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

1、本章介紹凸輪機(jī)構(gòu)的類型、特點、應(yīng)用及盤形凸輪的設(shè)計。凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，它通過與從動件的高副接觸，在運(yùn)動時可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期運(yùn)動。在第4章介紹中，我們已經(jīng)看到。凸輪機(jī)構(gòu)在各種機(jī)械中有大量的應(yīng)用。即使在現(xiàn)代化程度很高的自動機(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)由凸輪、從動件和機(jī)架三部分組成，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，只要設(shè)計出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞€，就可以使從動件實現(xiàn)任意的運(yùn)動規(guī)律。在自動機(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，揚(yáng)長避短。由于凸輪機(jī)構(gòu)是高副機(jī)構(gòu)，易于磨損；磨損后會影響運(yùn)動規(guī)律的準(zhǔn)確性，因此只適用于傳遞動力不大的場合。圖12-1為自動

2、機(jī)床中的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，當(dāng)凸輪等速回轉(zhuǎn)一周時，凸輪的曲線外廓推動從動件帶動刀架完成以下動作：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，停留一段時間再進(jìn)行下一個運(yùn)動循環(huán)。 圖12-1 圖12-2圖12-2為糖果包裝剪切機(jī)構(gòu)，它采用了凸輪連桿機(jī)構(gòu)，槽凸輪1繞定軸B轉(zhuǎn)動，搖桿2與機(jī)架鉸接于A點。構(gòu)件5和6與構(gòu)件2組成轉(zhuǎn)動副D和C，與構(gòu)件3和4（剪刀）組成轉(zhuǎn)動副E和F。構(gòu)件3和4繞定軸K轉(zhuǎn)動。凸輪1轉(zhuǎn)動時，通過構(gòu)件2、5、和6，使剪刀打開或關(guān)閉。圖12-3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，經(jīng)頂糖、折邊后，產(chǎn)品被機(jī)械手送至工位后落下或由

3、撥糖桿推下。機(jī)械手開閉由機(jī)械手開合凸輪（圖中虛線）1控制，該凸輪的輪廓線是由兩個半徑不同的圓弧組成，機(jī)械手的夾緊主要靠彈簧力。圖12-6圖12-7圖12-4所示為由兩個凸輪組合的頂糖、接糖機(jī)構(gòu)，通過平面槽凸輪機(jī)構(gòu)將糖頂起，由圓柱凸輪機(jī)構(gòu)控制接糖桿的動作，完成接糖工作。圖12-5所示的機(jī)構(gòu)中，應(yīng)用了四個凸輪機(jī)構(gòu)的配合動作來完成電阻壓帽工序。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)用的實例。由以上各例可見，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)知識是非常必要的。12.1 凸輪機(jī)構(gòu)的分類按照凸輪及從動件的形狀，凸輪機(jī)構(gòu)的分類見表1

4、2-1。12.2 凸輪機(jī)構(gòu)中從動件常用的運(yùn)動規(guī)律凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)是保證從動件按照設(shè)計要求實現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律，因此確定從動件的運(yùn)動規(guī)律是凸輪設(shè)計的前提。12.2. 1 平面凸輪機(jī)構(gòu)的工作過程和運(yùn)動參數(shù)圖12-8a為一對心直動尖頂從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，從動件移動導(dǎo)路至凸輪旋轉(zhuǎn)中心的偏距為e。以凸輪輪廓的最小向徑rb為半徑所作的圓稱為基圓，rb為基圓半徑，凸輪以等角速度w逆時針轉(zhuǎn)動。在圖示位置，尖頂與A點接觸，A點是基圓與開始上升的輪廓曲線的交點，此時，從動件的尖頂離凸輪軸最近。凸輪轉(zhuǎn)動時，向徑增大，從動件被凸輪輪廓推向上，到達(dá)向徑最大的B點時，從動件距凸輪軸心最遠(yuǎn)，這一過程稱為推程。與之對應(yīng)的

5、凸輪轉(zhuǎn)角d0稱為推程運(yùn)動角，從動件上升的最大位移h稱為行程。當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過ds時，由于輪廓BC段為一向徑不變的圓弧，從動件停留在最遠(yuǎn)處不動，此過程稱為遠(yuǎn)停程，對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角ds稱為遠(yuǎn)停程角。當(dāng)凸輪又繼續(xù)轉(zhuǎn)過d0角時，凸輪向徑由最大減至rb，從動件從最遠(yuǎn)處回到基圓上的D點，此過程稱為回程，對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角d0稱為回程運(yùn)動角。當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過ds角時，由于輪廓DA段為向徑不變的基圓圓弧，從動件繼續(xù)停在距軸心最近處不動，此過程稱為近停程，對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角ds稱為近停程角。此時，d0ds d0ds=2p，凸輪剛好轉(zhuǎn)過一圈，機(jī)構(gòu)完成一個工作循環(huán)，從動件則完成一個“升停降?！钡倪\(yùn)動循環(huán)。圖12-8 單位（mm）

