凸轮驱动系统的运作原理与优化

由于凸轮在操作转速、运动精度、结构刚度、生产成本等方面具有许多优良特性，凸轮被广泛应用在现代化机械当中［162-163］。凸轮机构的应用有着非常悠久的历史，广泛应用于钢铁、矿山、轻工等自动机械和自动控制装置中。例如，内燃机中的配气机构，通过凸轮迫使推杆做往复运动，来实现气阀的开启或关闭，以控制可燃物质在适当的时间进入气缸或排出废气；再如自动机床的进刀机构，通过带凹槽的圆柱凸轮的回转，迫使推杆往复运动，从而实现刀架的进刀和退刀运动。对于凸轮机构，只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便，因此在各类机械和机电一体化产品中得到广泛应用。随着计算机技术的不断发展，通过计算机对凸轮轮廓进行设计和仿真，并直接生成数控加工代码，在数控机床上进行加工，能大大提高凸轮设计和加工的精度。由于从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线［164］，因此，凸轮轮廓设计非常重要。

在设计凸轮轮廓时，为了使从动件在满足运动要求的基础上，具有良好的运动和动力学性能，尽量使凸轮轮廓较为光滑。20 世纪50 年代以来，国内外提出了很多类型的凸轮曲线，其中以高次多项式凸轮（包括多项动力凸轮）应用比较普遍［165-168］。

随着科学技术的发展，在某些场合下要求凸轮的转速越来越高。然而当凸轮机构高速运转时，凸轮运动引起的系统的振动会造成系统噪声、接触力、磨损和工作成本增加［169］。为此，如何设计凸轮轮廓来降低系统的振动是非常重要的。许多科学家针对高速凸轮轮廓设计提出了方案［170-178］。为了降低高速吹瓶机中凸轮机构带动的模具合模时出现的接触力，杨志军等人提出了基于机构动力学-控制系统协同仿真和优化的凸轮轮廓线优化设计方法。仿真结果表明，新设计的凸轮曲线可以在更高速度时保持软着陆，有效降低了振动冲击。邱清盈利用多段多项式进行高速凸轮轮廓的设计，但设计变量较多，设计较为复杂。Singhose 对凸轮轮廓引起从动件的振动过程进行了分析，将凸轮机构简化为一个二阶振动系统并应用Input Shaping 技术对凸轮轮廓进行改造来抑制从动件的振动，仿真与实验结果表明，凸轮设计过程简单，振动抑制效果明显，但匹配转速范围较窄，同时改造后的轮廓局部会出现较大的曲率半径，这样会增大接触应力，从而造成凸轮的损伤。(https://www.xing528.com)

本章提出了一种新的高速凸轮轮廓设计方法来抑制高速凸轮的振动。这种方法利用了光滑器技术［179］。这一技术通过使用系统的阻尼和频率可以对所有的基本轮廓进行光滑，光滑后的凸轮轮廓可以有效抑制系统的振动。另外，本章以一个例子阐述了凸轮轮廓的设计过程并验证了新轮廓的有效性。展示了新轮廓的位移、速度、加速度和跃度曲线来证明新轮廓良好的光滑性，这将有利于高速凸轮从动系统。进行了新轮廓和标准3-4-5多项式轮廓的对比与评价。新轮廓在设计转速下使从动件振动为零，并且当转速在设计转速附近变化时，新轮廓将从动件振动抑制到一个很小的范围。从一个直线控制平台上获取的实验结果证实了仿真过程以及由光滑器技术产生的新轮廓的有效性。