圓柱凸輪機(jī)構(gòu)_設(shè)計(jì)_結(jié)構(gòu)計(jì)算

1、本章介紹凸倫機(jī)構(gòu)的類型、特點(diǎn)、應(yīng)用及盤形凸輪的設(shè)計(jì)。凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它通過(guò)與從動(dòng)件的高副接觸，在運(yùn)動(dòng)時(shí)可以使從動(dòng)件 獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期運(yùn)動(dòng)。在第4章介紹屮，我們已經(jīng)看到。凸輪機(jī)構(gòu)在各種機(jī)械屮有人 量的應(yīng)用。即使在現(xiàn)代化程度很高的自動(dòng)機(jī)械中，凸輪機(jī)構(gòu)的作用也是不可替代的。凸輪機(jī)構(gòu)山凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架三部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，只要設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?線，就可以使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)任意的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在自動(dòng)機(jī)械中，凸輪機(jī)構(gòu)常與其它機(jī)構(gòu)組合使用，充分 發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。山于凸輪機(jī)構(gòu)是高副機(jī)構(gòu)，易于磨損：熾損后會(huì)影響運(yùn)動(dòng)規(guī)律的準(zhǔn)確 性，因此只適川于傳遞動(dòng)力不人的場(chǎng)合。圖12

2、-1為白動(dòng)機(jī)床中的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，當(dāng)凸輪等速冋轉(zhuǎn)一周吋，凸輪的曲線外廓推動(dòng)從動(dòng)件帶 動(dòng)刀架完成以下動(dòng)作：車刀快速接近工件，等速進(jìn)刀切削，切削結(jié)束刀具快速退回，停留一段時(shí)間 再進(jìn)行下一個(gè)運(yùn)動(dòng)循壞。圖 12-1圖 12-2圖12-2為糖果包裝剪切機(jī)構(gòu)，它采川了凸輪一連桿機(jī)構(gòu)，槽凸輪1繞定軸b轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿2與機(jī) 架餃接于a點(diǎn)。構(gòu)件5和6與構(gòu)件2組成轉(zhuǎn)動(dòng)副d和c,與構(gòu)件3和4 （剪刀）組成轉(zhuǎn)動(dòng)副e和f。 構(gòu)件3和4繞定軸k轉(zhuǎn)動(dòng)。凸倫1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)構(gòu)件2、5、和6,使剪刀打開(kāi)或關(guān)閉。圖123為機(jī)械手及進(jìn)出糖機(jī)構(gòu)。送糖盤7從輸送帶10上取得糖塊，并與鉗糖機(jī)械手反向同步放 置至進(jìn)料工位i,經(jīng)頂糖、折邊后，產(chǎn)品被

3、機(jī)械手送至工位ii后落下或由撥糖桿推下。機(jī)械手開(kāi)閉 由機(jī)械手開(kāi)合凸輪（圖屮虛線）1控制，該凸輪的輪廓線是由兩個(gè)半徑不同的i員1弧組成，機(jī)械手的 夾緊主要靠彈簧力。圖127 頂糖.接糖機(jī)構(gòu)1平面槽凸輪機(jī)構(gòu)2頂糖桿3糖塊4一接糖桿5-圓柱凸輪機(jī)構(gòu)圖12-3機(jī)械手及進(jìn)岀糖機(jī)構(gòu)1機(jī)械手開(kāi)合凸輪2-成品3輸送帶4 一托板5彈簧6鉗糖機(jī)械手7送糖盤8托盤9巧克力糖10 輸料帶1進(jìn)料工位一出糖工位圖12-5電阻壓帽自動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)圖1一電動(dòng)機(jī)2帶式無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)3分配釉4、9一壓帽機(jī)構(gòu)凸輪5電阻送料機(jī)構(gòu)凸輪6壓緊機(jī)構(gòu)凸輪7電阻帽8電阻坯件10-蝸輪11 一蝸軒12調(diào)速手輪12-6圖12-4所示為由兩個(gè)凸輪組合

