一种凸轮传动机构运动检测系统

1.本发明涉及一种机械原理课程实验教学仪器，具体涉及一种对凸轮传动机构的不同运动规律进行检测的实验系统。


背景技术：

2.机械原理课程是机械工程专业的核心课程，该课程主要用于介绍常见机构的工作原理和设计方法，凸轮传动机构是一种常见的机械传动方式，具有结构紧凑、传动准确等优点，因而凸轮传动机构的相关教学内容是该课程的教学重点和难点。当前的教学模式是以理论讲解为主，用图解法或解析法进行机构设计，在此基础上使用三维设计软件进行运动仿真。
3.凸轮传动机构中凸轮为主动件，推杆为从动件，凸轮轮廓曲线的形状决定推杆的运动规律；从动件和主动件是高副连接，两者是点、线接触，使凸轮轮廓面容易出现磨损现象，影响推杆的运动规律。但使用三维设计软件进行运动仿真时，忽略了机构的设计、制造和安装精度等因素带来的影响，导致仿真的运动规律与实际工作的运动规律必然存在一定的差距。因此有必要设计一种能对凸轮传动机构的不同运动规律进行准确检测的实验装置。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种凸轮传动机构运动检测系统，该实验系统能实现对凸轮机构从动件运动规律的检测，解决目前工程实践中相关凸轮传动运动规律测量的问题，为凸轮设计提供技术参数，丰富凸轮机构实践教学内容。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种凸轮传动机构运动检测系统，包括实验台、凸轮、推杆、传动机构、检测机构，实验台1上设置支撑板5，传动主轴6安装在支撑板上且传动主轴6凸出于支撑板的一端安装待测试的凸轮2、传动主轴6凸出于支撑板的另一端与传动机构的输出端连接；推杆3设置在实验台上，设置于推杆端部的推杆头303与凸轮的外轮廓接触，推杆的杆身上设置用于提供弹性力以使推杆头始终与凸轮的外轮廓接触的弹性件；检测机构包括光源、工业相机、光学传感器及位移机构，光源401、工业相机402与凸轮2位于支撑板的同一侧，光学传感器404设置在推杆3的杆身上，工业相机通过数据传输线与计算机403连接，该工业相机安装在位移机构上，该位移机构用于调整工业相机在x方向、y方向、z方向上的位置。
6.本发明一种凸轮传动机构运动检测系统能够获得如下有益效果：（1）相比于三维软件仿真模拟实验，采用本发明提出的检测系统进行实验时，需要经历凸轮、推杆、传动机构等部件的实际装配过程，考虑了传动机构的设计、制造和安装精度等因素带来的影响，因而检测结果比虚拟仿真实验的结果更符合实际工况时的运动规律，保证了实验结果的可靠性；（2）本发明具有设计科学、结构紧凑、操作方便、精度高、安全可靠等特点；
（3）本发明结构简单，成本低廉，检测种类多（可检测推杆为直动式推杆或摆动式推杆，推杆头为尖顶式、平底式或滚子式，推杆和凸轮的相对位置可调，凸轮的转向和转速均可调等多种形式的凸轮传动机构），适合在工程实践或高等院校、职业院校实践教学中推广。
7.进一步的，凸轮为盘形凸轮20，当然在其他实施例中也可以是柱形凸轮。
8.进一步的，盘形凸轮包括圆形的心轴主体201，心轴主体沿周向依次分为ⅰ区、ⅱ区、ⅲ区、ⅳ区，心轴主体的内部设置沿周向延伸的槽2011，所述槽2011仅覆盖ⅱ区、ⅲ区和ⅳ区并且该槽的开口置于心轴主体沿周向延伸的外轮廓面上；心轴主体沿周向延伸的外轮廓面上设置薄壁罩202，该薄壁罩同时覆盖在前述槽的开口上，所述槽内填充有液性塑料203；所述心轴主体的ⅰ区不会膨胀，该ⅰ区设置用于将盘形凸轮安装在传动主轴上的回转中心孔2012；所述心轴主体的ⅱ区、ⅲ区、ⅳ区作为膨胀区，该ⅱ区、ⅲ区、ⅳ区内分别安装至少一个调整螺钉204，通过旋动前述调整螺钉，使ⅱ区、ⅲ区、ⅳ区的薄壁罩产生膨胀。
