[发明专利]基于尺寸链的圆柱凸轮接口优化设计方法及其结构

权利要求书

1.一种基于尺寸链的圆柱凸轮接口失效机理分析及优化设计方法，其特征在于通过分析接口尺寸链，确定接口失效机理，对尺寸链中易失效因素进行针对性设计，通过多目标优化确定最优方案，最后通过蒙特卡洛法进行验证，包括以下步骤：

步骤一，基于尺寸链理论分析接口失效机理，分考虑振动和不考虑振动两种情况进行分析；

(1)不考虑振动时，建立接口核心部件曲线槽尺寸链模型

分析失效原因，发现驱动环平直段与中心块平直段高度差A₀为关键尺寸，当A₀过大时，销轴在中心块上升段顶点处被卡住，将发生第一种失效；当A₀过小时，凸起对销轴起不到阻挡作用，将发生第二类失效；

选取A₀、A₁、A₂、A₃、A₄作为一条尺寸链的闭环，H₁为内外销轴半径差，H₂为凸起高；与驱动环和中心块平直段高度差A₀有关的尺寸，计有驱动环销轴起始高度A₂、驱动环上升段高度A₁、中心块销轴起始高度A₃、中心块上升段高度A₄，形成封闭的尺寸组，其中A₀是封闭环，A₁～A₄为组成环，且A₁和A₂为减环，传递系数ξ₁＝ξ₂＝-1，A₃和A₄为增环，传递系数ξ₃＝ξ₄＝+1，尺寸链方程为：

A₀＝A₃+A₄-(A₁+A₂) (1)

根据失效原因，A₀的极限偏差应为-(A₀-H₁+H₂)→+(H₁-A₀)，组成环的公差累积可能偏离所期望的封闭环尺寸公差，加工曲线槽时，刀具初始定位误差、走刀路径偏差都会影响A₀的大小；

公差设计计算：

已知封闭环极限偏差：ES₀＝H₁-A₀，EI₀＝-(A₀+H₁+H₂)；

封闭环公差：T₀＝H₁-A₀+A₀-H₁+H₂＝H₂；

各组成环平均极值公差为：

采用等公差法分配各组成环尺寸公差：

计算结果显示各组成环允许的偏差范围只与凸起高度H₂有关，凸起要足够高，才能保证能暂时阻止销轴，但是凸起也不能太大，若凸起太大，销轴越过凸起很艰难，而且接口尺寸也会变大；

(2)考虑振动时，建立接口曲线槽尺寸链模型

销轴在曲线槽中位于平直段时，销轴可向上跳动的尺寸为0到H₀；将销轴的跳动距离等效成A₀的一个组成环，设为A₅，A₅的公称尺寸在理想状态下为0，公差为H₀，尺寸为选取A₀、A₁、A₂、A₃、A₄、A₅作为一条尺寸链的闭环，分析失效原因，当销轴位于两个曲线槽上升段与平直段过渡处时，销轴向上跳动，曲线槽高度差会不起作用，销轴同时跳上两个曲线槽平直段，会发生第一类失效；当销轴位于凸起处时，销轴向上跳动，凸起将不起作用，销轴会越过凸起发生第二类失效；这两个位置的A₅对A₀的传递系数可以通过求偏导数得到；

为了分析失效机理、验证应用效果，本专利以接口初始设计方案作为算例，求出算例这两个位置A₅对A₀的传递系数：

销轴位于这两个位置时，传递系数分别为0.3和-0.5，分别用极值法和概率法对这两个位置的封闭环公差进行计算，计算结果如下表所示；

经过比较，该接口曲线槽尺寸链组成环的误差累积会导致封闭环尺寸公差不满足要求，在考虑振动的尺寸链计算中发现在传递系数0.3位置一封闭环的上偏差不满足要求，而在传递系数-0.5位置二封闭环下偏差不满足要求，这两个偏差主要是A₅和A₅′引起的，可见销轴的可跳动距离是造成误差的主要原因，需要减小曲线槽间隙；

