1、第 1 章 绪论凸轮从动件系统在各个领域如纺织机械、包装机与食品机械、自动化工业、印刷行业、内燃机、农业机具都广泛被应用。在一般情况下它被认为是刚性系统。但随着机械效率的提高，凸轮转速随之上升，因而产生了较大的弹性变形。从动件运动规律大大偏离了理论值。因此对凸轮从动件系统先进行测试是很重要的。全套图纸，加 1538937061.1 选题的背景与意义凸轮运动机构是一种非常典型的机构,它可以将回转轴的转动运动输出为所需要的特定运动形式。因为它能以简单紧凑的结构，却能实现任意复杂的预期运动。而且具有良好的精度和运动刚性,长期都被广泛的应用于各种机械当中。还因为凸轮机构相对于其他运动机构(比如连杆)相
2、比，具有比较高可靠性、寿命长、容易于设计和能精确的预测所产生的运动等优点,尤其是在要求机构产生给定的运动规律、速度规律和加速度规律时,这个优点更加明显和突出 1。因为以上优点,所以在纺织机械、农业机具、自动机床、矿山机械、自动化专用机床、包装机与食品机械、数控机床、印刷工业、内燃机、建筑机械等等机械产品中,凸轮都被广泛的应用。而在其应用中,凸轮机构转动速度随着机械工业的不断发展,和对机械系统技术要求的不断提高,而表现出越来越高的趋势,从而导致系统当中运动构件的惯性力也大幅增大,构件的弹性形变也随之而变大。尤其是当机构转速到达在共振频率附近时,那么凸轮机构输出端的运动规律将可能远远偏离预期的设计
3、。针对高速凸轮系统在工程应用中出现的实际问题,大家正在从各种不同的角度去研究。不过因为对工程问题实验研究的消耗较高,花费时间也多,从而导致通过实验去研究相关问题的案例相对较少。本文望能通过理论上对高速凸轮试验台研究,在相关方面做出一点点有益的工作。1.2. 国内外研究现状和发展趋势1.2.1国内对这方面的研究 现在国内对高速凸轮研究有以下几个方向:1.首先在弹性理论学基础上,建立高速凸轮机构的动力学模型及得到其运动微分方程,然后把高速凸轮机构动力学模型的运动方程式进行分析,之后得到了凸轮机构输出端的动态响应,就可以找到确定的凸轮机构输出端运动规律。还可以在建立一个能准确描述凸轮动力特性的数学模
4、型的基础上,通过仿真分析,得到高速凸轮机构在不同的轮廓或结构参数下的动力学特性的曲线。2.还有从凸轮的廓线设计出发,提出在高速条件下适合采用的推杆运动规律,并且要结合现代加工的技术,设计制造出一系列新型凸轮机构,来满足高速工况。这方面的研究方向主要体现为:运动分析和静力分析、考虑几何尺寸、润滑、误差影响、考虑动力学、弹性变形等。3.当然由于数值计算方法的发展，再加上计算机技术、各种机械软件的普遍应用,使人们逐渐摆脱了繁重的重复的计算工作,而且可以在计算机的帮助下实现凸轮研究可视化。像凸轮机构 CAD/CAM 的设计、凸轮机构优化设计、UG 环境下的基于虚拟样机技术条件下的凸轮动力学仿真分析的研
5、究和数字化凸轮设计及其实现等。这一系列研究都是国内的热门。1.2.2国外对这方面的研究现在国外对凸轮机构的研究有以下方向:目前在欧美等国家,已经有很多学者都为凸轮机构的研究作出很大的贡献,这些研究成果还体现了欧美在凸轮研究方面的动向。就像一些专家在摩擦及实验方面的一些研究、在高速凸轮的力学问题的研究，某位专家论文中对高速凸轮机构采用多项式运动规律的运动特性有非常详细完整的的论述与分析、还有些专家们在凸轮稳定性的研究方面都先后发表了许许多多有关系的凸轮机构设计与优化等方面的论文、还有一些专家在计算机辅助设计的方面也有卓有成效的研究、当然在计算机辅助设计制造的方面与高速凸轮设计与优化方面都有一定量
