機械鎖緊裝置中凸輪機構分析及優(yōu)化設計

（廣安職業(yè)技術學院，四川廣安市，638000） 李 浩

凸輪機構是機械設備重要的鎖緊裝置，常用于定位鎖緊設備中。如紡織機、印刷機、電動車剎車裝置、數碼產品外置記憶卡的卡槽裝置等。它由凸輪、從動件、機架等構件構成，其中決定凸輪機構性能的主要構件為凸輪。凸輪的性能主要由其曲線輪廓所決定，而凸輪的輪廓曲線運動、直線運動是凸輪設計的重點，也是凸輪機構設計的重要內容。由于凸輪機構為機械控制裝置的重要組件，它在機械規(guī)律的運動過程中承擔著傳動動能和完成預定的運動規(guī)律的作用。在機械運動過程中，凸輪機構做往復的曲線擺動或直線運動，在這個過程中凸輪輪廓會受到較強的壓力、剛性沖擊力和摩擦力，因此易發(fā)生磨損，從而影響工作性能。結合彈性流體動壓潤滑原理、圖解法、解析法對凸輪輪廓做精確計算，對凸輪輪廓進行優(yōu)化設計，是改善凸輪機構運動規(guī)律下綜合性能的重要途徑，也是當前凸輪機構的主要研究方向。

1 凸輪機構概述

凸輪機構的主要構建包括桿狀從動件、盤狀或柱狀曲線輪廓、三個機架構件組成。常用于數控機床的進刀機構、汽車發(fā)動機的配氣機構等。按照主要構件凸輪的形狀分為盤形凸輪機構、移動凸輪機構、圓柱凸輪機構。按照從動件的形狀分為尖頂從動件凸輪機構、滾子從動件凸輪機構、平底從動件凸輪機構。按照凸輪機構運動形式分為直動從動件對心凸輪機構、直動從動件偏心凸輪機構、擺動從動件凸輪機構等。凸輪機構具有結構簡單、便于設計、工作可靠、結構緊湊、易于加工制造等優(yōu)點。凸輪機構設計要結合具體的工作要求選擇凸輪機構設計形式、推桿運動規(guī)律、結構尺寸以及凸輪輪廓曲線等。凸輪曲線的設計是凸輪機構設計的關鍵，而確定凸輪機構的運動規(guī)律則以及凸輪機構的使用需求，是凸輪輪廓曲線設計的前提。因此，在進行機械鎖緊裝置凸輪機構的優(yōu)化設計時，首先要確定推桿的運動規(guī)律，并對其進行優(yōu)化。

2 凸輪機構的運動過程

在凸輪機構的運動過程中，推桿的位移、速度、加速度的參數變化將會直接影響著運動規(guī)律及機械鎖緊裝置的可靠性。凸輪機構的滑柱在凸輪中進行運動，運動過程中受滑槽的限制在到達凸輪槽位置時自動鎖緊。

凸輪在外力的F 的作用下向左運動，在壓簧1的作用下滑柱從A點運動到B點（圖1）。當取消外力F，在壓簧1、壓簧2的作用下接觸點從B運動到C點鎖緊位置（圖2）。消除鎖緊，重新在外力F 的作用下C 點向D 點運動。再取消外力F，在壓簧1、壓簧2的作用下D點向E點運動，最終回到起點A。這個完整的運動周期即為機械鎖緊裝置的運動過程。

圖1

圖2

3 影響凸輪機構可靠性的設計因素

凸輪機構滑柱的運動規(guī)律可通過位移、速度和加速度反應。建立滑柱橫豎向位移關系。假設在鎖緊凸輪固定的前提下，滑柱橫向速度為勻速v，以A 點為中心建立鎖緊凸輪的坐標系，設橫向運動為x軸，豎向運動為y軸。以該坐標系中基礎建立鎖緊凸輪數學模型。對凸輪機構滑柱的運動路線進行坐標變換，求出oy的數學表達式。將凸輪輪廓方式帶入到ox中，求解凸輪輪廓在運動過程中所受到的剛性沖擊。