9.采用前述本发明的盘形凸轮，能够获取如下有益效果：（1）通过旋动不同区的调整螺钉，实验者可以使盘形凸轮的外轮廓按预定要求变化，克服了需要中断实验以更换不同尺寸的凸轮的不足，提高了实验效率；（2）由于凸轮轮廓线的变化直接影响推杆的运动规律，通过旋动不同区的调整螺钉，可完成不同运动规律的检测，使得每个学生的实验数据都不一样，不但满足教学创新性的实验要求，而且提高了学生的探索兴趣；（3）通过旋动不同区的调整螺钉，可以使盘形凸轮的外轮廓产生变形，从而模拟凸轮因参数变化或磨损导致的轮廓变形造成的从动件运动规律变化。
10.进一步的，推杆采用直动式推杆30；实验台上安装调整机构（例如：调整机构为叉形升降机构），调整机构的输出端与推杆底座301连接，该调整机构用于改变直动式推杆在z方向上的位置；直动式推杆通过直线轴承座302安装在推杆底座上，直动式推杆靠近推杆头的杆身上设有凸台304，所述直线轴承座与凸台之间设有环绕推杆杆身的弹簧305；光学传感器404设置在凸台与推杆头之间。
11.有益效果：通过调整机构改变直动式推杆在z方向上的位置，从而使直动式推杆的推杆头在初始状态时与盘形凸轮沿周向延伸的外轮廓在不同位置接触，从而调整从动件与凸轮回转中心的偏心距，实现正偏距或负偏距。
12.进一步的，推杆采用摆动式推杆31；摆动式推杆以倾斜的方式安装在盘形凸轮20的一侧且摆动式推杆远离盘形凸轮的一端可拆卸地铰接在支撑板上、其靠近盘形凸轮的另一端设置用于和凸轮的外轮廓接触的推杆头，相应的铰接轴上设置扭簧。
13.有益效果：通过安装左倾状态或右倾状态的摆动式推杆，能够输出不同的运动规律，提高检测系统的适用范围。
14.进一步的，推杆3的端部通过快换机构可拆卸地安装推杆头303。
15.有益效果：实验者可根据实验需要通过快换机构更换所需类型的推杆头，提高检测系统的适用范围。
16.进一步的，传动机构包括变频电机701、传动系统，变频电机安装在实验台上，传动系统的输入端与变频电机的输出轴连接，传动系统的输出端与传动主轴凸出于支撑板的另一端连接。
17.有益效果：变频电机的转速和转向可根据需要调整，控制凸轮的转速和转向，从而
使输出的运动规律发生变化。
18.进一步的，位移机构包括安装在实验台上的支撑座901，支撑座上设置沿z方向延伸的立柱902，立柱上安装第一滑块903，第一滑块靠近凸轮的侧面上滑动装配第二滑块904，第一滑块上设置第一旋钮905和第二旋钮906；第二滑块的底部设置沿x方向延伸的多个滑杆907，所述滑杆的端部与相机支撑件908连接；工业相机402安装在第三滑块909上，第三滑块通过沿y方向延伸的导向杆和丝杠910滑动装配在相机支撑件上，丝杠凸出于相机支撑件的端部设置第三旋钮911。
19.有益效果：通过旋动第一旋钮即可调整、锁定工业相机在z方向上的位置，通过旋动第二旋钮即可对工业相机在z方向上的位置进行微调，通过移动滑杆即可调整工业相机在x方向上的位置，通过旋动第三旋钮即可调整工业相机在y方向上的位置，确保上传至计算机的实验图像足够清晰。
20.进一步的，推杆头303采用尖顶式推杆头、平底式推杆头、滚子式推杆头中的一种。
21.有益效果：提高了实验的多样性和检测系统的适用范围。
22.以上说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
23.图1为本发明一种凸轮传动机构运动检测系统的实验原理图。
24.图2为一种凸轮传动机构运动检测系统第一实施例的轴测示意图。