6、的研究。近期,德国、英国等国家在高速凸轮机构也有了最新的研究,他们对凸轮机构的研究分析采用了各种像谐分析、谐综合等分析设计方法的研究,从而使得高速凸轮机构动力学性能得到了很大幅度的改善。另外日本在第二次世界大战结束之后也致力于研究发展相当实用的自动化设备,特别是及其重视对凸轮机构及其动力学性能的研究。他们近期在凸轮机构的技术发展上免所做的杰出工作主要在以下方面,:在机构设计方面，他们不断加强凸轮机构动力学方面和振动方面的研究，致力于寻求凸轮机构的精确解，研制新的凸轮加工设备和使凸轮轮廓曲线多样化、也致力于把凸轮机构制造的不断小型化和大型化(目前日本已生产出世界上最大和最小的蜗杆凸轮机构,最大的
7、中心矩为 800mm,最下的为28mm)、发展凸轮机构的 CAD/CAM，并且加强凸轮机构的标准化 2。1.2.3凸轮机构的研究发展的趋势(l)在从动件运动规律研究方面：不仅要继续寻找更好的运动规律,还要研究有效可行的分析方法。(2)而在运动学和几何学的方面的研究,那就要综合全面的考虑各种凸轮机构,使其尽可能导出那些普遍而且适用的计算公式。而现有的研究大多数的集中于圆柱和平面凸轮,而且普遍是一种凸轮也就一种研究的方法,而且设计的公式过于繁多,近似的较多,并影响到了其他方面(CAD、UG 的应用等)的研究。(3)另外是发展通用并且有效的 CAD 系统。但是由于种种原因，计算机设计在凸轮机构设计应
8、用一直都被局限于就几种简单的平面和圆柱凸轮机构 ,况且每一程序通常只能处理一、二种机构 ,对于比较完整全面的 CAD 系统进行的研究,在最近的几年的研究里一直不够完善。(4)引入人工智能 CAD 系统或专家系统。因为凸轮机构并不是标准机构,种类繁多,并且应用相当的广泛,加上许多已有的知识不能把它们公式化,所以被广为应用的 CAD 系统,其实际作用效果并不十分的理想。但是如果引入了专家系统,那么可以获得相当理想的结果。(5) 动力学研究的进一步深化及研究成果的实用化。由于动力学问题题本身十分的复杂,导致凸轮机构的研究主要集中在低、中速凸轮机构,而对高速凸轮机构的动力学方面的研究还并不够深入、完善
9、。因此,人们对于哪些研究成果的可靠性存在怀疑的态度,这些成果并未得到广泛的应用。(6）在凸轮的运动学和动力学方面运动计算机模拟,从而不断的提高设计质量，并且缩短了产品研制的周期。(7)研究 CAD / C A M 系统的的一体化，使凸轮设计更加的高效。(8)最后是凸轮机构作为引导机构的的方面的研究与应用。1.3 课题研究的主要内容本课题重点完成实验台传动电机及调速方法选择、相应传感器的按装设计、机械结构设计，其主要内容有：(1)了解高速凸轮机构动力学试验平台研制、研究目的。理解各种典型凸轮机构结构及其特点，确定完整实验系统总体方案。(2)相关测试用传感器、型号选定及安装机架设计。(3)高速凸轮
10、机构动力学试验台各部分的具体结构设计，利用 Auto CAD 软件绘制机械装配图一份及主要零件加工图若干份，并利用 Pro/Engineer 软件建立三维模型。(4)高速凸轮机构动力学建模分析。第 2章 高速凸轮的理论基础2.1 凸轮-从动件系统动态运动分析图 2.1 凸轮运动状态分析如图 2.1，在所示的直角坐标系中，用纵坐标表示凸轮从动件的升程，然后以横坐标表示凸轮轴的转角，而虚线则表示当量凸轮的升程的曲线 3。当凸轮机构在相对比较低的速度运转时，并且运动构件的质量较小、刚度较大时，那么此时就可以忽略构件产生弹性变形对凸轮-从动件系统运动性能的影响，也就是说可以将整个凸轮-从动件系统完全近
