第七章-凸輪機構概要PPT課件

.,1,第七章凸輪機構,凸輪機構：是一種高副機構。廣泛應用于各種機械，尤其是自動機械中。,.,2,第七章凸輪機構,凸輪機構的應用和分類從動件的運動規(guī)律平面凸輪廓線設計平面凸輪機構基本尺寸的確定,.,3,凸輪機構的組成凸輪機構的應用凸輪機構的分類,7.1凸輪機構的應用和分類,.,4,凸輪機構的組成,凸輪機構的應用和分類,1-凸輪2-氣閥3-內(nèi)燃機殼體,如圖所示為內(nèi)燃機中的配氣凸輪機構。內(nèi)燃機在燃燒過程中，驅(qū)動凸輪軸及其上的凸輪轉(zhuǎn)動，并通過凸輪的曲線輪廓推動氣閥2按特定的規(guī)律往復移動，從而達到控制燃燒室中進、排氣的功能。,.,5,凸輪機構的應用和分類,1-圓柱凸輪2-擺桿3-滾子,如圖所示為自動機床中的進刀凸輪機構。當圓柱凸輪繞其軸線轉(zhuǎn)動時，通過其溝槽與擺桿一端的滾子接觸，并推動擺桿繞固定軸按特定的規(guī)律作往復擺動，同時通過擺桿另一端的扇形齒輪驅(qū)動刀架實現(xiàn)進刀或退刀運動。,.,6,凸輪機構的應用和分類,凸輪從動件機架,高副機構,凸輪：具有特定曲線輪廓或溝槽的構件，通常在機構運動中作主動件。,從動件：與凸輪接觸并被直接推動的構件。,機架：支撐凸輪和從動件的構件。,.,7,凸輪機構的應用,凸輪機構的應用和分類,自動送料凸輪1-圓柱凸輪2-直動從動件3-毛坯,1、實現(xiàn)預期的位置要求,這種自動送料凸輪機構，能夠完成輸送毛坯到達預期位置的功能，但對毛坯在移動過程中的運動沒有特殊的要求,.,8,凸輪機構的應用和分類,繞線機凸輪1-凸輪2-擺動從動件3-線軸,2、實現(xiàn)預期的運動規(guī)律要求,這種凸輪在運動中能推動擺動從動件2實現(xiàn)均勻纏繞線繩的運動學要求。,.,9,凸輪機構的應用和分類,3、實現(xiàn)運動和動力特性要求,這種凸輪機構能夠?qū)崿F(xiàn)氣閥的運動學要求，并且具有良好的動力學特性。,1-凸輪2-氣閥3-內(nèi)燃機殼體,.,10,盤形凸輪：結構簡單，易于加工。應用最為廣泛移動凸輪：可視為盤形凸輪的回轉(zhuǎn)軸心處于無窮遠處時演化而成的圓柱凸輪：空間凸輪機構,盤形凸輪移動凸輪圓柱凸輪,凸輪機構的分類,凸輪機構的應用和分類,1、按凸輪的形狀分類,.,11,2、按從動件的形狀分類,尖底從動件,尖端能以任意復雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動件實現(xiàn)任意的運動規(guī)律。但尖端處極易磨損，只適用于低速場合。,凸輪機構的應用和分類,.,12,滾子從動件,凸輪與從動件之間為滾動摩擦，因此摩擦磨損較小，可用于傳遞較大的動力。,凸輪機構的應用和分類,.,13,平底從動件,從動件與凸輪之間易形成油膜，潤滑狀況好，受力平穩(wěn)，傳動效率高，常用于高速場合。但與之相配合的凸輪輪廓須全部外凸。,凸輪機構的應用和分類,.,14,對心直動從動件偏置直動從動件,凸輪機構的應用和分類,從動件作往復移動，其運動軌跡為一段直線,3、按從動件的運動形式分類,直動從動件,.,15,從動件作往復擺動，其運動軌跡為一段圓弧。,凸輪機構的應用和分類,擺動從動件,.,16,凸輪機構的應用和分類,4、按凸輪與從動件維持接觸的方式分類,力鎖合：利用從動件自身重力、回復彈簧力或其它外力，使從動件與凸輪廓線始終保持接觸,.,17,(2)型鎖合：利用構成高副元素本身的幾何形狀，使從動件與凸輪始終接觸。,盤形槽凸輪機構,通過其溝槽兩側的廓線始終保持與從動件接觸。,.,18,凸輪機構的應用和分類,凸輪廓線上任意兩條平行切線間的距離都相等，且等于從動件矩形框架2內(nèi)側兩個平底之間的距離H。