连续式拉拔机凸轮机构的参数优化设计

凸轮机构是典型的常用机构之一，在工程中，一般用于重复性机械动作，例如，内燃机中气门的启闭、缝纫机中缝料的间断送进控制等机械动作传动，在纺织、印刷、轻工等中小型机械上应用广泛。而凸轮机构应用于重型机械的冶金设备连续式拉拔机上，作为大吨位动力传动却并不多见。因此对凸轮机构在重型机械中的应用进行研究分析和优化设计是很有意义的。
1.拉拔机(拖板式)连续拉拔动作原理
拖板式拉拔机的拉拔运动和拉拔力的传递是由两个凸轮(装在同一根主轴上，相位差为180度)来完成的。两个凸轮各自推动一副拖板，拖板上装有拉拔钳口。主轴转动时，两副拖板在凸轮的推动下，形成了交替的前后运动即前拖板拉拔时，后拖板钳口松开返回。前后拖板在工作上有一段重合段，在重合工作段内，前后拖板拉拔钳口均处于夹紧状态，重合交替后，一拖板继续拉拔，另一拖板拉拔钳口松开返回，机构连续地完成拉拔运动。
2.连续式拉拔机凸轮设计要求
在拉拔过程中，拉拔速度经历了由额定值—减速—反向—回程加速—减速—反向加速—额定值的变化。合理的凸轮曲线设计是保证拉拔机高速、稳定、高效工作的关键之一。由拉拔运动的规律确定了对凸轮曲线的基本要求：
(1)等速拉拔，快速返回；
(2)两个拖板在确定位置交接并严格按规定的位置运动：
(3)高速运转的凸轮动态特性要好，以避免过大的振动和冲击。
因此要求整个凸轮的曲线位移、速度、加速度连续光滑。即在0—360度范围内，在各联结点应连续。为满足上述要求，凸轮理论廓线应由四段曲线组成，即起始过渡曲线，工作段曲线，终止过渡段曲线，回程段曲线。为了选择较好的动力特性，对于曲线类型的确定，则主要考虑控制最大速度，最大加速度，加速度的变化率等方面。
为了防止冲击，减少噪音，必须控制拖板的动量，凸轮要适当。为了避免拉拔拖板激振力过大，减少拖板滚轮与传动凸轮接触处的法向力与拉拔拖板的平衡力，降低电机功率，要求相关参数尽可能小。由典型运动特性分析可知，在传递同一运动时，三角函数低于多项式传递函数(高次多项式除外)，而且阶跃量是有限值。因此，三角传递函数优于多项式传递函数。从制造加工角度讲，凸轮对加工误差的敏感性很大，当升程误差达到0.2mm时，就可以使高级升降传动规律的选择成为无意义。而各类传递函数反映基本相似。因此，在分析国外引进设备的曲线基础上，从运动规律的动力特性和凸轮制造加工达到的精度可能性等方面予以综合考虑。将各段曲线分别确定为：工作段为直线方程，保证稳定拉拔；回程段为摆线方程，保证拖板快速返回：由于工作段的两端与回程段的曲线存在加速度突变，将采用半正弦方程消除刚性冲击。
由于凸轮的动静态特性，它们除了对最大速度、加速度、加速度变化率有直接影响外，还对以下几个方面有影响。
(1)凸轮曲线各段最大加速度峰值波动要求小，以使运动中各段加速度峰值趋向一致；工作行程与理论升程的差值要小，即提高升程精度，有利于提高后道剪切工序时的剪切精度；
(2)凸轮曲线重合段角度影响整个曲线的比例分配，它又受拉拔拖板钳口换向时间的约束；
(3)凸轮工作行程确定后，凸轮直径和工作段升程相互制约。增加直径可减小升角，使回程段曲线趋于平缓，但会引起拉拔机结构尺寸增大等问题；
(4)滚轮直径具有一定的要求，以满足拖板对凸轮作用力符合应力指标，因此，凸轮曲线的最小曲率半径还受到滚轮直径的限制。
3.总结
(1)连续拉拔机的运动规律确定了对凸轮曲线的基本要求，其中最主要是对凸轮位移、速度、加速度的要求；
(2)凸轮曲线各段性质是影响拉拔机动态特性的重要因素，传动凸轮的拉拔工作段为一次线性方程，其它各段应优选三角传递函数；
(3)凸轮曲线各段性质确定之后，凸轮的变量参数选择对于凸轮设计至关重要；
(4)可采用优化方法确定凸轮的变量参数。