11、似地简化为一个刚性的系统。当在这种情况下，凸轮系统工作端的运动规律就取决于凸轮实际廓线和系统的机械传动比了。那么此时若机械传动比为常数，则工作端运动规律和凸轮端的成一定的比例。那么将凸轮机构视为刚性系统处理的时候，就不涉及弹性变形，凸轮系统就是一个单纯的刚体运动学问题了。在这种情况下再假设凸轮系统无系统内部间隙，则工作端(推杆)的升程规律曲线即就是曲线 1。而当考虑凸轮系统之间的间隙是。当凸轮机构开始低速运转的时候，在 段表0示系统间隙 x0被压缩而变小。而往后是由于凸轮系统刚度的影响，从而产生工作端的运动相对于凸轮输入运动有一个延后，此时的位移偏差等于系统的弹性变形即 rs。当凸轮机构以较高
12、的速度运转的时候，随着凸轮转速不断的升高，工作端动态的升程曲线规律就可能出现如图 2.1 中曲线 3 所示的情况。由加速度所引起的惯性力，随着凸轮转速不断的的提高而逐渐的急剧加大，那么就使系统受到了附加动载荷的作用影响；再由于凸轮机构自身刚度的影响，弹性变形相应变大，可能使输出运动出现较大的偏差。这种因为动力特性引起的运动偏差就称为动态运动偏差。尤其是当激振频率和系统固有频率接近时，那么动态偏差急剧加大，工作端的实际的运动规律就会远远偏离凸轮廓线设计的运动规律，凸轮就无法按照预期来完成相应的运动。这种情况下，要确定工作端真实的运动规律或是希望得到想要的输出运动，那么就必须将凸轮从动件系统作为一
13、个弹性系统处理，并考虑一些因素对动力特性的影响。如图 2.1 中所示曲线 3 的 AB 段，由于动载荷所引起的弹性变形量和系统质量引起的相互叠加;而在 BC 段，动载荷引起的弹性变形量和系统质量引起的弹性变形就会相抵消。值得注意的是，在 BC 段，要是动载荷引起的弹性变形量超过了系统质量所引起的弹性变形量 ，那么在 BC 曲线 3 高于曲线 1，也就是说此时凸轮与推杆之间脱离接触，发生腾现象。此现象对于凸轮机构的传动有相当大的影响。同理，在回程，由于动载荷所引起的弹性变形量大于系统质量所引起的弹性变形的影响，也可能发生腾跳现象，偏离设计好的事项凸轮运动特性，是其无法获得预计效果。由以上分析可知
14、，高速凸轮机构在工作端的动态位移变化规律是相当复杂，有时可能远远偏离按静态设计所确定的位移规律。这种动态位移误差不仅将使凸轮-从动件系统的工作稳定性和可靠性变差，而且严重时机器不能正常运转。因此，就高速凸轮而言，必须进行系统的动态分析和动态设计。2.2 影响凸轮系统运动的因素（1）瞬时高副的时效 在力锁合型的凸轮机构中，通常采用弹簧或者重力等来实现凸轮机构的锁合。但是由于系统惯性力的作用，可能会产生“腾跳现象” 。影响凸轮的实际运动情况，更何况当凸轮从动件重新与凸轮轮廓接触的时候，就会产生冲击振动进一步影响凸轮实际运动。（2）凸轮轮廓的加工质量对凸轮系统动态特性的影响1 凸轮轮廓几何尺寸误差
15、首先由于加工过程中产生了几何尺寸的误差，是的凸轮-有用的激振元失去了其原本设计的所期望的运动以及动力特性。很明显凸轮轮廓曲线必须具有较高的加工精度，通常情况下，我们要求其尺寸误差不要大于 0.02mm。2 凸轮轮廓的表面质量 凸轮轮廓的所用的切削方法、机床的刚性都是对轮廓的表面质量的关键因素。大的表面粗糙度是生产凸轮一从动件系统的高频小幅振动及噪声的主要原因之一。因此，制造高速凸轮轮廓时，机床和刀具质量、对机床和刀具质量都需要有严格要求。通常情况下要求轮廓表面粗糙度不得超过 0.4 m。（1）其他因素的影响1 工作载荷的变化由于执行元件工艺动作的影响，有时的工作载荷大有时的工作载荷小，就是因为