,等寬凸輪機構,.,19,凸輪機構的應用和分類,等徑凸輪機構過凸輪軸心O所作任一徑向線上與凸輪相接觸的兩滾子中心間的距離處處相等。,等寬與等徑凸輪，其從動件運動規(guī)律的選擇或設計會受到一定的限制。,.,20,凸輪機構的應用和分類,共軛凸輪機構,主凸輪1推動從動件完成沿逆時針方向正行程的擺動，另一個凸輪1/推動完成沿順時針方向的反行程的擺動。這種凸輪機構又稱為主回凸輪機構,.,21,凸輪機構的應用和分類,反凸輪機構,擺桿為主動件，凸輪為從動件,.,22,基本概念從動件的常用運動規(guī)律運動規(guī)律特性分析選擇或設計運動規(guī)律時需注意的問題組合型運動規(guī)律簡介,7.2從動件的運動規(guī)律,.,23,基本概念,從動件的運動規(guī)律,從動件的運動規(guī)律,在凸輪廓線的推動下，從動件的位移、速度、加速度、躍度（加速度對時間的導數(shù)）隨時間變化的規(guī)律，常以圖線表示，又稱為從動件運動曲線。一般假定凸輪軸作等速運轉(zhuǎn)，故凸輪轉(zhuǎn)角與時間成正比，因此凸輪機構從動件的運動規(guī)律通常又可以表示為凸輪轉(zhuǎn)角的函數(shù)。,.,24,尖底直動從動件的位移曲線,從動件的運動規(guī)律,.,25,從動件的運動規(guī)律,基圓：凸輪上具有最小半徑ro的圓推程與推程角：當凸輪廓線上的曲線段與從動件接觸時，推動從動件沿導路由起始位置運動到離凸輪軸心最遠的位置。從動件的這一運動行程稱為推程。此過程對應凸輪所轉(zhuǎn)過的角度稱為推程角，從動件沿導路移動的最大位移稱為升距h。,.,26,遠休止與遠休止角：當凸輪廓線上對應的圓弧段與從動件接觸時，從動件在距凸輪軸心的最遠處靜止不動。這一過程稱為遠休止，此過程對應凸輪所轉(zhuǎn)過的角度稱為遠休止角s。,從動件的運動規(guī)律,.,27,近休止與近休止角:當凸輪廓線上對應的圓弧段與從動件接觸時，從動件處于位移的起始位置，靜止不動，這一過程稱為近休止。此過程對應凸輪所轉(zhuǎn)過的角度稱為近休止角/s。,從動件的運動規(guī)律,回程與回程角:當凸輪廓線上的曲線段與從動件接觸時，引導從動件由最遠位置返回到位移的起始位置。從動件的這一運動行程稱回程，此過程對應凸輪所轉(zhuǎn)過的角度稱為回程角/。,.,28,從動件的運動規(guī)律,從動件常用運動規(guī)律,一、多項式運動規(guī)律,設從動件的位移為s，凸輪轉(zhuǎn)角為，則多項式運動規(guī)律的一般表達式為根據(jù)對從動件運動規(guī)律的具體要求，確定相應的邊界條件代入上式，求出待定系數(shù)，即可推導出各種多項式運動規(guī)律。下面分別推導工程中經(jīng)常采用的幾種多項式運動規(guī)律方程。,.,29,一次多項式一次多項式運動規(guī)律的一般表達式為由于一次多項式函數(shù)的一階導數(shù)為常數(shù)，故通常又稱為等速運動規(guī)律。其運動方程和運動線圖如下所示,從動件的運動規(guī)律,.,30,等速運動規(guī)律運動線圖,推程運動方程,從動件的運動規(guī)律,.,31,由于加速度無窮大而產(chǎn)生的沖擊稱為剛性沖擊。當然，在實際的凸輪機構中由于構件的彈性、阻尼等多種因素，不可能產(chǎn)生無窮大的慣性力。,這種運動規(guī)律通常只適用于低速輕載的工況下，或是對從動件有實現(xiàn)等速運動要求的場合,從動件的運動規(guī)律,.,32,2.二次多項式工程中通常采用的二次多項式運動規(guī)律，是指在從動件的一個運動行程中（推程或回程），前半段采用等加速，后半段采用等減速，其位移曲線為兩段光滑相連的反向拋物線，故有時又稱為拋物線運動規(guī)律。