25.图3为第一实施例中传动机构的示意图。
26.图4是第一实施例中调整机构的示意图。
27.图5a和图5b是第一实施例中设置于推杆端部的快换机构示意图。
28.图6a至图6c是推杆头的示意图。
29.图7是第一实施例中位移机构的示意图。
30.图8a、图8b、图8c为凸轮传动机构运动规律的检测输出结果的样例，分别是推杆位移曲线示意图、推杆速度曲线示意图、推杆加速度曲线示意图。
31.图9是一种凸轮传动机构运动检测系统第二实施例的正视示意图。
32.图10是第二实施例中凸轮的正视示意图。
33.图11是第二实施例中凸轮的剖视示意图。
具体实施方式
34.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和较佳实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和现有技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸、形状。下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或数量。
35.下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.请参阅图1，本发明一种凸轮传动机构运动检测系统的实验原理为：将凸轮2、与凸轮配合的直动式或摆动式推杆3安装在实验台1上，并将光学传感器安装在推杆的杆身上，对光源401和工业相机402的安装位置、焦距等进行设置，使工业相机拍摄后上传至计算机的图像显示清晰；然后凸轮在传动机构的带动下转动，推杆进行直线移动或摆动运动，工业相机402拍摄推杆杆身上的光学传感器位置变化运动图像并将前述图像上传至计算机403，经计算机分析处理后输出推杆运动曲线。基于前述实验原理，本发明一种凸轮传动机构运动检测系统的具体实施例如下：实施例一请参阅图2，为本发明一种凸轮传动机构运动检测系统的第一实施例，本实施例将“传动主轴的轴向”定义为x方向、将“竖直方向”定义为z方向、将同时垂直于前述x和z方向的方向定义为y方向。本实施例包括实验台1、盘形凸轮20、直动式推杆30、传动机构、调整机构、检测机构，实验台1上设置有支撑板5，传动主轴6通过轴承座601安装在支撑板5上且传动主轴凸出于支撑板的一端安装有待测试的盘形凸轮20、传动主轴凸出于支撑板的另一端与传动机构的输出端连接；请同时参阅图4，调整机构安装在实验台上且调整机构的输出端与推杆底座301连接，该调整机构用于改变直动式推杆在z方向上的位置，从而使直动式推杆的推杆头在初始状态时与盘形凸轮沿周向延伸的外轮廓（即沿周向延伸的曲面）在不同位置接触，从而调整推杆与凸轮回转中心的偏心距，实现正偏距或负偏距，进而实现不同运动规律的检测；直动式推杆30通过直线轴承座302安装在推杆底座301上，直动式推杆的端部通过快换机构可拆卸地安装推杆头303，推杆头303用于接触盘形凸轮20的外轮廓，直动式推杆靠近推杆头的杆身上设有凸台304，所述直线轴承座302与所述凸台304之间设有环绕推杆杆身的弹簧305，借助弹簧的存在，确保推杆头始终与待测试的盘形凸轮沿周向延伸的外轮廓接触；请同时参阅图1，检测机构包括光源401、工业相机402、光学传感器404及位移机构，光源照向盘形凸轮和直动式推杆，光学传感器404安装在直动式推杆的杆身上并位于凸台304与推杆头303之间（本实施例不限制光学传感器的具体位置，实验者可根据需要进行调整），工业相机安装在位移机构上并用于拍摄直动式推杆直线移动时光学传感器位置变化运动图像，同时工业相机与计算机电连接，能够将工业相机拍摄的图像传输至计算机，位移机构用于调整工业相机在x方向、y方向、z方向上的位置，确保上传至计算机的前述图像足够清晰。
