1、第3章 凸轮机构 凸轮机构的组成与类型 从动件运动规律设计 凸轮轮廓的设计 凸轮机构基本尺寸的确定 凸轮机构的计算机辅助设计,3.1 凸轮机构的组成与类型 3.1.1 凸轮机构的组成,1 凸轮 2 从动件 3 机架,高副机构,3.1.2 凸轮机构的类型 1. 按凸轮的形状分类,盘形凸轮：最基本的形式，结构简单，应用最为广泛 移动凸轮：凸轮相对机架做直线运动 圆柱凸轮：空间凸轮机构,盘形凸轮 移动凸轮 圆柱凸轮,2. 按从动件的形状分类,尖端从动件,曲面从动件,尖端能以任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。但尖端处极易磨损，只适用于低速场合。,磨损比尖端从动件小。,滚子从动
2、件,平底从动件,凸轮与从动件之间为滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，可用于传递较大的动力。,从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑状况好，受力平稳，传动效率高，常用于高速场合。但与之相配合的凸轮轮廓须全部外凸。,3. 按从动件的运动形式分类,移动从动件 摆动从动件,移动从动件：从动件作往复移动，其运动轨迹为一段直线； 摆动从动件：从动件作往复摆动，其运动轨迹为一段圆弧。,4.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类 (1) 力锁合弹簧力、从动件重力或其它外力(2) 型锁合利用高副元素本身的几何形状,槽凸轮机构槽两侧面的距离 等于滚子直径。优点：锁合方式结构简单 缺点：加大了凸轮的尺寸和重量,等宽凸轮机构凸轮廓
3、线上任意两条平行切线间的距离都等于框架内侧的宽度。,缺点：从动件的运动规律的选择受到一定的限制，当180范围内的凸轮廓线根据从动件运动规律确定后，其余180内的凸轮廓线必须符合等宽原则,等径凸轮机构两滚子中心间的距离始终保持不变。,缺点： 从动件运动规律的选择受到一定的限制,主回凸轮机构(共轭凸轮机构),优点：克服了等宽、等径凸轮的缺点 缺点：结构复杂，制造精度要求高,一个凸轮推动从动件完成正行程运动，另一个凸轮推动从动件完成反行程的运动,5. 反凸轮机构,摆杆为主动件，凸轮为从动件,反凸轮机构应用实例 自动铣槽机应用反凸轮机构实现料斗反转,3.1.3 凸轮机构的应用,例1：实现变速操纵,例2
4、：实现自动进刀、退刀,例3：控制阀门的启闭,例4：印刷机的吸纸吸头,3.2 从动件运动规律设计 3.2.1 凸轮机构的工作情况,回程运动角 近休止角 从动件运动规律（从动件运动线图）: 从动件的位移、速度、加速度、跃度随时间或凸轮转角的变化规律,基圆以凸轮轮廓的最小向径rb所作的圆 升距从动件上升的最大距离h 推程运动角0 远休止角s,3.2.2 从动件常用运动规律 1.等速运动,特点：速度有突变，加速度理论上由零至无穷大，从而使从动件产生巨大的惯性力，机构受到强烈冲击刚性冲击 适应场合：低速轻载,2.等加速等减速(抛物线)运动,特点：加速度曲线有突变，加速度的变化率(即跃度j)在这些位置为无
5、穷大柔性冲击 适应场合：中速轻载,3.简谐运动(余弦加速度运动),当质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上的投影所构成的运动规律简谐运动,特点：有柔性冲击 适用场合：中速轻载(当从动件作连续运动时，可用于高速),4.摆线运动规律（正弦加速度运动规律）,半径R=h/2的滚圆沿纵座标作纯滚动，圆上最初位于座标原点的点其位移随时间变化的规律摆线运动,特点：无刚性、柔性冲击 适用场合：适于高速,5. 3-4-5次多项式运动规律,特点：无刚性冲击、柔性冲击 适用场合：高速、中载,3.2.3 从动件运动规律的选择 1. 常用运动规律性能比较,边界条件的不同，可能改变冲击特性,2.从动件运动规律的选择原则
6、 考虑因素： 对运动规律的要求 凸轮的转速（动力特性和便于加工） 3.2.4 从动件运动规律的组合 1.满足工作对运动规律的特殊要求； 2.为避免刚性冲击，位移曲线和速度曲线必须连续；而为避免柔性冲击，加速度曲线也必须连续。 3. 尽量减小速度和加速度的最大值。 边界条件：组合各段运动规律的位移、速度和加速度曲线在连接点处其值应分别相等。,运动曲线拼接步骤理解题意，根据已知条件计算有关数据，将运动要求具体化，草拟出从动件的运动线图：推程？回程？。 按照草拟的运动线图，选择各段运动规律曲线类型。 利用各段曲线应满足的边界条件，确定各段运动规律的行程及其对应的凸轮转角。 精确地作出从动件完整的运动
7、线图。教材p91-94：例3.1 运动曲线拼接,3.3 凸轮轮廓的设计 3.3.1 基本原理,反转后，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。,3.3.2 图解法设计凸轮轮廓 1. 移动从动件盘形凸轮 (1)尖端从动件,设计步骤： 1）作出基圆，选定从动件初始位置 2）作偏距圆的分点与位移-转角曲线所分区间一致 3）作切射线，截取线段，求出外廓的一系列位置 4）连接并平滑，得到凸轮轮廓 5）检查几个问题（压力角.）,（2）滚子从动件,滚子中心将描绘一条与凸轮廓线法向等距的曲线理论廓线。 rb指的是理论廓线的基圆。,作内包络线，得到凸轮的实际廓线；若同时作外包络线，可形成槽凸轮廓线。,（3）平底
