机械锁紧装置凸轮机构及优化设计分析-优化设计论文-设计论文 .pdfVIP

机械锁紧装置凸轮机构及优化设计分析-优

化设计论文-设计论文

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摘要：机械锁紧装置中凸轮机构结构紧凑、运动可靠、设计简单，

只要设计出合适的凸轮轮廓，就能依靠凸轮机构各组成部分的相互配

合得到设计需要的运动规律。机械凸轮机构运动可靠的特点使其在纺

织机、印刷机、内燃机、数控机床等机械中普遍应用。决定其运动可

靠性的主要条件是凸轮轮廓的设计。凸轮轮廓的设计难度高，需要经

过大量的计算和推敲。凸轮轮廓的优化是提高凸轮机构运动可靠性和

减少磨损程度的关键。本文总共分为四部分。第一部分简单介绍了凸

轮机构；第二部分分析了凸轮机构的运动过程；第三部探讨了影响凸

轮机构可靠性的设计因素；第四部分分析了凸轮机构的优化设计。旨

在为凸轮机构动作系统的优化设计提供一些参考。

关键词：机械锁紧装置；凸轮机构；设计；凸轮轮廓

凸轮机构是机械设备重要的锁紧装置，常用于定位锁紧设备中。

如纺织机、印刷机、电动车刹车装置、数码产品外置记忆卡的卡槽装

置等。它由凸轮、从动件、机架等构件构成，其中决定凸轮机构性能

的主要构件为凸轮。凸轮的性能主要由其曲线轮廓所决定，而凸轮的

轮廓曲线运动、直线运动是凸轮设计的重点，也是凸轮机构设计的重

要内容。由于凸轮机构为机械控制装置的重要组件，它在机械规律的

运动过程中承担着传动动能和完成预定的运动规律的作用。在机械运

动过程中，凸轮机构做往复的曲线摆动或直线运动，在这个过程中凸

轮轮廓会受到较强的压力、刚性冲击力和摩擦力，因此易发生磨损，

从而影响工作性能。结合弹性流体动压润滑原理、图解法、解析法对

凸轮轮廓做精确计算，对凸轮轮廓进行优化设计，是改善凸轮机构运

动规律下综合性能的重要途径，也是当前凸轮机构的主要研究方向。

1凸轮机构概述

凸轮机构的主要构建包括杆状从动件、盘状或柱状曲线轮廓、三

个机架构件组成。常用于数控机床的进刀机构、汽车发动机的配气机

构等。按照主要构件凸轮的形状分为盘形凸轮机构、移动凸轮机构、

圆柱凸轮机构。按照从动件的形状分为尖顶从动件凸轮机构、滚子从

动件凸轮机构、平底从动件凸轮机构。按照凸轮机构运动形式分为直

动从动件对心凸轮机构、直动从动件偏心凸轮机构、摆动从动件凸轮

机构等。凸轮机构具有结构简单、便于设计、工作可靠、结构紧凑、

易于加工制造等优点。凸轮机构设计要结合具体的工作要求选择凸轮

机构设计形式、推杆运动规律、结构尺寸以及凸轮轮廓曲线等。凸轮

曲线的设计是凸轮机构设计的关键，而确定凸轮机构的运动规律则以

及凸轮机构的使用需求，是凸轮轮廓曲线设计的前提。因此，在进行

机械锁紧装置凸轮机构的优化设计时，首先要确定推杆的运动规律，

并对其进行优化。

2凸轮机构的运动过程

在凸轮机构的运动过程中，推杆的位移、速度、加速度的参数变

化将会直接影响着运动规律及机械锁紧装置的可靠性。凸轮机构的滑

柱在凸轮中进行运动，运动过程中受滑槽的限制在到达凸轮槽位置时

自动锁紧。凸轮在外力的F的作用下向左运动，在压簧1的作用下滑

柱从A点运动到B点（图1）。当取消外力F，在压簧1、压簧2的作

用下接触点从B运动到C点锁紧位置（图2）。消除锁紧，重新在外

力F的作用下C点向D点运动。再取消外力F，在压簧1、压簧2的

作用下D点向E点运动，最终回到起点A。这个完整的运动周期即为

机械锁紧装置的运动过程。

3影响凸轮机构可靠性的设计因素

凸轮机构滑柱的运动规律可通过位移、速度和加速度反应。建立

滑柱横竖向位移关系。假设在锁紧凸轮固定的前提下，滑柱横向速度

为匀速v，以A点为中心建立锁紧凸轮的坐标系，设横向运动为x轴，

竖向运动为y轴。以该坐标系中基础建立锁紧凸轮数学模型。对凸轮

机构滑柱的运动路线进行坐标变换，求出oy的数学表达式。将凸轮

轮廓方式带入到ox中，求解凸轮轮廓在运动过程中所受到的刚性冲

击。

3.1位移

3.2速度

3.3加速度

当凸轮轮廓线从A点运动到E点的坐标分别为：（0，0）、（30，8）、

（23，14）、（20，30）（18，20）时，那么得到滑柱运动方程后借助

Matlab软件可绘制出的类速度图像。可观察到，滑柱类速度在拐点位

置加速度直接消失。在不考虑设备零部件发生形变的条件时，滑柱类

速度图表明凸轮机构受到的猛烈的突发性刚性冲击，因此加速度骤减

为零。

4凸轮机构的优