第1章緒論凸輪從動件系統在各個領域如紡織機械、包裝機與食品機械、自動化工業、印刷行業、內燃機、農業機具都廣泛被應用。在一般情況下它被認為是剛性系統。但隨著機械效率的提高，凸輪轉速隨之上升，因而產生了較大的彈性變形。從動件運動規律大大偏離了理論值。因此對凸輪從動件系統先進行測試是很重要的。1.1選題的背景與意義凸輪運動機構是一種非常典型的機構,它可以將回轉軸的轉動運動輸出為所需要的特定運動形式。因為它能以簡單緊湊的結構，卻能實現任意復雜的預期運動。而且具有良好的精度和運動剛性,長期都被廣泛的應用于各種機械當中。還因為凸輪機構相對于其他運動機構(比如連桿)相比，具有比較高可靠性、壽命長、容易于設計和能精確的預測所產生的運動等優點,尤其是在要求機構產生給定的運動規律、速度規律和加速度規律時,這個優點更加明顯和突出1。因為以上優點,所以在紡織機械、農業機具、自動機床、礦山機械、自動化專用機床、包裝機與食品機械、數控機床、印刷工業、內燃機、建筑機械等等機械產品中,凸輪都被廣泛的應用。而在其應用中,凸輪機構轉動速度隨著機械工業的不斷發展,和對機械系統技術要求的不斷提高,而表現出越來越高的趨勢,從而導致系統當中運動構件的慣性力也大幅增大,構件的彈性形變也隨之而變大。尤其是當機構轉速到達在共振頻率附近時,那么凸輪機構輸出端的運動規律將可能遠遠偏離預期的設計。針對高速凸輪系統在工程應用中出現的實際問題,大家正在從各種不同的角度去研究。不過因為對工程問題實驗研究的消耗較高,花費時間也多,從而導致通過實驗去研究相關問題的案例相對較少。本文望能通過理論上對高速凸輪試驗臺研究,在相關方面做出一點點有益的工作。1.2.國內外研究現狀和發展趨勢1.2.1國內對這方面的研究現在國內對高速凸輪研究有以下幾個方向:1.首先在彈性理論學基礎上,建立高速凸輪機構的動力學模型及得到其運動微分方程,然后把高速凸輪機構動力學模型的運動方程式進行分析,之后得到了凸輪機構輸出端的動態響應,就可以找到確定的凸輪機構輸出端運動規律。還可以在建立一個能準確描述凸輪動力特性的數學模型的基礎上,通過仿真分析,得到高速凸輪機構在不同的輪廓或結構參數下的動力學特性的曲線。2.還有從凸輪的廓線設計出發,提出在高速條件下適合采用的推桿運動規律,并且要結合現代加工的技術,設計制造出一系列新型凸輪機構,來滿足高速工況。這方面的研究方向主要體現為:運動分析和靜力分析、考慮幾何尺寸、潤滑、誤差影響、考慮動力學、彈性變形等。3.當然由于數值計算方法的發展，再加上計算機技術、各種機械軟件的普遍應用,使人們逐漸擺脫了繁重的重復的計算工作,而且可以在計算機的幫助下實現凸輪研究可視化。像凸輪機構CAD/CAM的設計、凸輪機構優化設計、UG環境下的基于虛擬樣機技術條件下的凸輪動力學仿真分析的研究和數字化凸輪設計及其實現等。這一系列研究都是國內的熱門。1.2.2國外對這方面的研究現在國外對凸輪機構的研究有以下方向:目前在歐美等國家,已經有很多學者都為凸輪機構的研究作出很大的貢獻,這些研究成果還體現了歐美在凸輪研究方面的動向。就像一些專家在摩擦及實驗方面的一些研究、在高速凸輪的力學問題的研究，某位專家論文中對高速凸輪機構采用多項式運動規律的運動特性有非常詳細完整的的論述與分析、還有些專家們在凸輪穩定性的研究方面都先后發表了許許多多有關系的凸輪機構設計與優化等方面的論文、還有一些專家在計算機輔助設計的方面也有卓有成效的研究、當然在計算機輔助設計制造的方面與高速凸輪設計與優化方面都有一定量的研究。近期,德國、英國等國家在高速凸輪機構也有了最新的研究,他們對凸輪機構的研究分析采用了各種像諧分析、諧綜合等分析設計方法的研究,從而使得高速凸輪機構動力學性能得到了很大幅度的改善。