16、这样的载荷变化，也产生了附加的振动与运动偏差。2 凸轮轴组件的不平衡每个凸轮都是不平衡的回转零件。因此，凸轮安装前需要进行平衡校准。只有经过较好的校准才能使凸轮运动更平稳，更理想。3 系统外的干扰与凸轮-从动件相连的传动或驱动元件的振动也会是凸轮从动件的运动产生偏差。2.3 高速凸轮的判断通常情况下有两种最普遍的判断高速凸轮的评定准则（1）根据推杆系统激振周期和自振周期之比来进行判定。凸轮机构的振动主要取决于推杆系统的激振周期 T 和自振周期 的比。令/ =10 ( 为凸轮角速度， 为推杆系统的自振频率)。当 d=3 时为低速，ndnd=2 时为中速，d=1 是为高速。此准则反映了机构运转速度
17、偏离机构固有频率的程度，但其忽略了推杆运动规律对系统振动的影响，是其不足之处。（2）根据实际最大加速度 am 和最大速度 vm 来评定。当 am 1g（或 vm 1m/s）为低速;而 1g am 3g（或 1m/s vm 2m/s）为低速;3g am 8g（或2m/s vm 3m/s）为高速 4。为了方便实用，我们用最大加速度来评定高速凸轮。第 3章 高速凸轮试验台设计3.1试验台的参数运动规律 最大速度h / 最大加速度h / 2最大跃度h /3适合场合 等速运动 1 低速轻载 等加速等减速 2 4 中速轻载 余弦加速度 1.57 4.93 中低速重载 正弦加速度 2 6.28 39.5 中
18、高速轻载 五次多项式 1.88 5.77 60 高速中载 表 3.1几种常用的推杆运动规律特性偏心轮 等加速等减速 正弦加速度转速（转/分） Vmax（m/s）amax（m/s）Vmax（m/s）amax（m/s ）Vmax（m/s）amax（m/s）100 0.105 1.096 0.2 2 0.2 3.14200 0.209 4.382 0.4 8 0.4 12.56300 0.314 9.860 0.6 18 0.6 28.26400 0.419 17.529 0.8 32 0.8 50.24500 0.523 27.389 1.0 50 1.0 78.5600 0.628 39.440
19、 1.2 72 1.2 113.04表 3.2 偏心轮、等加速等减速、正弦加速凸轮在不同转速下的特性首先为了体现不同轮廓对高速凸轮的动态响应，实验中将选取 3 种不同轮廓的凸轮。分别是偏心圆凸轮，等加速等减速凸轮，还有正弦加速度凸轮（摆线凸轮） 。又为了使实验不收其他因素影响。3 种凸轮的推程都定位 20mm，基圆也均为 20mm。其中正弦加速度与等加速等减速均是推程和回程为 120 度，进休远休为 60 度的运动规律。那么他们的运动特性可从上表而知。接下来考虑弹簧的选取：在凸轮机构中弹簧是使凸轮与推杆保持始终杰出的重要条件，而且不同的弹簧对凸轮机构运动的影响是不同的，为了具体了解弹簧对其的影
20、响。本试验台将选用两种不同刚度的弹簧。由公式知 5：K f= nDGd348D：弹簧中径G：弹簧材料的切变模量d：弹簧钢丝的直径n：弹簧的有效圈数大小刚度弹簧除了弹簧中径分别为 20mm，与 22mm。其余参数均相同（d=2.5 ，n=9，G 为 78000N/mm2）则大弹簧的 Kf= =9.52N/mm508.734小弹簧的 Kf= =7.12N/mm2.34然后验算所选弹簧刚度是否会发生颤振而使锁紧弹簧失效（比如弹簧的邻圈相碰，弹簧端圈与弹簧座的脱离）只要满足： ffmmf：弹簧质量Kf：弹簧刚度f：弹簧自颤频率：凸轮回转角速度经验算大小刚度刚度弹簧都不会发生颤振。3.2 试验台的简介图
21、 3.1 高速凸轮动力学试验台简图1 飞 轮2 凸 轮3 摆杆4 电阻应变片5 加速度度传感器6 位移传感器7 电 机8 带 轮如图通过皮带轮的传动，电机使凸轮轴转动，凸轮转动再通过摆杆使受弹簧压下的推杆来回上下运动，相应的传感器可测出相应的数据。实验时，可通过使用不同轮廓的凸轮，更换大小刚度的摆杆与弹簧。并记录实验数据，与理论凸轮从动件运动规律相比较，从而得到这些影响因素对高速凸轮系统动态性能的影响。从而为设计出更符合实际应用的高速凸轮系统提供一定的帮助。3.3 电机的选择根据表 2.2，我们想凸轮的最大转速限制在 600r/min，再加上选用的齿带轮传动比为 3：1，因此电机的最大转速要达
