实现轨迹的凸轮-行星轮系组合机构的设计与研究

摘要

在机械、食品、汽车、纺织、印刷等加工领域，随着社会的发展，生产力的不断提高，机械化和自动化程度越来越高，机构的输出运动趋于多样化，运动形式和运动规律日趋复杂。原有的基本机构已不能满足预期的工作要求，现有的组合机构也存在一些局限性，如不能精确实现轨迹、无法实现预期的运动规律、结构比较庞大、需要较大的运行空间等问题。因此，有必要对实现轨迹和运动规律的组合机构进行创新性的设计，注重结构的紧凑性和高速场合中的动力性能。
　　 本课题从分析执行端末端的轨迹入手，设计了一种基于摆动从动件凸轮机构和行星轮系回转-直线变换机构，并用一个差动轮系将这两个基本机构联系起来的组合机构。为了满足避让高度的需求，在凸轮机构上又添加了摆角放大机构。这样形成的组合机构，在较小的运行空间下就能使执行端形成带有避让特点的轨迹。由于凸轮机构能够精确实现任意给定的运动规律，这就扩展了组合机构的使用范围。
　　 在满足运动学要求的前提下，对组合机构的动力学性能做了较为深入地研究。通过加配重的方法对组合机构运动部分的惯性力做了局部平衡，显著降低了旋转构件的径向窜动趋势，减少了铰链中的冲击和碰撞。通过将差动轮系中的齿轮副用接触代替，发现齿轮啮合传动过程中接触力呈周期性变化，转速越大，接触力的波动范围也越大。其中啮合频率和重合度的变化是接触力波动的主要因素，几何轮廓误差以及积分器的误差也是不容忽视的因素。在研究运动副间隙对构件运动特性的影响时，发现当间隙较小时，对（角）加速度的影响较大，使曲线发生高频的小幅振荡。当间隙增大时，角加速度曲线上发生低频的较大幅度的振荡，且曲线上能比较清楚地反映运动副元素间的接触、碰撞规律。
　　 由于机构的实际运动是大范围的刚体运动和小范围的弹性变形的耦合，因此有必要研究构件的弹性变形对运动特性的影响。本课题采用ANSYS与ADAMS相结合的方法，即在ANSYS中建立构件的有限元模型，生成模态中性文件后导入ADAMS替换刚性体，进行刚柔耦合动力学分析。通过对比仅含一个柔性体和含有两个柔性体的刚柔耦合动力学仿真结果，发现固有频率较低的传动杆在给定转速下的动态响应比较显著，而固有频率较大的连杆在给定转速下对运动特性的影响很小。当两者都为柔性体时，柔性连杆在给定转速下削弱了柔性传动杆的动态响应。此外，可以将刚柔耦合动力学分析中任意时刻加载在柔性体上的载荷文件输出到ANSYS中，对构件体进行结构静态分析，以确保构件满足强度条件。

目录

摘要

1 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 选题的依据

1．3 国内外研究动态

1．3．1 机构组合与设计方法的研究动态

1．3．2 机构运动与动力学分析的研究动态

1．4 课题的提出及研究内容

2 组合机构的方案设计

2．1 行星轮系回转-直线变换机构

2．2 行星轮系与摆动从动件凸轮机构的组合

2．3 直线往复运动与摆动的复合

2．4 摆角放大机构

2．5 实现轨迹的组合机构的设计流程

2．6 本章小结

3 组合机构的设计与运动学分析

3．1 内啮合行星轮系变换机构

3．2 差动轮系的设计

3．3 齿轮的参数化建模

3．4 凸轮机构的设计

3．4．1 运动循环图的确定

3．4．2 凸轮机构从动件运动规律的设计

3．4．3 凸轮轮廓的设计

3．5 四杆摆角放大机构的设计

3．6 组合机构的三维模型及结构简图

3．7 组合机构的运动学分析

3．7．1 组合机构分析模型的建立

3．7．2 执行端轨迹的验证

3．7．3 四杆机构的运动学分析

3．8 本章小结

4 基于ADAMS的机构动力学分析

4．1 动力学的研究内容和基本原理

4．2 惯性力的平衡

4．2．1 差动轮系的径向平衡

4．2．2 组合机构运动部分的轴向平衡

4．3 齿轮间的接触力

4．4 含运动副间隙机构的动力学分析

4．5 本章小结

5 含弹性构件的机构动力学分析

5．1 弹性变形对机构的影响

5．2 柔性体的创建方法

5．3 用ANSYS建立构件的有限元模型

5．4 组合机构在ADAMS中的刚柔耦合动力学分析

5．5 构件在ANSYS中的应力分析

5．6 本章小结

6 结论与展望

致谢

参考文献

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