[发明专利]一种铲齿凸轮的结构优化设计方法

说明书

本发明提出了一种铲齿凸轮的结构优化设计方法，属于机械设计技术领域。具体方法是：(1)根据设计要求，确定铲齿凸轮的基本设计参数和约束条件；(2)给出H型从动件运动规律曲线方程；(3)确定凸轮的理论廓线参数方程、工作廓线参数方程、刀具中心轨迹参数方程和凸轮面积计算公式，进一步确定理论廓线曲率和压力角的计算公式；(4)建立H型铲齿凸轮的优化设计数学模型；(5)构建增广目标函数，并采用多项式变异粒子群优化方法求解凸轮结构优化设计问题。本发明给出的一种H型铲齿凸轮的结构优化设计方法，具有计算过程简单和适应性强的特点，其为铲削机构凸轮的设计及其性能研究提供了一个新的思路。

技术领域

本发明属于机械结构设计技术领域，具体涉及一种铲削机构中铲齿凸轮的结构优化设计方法。

背景技术

文献“Flores P.A Computational Approach for Cam Size Optimization ofDisc Cam‐Follower Mechanisms With Translating Roller Followers[J].Journal ofMechanisms Robotics,2013,5(4):041010–041010.”建立了以凸轮基圆半径为优化目标，以许用压力角和最小曲率半径为约束的移动滚子从动件凸轮优化设计问题的数学模型，并利用MATLAB内置函数fmincon求解，得到了良好的设计结果。但Flores给出的数学模型并未限定压力角和曲率的许用范围，这可能会影响设计结果的合理性。

铲齿凸轮的基本工作原理如图1所示。铲刀的前刀面与滚刀轴线中心平面对齐。滚刀匀速转动，铲刀在凸轮控制下实现匀速进给，当滚刀转过一定的角度时，凸轮也旋转过相应的角度，铲刀完成铲削，并迅速返回。滚刀转过一个齿间角，凸轮转过一周完成一个齿背的加工。

铲齿凸轮机构是动力刀塔传动齿轮加工刀具制造中的重要组件。铲削加工主要用于生成齿轮刀具的齿背曲线，为了保证刀齿的重磨不变性，刀具的齿背曲线一般选用Archimedes螺线。铲齿凸轮是其中的核心部件，如果设计不当会产生很大的运动冲击，这就是铲齿凸轮机构在工作中存在的过渡点冲击问题。这会给铲削机构带来振动噪声，直接降低工件加工精度。

发明内容

本发明提出H型从动件运动规律的铲齿凸轮方法。本发明的目的在于结合H型铲齿凸轮的优化设计模型和多项式变异粒子群优化方法，提供一种针对铲齿凸轮的结构优化设计方法。为实现上述目标，本发明的技术实现步骤是：

第一步，H型铲齿凸轮的优化设计模型建立

1.1.根据设计要求，确定铲齿凸轮的基本设计参数和约束条件；

1.2.确定H型从动件运动规律曲线方程；

1.3.确定凸轮的理论廓线参数方程、工作廓线参数方程、刀具中心轨迹参数方程和凸轮面积计算公式，进一步确定理论廓线曲率和压力角的计算公式，目标函数为凸轮面积；

1.4.由步骤(1.3)确定目标函数，结合步骤(1.1)中的设计要求确定设计变量和约束函数，得到H型铲齿凸轮的优化设计数学模型；

第二步，多项式变异粒子群优化方法

构建增广目标函数，并采用多项式变异粒子群优化方法求解凸轮结构优化设计问题。

本发明的进一步改进在于，所述的步骤1.2中，H型从动件运动规律方程的具体构造过程如下：

如图2所示，H型凸轮的从动件位移规律曲线方程s₂(θ)由直线和三次多项式曲线构成，

其中，H₃(θ)是三次Hermite插值函数