盘形凸轮轮廓设计教学示教及运动特性测量仪

技术领域

本发明涉及一种盘形凸轮轮廓设计教学示教及运动特性测量仪，主要应用于在机械原理课程教学过程中对对心盘形直动凸轮、偏心盘形直动凸轮、摆动凸轮等凸轮轮廓设计原理教学过程中的演示示教及其运动特性测量。

背景技术

盘形凸轮在很多领域的机械设备中发挥了重要作用，凸轮轮廓的设计是满足机械设备要求的前提，在机械原理课程教学及机械设计工程师的培养过程中，凸轮设计是重要的知识环节，一直以来，反转法凸轮轮廓设计原理是也是教学中的一个难点。

在国外的机械类课程教学中，除了课堂教学外，采用诸如教学示教仪、机械原理模型等教学手段，提高教学质量是很重要一环，而我国机械类课程的教学示教仪的发展相对比较落后，大部分知识只存在于理论层面或者只能通过三维软件进行动画演示，然后通过学生自己的想象来理解和接受机械专业知识，这样的教学方式，不但无法提起学生的学习兴趣，而且也拉远了学生和这些理论知识、专业课程所涉及到的机械机构设计原理之间的距离。为了提高机械原理中反转法设计凸轮轮廓的课堂教学效果，同时也为了让学习者深刻理解凸轮反转法的设计过程，盘形凸轮轮廓设计教学示教及运动特性测量仪可以对对心直动及偏心凸轮轮廓反转生成过程、以及摆动凸轮轮廓反转生成过程进行示教演示，在进行凸轮轮廓设计示教的同时，通过相应的传感测试系统级计算机控制系统，进行相应的被示教凸轮的轮廓曲线、位移特性曲线、速度特性曲线及加速度特性曲线的显示，让学习者在学习时，快速直接掌握凸轮反转法设计原理。

经专利检索发现：毛国勇等提出的中国专利号：ZL201010168065.9 ，名称为“避免盘形凸轮表面产生接刀痕的方法”，不涉及反转法凸轮轮廓设计原理演示示教；黄文生等提出的中国专利号：ZL 201010298489.7 ，名称为“对盘形凸轮进行精确轮廓测量及精确加工的方法”，该专利重点阐述的是盘形凸轮的数控加工方法及采用测量离散点的方法测量凸轮轮廓，仅仅只涉及到盘形凸轮的轮廓测量，也不涉及凸轮设计演示示教及反转法工作原理。经文献查询，目前还没有相应的示教教学仪器来来演示凸轮反转法的设计过程，实时测量凸轮运动特性的测量仪等均未出现相关的文献发表。

发明内容

为了解决上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、方便便携又符合机械原理课程教学中反转法凸轮轮廓设计原理的凸轮轮廓设计原理示教仪，在进行凸轮轮廓设计示教的同时，通过测控系统实时输出被示教凸轮轮廓曲线、位移特性曲线、速度及加速度特性曲线，并可以用来进行盘形凸轮轮廓尺寸测量，满足机械原理课程教学过程中的采用反转法凸轮设计原理的设计理论教学需求，同时可以精密测量盘形的轮廓复杂几何形状，并绘制出凸轮的运动特性曲线，填补了采用反转法进行凸轮轮廓设计教学演示示教仪的教学仪器及凸轮运动特性测量的空白，机械原理课程教学中及在盘形凸轮轮廓精密测量中具有广泛的应用前景。

本发明具体是通过以下技术方案来实现的：

一种盘形凸轮轮廓设计教学示教及运动特性测量仪，至少包括基座、被测凸轮安装轴、转盘、直动导杆测杆、摆动测杆、精密位移传感器、精密转角传感器、驱动电机和测控显示系统，

所述转盘安装轴和被测凸轮安装轴分别通过左基座轴承和右基座轴承安装在基座上，所述驱动电机的电机输出轴通过电机轴键与转盘安装轴连接，所述转盘通过转盘安装轴承安装在转盘安装轴上，所述转盘与转盘安装轴承上分别设有对应且吻合的第一连接孔，连接销轴插入 所述第一连接孔；被测凸轮安装在被测凸轮安装轴上，所述被测凸轮安装轴上安装轴向定位的轴定位键，所述联轴器通过联轴器连接螺栓与转盘安装轴连接，所述联轴器通过轴定位键定位；

所述转盘上通过滑道固定螺钉固定直动导杆测杆安装梁，所述直动导杆测杆安装梁上设有水平滑槽，所述水平滑槽上固定竖直滑槽，所述竖直滑槽内安装直动导杆测杆，所述水平滑槽可以左右滑动调节直动导杆测杆安装梁的位置，所述直动导杆测杆可以在竖直滑槽内上下移动，所述直动导杆测杆通过直动导杆测杆复位弹簧安装在竖直滑槽内，且所述直动导杆测杆与被测凸轮接触，精密位移传感器与直动导杆测杆配合安装并测得直动导杆测杆位移量；