步骤二，根据尺寸链失效机理分析结果，通过增高凸起、减小中心块曲线槽宽，确定合适的曲线槽线型；

步骤三，以驱动环在上升段末端对销轴施加的推进力最大和凸起高度最小为优化目标，建立曲线槽尺寸多目标优化模型；

(1)销轴上升段末端受力分析

电机驱动力F分解之后对销轴的有效推进力为F₂，F₂是决定销轴先上中心块曲线槽平直段的关键，F₂需要尽可能大，保证销轴回转动作的顺利开始；

式中：R₁为驱动环圆角半径，R₂为中心块销轴半径，R₃为驱动环销轴半径；

(2)对销轴在F₂的作用下被推到中心块平直段凸起处进行分析

销轴在即将到达凸起时，先经过一段圆弧过渡，在位置a处销轴的速度v为水平，之后速度v的方向一直沿着销轴和过渡圆弧相切的切向；到达b位置后，推进力F₂＝0，但是销轴会有继续沿着凸起向上跳动的趋势，速度v仍然沿着切向，此时销轴受到凸起的阻力F₃作用而开始减速，销轴在凸起处要有足够的减速高度，当B≥2h₁时，认为销轴会受到有效阻挡；设B＝y，需至少满足下式才能认为销轴不会跳过凸起：

式中：R₄为中心块凸起圆角半径，R₅为凸起半径，h₂为凸起圆心与平直段的距离；其中，R₄≥R₂，且R₄越小凸起对销轴的阻挡作用越好；

优化目标一为F₂要足够大，保证销轴能顺利的先进入中心块平直段并且运动平稳；优化目标二为y要尽量小，保证接口整体的尺寸较小，重量较轻；

(3)确定优化设计变量

根据对优化目标的影响程度，将驱动环曲线槽上升段圆角半径、驱动环与中心块曲线槽平直段高度差、中心块曲线槽凸起高度、凸起圆心与平直段的距离作为四个设计变量，即A、B、h₂、R₁为设计变量；

步骤四，选用遗传算法对接口曲线槽尺寸进行多目标优化求解；

调用Matlab的遗传算法工具箱，将两个优化目标作为适应度函数编写程序，得到最优结果；本专利所列实例，根据计算得到的种群，选取Pareto解集中最符合优化目标的点，得到A＝0.250，B＝2.237，h₂＝0.300，R₁＝1.750。

2.采用权利要求1所述的基于尺寸链的圆柱凸轮接口优化设计方法的圆柱凸轮接口结构，其特征在于中心块曲线槽槽宽更小，且凸起更高，驱动环曲线槽与之匹配，使销轴能越过较高的凸起，销轴在槽内振动更小，提高了圆柱凸轮机构中从动件的运动可靠性，包括：

接口主动端和接口被动端；

上述接口主动端包括：主动端对接面、推进平台、驱动环、销轴、蜗轮、锁钩、导向销、中心块、支撑块、底板、电机座、蜗杆和电机；

上述接口被动端包括：固定爪、锁钩被动端和被动端对接面；

接口主动端固定在底板上的部件有电机、电机座、中心块、支撑块、导向销，对接面通过支撑块间接固定在底板上，锁钩嵌套在中心块外，驱动环嵌套在锁钩外，推进筒嵌套在驱动环外，其中驱动环受到中心块底部限位作用只能做周向旋转，推进筒受导向销限位只能做轴向推进动作，电机驱动蜗杆带动驱动环上的蜗轮，使驱动环转动，整个接口的两套动作由一次驱动完成，分为内外两侧；驱动环内侧：锁钩上的内销轴和驱动环曲线槽、中心块曲线槽共同作用完成锁钩上升-回转-下降的与被动端锁紧动作；驱动环外侧：驱动环上的外销轴和推进筒曲线槽作用完成推进筒的推进动作，即二次推进，推进筒带动推进平台完成主动端和被动端数据、电气的连接。