[00095419]“电子凸轮“摆动式多臂机

论文：“电子凸轮”初探

"电子凸轮" 初探

烟台开发区同步机电研究所 冯庆庚

摘 要 阐述传统“平面共轭凸轮”的缺点和制造难度;引入“音圈电机”,

重新设计电子多臂机，代替“平面共轭凸轮”;说明机械电子化的优越性

和趋势,希望有更多人关注“电子凸轮”技术的开发。

关键词 共轭凸轮 音圈电机 机械电子化 对称反对称

1、前言：

凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。凸轮机构是由凸轮、从动件、机架等构件组成的。可使从动件根据使用要求，完成一定的规律的运动．凸轮机构也能实现复杂的运动要求，广泛用于各种自动化和半自动化机械中。

随着科学技术的发展，所谓“机电一体化”机构和设备得到了飞速发展。确切地说应该是“机械电子化”，这是一个在机械设计中，引进成熟的电子、电动元器件，把传统的机构和设备改造成现代化机器的过程。例如：采用交流电变频技术，可以方便地改变电机主轴转速，淘汰了传统的复杂庞大的齿轮变速箱；利用现代各种传感器和电子芯片控制技术，实现各种自动生产线的程序运作；各种智能机器人的涌现......这种趋势在改变着我们的世界。

新的电子、电动元器件借助于和计算机的紧密联系，给机器设备赋予了智能，越发有了灵性。但是，传统的“凸轮”还在各种自动化设备中广泛地应用着,但是它的弊端显著。有几个企业，“山寨”法国史陶比尔的大型电子提花机龙头和旋转型电子多臂机，由于制造精度达不到要求，震动噪声巨大而失败。

平面“共轭凸轮”是很传统的纯机械的，难于保证加工和装配精度的机构。它是两个刚性连锁的凸轮，同时控制一个从动件运动的机构，可以实现预期的从动件运动规律。缺点是制造精度要求太高，凸轮曲线面的理论共轭设计精度为0.003毫米，制造允许误差为0.008毫米。众所周知，按照公差配合中的动配合间隙的要求，0.003毫米早就被“吃“掉了。上述几个企业，不真正全面了解“共轭凸轮”的制造工艺方法,他们自己制造机体和从动件，精密凸轮请权威凸轮厂制造，想不到组装后，满足不了平面“共轭凸轮”整体共轭传动关系。从动滚子表面和平面凸轮之间间隙达到0.3-0.5毫米。机器开动以后，形成的冲击力，产生像打铁一样的巨大噪声。实际上，必须预先设计制造几套精密的工装，保证零件加工精度和装配精度的吻合。

笔者建议脑筋来个急转弯，从机械电子化的大趋势中，获得创新的动力，把对“电子凸轮”的开发提到日程上来了。和变频器代替齿轮变速箱比较，“变频调速”是调节从动件连续运动的速度,比如调节主轴的转数/分钟，是一种“宏观调速”；“电子凸轮”是调节从动件对应每一转内或者一次反复运动过程中的运动规律，是一种“微观调速”。有利于解决从动件在改变速度方向时的硬性冲击问题，可以得到比“共轭凸轮”更合理的传动效果。

2、音圈电机：

我们需要找到一种新的动力元件,代替平面“共轭凸轮”机构。幸好近年来出现了一种“音圈电机”，正在不断扩展应用范围，引起笔者的特别关注。音圈电机是一种反应频率最快的直驱式电机，分圆柱音圈电机，摆角音圈电机，矩型音圈电机，它的原理是带电线圈在大的磁场空间中产生足够的力作用和足够运动行程，传动从动机件。音圈电机具有零磁滞、零磁槽效应，高响应、高精度、高加速、高速度、力特性好，调节方便，分辨率无限等一系列优点。

根据现有音圈电机技术资料介绍，已有产品可以做到：响应频率可达500-1000赫兹，推拉力可达0.7-2000牛顿，扭矩可达50牛-米以上，转角可达九十度，直线行程最大达到500毫米，一般可以达到几十毫米。其运动规律和音圈电机本身结构无关，完全取决于电子

系统的控制。客观上，音圈电机完全具备了，代替“平面共轭凸轮”的能力，而且，可以灵活改变参数，会设计出比传统机型性能更优异的机型。

我们需要找到“电子凸轮”应用场合和对象，才能开启应用先河，证明其可行性。

3、“电子凸轮”摆动式多臂机的设计：

电子多臂机市场需要量巨大，制造难度大，是笔者首选的应用对象。电子多臂机设计主要有三个课题：（1）、采用理想的动力机构，使传动纺织机经线综框运动的提刀臂运动规律满足织造工艺要求，特别是提刀臂向极限位置摆动时不能硬性冲击，在极限位置最好有接近于瞬间停顿；（2）、合理设计电磁离合装置，使用电子计算机软件设定程序，灵活单独控制每件提刀臂的运动或者静止状态;(3)、传动机构能够转化出理想运动规律，避讳转化出不合理的运动规律。

分几部分介绍“电子凸轮”摆动式多臂机的设计：

3-1、动力装置：是用"电子凸轮"代替"平面共轭凸轮"的本意所在。音圈电机产品有多种形式,但是在高速往复运动中，音圈电机本身的运动零部件往复运动也会产生惯性力，所以应该采用对称性机构设计，使用两个往复直线音圈电机在主轴两侧对称布置,反向运动,运动部分所属的构件惯性力抵消，保证整机高速平稳运行。每个“音圈电机”配有直线导轨。