所述摆动测杆安装在摆动连接杆上，所述摆动连接杆通过连接杆螺钉固定在转盘上，摆动测杆绕摆杆连接杆摆动且通过复位弹簧与被测凸轮接触，精密转角传感器配合摆动测杆安装且测量摆动测杆的摆动角度，所述转轴转角传感器配合转盘安装轴安装且测量转盘安装轴的转动角度；

所述测控显示系统分别连接精密位移传感器、精密转角传感器和转轴转角传感器。

优选地，穿过所述左基座轴承和转盘的端面且对应的位置分别设有第二连接孔，连接拨杆插入所述第二连接孔。

优选地，穿过所述右基座轴承和被测凸轮安装轴对应的位置分别设有第三连接孔，凸轮轴连接销插入所述第三连接孔。

优选地，所述测控显示系统获取精密位移传感器、精密转角传感器和转轴转角传感器的数据变化，得到精密位移传感器和精密转角传感器的数据变化分别与转轴转角传感器的数据变化分的函数关系，并实时绘制出精密位移传感器与转轴转角传感器的数据变化曲线、精密转角传感器与转轴转角传感器的数据变化曲线，即：示教凸轮轮廓相接触的从动件随凸轮工作角度变化的速度及加速度特性曲线。

本发明产生的有益效果为：盘形凸轮轮廓设计教学示教及运动特性测量仪结构简单、使用方便、测量精度高、通用性强，可以方便直观对盘形凸轮轮廓设计原理进行演示示教，符合反转法凸轮设计理论教学的要求，通过精密测量各种盘形凸轮的轮廓曲线及工作角度之间的关系，直观地实现被测凸轮在工作过程中的轮廓曲线测量及显示，同时可以实时分析及显示被测凸轮的特性曲线，可以应用于凸轮设计教学演示示教中，同时在盘形凸轮轮廓精密检测中也具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的盘形凸轮轮廓设计教学示教及运动特性测量仪的正视图；

图2为本发明的本发明的盘形凸轮轮廓设计教学示教及运动特性测量仪剖视图；

图3(a)、(b)为本发明盘形凸轮轮廓设计教学示教及运动特性测量仪测控系统原理图；

图4为本发明盘形凸轮轮廓设计教学示教及运动特性测量仪被测凸轮轮廓曲线及特性曲线生成程序流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，一种盘形凸轮轮廓设计教学示教及运动特性测量仪，至少包括基座1、被测凸轮安装轴29、转盘2、直动导杆测杆5、摆动测杆8、精密位移传感器3、精密转角传感器32、驱动电机15和测控显示系统，所述转盘安装轴23和被测凸轮安装轴29分别通过左基座轴承16和右基座轴承26安装在基座1上，驱动电机15通过安装螺钉12和连接法兰13固定在基座1上，所述驱动电机15的电机输出轴通过电机轴键14与转盘安装轴23连接，所述转盘2通过转盘安装轴承21安装在转盘安装轴23上，所述转盘2与转盘安装轴承21上分别设有对应且吻合的第一连接孔，连接销轴18插入 所述第一连接孔；被测凸轮7安装在被测凸轮安装轴29上，所述被测凸轮安装轴29上安装轴向定位的轴定位键25，轴定位键25和右基座轴承26之间设有弹性挡圈28，所述联轴器31通过联轴器连接螺栓24与转盘安装轴23连接，轴定位键25可以与联轴器配合实现定位，所述联轴器31通过轴定位键25定位。

转盘2上通过滑道固定螺钉19固定直动导杆测杆安装梁20，所述直动导杆测杆安装梁20上设有水平滑槽6，所述水平滑槽6上固定竖直滑槽4，所述竖直滑槽4内安装直动导杆测杆5，所述水平滑槽6可以左右滑动调节直动导杆测杆安装梁20的位置，所述直动导杆测杆5可以在竖直滑槽4内上下移动，所述直动导杆测杆5通过直动导杆测杆复位弹簧22安装在竖直滑槽4内，且所述直动导杆测杆5与被测凸轮7接触，精密位移传感器3与直动导杆测杆5配合安装并测得直动导杆测杆5位移量。本发明中通过调节直动导杆测杆5在水平滑槽6中的位置，实现被测凸轮7的对心或偏心测量与示教。

摆动测杆8安装在摆动连接杆10上，所述摆动连接杆10通过连接杆螺钉11固定在转盘2上，摆动测杆8绕摆杆连接杆10摆动且通过复位弹簧9与被测凸轮7接触，精密转角传感器32配合摆动测杆8安装且测量摆动测杆8的摆动角度，所述转轴转角传感器30配合转盘安装轴23安装且测量转盘安装轴23的转动角度。

本发明中测控显示系统分别连接精密位移传感器3、精密转角传感器32和转轴转角传感器30，测控显示系统获取精密位移传感器3、精密转角传感器32和转轴转角传感器30的数据变化，得到精密位移传感器3和精密转角传感器32的数据变化分别与转轴转角传感器30的数据变化分的函数关系，并实时绘制出精密位移传感器3与转轴转角传感器30的数据变化曲线、精密转角传感器32与转轴转角传感器30的数据变化曲线，即：示教凸轮轮廓相接触的从动件随凸轮工作角度变化的速度及加速度特性曲线。