22、到 1800 转以上。因此我们选择了最大转速为 3000r/min 的电机。又因为要进行不同速度范围的测试所以选择的电机需可调速，直流伺服电机具有:精确的速度控制,转矩速度特性很硬,原理简单、使用方便,价格优势的优点。所以选择了可调速的直流伺服电机。然后对凸轮机构大致所需功率进行估计,由于机构的主要阻尼为克服弹簧所做的功，假设克服弹簧所做功占电机做功的 50%，以凸轮轴转速为最大值 600r/min 时计算：P 电机 = = 76.16w1TW122K那么只要电机的额定功率大于 76 瓦，就可以选用。最后从尺寸，价格等因素，就选用了 110sz04 型号的电机（如图 3.2） 。图 3.2 1
23、10sz04电机外观图其参数分别为：转矩 637mN.m转速 3000r/min功率 200w电压 220v电流 1.4A允许顺逆转速差 200r/min转动惯量不大于 0.56mN.m.s 23.4 带的选择3.4.1 已知参数5M 型同步带，节距为 mm5bp带轮齿数为 ，241z7z中心距 mm（暂取）60a3.4.2 设计计算（参考 GB11362-89） 节圆直径为 (mm)2.38541d(mm)6172 带长 180cos22ddaLp 其中： .3160.4in2in1d)(.5698.38.cs1602 mp带齿数 取45/.69bpbLz 14bz带长 mm0.714 传动
24、中心距的确定 因为 ，489.2712zinvb 4.76所以，中心距 mm.1.cos5cspab4 带宽 bs取基准带宽为 12mm3.4.3 5M 同步带的几何尺寸图 3.3 同步带的齿形尺寸1.节距 Pb：5mm2.齿高 hf：2.06mm3.齿顶圆角半径 rh：1.494.齿顶圆角半径 rf：0.40-0.445.齿根厚 s：3.056.齿形角 2 ：147.带高 hs：3.83.4.4 5M 同步带带轮的几何尺寸图 3.4 同步带轮齿形1.节距：5mm2.齿高：2.16mm3.底圆半径：0.56mm4.齿槽宽：3.35mm5.齿顶圆半径：0.48mm6.齿形角：14 3.5 轴的结
25、构与校核图 3.5凸轮传动轴轴的强度计算应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法。常见的轴的强度计算方法有两种：按扭转强度计算和按弯扭合成强度计算。本文采用扭转强度校核来校核。用扭转强度校核适用于只承受转矩的传动轴的精确计算，也可用于既受弯矩又受扭据的轴的近似计算 6。强度条件： 。许 用 扭 切 应 力 ，；轴 的 直 径 ， ；轴 的 转 速 ， ；传 递 的 功 率 ， ， 对 圆 截 面 轴抗 扭 截 面 系 数 ，；转 矩 ， ；轴 的 扭 切 应 力 ，式 中 ： MPamdrnkWP dNTMPandWT in ;2.0162.0159 33336nCT332.095图 3.6 轴
26、的几种常用材料 和 CT则 dmin =7.5mm150367.15明显本实验台的凸轮传动轴符合强度要求。3.6 凸轮的设计3.6.1 偏心轮的设计图 3.7 圆偏心轮凸轮简图偏心轮为余弦加速度运动规律。其运动方程为 7 )2/(cos()/in1020havs带入 h=20， =180，取 =1。利用 matlab 绘出从动件理论的运动规律曲线0图 3.8 圆偏心凸轮运动规律（图中蓝线为位移曲线，绿色为速度曲线，黄线为加速度曲线）3.6.2等加速等减速规律凸轮 s v a近休止 6，0 0 0等加速推程 2， 2)6/(926/182/18等减速推程 5， 50500远休止 67， 20 0