8、从动件,取平底从动件表面上的点B0作为假想的尖端从动件的尖端。,为了保证在所有位置从动件平底都能与凸轮轮廓曲线相切，凸轮廓线必须是外凸的。,2. 摆动从动件盘形凸轮,转轴圆分点 “位移”为角度 从动件常做成弯杆形状？,3.3.3 用解析法设计凸轮廓线,根据反转法原理几何关系，向坐标系投影。 例如设计移动滚子从动件盘形凸轮廓线，应列出如下方程： 理论廓线方程 实际廓线方程 刀具中心轨迹方程,3.4 凸轮机构(Cam Mechanism)基本尺寸的确定 3.4.1 移动滚子从动件盘形凸轮(Disc Cam)机构,问题： 压力角过大 机构尺寸过大 运动失真,基本参数设计： 压力角(Pressure
9、angle) 基圆半径(Radius of base circle) 偏置方向(Offset distance) 滚子半径(Radius of roller),压力角(Pressure angle)与许用值(Allowable pressure angle),凸轮机构压力角：在不计摩擦的情况下，凸轮对从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度之间所夹的锐角。,从机构受力看：压力角越小越好。,(Self-locking),(2) 压力角与凸轮基圆半径(Radius of base circle)的关系,凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心右侧：,凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心左侧：,
10、凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心右侧：(凸顺，从左）,凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心左侧： (凸顺，从右）,？ ？,凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心左侧： (凸顺，从右）,(2) 压力角与凸轮基圆半径(Radius of base circle)的关系,基圆半径越大，压力角越小,综合以上两式，可得到压力角与凸轮基圆半径的关系：,(3) 凸轮基圆半径(Radius of base circle)的确定,(4) 从动件偏置方向的选择,凸轮逆时针回转，从动件右偏置 凸轮顺时针回转，从动件左偏置,凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心右侧：(凸顺，从左）,凸轮逆时针方向转动、从动件
11、偏于凸轮轴心左侧： (凸顺，从右）,？ ？,减少推程压力角:,凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心左侧： (凸顺，从右）,(5)凸轮轮廓形状(Cam profile)与滚子半径的关系 外凸凸轮廓线,实际廓线(Cam profile)出现尖点,实际廓线出现交叉，从动件不能准确地实现预期的运动规律运动失真(Undercutting),内凹凸轮廓线,无论滚子半径多大，总能由理论轮廓(Pitch curve)求出实际轮廓。,运动失真 原因：避免方法：滚子半径的选择 考虑结构、强度与运动规律等因素,3.4.2 移动平底从动件盘形凸轮机构 （Disc cam mechanism with recipro
12、cating flat-face follower),凸轮出现过度切割(undercutting)的现象，从动件无法完全实现预期的运动规律。,基圆半径的确定:,偏距e：不影响凸轮廓线的形状,基圆半径的确定,移动平底从动件盘形凸轮,基圆半径的取值范围,条件：避免运动失真,上述基圆半径的取值能够保证凸轮廓线全部外凸，并避免廓线变尖或出现交叉。,减小升程h,增大基圆rb,增大偏心e,移动平底从动件盘形凸轮,从动件偏置方向的选择,从动件偏置并不影响凸轮廓线的形状，选择偏置的主要目的是：为了减小从动件在推程阶段所受的弯曲应力。,平底宽度的确定,右侧 左侧,接触点偏离轴心的距离：,平底宽度：,3.5 凸轮
13、机构的计算机辅助设计,凸轮机构的设计步骤 1、根据使用场合和工作要求，选择凸轮机构的类型（合理选择凸轮和从动件的形式） 2、根据工作要求，选择或设计从动件的运动规律 3、根据机构的具体结构条件，初选凸轮的基圆半径 4、设计凸轮的轮廓，分析凸轮轮廓是否合理(传力特性：压力角不超过许用值；不产生运动失真：最小曲率半径不小于许用值） 5、设计结构和材料选择。,掌握凸轮机构计算机辅助设计的完整设计过程 注意设计的目标以及在程序流程图中的实现,本章的基本要求,掌握根据工作要求和使用场合选择凸轮机构的类型； 掌握从动件几种常用运动规律的特点和适用场合，以及不同运动规律位移曲线的拼接方法； 熟练掌握运用反转
14、法原理设计凸轮廓线； 掌握设计凸轮机构的基本步骤； 掌握移动滚子和平底从动件盘形凸轮机构基本尺寸（如基圆半径、滚子半径、平底宽度和偏置方向等）的确定原则； 了解采用计算机对凸轮机构进行辅助设计的方法。,第三章 凸轮机构 作业,第5周作业： 题3.3；3.4；3.5：移动滚子、平底、摆动从动件盘形凸轮机构中凸轮廓线设计 (用图解法）；第6周作业 题3.8：反转法应用及压力角概念； 题3.10：凸轮机构基本参数设计 题3.13：串连式的凸轮机构+连杆机构设计(用图解法）,选做练习题（不作为作业） 题3.2：从动件运动规律的拼接； 任选习题集中3.15* or 3.16*中一题，写出计算机辅助设计凸轮机构的流程图，并编制相关的计算程序，撰写设计报告。,