4、的頂糖、接糖機(jī)構(gòu)，通過(guò)平面槽凸輪機(jī)構(gòu)將糖頂起，由圓柱凸倫機(jī)構(gòu)控制接糖桿 的動(dòng)作，完成接糖工作。圖125所示的機(jī)構(gòu)中，應(yīng)用了四個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)的配合動(dòng)作來(lái)完成電阻壓帽工 序。內(nèi)燃機(jī)中的閥門啟閉機(jī)構(gòu)（圖12-6）,縫紉機(jī)的挑線機(jī)構(gòu)（圖12-7）等，都是凸輪機(jī)構(gòu)具體應(yīng)用 的實(shí)例。由以上各例可見(jiàn)，凸輪機(jī)構(gòu)在各種機(jī)器中的應(yīng)用是相當(dāng)廣泛的，了解凸輪機(jī)構(gòu)的有關(guān)知識(shí) 是非常必要的。12.1凸輪機(jī)構(gòu)的分類按照凸輪及從動(dòng)件的形狀，凸輪機(jī)構(gòu)的分類見(jiàn)表12-io12.2凸輪機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是保證從動(dòng)件按照設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此確定從動(dòng)件的 運(yùn)動(dòng)規(guī)律是凸輪設(shè)計(jì)的前提。12.2.1平面

5、凸輪機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程和運(yùn)動(dòng)參數(shù)圖12-8a為一對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，從動(dòng)件移動(dòng)導(dǎo)路至凸輪旋轉(zhuǎn)中心的偏距為 以凸輪輪廓的故小向徑廠b為半徑所作的圓稱為基圓，m為基圓半徑，凸輪以等角速度泌時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 在圖示位置，尖頂與4點(diǎn)接觸，a點(diǎn)是基圓與開(kāi)始上升的輪廓曲線的交點(diǎn)，此時(shí)，從動(dòng)件的尖頂離 凸輪軸最近。凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，向徑增大，從動(dòng)件被凸輪輪丿郭推向上，到達(dá)向徑最大的3點(diǎn)時(shí)，從動(dòng)件 距凸輪軸心最遠(yuǎn)，這一過(guò)程稱為推程。與z對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角4）稱為推程運(yùn)動(dòng)角，從動(dòng)件上升的最大 位移力稱為行程。當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)§時(shí)，山于輪廓bc段為一向徑不變的圓弧，從動(dòng)件停留在最遠(yuǎn) 處不動(dòng)，此過(guò)程稱為遠(yuǎn)停程，對(duì)應(yīng)

6、的凸輪轉(zhuǎn)角§稱為遠(yuǎn)停程角。當(dāng)凸輪又繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)矗'角時(shí)，凸輪向 徑由最大減至b從動(dòng)件從最遠(yuǎn)處回到基圓上的d點(diǎn)，此過(guò)程稱為回程，對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角亦稱為回 程運(yùn)動(dòng)角。當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)毋角時(shí)，由于輪廓04段為向徑不變的基惻員i弧，從動(dòng)件繼續(xù)停在距軸 心最近處不動(dòng)，此過(guò)程稱為近停程，對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角&稱為近停程角。此吋，&）+§+砧+（廠=2兀, 凸輪剛好轉(zhuǎn)過(guò)一圈，機(jī)構(gòu)完成一個(gè)工作循環(huán)，從動(dòng)件則完成一個(gè)“升一停一降一停”的運(yùn)動(dòng)循環(huán)。圓柱凸輪機(jī)構(gòu)移動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)鎖合方式尖頂對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件尖頂偏置直動(dòng)從動(dòng)件尖頂擺動(dòng)從動(dòng)件移動(dòng)從動(dòng)件尖頂移動(dòng)從動(dòng)件滾子對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件滾子僞置直動(dòng)從

7、動(dòng)件滾子擺動(dòng)從動(dòng)件擺動(dòng)從動(dòng)件滾子氏動(dòng)從動(dòng)件形鎖介b9a)圖 12-8單位(mm)弦距銷距半角兩柱銷最 小距離柱銷中心 圓半徑r2柱銷直徑柱銷數(shù)主動(dòng)凸輪直徑r1103.32522.5°53.325135508100上述過(guò)程可以用從動(dòng)件的位移曲線來(lái)描述。以從動(dòng)件的位移$為縱朋標(biāo)，對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角為橫 處標(biāo)，將凸輪轉(zhuǎn)角或達(dá)出來(lái)的圖形稱為從動(dòng)件的位移線圖，如圖12$b所示。從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其位移$、速度八加速度d隨時(shí)間/ （或凸輪轉(zhuǎn)角）的變化規(guī)律，稱為 從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由此可見(jiàn)，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全取決于凸輪的輪廓形狀。工程中，從動(dòng)件的 運(yùn)動(dòng)規(guī)律通常是由凸輪的使用要求確定的。因此，根據(jù)實(shí)