27、 0等加速回程 23， 2)6/7(9026/718-180 2等减速回程 61， 2/12/02/180表 3.3 等加速度凸轮运动规律利用 matlab 绘出等加速等减速凸轮轮廓线，以及从动件相应的运动规律图 3.9 等加速等减速凸轮轮廓曲线图 3.10等加速等减速凸轮运动规律3.6.3 正弦加速度规律凸轮s v a推程 320， )3in(10)3cos(13sin90远休止 ， 20 0 0回程 35， )3sin(102)3cos(3sin9静休止 ， 0 0 0表 3.4 正弦加速度运动规律图 3.11 正弦加速度凸轮轮廓图 3.12 正弦加速度凸轮运动规律（图中蓝线为位移曲线，绿
28、色为速度曲线，黄线为加速度曲线）3.7摆杆设计图 3.13摆杆的简图摆杆在运动中，中间固定，将摆杆视为悬臂梁。图 3.14 悬臂梁的变形=BELIFl3Fmax=kx=20 =190N52.9分别选用弹性模量为 206Gpa 合金钢，与弹性模量为 172Gpa 的铸钢大刚度： =190 =0.118mmB12/07.4.91026333小刚度： =190 =0.141mmB /733在实验时试用应变片对其进行测量。3.8三维模型的建立采用 proe 软件，对所设计的试验台进行 3 维建模图 3.15 试验台的三维建模第 4章 传感器的选型本试验台要求测量数据有推杆的位移加速度，凸轮旋转的加速度
29、，以及摆杆的变形，需要选择四种传感器进行测量:位移传感器，旋转编码器，加速度传感器和应变片。4.1传感器的选用原理1.确定传感器的类型传感器的类型多种多样，不同的原理的传感器可以用来实现同种的测量目的，如对于温度的测量，可以选用热电阻传感器、热电偶传感器、集成温度传感器等等;对于机械量的测量可以选用电感式、应变式、电容式、差动变压器式、霍尔式等传感器。对于不同的测量量要选取不同的传感器类型，这是传感器选用的第一步。2.灵敏度一般的讲，传感器的灵敏度是越高越好。灵敏度越高，那么意味着传感器所能感应的变化量小，那么被测量如果有一点很微小的变化的时候，传感器就会有较大的响应。不过，灵敏度越高，往往会
30、造成与与测量量无关的外界噪声及其他的无关因素也容易被混入，噪音也会随之放大。那么此时必须考虑既要去检测微小量值，又要去噪声小。为了达到这个目的，我们往往要求信噪比愈大愈好，也就是需要传感器本身的噪声要小，而且不容易从外界得到干扰噪声。在现实中，高精度的机械系统，他们的运动误差量非常微小，甚至只有微米以下，那么要能够检测微小量的条件，就是必须要求传感器具有相当高的灵敏度。量程范围是与灵敏度紧密相关的。3.线性每个传感器都自己的线性工作范围，就是在线性范围内他们的输出与输入成正比关系，如果线性范围越宽，就表明传感器的工作量程是越大的。在测量时保证测量精度基本条件就是要传感器在线性区内工作。对于任何
31、传感器，要使其保证在在线性区是非常不容易的。在一定情况下的许可限度内，可以取其近似线性区域。4.精确度精确度，是表示传感器的输出量和被测量的对应的精准程度。而传感器是处于测试系统的输入端，那么传感器能否真实地测出被测量值，就对整个测试系统有很大的影响。不过，也不是要求在任何场合下使用的传感器精确度都是越高越好的，因为还要考虑到经济性。5.响应特性响应特性是指在所测的频率范围内，传感器保持不失真的测量的条件。而在实际传感器的响应总那么有一定的延迟，我们则希望延迟时间要愈短愈好。普遍的讲，利用光电效应、压电效应等传感器，响应时间小，但是工作频率范围宽;而用结构型，如电容、电感、电磁感应型等传感器时