其運動方程和運動線圖如下所示,從動件的運動規(guī)律,.,33,速度曲線連續(xù)，而加速度曲線在運動的起始、中間點和終點處不連續(xù)。將這種由于有限值的加速度突變而產(chǎn)生的沖擊稱為柔性沖擊。適用于中、低速輕載。,推程運動方程,等加速等減速運動規(guī)律運動線圖,從動件的運動規(guī)律,.,34,3.五次多項式五次多項式運動規(guī)律的位移、速度和加速度方程的一般表達式為,從動件的運動規(guī)律,.,35,將邊界條件分別代入，可解得6個待定系數(shù)，得到從動件在推程中五次多項式運動規(guī)律的方程為,位移方程中僅含有3、4、5次冪，故又稱為3-4-5次多項式,從動件的運動規(guī)律,.,36,該種運動規(guī)律的速度與加速度曲線均連續(xù)，因而不產(chǎn)生剛性與柔性沖擊，可適用于高速中載工況,五次多項式運動規(guī)律,從動件的運動規(guī)律,.,37,從動件的運動規(guī)律,二、三角函數(shù)運動規(guī)律,1、簡諧運動規(guī)律,圖a所示為描述簡諧運動軌跡的示意圖。圖中橫坐標為凸輪轉(zhuǎn)角，縱坐標為從動件位移s。設當質(zhì)點沿圓周轉(zhuǎn)過任一角度時，對應凸輪的轉(zhuǎn)角為，則質(zhì)點沿圓周等速運動時向縱坐標方向的投影，即為簡諧運動規(guī)律的位移曲線。,簡諧運動規(guī)律運動線圖,.,38,推程運動方程,由于該種運動規(guī)律的加速度曲線按余弦規(guī)律變化，故又稱為余弦加速度運動規(guī)律。,可知該運動規(guī)律的起始與終點處加速度突變?yōu)橛邢拗?，因而會產(chǎn)生柔性沖擊。如果從動件的運動僅具有推程和回程階段，則其加速度曲線也連續(xù)，不產(chǎn)生柔性沖擊，因而可應用于高速工況場合。,從動件的運動規(guī)律,.,39,從動件的運動規(guī)律,2、擺線運動規(guī)律,圖a所示為描述擺線運動軌跡的示意圖。由解析幾何可知，當一個半徑為R的滾圓，沿縱坐標從起始點A0勻速純滾動時，圓周上點A的運動軌跡即為擺線，而點A的運動軌跡向縱坐標方向的投影即構成擺線運動規(guī)律。,擺線運動規(guī)律運動線圖,.,40,推程運動方程,由于加速度曲線按正弦規(guī)律變化，故又稱為正弦加速度運動規(guī)律。該種運動規(guī)律的速度與加速度曲線均連續(xù)，不產(chǎn)生剛性與柔性沖擊，適用于高速場合,從動件的運動規(guī)律,.,41,運動規(guī)律特性分析,一、衡量運動特性的主要指標,1、最大速度最大速度值越大，則從動件系統(tǒng)的動量也大。若機構在工作中遇到需要緊急停車的情況，由于從動件系統(tǒng)動量過大，會出現(xiàn)操控失靈，造成機構損壞等安全事故。因此希望從動件運動速度的最大值越小越好。,從動件的運動規(guī)律,.,42,2、最大加速度最大加速度值的大小，會直接影響從動件系統(tǒng)的慣性力，從動件與凸輪廓線的接觸應力，從動件的強度等。因此希望從動件在運動過程中的加速度最大值越小越好。,從動件的運動規(guī)律,3、運動規(guī)律的高階導數(shù)。運動規(guī)律的高階導數(shù)是否連續(xù)也是衡量運動規(guī)律特性的主要指標。研究表明，為有效改善凸輪機構的動力學特性，減小系統(tǒng)的殘余振動，應選取躍度連續(xù)的運動規(guī)律進行凸輪廓線設計。,.,43,二、特性指標的無量綱化,為在相同的條件下對各種運動規(guī)律的特性參數(shù)進行分析比較，通常需對運動規(guī)律的特性指標進行無量綱化。