8、際要求的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律所設(shè)計(jì)凸輪的輪 廓曲線，完全能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的生產(chǎn)要求。12.2.2從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律有等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及正 弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。1. 等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律度有突變，其加速度和慣性力在理論上為無(wú)窮大，致使凸輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)牛強(qiáng)烈的沖擊、噪聲和磨損, 這種沖擊為剛性沖擊。因此，等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律只適用于低速、輕載的場(chǎng)合。2. 等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律從動(dòng)件在一個(gè)行程h前半行程作等加速運(yùn)動(dòng)，后半行程作等減速運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律稱為等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通常加速度和減速度的絕對(duì)值相等，其運(yùn)動(dòng)線圖如圖12-10所示。v吩）a)圖 12-10由運(yùn)動(dòng)線圖可知，這

9、種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的加速度在a、b. c三處存在有限的突變，因而會(huì)在機(jī)構(gòu)中產(chǎn) 生有限的沖擊，這種沖擊稱為柔性沖擊。與等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律相比，其沖擊程度人為減小。因此，等加 速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律適用于屮速、屮載的場(chǎng)合。3簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律（余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律）當(dāng)一質(zhì)點(diǎn)在圓周上作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它在該圓直徑上投影的運(yùn)動(dòng)規(guī)律稱為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。因其加速度運(yùn)動(dòng)曲線為余弦曲線故也稱余弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，具運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)線圖如圖1211所示。a)圖 12-12圖 12-11山加速度線圖可知，此運(yùn)動(dòng)規(guī)律在行程的始末兩點(diǎn)加速度存在有限突變，故也存在柔性沖擊, 只適用于中速場(chǎng)合。但當(dāng)從動(dòng)件作無(wú)停歇的升一降一升連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng) 時(shí)，則得到連續(xù)的余弦曲線，柔性沖

10、擊被消除，這種情況下可川于高速 場(chǎng)合。4.擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律（正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律）當(dāng)一圓沿縱軸作勻速純滾動(dòng)時(shí)，圓周上某定點(diǎn)q的運(yùn)動(dòng)軌跡為一擺 線，而足點(diǎn)a運(yùn)動(dòng)時(shí)在縱軸上投影的運(yùn)動(dòng)規(guī)律即為擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因具 加速度按止弦曲線變化，故又稱正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng) 線圖如圖12-12所示。從動(dòng)件按止弦加速度規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，在全行程中無(wú)速度和加速度的突 變，因此不產(chǎn)生沖擊，適用于高速場(chǎng)合。了解從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，便丁我們?cè)谕馆啓C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)機(jī)器的工作要求進(jìn)行合理選擇。12.3凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)器的工作要求，在確定了凸輪機(jī)構(gòu)的類型及從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)t規(guī)律、凸輪的某i員i半徑和凸 輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向后，便可開(kāi)

11、始凸輪倫廓曲線的設(shè)計(jì)了。凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)方法有圖解法和解析法。圖解法簡(jiǎn)單直觀，但不夠精確，只適用于一般場(chǎng)合；解析法精確但計(jì)算量大，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 的迅速推廣應(yīng)用，解析法設(shè)計(jì)將成為設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)的主要方法。以下分別介紹這兩種方法。12.3.1圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線1. 圖解法的原理圖解法繪制凸輪輪廓曲線的原理是“反轉(zhuǎn)法”，即在整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)（凸輪、從動(dòng)件、機(jī)架）上加一個(gè)與凸輪角速度大小相等、方向相反的角速度（一血），于是凸輪靜止不動(dòng)，而從動(dòng)件則與機(jī)架（導(dǎo)路）一起以角速度（一q繞始終與凸輪輪綁保持接觸，所以從動(dòng)件在反轉(zhuǎn)行程中，其尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪的輪廓曲線。2. 尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓的

12、設(shè)計(jì)例12-1設(shè)已知凸輪逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，其基圓半徑/-b=30mm,從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為凸輪轉(zhuǎn)角0。180。180。300。300。360。從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等速上升30 mm等加速等減速下降冋到原處停止不動(dòng)試設(shè)計(jì)此凸輪輪廓曲線。解：設(shè)計(jì)步驟如下：（1）選取適當(dāng)比例尺作位移線圖選取長(zhǎng)度比例尺和角度比例尺為l=（）.0（）2 （m/mm），心=6 （度/mm）按角度比例尺在橫軸上由原點(diǎn)向右量取30mm. 20mm. 10mm分別代表推程角180。、回程角 120。、近停程和60。每30。取一等分點(diǎn)等分推程和回程，得分點(diǎn)1、2 10,停程不必収分點(diǎn)，在縱軸上按長(zhǎng)度比例尺向上截取15mm代表推稈位移30mm