32、，由于要受到结构特性影响，其固有频率较低，影响了传感器的工作的频率范围。6.测量方式在实际条件下的工作方式，测试方法也是选用传感器时必须应考虑的重要因素。如，接触和非接触测量;在线和非在线测量;破坏和非破坏性测量等，在条件不同时，对传感器的要求也不同。7.稳定性指经过长期的使用以后，传感器的输出特性发生变化率的性能的衡量。影响传感器稳定性的因素与时间和环境有关。为了确保稳定性，我们在选择传感器之前，必须对使用环境进行调查，来选择较合适的传感器型号。8.其它除了以上的选用传感器时需要充分考虑的因素外，我们还应该尽可能的兼顾结构、体积、重量、维修、价格、等条件 8。4.2旋转编码器的选用4.2.1
33、编码器的简介旋转编码器就是用来测量物体转速的装置，光电式的旋转编码器经过光电转换，能输出角位移、角速度等等的把机械量转换成一定的电脉冲来数字量输出（。他们分为单路的输出和双路输出两种。其技术参数有每转脉冲数，和供电电压等。单路输出指旋转编码器输出的是一组脉冲，而双路输出指旋转编码器输出的是两组 A/B 相位差 90 度脉冲，通过两组脉冲不但可以测量转速，更可以判断旋转的方向。4.2.2编码器分类我们可以将旋转编码器分为增量式编码器、绝对值编码器、混合式编码器这三种。1增量式编码器增量式编码器轴旋转的时候，有相应的相位输出。旋转方向的判别与脉冲数量的增减，都需借助后部判向电路与计数器来实现。它的
34、计数起点能任意设定，并且可实现多圈无限累加与测量。并可以把每转发出的一个脉冲 Z 信号，当作参考机械的零位。当脉冲是已固定，而且需要提高分辨率的时候，可用带90度相位差 A/B 两路信号，对原脉冲数来进行倍频。2绝对值编码器绝对值编码器轴旋转器时，有与位置对应的代码（二进制或 BCD 码等）输出，我们从代码大小的变更即可判别是正反方向和位移所处的位置，就无需判向电路。它有一个绝对零位代码，当停电或关机后再开机重新测量的时候，还可准确地读出关机位置地代码，并且准确地找到零位代码。在一般情况下绝对值编码器测量范围为0 360度，不过特殊型号也可实现多圈测量。3混合式编码器混合式轴编码器兼具有增量式
35、轴编码器和绝对式轴编码器的功能，不仅内部是以格雷码编码， 来输出转子的空间位置信号，且同时还输出增量式轴编码器有的脉冲信号。所以混合式轴编码器能同时测量转子的空间位置和转速。因为混合式轴编码器的功能齐全，并且它的结构较为复杂，那么价格相对较高。4.2.3编码器型号依据本试验台的要求电机通过同步带带动凸轮轴传动，那么编码器可安装在凸轮轴上测试其转速。选择增量式编码器，再考虑到了经济性，从而选择了欧姆龙 E6B2-C 型号的增量式旋转编码器，并选择分辨率为1800脉冲/ 转。其实体图如下。图4.1 E6B2-CWZ6C输出回路为：图4.2 E6B2的输出回路具体参数为：图4.3 E6B2-CW6Z
36、C 的参数4.3 加速度传感器的选用目前来测量加速度的应用最广泛传感器有电容式传感器、电阻应变式传感器、压电式传感器等等。这几种传感器都具有其特点，本课题研究的是，高速凸轮的动态性能，需要测量推杆的加速度。推杆在凸轮高速运转时，也受各种动态力、以及冲击和振动，我们选择了)应变式加速度传感器。4.3.1压电式传感器图4.4 压电式加速度的结构原理图如图4.4压电元件一般是由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并且在银层上焊接输出引线，要么在两个压电片之间夹一片金属，引线焊接在金属片上，输出端另一根引线直接与传感器基座相连。然后在压电片上放置一个比重较大的质量块，之后用一硬弹簧或螺帽、螺栓