幾種常用運動規(guī)律的無量綱化指標和適用場合如下表所示,從動件的運動規(guī)律,.,44,從動件的運動規(guī)律,從動件常用運動規(guī)律特性比較及適用場合,.,45,三、特性指標的分析與比較,高階導數(shù)連續(xù)性較好的運動規(guī)律，如擺線、五次多項式等，其最大速度和最大加速度值一般也較大。具有較小的最大速度和最大加速度值的運動規(guī)律，其高階導數(shù)往往是不連續(xù)的。在選擇或設計從動件運動規(guī)律時，根據(jù)凸輪機構的實際應用場合，在綜合權衡各項特性指標的基礎上作具體的分析。,從動件的運動規(guī)律,.,46,選擇和設計運動規(guī)律時需注意的問題,1.根據(jù)工作要求選擇或設計運動規(guī)律當工作場合對從動件運動規(guī)律有特殊要求，且凸輪轉(zhuǎn)速不太高時，從動件運動規(guī)律的選擇或設計，應在滿足工作要求的基礎上，考慮動力特性等其他因素。,從動件的運動規(guī)律,2.兼顧運動學和動力特性兩方面要求當工作場合對從動件的運動規(guī)律有特殊要求，且凸輪轉(zhuǎn)速又較高時，應兼顧運動學和動力特性兩方面要求，選擇或設計從動件的運動規(guī)律。,.,47,3.綜合考慮運動規(guī)律的各項特性指標在滿足從動件工作要求的前提下，還應在仔細權衡運動規(guī)律各項特性指標優(yōu)劣的基礎上，選擇或設計從動件運動規(guī)律。,從動件的運動規(guī)律,在工程實際中需針對具體的設計問題，在綜合考慮運動學、動力學等多方面因素的基礎上來選擇或設計從動件的運動規(guī)律。,.,48,組合型運動規(guī)律簡介,從動件的運動規(guī)律,為滿足工程實際的需要，綜合幾種不同運動規(guī)律的優(yōu)點，設計出一種具有良好綜合特性的運動規(guī)律。這種通過幾種不同函數(shù)組合在一起而設計出的從動件運動規(guī)律，稱為組合型運動規(guī)律。,.,49,1、修正正弦運動規(guī)律該曲線在運動起始的段和終止的段，采用周期相同的正弦函數(shù)；在兩段中間的段則采用一段周期較長的簡諧函數(shù)。,從動件的運動規(guī)律,2、修正梯形運動規(guī)律用幾段簡諧函數(shù)使加速度成為連續(xù)曲線。加速段和減速段的加速度曲線是對稱的。,組合型運動規(guī)律運動線圖,.,50,凸輪廓線設計的基本原理反轉(zhuǎn)法用作圖法設計凸輪廓線用解析法設計凸輪廓線,7.3平面凸輪廓線設計,.,51,凸輪廓線設計的基本原理反轉(zhuǎn)法,平面凸輪廓線設計,為了便于繪出凸輪輪廓曲線,應使工作中轉(zhuǎn)動著的凸輪與不動的圖紙間保持相對靜止。如果給整個凸輪機構加上一個與凸輪轉(zhuǎn)動角度數(shù)值相等、方向相反的“-”角速度,則凸輪處于相對靜止狀態(tài)。,從動件尖底的運動軌跡就是凸輪的廓線,.,52,、尖底從動件盤形凸輪已知：凸輪以等角速度順時針方向轉(zhuǎn)動，凸輪基圓半徑ro，導路與凸輪回轉(zhuǎn)中心間的相對位置及偏距e,從動件的運動規(guī)律。,用作圖法設計凸輪廓線,一、直動從動件盤形凸輪廓線設計,平面凸輪廓線設計,設計步驟、作從動件的位移線圖、確定從動件尖底的初始位置、確定導路在反轉(zhuǎn)過程中的一系列位置、確定尖底在反轉(zhuǎn)過程中的一系列位置、繪制凸輪廓線,.,53,、滾子從動件盤形凸輪已知：凸輪以等角速度順時針方向轉(zhuǎn)動，凸輪基圓半徑ro，導路與凸輪回轉(zhuǎn)中心間的相對位置及偏距e，滾子半徑為r,從動件的運動規(guī)律。