机械锁紧装置中凸轮机构分析及优化设计

（广安职业技术学院，四川广安市，638000） 李 浩

凸轮机构是机械设备重要的锁紧装置，常用于定位锁紧设备中。如纺织机、印刷机、电动车刹车装置、数码产品外置记忆卡的卡槽装置等。它由凸轮、从动件、机架等构件构成，其中决定凸轮机构性能的主要构件为凸轮。凸轮的性能主要由其曲线轮廓所决定，而凸轮的轮廓曲线运动、直线运动是凸轮设计的重点，也是凸轮机构设计的重要内容。由于凸轮机构为机械控制装置的重要组件，它在机械规律的运动过程中承担着传动动能和完成预定的运动规律的作用。在机械运动过程中，凸轮机构做往复的曲线摆动或直线运动，在这个过程中凸轮轮廓会受到较强的压力、刚性冲击力和摩擦力，因此易发生磨损，从而影响工作性能。结合弹性流体动压润滑原理、图解法、解析法对凸轮轮廓做精确计算，对凸轮轮廓进行优化设计，是改善凸轮机构运动规律下综合性能的重要途径，也是当前凸轮机构的主要研究方向。

1 凸轮机构概述

凸轮机构的主要构建包括杆状从动件、盘状或柱状曲线轮廓、三个机架构件组成。常用于数控机床的进刀机构、汽车发动机的配气机构等。按照主要构件凸轮的形状分为盘形凸轮机构、移动凸轮机构、圆柱凸轮机构。按照从动件的形状分为尖顶从动件凸轮机构、滚子从动件凸轮机构、平底从动件凸轮机构。按照凸轮机构运动形式分为直动从动件对心凸轮机构、直动从动件偏心凸轮机构、摆动从动件凸轮机构等。凸轮机构具有结构简单、便于设计、工作可靠、结构紧凑、易于加工制造等优点。凸轮机构设计要结合具体的工作要求选择凸轮机构设计形式、推杆运动规律、结构尺寸以及凸轮轮廓曲线等。凸轮曲线的设计是凸轮机构设计的关键，而确定凸轮机构的运动规律则以及凸轮机构的使用需求，是凸轮轮廓曲线设计的前提。因此，在进行机械锁紧装置凸轮机构的优化设计时，首先要确定推杆的运动规律，并对其进行优化。

2 凸轮机构的运动过程

在凸轮机构的运动过程中，推杆的位移、速度、加速度的参数变化将会直接影响着运动规律及机械锁紧装置的可靠性。凸轮机构的滑柱在凸轮中进行运动，运动过程中受滑槽的限制在到达凸轮槽位置时自动锁紧。

凸轮在外力的F 的作用下向左运动，在压簧1的作用下滑柱从A点运动到B点（图1）。当取消外力F，在压簧1、压簧2的作用下接触点从B运动到C点锁紧位置（图2）。消除锁紧，重新在外力F 的作用下C 点向D 点运动。再取消外力F，在压簧1、压簧2的作用下D点向E点运动，最终回到起点A。这个完整的运动周期即为机械锁紧装置的运动过程。

图1

图2

3 影响凸轮机构可靠性的设计因素

凸轮机构滑柱的运动规律可通过位移、速度和加速度反应。建立滑柱横竖向位移关系。假设在锁紧凸轮固定的前提下，滑柱横向速度为匀速v，以A 点为中心建立锁紧凸轮的坐标系，设横向运动为x轴，竖向运动为y轴。以该坐标系中基础建立锁紧凸轮数学模型。对凸轮机构滑柱的运动路线进行坐标变换，求出oy的数学表达式。将凸轮轮廓方式带入到ox中，求解凸轮轮廓在运动过程中所受到的刚性冲击。

3.1 位移

设Q点坐标为（x,y），锁紧凸轮轮廓线表达式为f(x)，动件的位移方程为y，则凸轮各运动点的坐标为（xA,yA），（xB,yB），（xC,yC），（xD,yD），（xE,yE），a1,b1,a2,b2,a3,b3,a4,b4的值由凸轮的具体尺寸确定。

3.2 速度

3.3 加速度

当凸轮轮廓线从A 点运动到E 点的坐标分别为：（0，0）、（30，8）、（23，14）、（20，30）（18，20）时，那么得到滑柱运动方程后借助Matlab 软件可绘制出的类速度图像。可观察到，滑柱类速度在拐点位置加速度直接消失。在不考虑设备零部件发生形变的条件时，滑柱类速度图表明凸轮机构受到的猛烈的突发性刚性冲击，因此加速度骤减为零。

4 凸轮机构的优化设计

4.1 刚性冲击性能多次优化

常规的机械锁紧凸轮在低速运动情况下受机械设备振动作用会产生振动摩擦，摩擦阻力较大就会对凸轮轮廓造成损伤，从而缩短凸轮机构的生命周期。当机械锁紧装置中凸轮轮廓的损伤超过了拐点，这个拐点就是引发机械锁紧装置完全失效的动机。想要延长凸轮机构的使用寿命，就必须最大程度的提高从动件运动的流畅性，减少运动过程中产生的摩擦力和振动冲击力，防治凸轮机构运动过程中发生的磨损问题。在充分考虑凸轮机构运动的转速及工作压力等问题，分析从动件的运动规律，然后经过图解及解析对从动件运动的速度、加速度进行优化，使其在运动过程中更加的趋于稳定、平顺，就可以提高机械锁紧装置起始端到末端之间线性运动的柔性，从而减少凸轮机构所受冲击力，即凸轮机构刚性冲击性能的优化，它是延长凸轮机构使用寿命的必要条件。

凸轮机构刚性冲击性能的优化可通过分析从运动件的运动规律实现。一般借助多项式分析、三角函数分析及组合分析法等分析运动规律，研究凸轮机构在不同工作条件小的运动规律，掌握影响凸轮刚性冲击的最大速度、最大加速度、最大跃度等，然后选择最小的速度、加速度、跃度参数进行凸轮轮廓线的设计，即可满足凸轮机构在多种工作转速、工作压力下的使用性能。同时随着工业发展的需要，需要使用凸轮机构的地方越来越多，凸轮机构不能只满足用于简单的机械结构，应根据当前智能化、自动化设备发展的情况，不断优化改进凸轮机构结构，不断提高凸轮机构的使用性能，以满足机械行业发展需要。

4.2 锁紧凸轮运动学仿真自动分析与优化

ADAMS 软件与上文提到的Matlab 软件可对机械锁装署志凸轮机构的运动进行建模，同时具有对运动学仿真分析的功能。完成凸轮轮廓线的解析后可借助运动学仿真分析模型进一步分析数学模型的曲线表达，从而了解滑柱和凸轮在每一段的速度运动情况。通过多次对凸轮机构运动学的分析和运动曲线的比对，来选择和优化滑柱起始位置、位移、速度、加速度。

5 结语

综上所述，机械锁紧装置中凸轮机构从动件滑柱的位移、速度、加速度是影响凸轮轮廓刚性冲击的关键要素。在凸轮机构优化设计时，通过建立凸轮轮廓方程计算滑柱的位移、速度、加速度，并用图解法、解析法对凸轮轮廓进行多次优化，最大程度的消除凸轮机构运动过程中可能受到的刚性冲击。经过优化凸轮机构从件在规律运动过程中速度、加速度的稳定性更好，因此凸轮机构在机械锁紧装置中的衔接性能也得到改善，运动的可靠性相应提高。