3-2、电子离合装置，同样采用对称反对称设计原理，设计一种摆动机构，抵消运动构件的惯性力。在摆动主轴上，相隔一定距离，安装两个相同的摆动樑，摆动樑的两边对称各有一孔，通过两端有孔的连杆，各铰接一个垂直运动的升降体，两边升降体对称布置；摆动樑摆动时两边的升降体反向直线升降运动;一边的两件升降体之间，用连接梁连接起来；在两个对称的连接樑之间，垂直放置升降离合杆；升降离合杆上部两侧面对称有锥形孔；在摆动樑上安装有随之运动的多个水平离合电磁铁，两件升降体连接梁上的离合电磁铁反向对称安装，一件摆动樑上的离合电磁铁数量和升降离合杆对应相等，离合电磁铁的动杆前端安装有锥形头，锥形头可以在摆动樑带动升降体到上或下极限位置时被推出，进入和升降离合杆一侧面的相同尺寸的锥形孔内，使升降离合杆随着升降体和连接梁运动；锥形头可以自动退出，与升降离合杆脱离。两边的离合电磁铁都可以，并且只能在上或者下极限位置推出或者退回锥形头。经过详细论证，这样的配置，可以满足纺织机的各种织造工艺，纺织机可以织出各种花形的织物。

在升降离合杆下部还加工有锥形孔,相应机架底部安装有定位电磁铁,数量和摆动臂数量相等,定位电磁铁的动杆前部安装有锥形定位头,其锥形头部和升降离合杆下部的锥形孔吻合，当需要提刀臂和升降离合杆停在极限位置时，定位电磁铁将定位头推出，插入升降离合杆下部的锥形孔内，保证提刀臂静止在要求的极限位置上。

3-3、提刀臂组件，是执行机构，由提刀臂、提刀臂心轴等零部件组成，提刀臂下部的孔和固定在机架上的提刀臂心轴动配合。（采用专有设计，）使升降杆组件上下运动时，可以带动提刀臂绕提刀臂心轴摆动，离合传动最小零件实体厚度超过6毫米。升降离合杆和提刀臂的运动状态是通过对应的离合电磁铁，由计算机软件通过电子线路程序控制的。

为了使同行学者理解上述设计，图1显示出发明专利的立体图(有些机架墙板隐藏掉了,便于看到内部结构)。如果需要了解具体设计细节,可以查看申报的发明专利文件。专利名称：《“电子凸轮”摆动式多臂机》，专利号：201310751696.1。

图1《“电子凸轮”摆动式多臂机》立体图

完成图纸设计以后，进行了仿真运动模拟，各种运动、力能参数曲线绘制。提刀臂摆动曲线可以特定设计，每个单独的提刀臂的运动规律也可以设定；整个传动机构因为采用了对称和反对称原理设计，惯性力是被平衡掉了，减小了离合冲击力。

图2 直线音圈电机线圈上下运动曲线

图3 提刀臂往复摆动运动规律

从图2、图3可以看得出，经过整个传动链，最后提刀臂往复摆动运动规律是正余弦曲线，已经很理想了，通过电控系统还可以按着织造工艺要求进一步修订，调整起来很方便。

和史陶比尔旋转电子多臂机比较，由于机构大为简单化，所以离合零件厚度尺寸可以做到大于6毫米。而史陶比尔旋转电子多臂机离合零件厚度尺寸最大值只有2..7毫米，形状复杂，应力集中严重，特别是在主轴连续旋转状态下进行离合，零件在超强度负荷下工作，寿命受到限制是必然的。笔者认为，之所以史陶比尔旋转电子多臂机能够胜任工作，完全依靠于法国传统的精密机器制造工艺来保证，中国企业以为买一台样机，机就可以“山寨”是行不通的。就机械设计的思想境界而言，应该追求最简单化。史陶比尔旋转电子多臂机设计思路迂回，结构复杂，制造精度要求高，难于制造，牵连出了一系列问题。对其改进设计是必然的，最好另辟蹊径，设计一种更合理、更先进的机型。

4、结语：选用成熟的电器动力原件和机构，移植到传统的机械中来，即实行机械电子化，可以简化传统机械设备,提高其性能。“电子凸轮”的研究和开发，已经提到日程来了，这应该是机械设计、制造、销售行业的共同的课题。笔者抛砖引玉，提供了一条可行的路径。通过对《“电子凸轮”摆动式多臂机》专利技术的介绍，可以看到：

（1）、电子多臂机得到了极大的简化，零件已经很少，没有加工难度，降低了制造成本；

（2）、电子离合的动作时，升降离合杆处于改变运动方向的瞬间，离合零件之间处于相对静止状态，便于平稳离合；

（3）、离合零件尺寸可以做得很厚实，保证了零件的强度和运行寿命；

（4）、调整运动规律方便，可以得到织造工艺要求的理想运动曲线。

所有这一切说明“电子凸轮”的可行性，优越性，经济性。希望有更多的人共同关注“电子凸轮”技术的开发。

参考文献：1、“对称反对称原理”和机构惯性力平衡。《纺织机械》2014年第一期。

2、“电子凸轮”摆动式多臂机,发明专利文件，2014年5月07号公布。