平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展凸輪輪廓曲線優(yōu)化的方法

榮治明 丁堃

摘 要：平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)根據(jù)機(jī)構(gòu)組成原理和桿組（包括高副桿組）迭加原理設(shè)計(jì)，可以讓學(xué)生在拼接中進(jìn)一步掌握機(jī)構(gòu)組成理論，通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)靈活運(yùn)用機(jī)械傳動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。運(yùn)用Pro/E建立產(chǎn)品數(shù)字化裝配模型，運(yùn)用“機(jī)構(gòu)”模塊來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，按比例完成凸輪機(jī)構(gòu)各組件的加工，形成教學(xué)模型。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新設(shè)計(jì)；數(shù)字化裝配模型；教學(xué)模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.221

平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)配有數(shù)據(jù)采集傳感器并與計(jì)算機(jī)相連，通常包含角度傳感器和位移傳感器，設(shè)備以串口通訊方式傳送測(cè)試數(shù)據(jù)，具有精度高，速度快、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)開(kāi)展的設(shè)計(jì)前提要求是保證機(jī)構(gòu)中相關(guān)的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)中不發(fā)生干涉，機(jī)架立柱可進(jìn)行橫向滑移，滑塊的高度可在立柱上調(diào)節(jié)高度，連桿件的桿長(zhǎng)為多尺寸，用于組裝機(jī)構(gòu)的通用零件特征是種類(lèi)少，模塊化程度高，可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)方案拼裝高效率， 教師可開(kāi)發(fā)出綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生亦可方便實(shí)驗(yàn)操作，使學(xué)生的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新能力得以鍛煉提高。

1 實(shí)驗(yàn)概述

JYCS-Ⅱ機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀內(nèi)部由單片機(jī)控制，它可同時(shí)完成對(duì)機(jī)構(gòu)主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)不勻率；擺動(dòng)從動(dòng)件擺動(dòng)角位移、角速度、角加速度；以及直動(dòng)從動(dòng)件直線位移、速度、加速度的輸出信號(hào)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，并將采集數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示、打開(kāi)等，如圖1所示。

凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，從動(dòng)件與凸輪利用高副形式連接，從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)是預(yù)期連續(xù)或不連續(xù)的運(yùn)動(dòng)，凸輪機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用在機(jī)械傳動(dòng)、儀器設(shè)備、操縱控制等裝置中， 是自動(dòng)化生產(chǎn)中較為常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)。但由于凸輪機(jī)構(gòu)自身的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，高副易被磨損，在工作中存在柔性沖擊，因此凸輪的輪廓曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)在相關(guān)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中至為重要。

雖然傳統(tǒng)的圖解法簡(jiǎn)便易行，但存在作圖效率低下、輪廓曲線誤差偏大，在精度要求高的凸輪設(shè)計(jì)中往往不能滿足要求，同時(shí)存在分度間距較大、后期數(shù)據(jù)調(diào)整等方面的困難；解析法存在公式復(fù)雜，專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)要求高，直觀性差等特點(diǎn)。運(yùn)用現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，設(shè)定零件的形狀和尺寸、定位誤差等，預(yù)測(cè)裝配精度，評(píng)價(jià)裝配工藝，從而更全面地為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供支持；運(yùn)用平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)搭接分析軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示運(yùn)動(dòng)曲線，傳感器檢測(cè)平面凸輪機(jī)構(gòu)活動(dòng)構(gòu)件的位移、速度和加速度，并對(duì)分角度、分時(shí)段的計(jì)算數(shù)據(jù)，可了解機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比后，進(jìn)行機(jī)構(gòu)重新設(shè)計(jì)與裝配調(diào)整。

教學(xué)中依據(jù)課程設(shè)置安排，積極探討用機(jī)構(gòu)創(chuàng)新搭接實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展凸輪輪廓曲線優(yōu)化的方法，實(shí)施中應(yīng)滿足人才培養(yǎng)規(guī)律與課程進(jìn)度相一致。按學(xué)期開(kāi)展，首先使學(xué)生具有機(jī)械原理凸輪相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，繼而課程設(shè)置上為三維造型軟件學(xué)習(xí)，最后機(jī)械加工，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)零件化生產(chǎn)，實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 教學(xué)中解決方案的基本設(shè)計(jì)步驟

（1）在進(jìn)行機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，用Pro/E或其他三維軟件建立模型后通過(guò)手段，運(yùn)用“機(jī)構(gòu)”模塊在電腦上模擬所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行虛擬運(yùn)動(dòng)仿真，以實(shí)現(xiàn)在虛擬的環(huán)境中凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的目的。此方法可以充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式中計(jì)算、繪圖能力的不足，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)，對(duì)于提高設(shè)計(jì)效率、提升綜合設(shè)計(jì)的能力，降低成本有很大的作用。

（2）運(yùn)用平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)搭接實(shí)驗(yàn)臺(tái)拼裝各類(lèi)型平面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，拼裝的后的機(jī)構(gòu)能需保證配合精度，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)無(wú)卡滯，構(gòu)件間無(wú)干涉現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)靈活自由，運(yùn)用平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)搭接分析軟件檢測(cè)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中從動(dòng)件的加速度曲線，判斷柔性沖擊量，優(yōu)化凸輪曲線設(shè)計(jì)參數(shù)，并將數(shù)值反饋給Pro/E軟件，完成產(chǎn)品數(shù)字化裝配模型的修改。促進(jìn)平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)搭接實(shí)驗(yàn)臺(tái)及JYCS-Ⅱ軟件在機(jī)自專(zhuān)業(yè)學(xué)生《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

（3）將機(jī)械加工設(shè)備（線切割、加工中心）資源運(yùn)用到機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型化展示，按比例完成凸輪機(jī)構(gòu)各組件的加工，形成教學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)凸輪機(jī)構(gòu)的實(shí)物加工，探討加工工藝及其改進(jìn)方法，實(shí)現(xiàn)自制簡(jiǎn)單教具的推廣，豐富實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)資源。

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