关键词：
分度机构
构型综合
尺度综合
动力学模型
实验研究
摘要：
本文密切结合自动机械对高速分度运动机构创新设计的实际需求,研究可实现高速分度运动的同轴式新型分度凸轮机构的构型综合方法,围绕综合出的一种平行四边形式凸轮连杆分度机构,系统开展了机构的运动学、静力学、动力学及实验研究,全文主要工作和研究成果如下:
在新机构拓扑构型综合方面,从分析一种同轴偏心轮式分度凸轮机构的拓扑结构与工作原理出发,针对其含凸轮副和输入与输出同轴式布局的拓扑特性及设计需求,突破现有平面低副运动链邻接矩阵描述方法的不足,研究了含高副特征的平面运动链的邻接矩阵数学建模、同构自动识别及数综合算法,并针对含不同构件数的低副运动链建立了含高副平面运动链图谱。在此基础上,研究机构含有凸轮副、输入输出同轴式布局与运动链存在多副杆的数量、环路所含构件数的对应关系,根据机构拓扑设计需求遴选可行机构运动链。在合理配置机架、输入输出构件以及运动副具体形式基础上,提出了同轴式新型分度凸轮机构的构型综合方法,并以平面6杆运动链为例,综合得到可行的机构构型方案。新机构拓扑构型综合方法为同轴式新型分度凸轮机构构型创新及含高副机构构型综合提供一种新的思路。
在机构几何与运动特性分析方面,以综合得到的一种平行四边形式凸轮连杆分度机构为对象,建立了凸轮廓线及其曲率半径方程,分析了平行四边形连杆的尺度参数、初始位形及分度运动规律对凸轮廓线几何特性的影响。在此基础上,研究在动程减速期凸轮廓线的最小曲率半径发生区域的规律,建立了最小曲率半径的近似解析解,并分析了不同工况参数下避免凸轮廓线发生顶切的杆长系数取值范围。针对机构通过平行四边形位形变化实现分度运动的传动方式,定义了表征机构传动性能的压力角和啮合角,建立了机构啮合角、分度运动规律及平行四边形尺度参数间的内在联系,分析了杆长系数、初始角及分度运动规律等设计参数对机构压力角和啮合角的影响,为机构的尺度综合奠定了基础。
在机构尺度综合方面,在系统分析机构中过约束类型及数量的基础上,建立了相应的变形协调方程,构造了机构的动态静力分析模型,分析了各构件运动副反力在分度运动周期随杆长系数的变化规律。系统分析了机构各种可能的奇异位形,根据平行四边形瞬时位形与奇异位形的距离构造出机构在动程加速、减速期的运动与力传递评价指标,揭示了不同工况参数下杆长系数对机构传动性能的影响规律。最后,建立了避免凸轮廓线发生顶切和机构最大压力角等约束条件,研究了机构在分度运动过程中运动与力的传递率、凸轮与滚子接触力系数随杆长系数变化的规律,建立了机构尺度综合的一般方法,为同轴式新型分度凸轮机构参数设计提供重要的技术支撑。
在机构弹性动力学研究方面,采用拉格朗日法建立了计及凸轮与滚子接触刚度的整机平移-扭转弹性动力学模型。在建模过程中,针对平行四边形位形影响机构动力输出的特点,在平行四边形与输入、输出杆的铰接点建立虚拟等效构件,计算其整体惯量与刚度参数,分析其与输入、输出构件间的相对弹性位移。揭示了机构的固有频率和振型在分度运动周期内的变化规律,分析了尺度、刚度和惯性参数对机构前4阶固有频率的影响。在此基础上,根据机构低阶固有频率和振型分析结果,建立了考虑时变间隙和阻尼等非线性因素的机构纯扭转动力学模型,分析了采用不同运动规律的机构主振动和残余振动响应谱,结果表明选取加速度曲线连续、跨越点处跃度值较小的运动规律,可以有效减小系统的主振动和残余振动。最后,借助ADAMS软件进行了动力学仿真以校验模型的有效性。上述动力学研究为同轴式新型分度凸轮机构动态特性分析、真实机械结构设计等提供一定理论支撑。
在动力学实验研究方面,根据设计结果研制了实验样机,搭建了整机动态特性测试系统。采用单点激励—多点拾振测试方法,测试了实验样机的固有频率及其在分度运动周期内随平行四边形位形的变化,并进一步测试了载荷盘的角加速度响应。实验测试得到的机构固有频率与理论模型仿真结果基本一致,验证了所建动力学模型的有效性。
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