37.请参阅图3，本实施例中传动机构位于支撑板背离凸轮的一侧，具体包括变频电机701、带传动系统，变频电机701作为动力源，安装在试验台1上；带传动系统包括主动带轮702、从动带轮703、同步带704（同步带不但传递运动精确，而且能够防止带打滑），主动带轮安装在变频电机的输出轴上，从动带轮安装在传动主轴凸出于支撑板的另一端，变频电机启动后，通过带传动系统驱动盘形凸轮20正转或反转，使直动式推杆沿y方向做直线移动动作。此外，本发明不限制传动系统的种类，实验者可根据需要采用其他类型的传动系统，例
如链传动系统。
38.请参阅图4，本实施例中调整机构为叉形升降机构，当然在本发明的其他实施例中，实验者可根据需要选择其他类型的调整机构，仅需实现直动式推杆在z方向上的移动即可。
39.请参阅图5a和图5b，本实施例中所述快换机构包括弹簧筒夹801、弹簧夹套802（弹簧筒夹、弹簧夹套为现有成熟产品，不再详述其结构），弹簧筒夹801的小端套装在直动式推杆30的端部，推杆头303插接在弹簧筒夹801内，弹簧夹套802可拆卸的安装在弹簧筒夹801的大端，通过锥面的压紧配合使弹簧筒夹的大端向内收缩，从而夹紧推杆头。
40.请参阅图6a、6b和6c，所述推杆头分为尖顶式推杆头、平底式推杆头、滚子式推杆头，实验者可根据实验需要通过快换机构更换所需类型的推杆头。
41.请参阅图7，本实施例中位移机构包括安装在实验台1上的支撑座901，支撑座上设置沿z方向延伸的立柱902，立柱上安装第一滑块903，第一滑块靠近凸轮的侧面上滑动装配第二滑块904，第一滑块背离凸轮的另一侧面上设置第一旋钮905，第一滑块沿y方向相对的两个侧面上分别设置第二旋钮906；第二滑块的底部设置沿x方向延伸的两个滑杆907，所述滑杆的端部与相机支撑件908连接；工业相机402安装在第三滑块909上，第三滑块909通过沿y方向延伸的导向杆和丝杠910滑动装配在相机支撑件908上，丝杠凸出于相机支撑件的端部设置第三旋钮911。通过滑杆沿x方向的移动，调整工业相机在x方向上的位置；通过旋动第三旋钮，调整工业相机在y方向上的位置；通过逆转第一旋钮即可对工业相机在z方向上的位置进行调整、通过正转第一旋钮即可锁定工业相机在z方向上的位置，通过旋动第二旋钮即可对工业相机在z方向上的位置进行微调。
42.此外，本发明不限制位移机构的种类，实验者可根据需要采用其他类型的位移机构，仅需实现工业相机在x方向、y方向、z方向上的位置精细调整即可。
43.利用本实施例对直动式推杆的运动规律进行检测的具体过程为：步骤1，安装凸轮：将待测试的盘形凸轮安装在实验台上；步骤2，调整推杆：通过调整机构调整推杆的偏置方向和距离，将直动式推杆安装在相对于盘形凸轮回转中心的上侧或下侧，使推杆正偏置或负偏置；步骤3，调整直动式推杆的推杆头机构：在推杆末端通过快换机构安装所需推杆头，例如：尖顶式、滚子式或平底式；步骤4，调整光源、工业相机的位置及参数，使上传至计算机的实验图像清晰；步骤5，启动变频电机后，凸轮进行转动，驱动直动式推杆沿y方向进行直线移动，工业相机拍摄推杆杆身上的光学传感器位置变化运动图像并将图像输入至计算机，计算机对图像进行分析处理后输出推杆运动曲线：推杆位移曲线（如图8a所示）、推杆速度曲线（如图8b所示）、推杆加速度曲线（如图8c所示）。
