弧面分度凸輪機構研究的回顧與展望

【摘 要】近年來在弧面凸輪機構研究領域出現了許多新思想和新方法，本文將對近期這一領域的研究成果作一回顧，并對有關資料作一整理。

【關鍵詞】弧面分度凸輪機構

0.引言

弧面分度凸輪機構是由美國人C.N.Neklutin在19世紀20年代發明的，又稱滾子齒形凸輪分度機構、蝸桿式凸輪機構、球面凸輪步進機構。弧面分度凸輪機構一問世就吸引了世界各國的目光并相繼對其展開研究。我國對弧面分度凸輪機構的研究始于19世紀70年代末，天津大學、合肥工業大學、陜西科技大學(原西北輕工業學院，下同)等高校以及西安鐘表機械廠、蕪湖電工機械廠等廠家都在弧面分度凸輪機構的研究、制造方面取得了一批成果。

1.弧面分度凸輪機構的幾何學、運動學

我國在弧面分度凸輪機構運動學研究方面的早期文獻主要集中介紹了弧面分度凸輪機構的壓力角、凸輪嚙合曲面的曲率半徑、從動滾子的轉速、凸輪廓形曲面及接觸線方程等。到80年代中后期，出現了應用矩陣法、空間回轉變換張量法等方法研究弧面分度凸輪機構幾何運動學及嚙合原理的文獻。同時有文獻對弧面分度凸輪機構的預緊干涉和嚙合間隙等問題進行了研究，指出Ⅰ型結構和Ⅱ型結構有各自不同的傳動特性。在運動學分析方面一個比較困難的課題是根據從動件系統設計出能實現預定運動規律的凸輪輪廓參數。

2.弧面分度凸輪機構的動態特性研究

弧面分度凸輪機構在高速高精度傳動和分度運動中有著不可替代的優越性，但是僅僅提高凸輪的加工精度并不能保證系統有良好的動態特性，為此動力學研究已經成為凸輪機構的一個重要研究課題。對凸輪機構動力學的研究可以追溯到上世紀50年代，隨后的幾十年，凸輪機構動力學的研究在凸輪機構設計中受到越來越多的重視，而凸輪機構動力學分析也向模型的精細化方向發展，并計及各種非線性效應。

有文獻分析了從動件的動態響應隨負載、剛度和配合間隙變化的關系，并對動態響應隨主動件輸入轉速的變化關系進行了研究。還有文獻將復雜的凸輪機構簡化為多自由度方向的動態模型，采用有限差分法求解非線性問題，編制了整個動態連續模擬的CSDYCAM計算機軟件系統，繪制了考慮各種不同因素凸輪機構動態特性圖譜。

3.弧面分度凸輪機構的制造及其CAD/CAM

弧面分度凸輪機構制造的關鍵是弧面分度凸輪的加工。在國內，弧面分度凸輪的加工起初是采用滾齒機改造或其它機床改造后的凸輪專用機床加工，也有采用引進的五坐標聯動加工中心進行加工。陜西科技大學與西安鐘表機械廠、南通機床廠合作，研制成功了NT-XK5001型弧面分度凸輪專用數控立式銑床。之后，弧面分度凸輪專用磨削裝置由陜西科技大學研制成功。使磨削后的凸輪輪廓精度已高達±0.002。

近期在弧面分度凸輪機構CAD/CAM及運用數控機床加工制造凸輪方面出現了一些新的思維和方法。有些研究在分析弧面分度凸輪機構嚙合原理的基礎上給出了通用的解析方程式和簡單的修正方法，實用于不同旋向、工位和運動規律。通過ADS編程實現了自動設計、自動建模和虛擬再現真實產品磨削的過程。由于弧面分度凸輪機構工作曲面在空間具有不可展特性，只能通過兩個旋轉軸加工，大多數加工弧面分度凸輪機構的專用機床的缺點是加工范圍有限，而對于五坐標數控機床編程復雜，設備成本也較高。基于這種情況，有研究通過坐標變換和多坐標聯動控制調整數控機床的加工范圍，推導出各個參數之間的關系并編制出編程軟件。該方法可以用于擴大機床的原有加工范圍以及通過調整加工參數提高機床剛度和工作效率。

4.弧面分度凸輪機構的檢測

由于凸輪輪廓幾何形狀誤差的檢測有一定的困難，所以很長一段時間弧面分度凸輪機構的檢測都是比較薄弱的環節，由此將影響到整個分度機構的分度精度。近年來，隨著計算機技術的發展，借助計算機的檢測系統的研究成為一個新的方向。有文獻介紹了一種以單片機為核心組成數據采集系統，在系統機（80×86）的配合下完成凸輪檢測數據的處理。既可檢驗凸輪輪廓的加工質量，也可以由凸輪輪廓測量數據通過在系統機上所開發的CAD/CAM軟件反求原始設計、復制凸輪、實現從凸輪測量數據到凸輪CAD/CAM的一體化技術。

1994年由吉林工業大學牽頭，參照圓柱蝸桿傳動和弧面蝸桿傳動的精度標準，提出了弧面分度凸輪機構的精度指標體系，規定了弧面凸輪復雜曲面的檢驗項目，并制定了弧面分度凸輪機構的部頒標準（送審稿），有待在實踐中結合凸輪的特點修改完善。

5.弧面分度凸輪機構研究方向和重點的展望

縱觀其發展的歷史及近年的發展，今后我國弧面分度凸輪機構的研究重點應在如下幾個方面：

(1)新型點嚙合傳動的弧面分度凸輪機構的研究。

(2)弧面分度凸輪的動態特性及其仿真研究依然是研究熱點。

(3)高效率、高精度弧面分度凸輪曲面磨削機床或裝置的研制；通用有效并引入專家系統或人工智能型CAD/CAM系統的開發。

(4)弧面分度凸輪機構精度指標體系的制定、修改、完善和檢測原理、方法和儀器的研究和制造。

(5)弧面分度凸輪機構新結構的研制。 [科]

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