13、。按已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律作位移線圖（圖 12-14a）o（2）作基惻取分點(diǎn)任取一點(diǎn)o為圓心，以點(diǎn)b為從動(dòng)件尖頂?shù)淖畹忘c(diǎn)，由長(zhǎng)度比例尺取rb=15mm作基圓。從b點(diǎn) 始，按（一血）方向収推程角、冋程角和近停程角，并分成與位移線圖對(duì)應(yīng)的相同等分，得分點(diǎn)你、 b2bn與點(diǎn)重合。(3) imi輪廓曲線聯(lián)接ob】并在延長(zhǎng)線上取3耐=11，得點(diǎn)b,同樣在0血延長(zhǎng)線上取b2b2，=229f直到閃點(diǎn)，點(diǎn)so與基圓上點(diǎn)b。'重合。將耐、陀、b亦聯(lián)接為光滑曲線,即得所求的凸輪輪廓曲線, 如圖 12-14bo子中心，其運(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪的理論輪廓曲線，凸輪的實(shí)際輪廓曲線是與理論輪廓曲線相距滾子半徑&的一條等距

14、曲線，應(yīng)注意的是，凸輪的基圓指的是理論倫廓線上的基圓，如圖i2-14c所示。圖 12-14對(duì)于其他從動(dòng)件凸輪曲線的設(shè)計(jì)，可參照上述方法。*12.3.2解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線直角坐標(biāo)法的設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)步驟：(1) 建立直角處標(biāo)系，并根據(jù)反轉(zhuǎn)法建立從動(dòng)件尖頂 的坐標(biāo)方程。如圖12-15所示，建立過(guò)凸輪轉(zhuǎn)軸中心的坐標(biāo)系xoy, 圖中b()點(diǎn)為從動(dòng)件推程的起始點(diǎn)，導(dǎo)路與轉(zhuǎn)軸中心的距離 為e (當(dāng)凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、導(dǎo)路右偏時(shí)，e為止，反z, e 為負(fù)，當(dāng)凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則與之和反)根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理, 凸倫以轉(zhuǎn)過(guò)角，相當(dāng)于從動(dòng)件及導(dǎo)路以轉(zhuǎn)過(guò)角，滾子中心到達(dá)b點(diǎn)，位移量為s。從圖中幾何關(guān)系 可得b點(diǎn)的坐標(biāo)為x

15、= (so+s) sin得“cose(丄)凸輪實(shí)際綁線上任一點(diǎn)b' &'，y')在凸輪理論廉線法線上與滾子中心b (x, y)相距rr處，其坐標(biāo)為x'二 x口 cos&(12-2)y'= yr sind(2) 建立計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序框圖，如圖12-16o(3) 運(yùn)行計(jì)算機(jī)并繪出所設(shè)計(jì)的凸輪輪丿廊曲線。結(jié)束圖 12-16本章小結(jié)1. 凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2. 凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有：等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、簡(jiǎn)諧（余弦加速度）運(yùn)動(dòng)規(guī)律、擺線（正弦加速度）運(yùn)動(dòng)規(guī)律。3. 凸輪輪廓設(shè)計(jì)的圖解法的原理是“反轉(zhuǎn)法思考題12-1為什么凸輪機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)、半自動(dòng)機(jī)械的控制裝置中？12-2凸輪輪廓的反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)依據(jù)的是什么原理？12-1試標(biāo)出圖示位移線圖中的行程爪推程運(yùn)動(dòng)角久、遠(yuǎn)停程角比、回程角近停程角刃$。12-2試寫(xiě)出圖示凸輪機(jī)構(gòu)的名稱,并在圖上作出行程力,基圓半徑怎，凸輪轉(zhuǎn)角況、&、仇、死以及a、b兩 處的壓力角。12-3如圖所示是一偏心圓凸輪機(jī)構(gòu),o為偏心圓的幾何中心,偏心距e=15 mm, <7=60 mm,試在圖中標(biāo)出：（1）凸輪的基圓半徑、從動(dòng)件的繪大位移丹和推程運(yùn)動(dòng)角5的值；（2）凸輪轉(zhuǎn)過(guò)90。時(shí)從動(dòng)件的位移s。12-4圖示為一滾子對(duì)心直動(dòng)從動(dòng)件