3.1 位移

設Q點坐標為（x,y），鎖緊凸輪輪廓線表達式為f(x)，動件的位移方程為y，則凸輪各運動點的坐標為（xA,yA），（xB,yB），（xC,yC），（xD,yD），（xE,yE），a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4的值由凸輪的具體尺寸確定。

3.2 速度

3.3 加速度

當凸輪輪廓線從A 點運動到E 點的坐標分別為：（0，0）、（30，8）、（23，14）、（20，30）（18，20）時，那么得到滑柱運動方程后借助Matlab 軟件可繪制出的類速度圖像?？捎^察到，滑柱類速度在拐點位置加速度直接消失。在不考慮設備零部件發(fā)生形變的條件時，滑柱類速度圖表明凸輪機構受到的猛烈的突發(fā)性剛性沖擊，因此加速度驟減為零。

4 凸輪機構的優(yōu)化設計

4.1 剛性沖擊性能多次優(yōu)化

常規(guī)的機械鎖緊凸輪在低速運動情況下受機械設備振動作用會產生振動摩擦，摩擦阻力較大就會對凸輪輪廓造成損傷，從而縮短凸輪機構的生命周期。當機械鎖緊裝置中凸輪輪廓的損傷超過了拐點，這個拐點就是引發(fā)機械鎖緊裝置完全失效的動機。想要延長凸輪機構的使用壽命，就必須最大程度的提高從動件運動的流暢性，減少運動過程中產生的摩擦力和振動沖擊力，防治凸輪機構運動過程中發(fā)生的磨損問題。在充分考慮凸輪機構運動的轉速及工作壓力等問題，分析從動件的運動規(guī)律，然后經過圖解及解析對從動件運動的速度、加速度進行優(yōu)化，使其在運動過程中更加的趨于穩(wěn)定、平順，就可以提高機械鎖緊裝置起始端到末端之間線性運動的柔性，從而減少凸輪機構所受沖擊力，即凸輪機構剛性沖擊性能的優(yōu)化，它是延長凸輪機構使用壽命的必要條件。

凸輪機構剛性沖擊性能的優(yōu)化可通過分析從運動件的運動規(guī)律實現。一般借助多項式分析、三角函數分析及組合分析法等分析運動規(guī)律，研究凸輪機構在不同工作條件小的運動規(guī)律，掌握影響凸輪剛性沖擊的最大速度、最大加速度、最大躍度等，然后選擇最小的速度、加速度、躍度參數進行凸輪輪廓線的設計，即可滿足凸輪機構在多種工作轉速、工作壓力下的使用性能。同時隨著工業(yè)發(fā)展的需要，需要使用凸輪機構的地方越來越多，凸輪機構不能只滿足用于簡單的機械結構，應根據當前智能化、自動化設備發(fā)展的情況，不斷優(yōu)化改進凸輪機構結構，不斷提高凸輪機構的使用性能，以滿足機械行業(yè)發(fā)展需要。

4.2 鎖緊凸輪運動學仿真自動分析與優(yōu)化

ADAMS 軟件與上文提到的Matlab 軟件可對機械鎖裝署志凸輪機構的運動進行建模，同時具有對運動學仿真分析的功能。完成凸輪輪廓線的解析后可借助運動學仿真分析模型進一步分析數學模型的曲線表達，從而了解滑柱和凸輪在每一段的速度運動情況。通過多次對凸輪機構運動學的分析和運動曲線的比對，來選擇和優(yōu)化滑柱起始位置、位移、速度、加速度。

5 結語

綜上所述，機械鎖緊裝置中凸輪機構從動件滑柱的位移、速度、加速度是影響凸輪輪廓剛性沖擊的關鍵要素。在凸輪機構優(yōu)化設計時，通過建立凸輪輪廓方程計算滑柱的位移、速度、加速度，并用圖解法、解析法對凸輪輪廓進行多次優(yōu)化，最大程度的消除凸輪機構運動過程中可能受到的剛性沖擊。經過優(yōu)化凸輪機構從件在規(guī)律運動過程中速度、加速度的穩(wěn)定性更好，因此凸輪機構在機械鎖緊裝置中的銜接性能也得到改善，運動的可靠性相應提高。