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連續式拉拔機凸輪機構的參數優(yōu)化設計

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凸輪機構是典型的常用機構之一，在工程中，一般用于重復性機械動(dòng)作，例如，內燃機中氣門(mén)的啟閉、縫紉機中縫料的間斷送進(jìn)控制等機械動(dòng)作傳動(dòng)，在紡織、印刷、輕工等中小型機械上應用廣泛。而凸輪機構應用于重型機械的冶金設備連續式拉拔機上，作為大噸位動(dòng)力傳動(dòng)卻并不多見(jiàn)。因此對凸輪機構在重型機械中的應用進(jìn)行研究分析和優(yōu)化設計是很有意義的。 1.拉拔機(拖板式)連續拉拔動(dòng)作原理 拖板式拉拔機的拉拔運動(dòng)和拉拔力的傳遞是由兩個(gè)凸輪(裝在同一根主軸上，相位差為180度)來(lái)完成的。兩個(gè)凸輪各自推動(dòng)一副拖板，拖板上裝有拉拔鉗口。主軸轉動(dòng)時(shí)，兩副拖板在凸輪的推動(dòng)下，形成了交替的前后運動(dòng)即前拖板拉拔時(shí)，后拖板鉗口松開(kāi)返回。前后拖板在工作上有一段重合段，在重合工作段內，前后拖板拉拔鉗口均處于夾緊狀態(tài)，重合交替后，一拖板繼續拉拔，另一拖板拉拔鉗口松開(kāi)返回，機構連續地完成拉拔運動(dòng)。 2.連續式拉拔機凸輪設計要求 在拉拔過(guò)程中，拉拔速度經(jīng)歷了由額定值—減速—反向—回程加速—減速—反向加速—額定值的變化。合理的凸輪曲線(xiàn)設計是拉拔機高速、穩定、高效工作的關(guān)鍵之一。由拉拔運動(dòng)的規律確定了對凸輪曲線(xiàn)的基本要求： (1)等速拉拔，快速返回； (2)兩個(gè)拖板在確定位置交接并嚴格按規定的位置運動(dòng)： (3)高速運轉的凸輪動(dòng)態(tài)特性要好，以避免過(guò)大的振動(dòng)和沖擊。 因此要求整個(gè)凸輪的曲線(xiàn)位移、速度、加速度連續光滑。即在0—360度范圍內，在各聯(lián)結點(diǎn)應連續。為滿(mǎn)足上述要求，凸輪理論廓線(xiàn)應由四段曲線(xiàn)組成，即起始過(guò)渡曲線(xiàn)，工作段曲線(xiàn)，終止過(guò)渡段曲線(xiàn)，回程段曲線(xiàn)。為了選擇較好的動(dòng)力特性，對于曲線(xiàn)類(lèi)型的確定，則主要考慮控制速度，加速度，加速度的變化率等方面。 為了防止沖擊，減少噪音，必須控制拖板的動(dòng)量，凸輪要適當。為了避免拉拔拖板激振力過(guò)大，減少拖板滾輪與傳動(dòng)凸輪接觸處的法向力與拉拔拖板的平衡力，降低電機功率，要求相關(guān)參數盡可能小。由典型運動(dòng)特性分析可知，在傳遞同一運動(dòng)時(shí)，三角函數低于多項式傳遞函數(高次多項式除外)，而且階躍量是有限值。因此，三角傳遞函數優(yōu)于多項式傳遞函數。從制造加工角度講，凸輪對加工誤差的敏感性很大，當升程誤差達到0.2mm時(shí)，就可以使升降傳動(dòng)規律的選擇成為無(wú)意義。而各類(lèi)傳遞函數反映基本相似。因此，在分析國外引進(jìn)設備的曲線(xiàn)基礎上，從運動(dòng)規律的動(dòng)力特性和凸輪制造加工達到的精度可能性等方面予以綜合考慮。將各段曲線(xiàn)分別確定為：工作段為直線(xiàn)方程，穩定拉拔；回程段為擺線(xiàn)方程，拖板快速返回：由于工作段的兩端與回程段的曲線(xiàn)存在加速度突變，將采用半正弦方程消除剛性沖擊。 由于凸輪的動(dòng)靜態(tài)特性，它們除了對速度、加速度、加速度變化率有直接影響外，還對以下幾個(gè)方面有影響。 (1)凸輪曲線(xiàn)各段加速度峰值波動(dòng)要求小，以使運動(dòng)中各段加速度峰值趨向一致；工作行程與理論升程的差值要小，即提高升程精度，有利于提高后道剪切工序時(shí)的剪切精度； (2)凸輪曲線(xiàn)重合段角度影響整個(gè)曲線(xiàn)的比例分配，它又受拉拔拖板鉗口換向時(shí)間的約束； (3)凸輪工作行程確定后，凸輪直徑和工作段升程相互制約。增加直徑可減小升角，使回程段曲線(xiàn)趨于平緩，但會(huì )引起拉拔機結構尺寸增大等問(wèn)題； (4)滾輪直徑具有一定的要求，以滿(mǎn)足拖板對凸輪作用力符合應力指標，因此，凸輪曲線(xiàn)的小曲率半徑還受到滾輪直徑的限制。 3.總結 (1)連續拉拔機的運動(dòng)規律確定了對凸輪曲線(xiàn)的基本要求，其中主要是對凸輪位移、速度、加速度的要求； (2)凸輪曲線(xiàn)各段性質(zhì)是影響拉拔機動(dòng)態(tài)特性的重要因素，傳動(dòng)凸輪的拉拔工作段為一次線(xiàn)性方程，其它各段應優(yōu)選三角傳遞函數； (3)凸輪曲線(xiàn)各段性質(zhì)確定之后，凸輪的變量參數選擇對于凸輪設計至關(guān)重要； (4)可采用優(yōu)化方法確定凸輪的變量參數。(圖/文www.fmrose.com)

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