另外日本在第二次世界大戰結束之后也致力于研究發展相當實用的自動化設備,特別是及其重視對凸輪機構及其動力學性能的研究。他們近期在凸輪機構的技術發展上免所做的杰出工作主要在以下方面,:在機構設計方面，他們不斷加強凸輪機構動力學方面和振動方面的研究，致力于尋求凸輪機構的精確解，研制新的凸輪加工設備和使凸輪輪廓曲線多樣化、也致力于把凸輪機構制造的不斷小型化和大型化(目前日本已生產出世界上最大和最小的蝸桿凸輪機構,最大的中心矩為800mm,最下的為28mm)、發展凸輪機構的CAD/CAM，并且加強凸輪機構的標準化2。1.2.3凸輪機構的研究發展的趨勢(l)在從動件運動規律研究方面：不僅要繼續尋找更好的運動規律,還要研究有效可行的分析方法。(2)而在運動學和幾何學的方面的研究,那就要綜合全面的考慮各種凸輪機構,使其盡可能導出那些普遍而且適用的計算公式。而現有的研究大多數的集中于圓柱和平面凸輪,而且普遍是一種凸輪也就一種研究的方法,而且設計的公式過于繁多,近似的較多,并影響到了其他方面(CAD、UG的應用等)的研究。(3)另外是發展通用并且有效的CAD系統。但是由于種種原因，計算機設計在凸輪機構設計應用一直都被局限于就幾種簡單的平面和圓柱凸輪機構,況且每一程序通常只能處理一、二種機構,對于比較完整全面的CAD系統進行的研究,在最近的幾年的研究里一直不夠完善。(4)引入人工智能CAD系統或專家系統。因為凸輪機構并不是標準機構,種類繁多,并且應用相當的廣泛,加上許多已有的知識不能把它們公式化,所以被廣為應用的CAD系統,其實際作用效果并不十分的理想。但是如果引入了專家系統,那么可以獲得相當理想的結果。(5)動力學研究的進一步深化及研究成果的實用化。由于動力學問題題本身十分的復雜,導致凸輪機構的研究主要集中在低、中速凸輪機構,而對高速凸輪機構的動力學方面的研究還并不夠深入、完善。因此,人們對于哪些研究成果的可靠性存在懷疑的態度,這些成果并未得到廣泛的應用。(6）在凸輪的運動學和動力學方面運動計算機模擬,從而不斷的提高設計質量，并且縮短了產品研制的周期。(7)研究CAD/CAM系統的的一體化，使凸輪設計更加的高效。(8)最后是凸輪機構作為引導機構的的方面的研究與應用。1.3課題研究的主要內容本課題重點完成實驗臺傳動電機及調速方法選擇、相應傳感器的按裝設計、機械結構設計，其主要內容有：(1)了解高速凸輪機構動力學試驗平臺研制、研究目的。理解各種典型凸輪機構結構及其特點，確定完整實驗系統總體方案。(2)相關測試用傳感器、型號選定及安裝機架設計。(3)高速凸輪機構動力學試驗臺各部分的具體結構設計，利用AutoCAD軟件繪制機械裝配圖一份及主要零件加工圖若干份，并利用Pro/Engineer軟件建立三維模型。(4)高速凸輪機構動力學建模分析。第2章高速凸輪的理論基礎2.1凸輪-從動件系統動態運動分析圖2.1凸輪運動狀態分析如圖2.1，在所示的直角坐標系中，用縱坐標表示凸輪從動件的升程，然后以橫坐標表示凸輪軸的轉角，而虛線則表示當量凸輪的升程的曲線3。當凸輪機構在相對比較低的速度運轉時，并且運動構件的質量較小、剛度較大時，那么此時就可以忽略構件產生彈性變形對凸輪-從動件系統運動性能的影響，也就是說可以將整個凸輪-從動件系統完全近似地簡化為一個剛性的系統。當在這種情況下，凸輪系統工作端的運動規律就取決于凸輪實際廓線和系統的機械傳動比了。那么此時若機械傳動比為常數，則工作端運動規律和凸輪端的成一定的比例。那么將凸輪機構視為剛性系統處理的時候，就不涉及彈性變形，凸輪系統就是一