,平面凸輪廓線設計,凸輪的理論廓線：根據(jù)滾子中心的運動軌跡設計出的廓線凸輪的實際廓線：與滾子直接接觸的廓線過程中的一系列位置,注意：基圓是指凸輪理論廓線上由最小半徑所作的圓從動件端部的滾子與凸輪實際廓線的接觸點會隨凸輪的轉(zhuǎn)動而不斷變化。,.,54,、平底從動件盤形凸輪與滾子從動件盤形凸輪廓線的設計方法相類似。,平面凸輪廓線設計,將平底與導路中心線的交點作為假想的尖底從動件的尖端；應用反轉(zhuǎn)法，根據(jù)平底從動件的運動規(guī)律，依次確定出假想的尖端在反轉(zhuǎn)過程中所處的位置，并在這些位置點分別作出各平底的圖形；作平底的內(nèi)包絡線，即為所要設計的凸輪廓線,.,55,平面凸輪廓線設計,二、擺動從動件盤形凸輪廓線設計,已知：凸輪以等角速度逆時針方向轉(zhuǎn)動，凸輪軸與擺桿回轉(zhuǎn)中心的距離為，凸輪基圓半徑ro，擺桿長度l，擺桿的運動規(guī)律已知，推程時凸輪與擺桿的轉(zhuǎn)向相反。,設計步驟、作從動件的位移線圖、確定擺桿的初始位置、確定擺桿軸心在反轉(zhuǎn)過程中的一系列位置、確定擺桿尖底的一系列位置、繪制凸輪廓線,.,56,用解析法設計凸輪廓線,平面凸輪廓線設計,作圖法的特點概念清晰，簡便易行；誤差大、效率低。解析法的特點計算精度高、速度快，適合凸輪在數(shù)控機床上加工。解析法設計的關鍵問題將凸輪廓線表示為數(shù)學方程，這一過程稱為建立數(shù)學模型。,.,57,平面凸輪廓線設計,一、直動滾子從動件盤形凸輪,已知：凸輪以等角速度逆時針方向轉(zhuǎn)動，凸輪基園半徑ro、滾子半徑rr，導路和凸輪軸心間的相對位置及偏距e，從動件的運動規(guī)律。,1.理論廓線方程,=,.,58,2.實際廓線方程,平面凸輪廓線設計,.,59,3.刀具的中心軌跡方程,應用數(shù)控銑床或凸輪磨床可加工凸輪的實際廓線。在加工凸輪前需計算刀具的中心軌跡方程。,平面凸輪廓線設計,.,60,平面凸輪廓線設計,二、平底直動從動件盤形凸輪機構,建立直角坐標系，使軸與從動件導路重合，推程開始時平底與凸輪基圓在點相切由速度瞬心法可知，圖中P點為凸輪與平底從動件的相對速度瞬心,.,61,平面凸輪廓線設計,三、擺動滾子從動件盤形凸輪機構,建立坐標系，使擺桿回轉(zhuǎn)軸心A0與凸輪回轉(zhuǎn)軸心O的連線與y軸重合,已知：凸輪以等角速度逆時針方向轉(zhuǎn)動，推程時擺桿順時針方向轉(zhuǎn)動，凸輪回轉(zhuǎn)中心O與擺桿回轉(zhuǎn)軸心A0的距離為,擺桿的長度為l,滾子半徑r，擺桿的運動規(guī)律。,凸輪的理論廓線B點的坐標,.,62,7.平面凸輪機構基本尺寸的確定,凸輪機構的壓力角凸輪基園半徑的確定滾子半徑的選擇平底直動從動件平底尺寸的確定從動件偏置方向的確定,.,63,凸輪機構的壓力角,平面凸輪機構基本尺寸的確定,壓力角：從動件與凸輪在接觸點處的受力方向與其在該點絕對速度方向之間所夾的銳角,說明：凸輪逆時針方向轉(zhuǎn)動，當從動件導路中心偏在凸輪軸心右側時，推程取減號，回程取加號；偏在左側時，推程取加號，回程取減號。若凸輪順針方向轉(zhuǎn)動，則加減號的取法與上述相反。,一、壓力角,.,64,幾種常見的盤形凸輪機構的壓力角,平面凸輪機構基本尺寸的確定,在圖b和d中，由于從動件的平底在運動中的任一位置都與凸輪廓線相切，因此這類凸輪機構的壓力角在凸輪機構整個運動周期中為常值。,.,65,二、壓力角對凸輪機構受力的影響,平面凸輪機構基本尺寸的確定,其他條件相同時，壓力角越大，推動從動件所需的作用力越大；當壓力角非常大時，理論上作用力為無窮大時才能推動從動件，此時凸輪機構將發(fā)生自鎖。我們將此時凸輪機構的壓力角稱為臨界壓力角,.,66