44.实施例二本实施例一种凸轮传动机构运动检测系统与实施例一的区别仅在于：待测试的盘形凸轮结构不同，实施例一中盘形凸轮为普通凸轮，但实施例二中的盘形凸轮为一种新型结构。本实施例中盘形凸轮的具体结构为：请同时参阅图9和图10、图11，所述盘形凸轮20包括圆形的心轴主体201，心轴主体沿周向均分为ⅰ区、ⅱ区、ⅲ区、ⅳ区，ⅰ区为盘形凸轮轮廓的近休止区、推杆接触此区域时无位移变化，凸轮逆时针转动时ⅱ区和部分ⅲ区为推程区、
部分ⅲ区和ⅳ区为回程区，凸轮顺时针转动时部分ⅲ区和ⅳ区为推程区、ⅱ区和部分ⅲ区为回程区，推杆接触推程区时位移变大，推杆接触回程区时位移变小；心轴主体的内部设置沿周向延伸的槽2011，所述槽2011仅覆盖ⅱ区、ⅲ区和ⅳ区并且该槽2011的开口置于心轴主体沿周向延伸的外轮廓面（即心轴主体沿周向延伸的圆弧面）上，同时心轴主体沿周向延伸的外轮廓面上设置采用弹簧钢材质制作的薄壁罩202，因而薄壁罩202覆盖在前述槽2011的开口上；所述心轴主体的ⅰ区为近休止区，不会膨胀，该ⅰ区设置有心轴主体的回转中心孔2012，通过该回转中心孔将盘形凸轮安装在传动主轴凸出于支撑板的一端上；所述ⅱ区、ⅲ区、ⅳ区作为膨胀区，所述ⅱ区、ⅳ区内分别设置一个沿心轴主体轴向延伸的螺钉孔，所述ⅲ区内设置两个沿心轴主体轴向延伸的螺钉孔，装配时通过前述螺钉孔将液性塑料203填充至槽2011内，然后在相应的螺钉孔内安装调整螺钉204，通过旋动前述调整螺钉，液性塑料挤压薄壁罩，使ⅱ区、ⅲ区、ⅳ区的薄壁罩产生膨胀（ⅱ区、ⅳ区膨胀后的外轮廓可对称、也可不对称，当对称时，可实现凸轮运动过程中推程和回程的运动规律一致；当不对称时，可使推程和回程实现不同的运动规律。ⅲ区有两个调整螺钉，膨胀后的凸轮外形比较显著），形成类似于实施例一中的凸轮结构。实施例二的优点在于：（1）通过旋动不同区的调整螺钉，实验者可以使盘形凸轮的外轮廓按预定要求变化，克服了需要中断实验以更换不同尺寸的凸轮的不足，提高了实验效率；（2）当薄壁罩的膨胀由大变小或由小变大时，凸轮轮廓线发生变化，检测的从动件运动曲线发生同步变化，模拟了凸轮参数基圆半径变化对从动件运动规律的影响；当薄壁罩的膨胀由大变小时，模拟了凸轮磨损后轮廓线发生变化，从动件运动规律受影响的程度；（3）由于凸轮轮廓线的变化直接影响推杆的运动规律，通过旋动不同区的调整螺钉，可完成不同运动规律的检测，使得每个学生的实验数据都不一样，不但满足教学创新性的实验要求，而且提高了学生的探索兴趣。
45.在实施例二的基础上，在本发明的其他实施例中，可以根据需要调整ⅱ区、ⅲ区、ⅳ区内调整螺钉的数量和大小，应保证ⅱ区、ⅲ区、ⅳ区内分别设置至少一个调整螺钉。
46.实施例三本实施例一种凸轮传动机构运动检测系统与实施例一或实施例二的区别仅在于：通过摆动式推杆31（如图9中的虚线所示）替代直动式推杆30，此时可以省掉调整机构。具体的，摆动式推杆31远离盘形凸轮的一端可拆卸地铰接在支撑板5上，通过将摆动式推杆的一端安装在支撑板上的不同位置，使得摆动式推杆的推杆头在初始状态时与盘形凸轮的外轮廓在不同位置接触，从而实现不同运动规律的检测；同时相应的铰接轴上设置用于确保摆动式推杆的推杆头始终与待测试的盘形凸轮的外轮廓接触的扭簧。本实施例中摆动式推杆以倾斜的形式安装在凸轮的左侧，在本发明的其他实施例中摆动式推杆可以是以倾斜的形式安装在凸轮的右侧。采用摆动式推杆时，系统的检测输出结果为推杆角位移曲线、推杆角速度曲线、推杆角加速度曲线。
47.实施例四本实施例一种凸轮传动机构运动检测系统与实施例一的区别仅在于：通过柱形凸轮替代盘形凸轮。
48.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。