37、对质量块预加载荷。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中 9。测量的时候，将传感器基座与被测对象刚性固定在一起。当传感器感受到振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片具有压电效应，且传感器的输出电荷与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。再接入一定的放大器进行相应的处理，就可测出被测件的加速度。4.3.2 加速度传感器的型号依据本试验台，考虑到传感器的尺寸、分辨率性价比，我选用了 AD-YD-107压电式加速度传感器。图
38、4.5 ADYD107加速度传感器其主要参数如下：轴向灵敏度 (20士5) 最大横向灵敏度 5%频率响应 10% 0.56O00Hz 安装频率谐振频率 25000Hz极性 正向 绝缘电阻 109电容 1200Pf 重量 28g压电材料 PZT-5 结构设计 平面剪切安装 M5 输出方式 顶端 L54.4位移传感器的选用用于位移测量的传感器，因为测量范围的不同，那么传感器也是不同的。小位移通常用应差动变压器式、变式、霍尔式、电感式、电容式等传感器来测量，他们的精度可以达到 0.5%1.0%，其中电感式和差动变压器式传感器测量范围要大一些，有些可达100mm。小位移传感器测微小位移，可从几微米到几
39、个毫米，例如物体振动的振幅测量等。而大的位移常用感应同步器、磁栅、光栅、编码器等传感器来测量，精度高，易实现数字化，抗干扰能力强，安装方便，使用可靠。根据本试验台的具体要求，量程要大于凸轮推程20mm 再考虑尺寸、性价比等因素，选用了 WY-DC-30L 位移传感器图4.6 位移传感器其具体参数如下：1、灵敏度（mv/v/mm）：100-10002、初级励磁电压：5V（3-8）3、动态频率：0-200HZ（3DB）标准 0-800HZ 最高（动态位移测量）4、灵敏度漂移：零点：0.01（%/）满度：0.025（%/）5、负载阻抗：20K6、工作温度：-20+70标准 -40+200（耐高低温）
40、7、高精度：0.05%8、高分辨率：0.001um9、供电电压：6VDC 12VDC 24VDC 9VDC 12VDC 15VDC10、输出电压：05V 010V 05V 010V输出电流：010mA 0-20mA 4-20mA4.5应变片的选用为了测试出不同刚度的摆杆的变形，需要选用一定的应变片来对其进行测试。4.5.1 应变片原理电阻应变片测量原理为：金属丝的电阻值除和材料的性质有关之外，还与金其长度，横截面积有关。把金属丝粘贴在构件上，那么当构件受力变形时，则金属丝的长度和横截面积就会随着构件一起变化，从而发生电阻变化。dR/R=Ks*其中，Ks 为材料的灵敏系数（单位应变的电阻变化率） ，标志着该类丝材电阻应变片效应是否显著。 为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位的微应变，常用符号 表示。由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变 和电阻变化率 dR/R 是成线性相关的，这就是利用金属应变片测量构件的应变的理论基础。4.5.2 应变片的型号根据试验台要求，考虑到传感器的尺寸、价格、灵敏度等的因素，本试验台将选用 ZJ.3-BX120-3AA 应变片。其主要参数为：
