它可以很容易的控制凸輪輸入角速度來驅(qū)動凸輪從動件系統(tǒng)。圖10a采用速度控制系統(tǒng)(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IBM電腦,TMS320C30系統(tǒng)板,是用在實時實驗安裝的。圖9描述了實驗系統(tǒng)的硬件配置。除了通過AT總線來數(shù)字通信外,輸入/輸出模擬信號可以通過車載模數(shù)轉(zhuǎn)換器(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)。這些輸入和輸出通道的分別是為了對DSP的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(yīng)通過機載模數(shù)轉(zhuǎn)換器測量,并存儲在記憶板中。驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速是從電機電壓信號,即內(nèi)置的轉(zhuǎn)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(PCB,353A34),和線性編碼器(HEIDENHAIN,LS404)。圖10d圖10e來自加速度儀的信號取決于電源單元(PCB, mode 480E09 ICP).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(shù)據(jù)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(zhuǎn)速為150和200rpm是n=0,d=0.1的實驗和理論結(jié)果。雖然運轉(zhuǎn)速度波動,但圖10,11表明在每個中期中實驗與理論結(jié)果一致。本實驗結(jié)果表面該方法是可行的。圖11a圖11b圖11c圖11d圖11e結(jié)論在這項工作中,從運動學(xué)角度,根據(jù)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(tǒng)的運動特性可行的方法。通過約束和系統(tǒng)設(shè)計程序產(chǎn)生一個適當?shù)耐馆喗撬俣溶壽E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(shè)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(tǒng)已建立用來研究變速凸輪從動件系統(tǒng)。在每個周期的實驗于理論結(jié)果都高度一致。實驗結(jié)果表明,該方法是可行的。文獻1. 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