印刷机械中凸轮机构的反求设计探讨

印刷机械中凸轮机构的反求设计探讨

刘灿成

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摘要：随着中国制造业的发展水平，反求设计在印刷机械凸轮机构中得到了广泛的应用。然而，由于反求设计涉及从实物到图纸以及从图纸到实物，现阶段仍在使用计算机辅助和软件支持，然而，在现代印刷高速、多色方向上仍然难以满足现代印刷设备的操作要求，凸轮结构作为保持印刷纸张高速以及在打印机中准确高效的位置和时间的保证，需要确保其特定的运动，以获得优质印刷，因此，实现印刷机械凸轮机构的反求设计也是当前机械工业发展的一个重要问题。

关键词：印刷机械；凸轮机构；反求设计；

引言

在印刷机械上，由于凸轮起到了传递、导向、控制等作用，因而在印刷机上得到了广泛的应用，在工作中，由于长期的工作，会引起机械结构的摩擦力，从而造成凸轮的磨损，从而影响到它的正常工作，凸轮是印刷机的核心部件，其运转速度快，运转顺畅，同时对纸张的转移和印刷的时机和方位有很高的要求，不然就会出现叠印不准、墨色不均等问题，因此，在高速打印设备中，凸轮的运动与动力学是一个非常重要的问题，印刷机上的凸轮机构反求，就是以原厂引进的凸轮为基准，先画出凸轮的真实轮廓，然后再进行凸轮的反求。

1.凸轮机构

因其用途广泛，国内外学者对其进行了大量的研究，并对其进行了深入的探讨，由于各类机械产品对速度、使用寿命、速度、可靠性和噪声等性能指标的不断提高，对其进行了更深入的研究，由单纯的几何分析、运动分析、静态分析，发展为动态分析、弹性变形、噪声等，随后，由于计算机数值计算及仿真软件的不断发展，使得该问题在很多领域得到了进一步的发展和完善，并具有较强的实用性，目前，国内外对低、中速凸轮机构的研究已经相当完整和成熟，在高速凸轮机构研究方面取得了良好的理论成果。

凸轮机构有多种型式，因型式的不同，其型式的设计方法及结构特征也各不相同，在不同的机构和个人的定义中，凸轮的几何尺寸、从动件的几何尺寸、运动方式和与从动件的接触方式都是有区别的，按照凸轮机构的几何状态，可以将其划分为平面凸轮机构（包括盘形凸轮机构、移动凸轮机构和圆形凸轮机构）和空间凸轮机构（包括圆柱形凸轮机构和锥形凸轮机构），按其外形，凸轮机构可以划分为：平底式凸轮机构，滚轮式凸轮机构，尖头式凸轮机构，按其运动模式，可将其划分为直动型和摇动型两种，根据凸轮与从动件保持接触的方式，凸轮机构可分为几何形状锁定凸轮机构和力锁定凸轮机构。

2.印刷机械中反求设计凸轮机构分析

2.1凸轮设计原理分析

目前，凸轮机构反求设计过程中常用的数学模型可分为四个步骤：首先，明确与凸轮实际轮廓线对应的切线，并确定法向倾角，通常，需要选择5次拉格朗日多项式来求解单值函数Y=f（X），通过求解每个节点位置对应于该函数的数据微分公式，选择五个数据点，即XK+2、XK+1、XK、XK-1、XK-2，设置XK-XK-1=b和XK-1-XK-2=a，此外，XK+2-XK+1=d、XK+1-XK=c，然后可以求解函数XK的微分值，然后将其应用于实际凸轮轮廓的分析，最终得到；获得后，借助函数公式对图像进行变换，明确了轮廓线上的法线和切线的倾角；其次，根据实际轮廓，可以明确凸轮的理论轮廓，通常，在印刷机械中，使用具有滚子和从动盘形状的凸轮机构，因此，根据从动件的基本运动规律，可以求解出相应的凸轮理论轮廓，它还可以从与凸轮实际轮廓相对应的极坐标中求解理论轮廓中的极坐标值；第三，借助于凸轮理论从动件的基本运动规律和从动件的角位移，通过计算凸轮理论轮廓线上从起始位置开始的任意点的角度和径向，可以得到所需的角位移公式δK=βK·βB=f（ψK）；第四，通过最小二乘法拟合凸轮机构的运动规律，可以得到与凸轮理论轮廓相匹配的方程，在反求设计过程中，需要根据测量值计算所需的值δKψK，因此，两者之间的关系是一个离散函数，很难借助公式直接获得，通过这种方式，可以实现反向设计误差的减少，然而，需要指出的是，需要使用最小二乘法进行拟合，才能获得凸轮机构的运动规律方程，因此，根据实际情况和具体需要，需要使用多项式方程来求解任何指定的从动件，即选择5次多项式方程来拟合原始凸轮机构的具体操作规律；第五，基于逆向工程获得的凸轮机构的运动规律，设计了与滚子摆动从动件相对应的盘形凸轮，在得到凸轮的理论轮廓方程后，使用反向方法固定凸轮，然后将从动件从-W方向移动到-W方向ψ，转换k的角度，使滚子的中心位于指定点，然后，根据指定点的特定坐标，得到所需的凸轮理论轮廓方程，但需要强调的是，在设计凸轮轮廓线时，要确保中心点位置可靠准确，并根据实际设计情况明确凸轮的维护和安装。