本实施例中穿过所述左基座轴承16和转盘2的端面且对应的位置分别设有第二连接孔，连接拨杆17插入所述第二连接孔；穿过所述右基座轴承26和被测凸轮安装轴29对应的位置分别设有第三连接孔，凸轮轴连接销27插入所述第三连接孔

如图2中，当连接销轴18插入转盘2及转盘安装轴23上的第一连接孔，连接拨杆17脱离转盘2的第二连接孔，即实现转盘2随转盘安装轴23在电机15驱动下的转动；当拨出连接销轴18，将连接拨杆17插入转盘2的孔内，即可实现转盘2与基座1的固定，保证转盘2固定不动；当拨出连接销轴18与连接拨杆17，可实现手动转动转盘2。

联轴器31向右滑动通过轴定位键25定位，并将转盘安装轴23的旋转运动传递到凸轮安装轴29，联轴器31向左滑动脱离轴定位键25实现被测凸轮安装轴29转动的脱离。当联轴器31向左端滑动脱开轴定位键25时，凸轮轴连接销27实现被测凸轮安装轴29与基座1固连，保证安装在凸轮安装轴29上的被测凸轮7固定不动；当取下凸轮轴连接销27，将联轴器31向右滑动与凸轮安装轴定位键25配合时，实现被测凸轮7在电机15的驱动下的转动。

图3为盘形凸轮轮廓设计教学示教及运动特性测量仪测控系统原理图，如图3(a) 所示，直动导杆测杆5处的精密位移传感器的输入信号33与转轴转角传感器的输入信号40，分别通过调理电路34（39）、A/D转换器35（38）进行模拟信号向数字信号的转换，然后输入到测控计算机36进行数学处理及控制处理，将测控系统的测控结果进行输出及显示37。

如图3 (b) 所示，摆动测杆8处的精密转角传感器的输入信号41与转轴转角传感器的输入信号40，通过调理电路42（39）、A/D转换器43（38）进行模拟信号向数字信号的转换，然后输入到测控计算机36进行数学处理及控制处理，将测控系统的测控结果进行输出及显示37。

如图4所示为盘形凸轮轮廓设计教学示教及运动特性测量仪被测凸轮轮廓曲线及特性曲线生成程序流程图，通过将精密位移传感器、精密转角传感器、转轴转角传感器测得的传感输入信号通过相应的调理电路及A/D转换电路进行信号处理，然后输入到测控计算机进行数学处理，计算出凸轮基本轮廓尺寸及凸轮位移特性，然后绘制出被测凸轮的位移轮廓曲线及位移特性曲线；然后对被测凸轮的位移特性方程进行是否一阶可导判断，如果不能一阶可导，返回进行重新测量；然后对被测凸轮的位移特性方程进行一阶求导运算，得到被测凸轮的速度特性方程，并绘制出其速度特性曲线；然后判断其速度特性方程是否一阶可导？如果可导，则进行一阶求导，得到其加速度特性方程，并绘制出其加速度特性曲线；如果不可导，则判断其速度特性方程是否无限突变，如果是则判定该被测凸轮存在刚性冲击，如果否，则判定该被测凸轮存在柔性冲击，同样绘制出其加速度突变曲线。

在电机驱动下，当示教凸轮与基座固接、转盘通过紧定螺钉与凸轮安装轴固定时，转盘在驱动电机的驱动下而转动，在其转动过程中，安装其上的测杆与凸轮轮廓接触并随凸轮轮廓发生位移或转角的改变，位移传感器用来测量直动导杆测杆的直动位移，一个转角传感器用来测量摆动测杆的摆动角度，另一个转角传感器测量固定在凸轮安装轴上转盘相对示教凸轮反向转动的转动角度，通过测控系统的后置处理，分别可以得到沿盘形凸轮轮廓移动的直动导杆测杆的直动位移与转盘转角之间的函数关系、随摆动凸轮轮廓变化的摆动测杆的摆角与转盘转角之间的函数关系，转盘转角反应出凸轮工作轮廓的近休止角、升程角、远休止角、回程角等工作角度，由此可以分析出盘形直动凸轮轮廓随其转角之间的函数关系、摆动凸轮摆角随凸轮转角之间的函数关系。

通过测控软件对测控系统输出数据的处理，可以显示出示教凸轮的轮廓曲线及位移特性曲线、速度特性曲线及加速度特性曲线。通过转盘的反转，以及采用高精度传感器实现被测要素的测量，可以实现反转法盘形凸轮轮廓设计原理演示示教，改变凸轮及转盘的安装固定方式，可以对盘形凸轮轮廓进行精确测量，并能对凸轮的特性曲线进行实时分析。 该盘形凸轮轮廓设计教学示教及运动特性测量仪结构简单、使用方便、通用性强，满足机械原理课程教学过程中的采用反转法凸轮设计原理的设计理论教学需求，同时可以精密测量盘形的轮廓复杂几何形状，并绘制出凸轮的运动特性曲线，填补了采用反转法进行凸轮轮廓设计教学演示示教仪的教学仪器及凸轮运动特性测量的空白，机械原理课程教学中及在盘形凸轮轮廓精密测量中具有广泛的应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。