平面机构创新实验台开展凸轮轮廓曲线优化的方法

    荣治明 丁堃

    摘 要：平面机构运动创新设计实验台根据机构组成原理和杆组（包括高副杆组）迭加原理设计，可以让学生在拼接中进一步掌握机构组成理论，通过动手实验灵活运用机械传动的基础知识，实现机构的创新设计。运用Pro/E建立产品数字化装配模型，运用“机构”模块来进行运动仿真，按比例完成凸轮机构各组件的加工，形成教学模型。

    关键词：创新设计；数字化装配模型；教学模型

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

    平面机构运动创新设计实验台配有数据采集传感器并与计算机相连，通常包含角度传感器和位移传感器，设备以串口通讯方式传送测试数据，具有精度高，速度快、稳定性好的特点。平面机构运动创新设计实验台对开展的设計前提要求是保证机构中相关的运动构件在运动中不发生干涉，机架立柱可进行横向滑移，滑块的高度可在立柱上调节高度，连杆件的杆长为多尺寸，用于组装机构的通用零件特征是种类少，模块化程度高，可实现机构方案拼装高效率， 教师可开发出综合性、设计性实验时，学生亦可方便实验操作，使学生的机构创新能力得以锻炼提高。

    1 实验概述

    JYCS-Ⅱ机构运动方案创新设计实验仪内部由单片机控制，它可同时完成对机构主传动轴转速、回转不匀率；摆动从动件摆动角位移、角速度、角加速度；以及直动从动件直线位移、速度、加速度的输出信号数据采集和预处理，并将采集数据传送到计算机进行数据处理、显示、打开等，如图1所示。

    凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，从动件与凸轮利用高副形式连接，从动件在运动时是预期连续或不连续的运动，凸轮机构广泛应用在机械传动、仪器设备、操纵控制等装置中， 是自动化生产中较为常见的驱动和控制机构。但由于凸轮机构自身的机构特点，高副易被磨损，在工作中存在柔性冲击，因此凸轮的轮廓曲线优化设计在相关的机械产品设计中至为重要。

    虽然传统的图解法简便易行，但存在作图效率低下、轮廓曲线误差偏大，在精度要求高的凸轮设计中往往不能满足要求，同时存在分度间距较大、后期数据调整等方面的困难；解析法存在公式复杂，专业基础知识要求高，直观性差等特点。运用现代的计算机辅助设计手段，设定零件的形状和尺寸、定位误差等，预测装配精度，评价装配工艺，从而更全面地为产品设计和生产提供支持；运用平面机构运动搭接分析软件通过计算机显示运动曲线，传感器检测平面凸轮机构活动构件的位移、速度和加速度，并对分角度、分时段的计算数据，可了解机构运动规律及机构实时运动状态，进行数据分析对比后，进行机构重新设计与装配调整。

    教学中依据课程设置安排，积极探讨用机构创新搭接实验台开展凸轮轮廓曲线优化的方法，实施中应满足人才培养规律与课程进度相一致。按学期开展，首先使学生具有机械原理凸轮相关的专业知识，继而课程设置上为三维造型软件学习，最后机械加工，实现设计零件化生产，实践中进行检验。

    2 教学中解决方案的基本设计步骤

    （1）在进行机械机构设计时，用Pro/E或其他三维软件建立模型后通过手段，运用“机构”模块在电脑上模拟所设计的机构来进行虚拟运动仿真，以实现在虚拟的环境中凸轮机构运动的目的。此方法可以充分发挥学生的想象力和创造力，弥补传统教学方式中计算、绘图能力的不足，激发学生的学习兴趣，增强学生机构运动创新设计意识，对于提高设计效率、提升综合设计的能力，降低成本有很大的作用。

    （2）运用平面机构运动搭接实验台拼装各类型平面传动机构时，拼装的后的机构能需保证配合精度，实现运动无卡滞，构件间无干涉现象，运动灵活自由，运用平面机构运动搭接分析软件检测凸轮机构运动中从动件的加速度曲线，判断柔性冲击量，优化凸轮曲线设计参数，并将数值反馈给Pro/E软件，完成产品数字化装配模型的修改。促进平面机构运动搭接实验台及JYCS-Ⅱ软件在机自专业学生《机械设计》课程设计、毕业设计中的应用。

    （3）将机械加工设备（线切割、加工中心）资源运用到机械机构设计中，实现产品模型化展示，按比例完成凸轮机构各组件的加工，形成教学模型，实现凸轮机构的实物加工，探讨加工工艺及其改进方法，实现自制简单教具的推广，丰富实验室学习资源。

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