3.凸轮机构在印刷机械中反求设计的误差

3.1依据数值存在误差

反求设计所依据的数据值误差将直接影响凸轮机构的正常工作效率，根据印刷机械反求设计的实际情况分析，反求设计中存在许多由所用数值引起的误差，如测量系统误差和测量方法原理误差，传统的逆向工程设计方法是使用一系列坐标数据点组来构造凸轮轮廓曲线，然而，这种分析方法的数据是根据凸轮机构的原始尺寸设计数据和从动件的运动规律计算的精确值，而反向设计中使用的数据值是根据凸轮的现有物理轮廓测量的，测量过程中存在误差的可能性，自然不可能获得反向设计数据的准确值。

3.2凸轮加工误差

在反求设计过程中，需要从原始凸轮中获取相关的轮廓数据，但原始凸轮存在一定的加工误差，误差值将直接影响凸轮反求设计的有效性，在原始数据不完整的情况下，设计者很难从凸轮轮廓的测量和检测数据中确定加工误差的范围及其相关影响，同时，原始凸轮轮廓中的局部误差也会导致凸轮部件在运行过程中的运动规律发生显著变化，不仅阻碍和干扰凸轮部件的运行功能，还会严重影响印刷机械的整体稳定性，因此，要分析凸轮加工误差的原因，对反求设计结果进行修正和调整。

3.3机构综合误差

机构的综合误差是由于机构运行的实际差异和理想差异而产生的误差，这种机构误差的根本原因通常是凸轮部件的几何误差，包括每个部件的尺寸和形状误差，有许多因素会导致该机制出现全面错误，首先，零部件制造和加工的质量，这是影响凸轮机构误差的最大因素，对于凸轮机构，径向方向的加工误差会影响机构的整体操作功能，导致加速度发生显著变化，并打破之前选择的提升运动模式；其次，动态运动偏差，当凸轮机构的运动速度较快时，运动部件的惯性力增大，系统部件的弹性变形严重影响机构的运行规律，逐渐偏离预定的选定要求和范围，导致运动偏差。

4.反求设计中所需注意事项及要求

4.1印刷机械凸轮机构反求设计要求

凸轮是印刷机的核心部件，它在印刷机上既要求高速平稳运行，又要求对送纸过程有严格的要求，为了保证叠印的精确性及墨色的均匀性，转移的时机及印位的位置必须严格遵守，为此，对打印装备中的凸轮机构进行反向设计，不仅要确保其运动特征与原有装备的需求一致，而且还要确保其在高速打印时具有较高的效率，在国内大部分印刷机仍然依靠进口的情况下，反求设计已经成为对印刷机凸轮参数进行测量、拟合和分析的一种主要方法，所以，要想在印刷机上更好地实现凸轮机构的反求设计，就必须对其误差进行严格的控制，即：采用反求设计方法，将所获取的凸轮廓形参数的各项误差都控制在容许的范围之内，将凸轮廓形参数的合成误差从实测数据中分离出来，在无初始设计信息的前提下，尽量减小这些误差的影响，在0.05mm以内，当偏差为0.05mm时，将出现撞击现象，因其移动时的振荡，很难适应印刷机的生产需要，因此，在设计从动件类型时，为了尽可能减少误差，避免凸轮轮廓中的局部误差导致凸轮机构的运动问题。

4.2印刷机械凸轮机构的反求设计注意事项

印刷机械凸轮机构的反求设计需要注意保证凸轮机构与印刷机械其他单元的协调，尽管协调并不属于印刷机的反求范畴，但是它在印刷机上的应用却是不容忽视的，当前，印刷机以自动化为主，各部件间的凸轮传动比较困难，如何协调好各部件间的传动关系，对提高印刷机的打印质量及打印速度至关重要，通常情况下，采用解析法进行凸轮机构的设计，根据其结构和从动件运动规律，建立了凸轮机构设计的数学模型，确定了凸轮的基圆半径，并选择了合适的末端执行器运动规律和凸轮形状等基本参数，考虑了凸轮运动要求、压力角和冲击等因素，以获得满足要求的凸轮轮廓曲线。

4.3降低误差的实践措施

（1）严格把关构件质量

在印刷机的反求设计过程中，凸轮机构的优劣，将会对印刷机的总体设计及零件的使用效果产生很大的影响，尤其是当原有的凸轮廓形有误差时，由于工件的质量问题，会引起较大的数值误差，所以，必须对零件的质量进行严格的控制与检验，首先，对凸轮的外形进行了控制，以保证其符合实际应用要求；其次，通过对加工材料的科学选用，保证加工材料的性能满足应用要求，防止加工材料由于质量问题造成的磨损和缺陷，进而影响加工效果。

（2）控制各项测量数值

在印刷机上，由于测得的数据存在着较大的误差，因而对其进行了反求设计，在反求过程中，必须对各种测试数据进行严格的控制，如在安装尺寸的控制上，要结合印刷机的工作需要，以及每个零件的结构特点，强化对尺寸参数的有效控制，为了控制误差，得到满意的凸轮曲线，一般都是利用最小二乘法来测量，同时，最小二乘法也是一种能保证曲线整体误差最小的宏观控制原则，但在实际应用中发现，单纯依赖于宏观控制误差所得出的结果并不理想，且不能很好地控制局部误差，为此，必须对微小的误差加以控制，才能使曲线达到理想的状态。

结束语

综合分析，凸轮反求设计过程涉及到许多复杂因素，要全面了解凸轮部件的用途和相关参数，以确保设计的实际有效性，此外，应考虑反求设计中的各种误差，并通过数控、过程控制等方法进行优化和改进。

参考文献

[1]张霞,李真,陶帅等.凸轮机构反求测量实验装置和实验方法[J].实验技术与管理,2020,37(10):112-115+120.

[2]张明科.印刷机械中凸轮机构的反求设计[J].产业与科技论坛,2019,18(01):50-51.

[3]孙健.基于SolidWorksMotion的反求凸轮连杆组合机构模型研究[J].电动工具,2019(2):12-15.