6、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)主動凸輪直徑R1103.32522.5°53.325135508100上述過程可以用從動件的位移曲線來描述。以從動件的位移s為縱坐標(biāo)，對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)，將凸輪轉(zhuǎn)角或達(dá)出來的圖形稱為從動件的位移線圖，如圖12-8b所示。從動件在運(yùn)動過程中，其位移s、速度v、加速度a隨時間t（或凸輪轉(zhuǎn)角）的變化規(guī)律，稱為從動件的運(yùn)動規(guī)律。由此可見，從動件的運(yùn)動規(guī)律完全取決于凸輪的輪廓形狀。工程中，從動件的運(yùn)動規(guī)律通常是由凸輪的使用要求確定的。因此，根據(jù)實際要求的從動件運(yùn)動規(guī)律所設(shè)計凸輪的輪廓曲線，完全能實現(xiàn)預(yù)期的生產(chǎn)要求。12.2.2 從動

7、件常用的運(yùn)動規(guī)律常用的從動件運(yùn)動規(guī)律有等速運(yùn)動規(guī)律，等加速-等減速運(yùn)動規(guī)律、余弦加速度運(yùn)動規(guī)律以及正弦運(yùn)動規(guī)律等。1 等速運(yùn)動規(guī)律 度有突變，其加速度和慣性力在理論上為無窮大，致使凸輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生強(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)動規(guī)律只適用于低速、輕載的場合。2 等加速等減速運(yùn)動規(guī)律 從動件在一個行程h中，前半行程作等加速運(yùn)動，后半行程作等減速運(yùn)動，這種運(yùn)動規(guī)律稱為等加速等減速運(yùn)動規(guī)律。通常加速度和減速度的絕對值相等，其運(yùn)動線圖如圖12-10所示。圖12-9圖12-10由運(yùn)動線圖可知，這種運(yùn)動規(guī)律的加速度在A、B、C三處存在有限的突變，因而會在機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生有限的沖擊，這種沖擊

8、稱為柔性沖擊。與等速運(yùn)動規(guī)律相比，其沖擊程度大為減小。因此，等加速等減速運(yùn)動規(guī)律適用于中速、中載的場合。3 簡諧運(yùn)動規(guī)律（余弦加速度運(yùn)動規(guī)律）當(dāng)一質(zhì)點在圓周上作勻速運(yùn)動時，它在該圓直徑上投影的運(yùn)動規(guī)律稱為簡諧運(yùn)動。因其加速度運(yùn)動曲線為余弦曲線故也稱余弦運(yùn)動規(guī)律，其運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動線圖如圖12-11所示。圖12-11圖12-12由加速度線圖可知，此運(yùn)動規(guī)律在行程的始末兩點加速度存在有限突變，故也存在柔性沖擊，只適用于中速場合。但當(dāng)從動件作無停歇的升降升連續(xù)往復(fù)運(yùn)動時，則得到連續(xù)的余弦曲線，柔性沖擊被消除，這種情況下可用于高速場合。4 擺線運(yùn)動規(guī)律（正弦加速度運(yùn)動規(guī)律） 當(dāng)一圓沿縱軸作勻速純滾動時，圓

9、周上某定點A的運(yùn)動軌跡為一擺線，而定點A運(yùn)動時在縱軸上投影的運(yùn)動規(guī)律即為擺線運(yùn)動規(guī)律。因其加速度按正弦曲線變化，故又稱正弦加速度運(yùn)動規(guī)律，其運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動線圖如圖12-12所示。從動件按正弦加速度規(guī)律運(yùn)動時，在全行程中無速度和加速度的突變，因此不產(chǎn)生沖擊，適用于高速場合。，了解從動件的運(yùn)動規(guī)律，便于我們在凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計時，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)的類型及從動件的運(yùn)動干規(guī)律、凸輪的基圓半徑和凸輪的轉(zhuǎn)動方向后，便可開始凸輪輪廓曲線的設(shè)計了。凸輪輪廓曲線的設(shè)計方法有圖解法和解析法。圖解法簡單直觀，但不夠精確，只適用于一般場合；解析法

10、精確但計算量大，隨著計算機(jī)輔助設(shè)計的迅速推廣應(yīng)用，解析法設(shè)計將成為設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)的主要方法。以下分別介紹這兩種方法。圖12-1312.3.1 圖解法設(shè)計凸輪輪廓曲線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”，即在整個凸輪機(jī)構(gòu)（凸輪、從動件、機(jī)架）上加一個與凸輪角速度大小相等、方向相反的角速度（w），于是凸輪靜止不動，而從動件則與機(jī)架（導(dǎo)路）一起以角速度（w）繞始終與凸輪輪廓保持接觸，所以從動件在反轉(zhuǎn)行程中，其尖頂?shù)倪\(yùn)動軌跡就是凸輪的輪廓曲線。2尖頂直動從動件盤形凸輪輪廓的設(shè)計 例12-1 設(shè)已知凸輪逆時針回轉(zhuǎn)，其基圓半徑rb=30 mm，從動件的運(yùn)動規(guī)律為凸輪轉(zhuǎn)角0°180

11、°180°300°300°360°從動件的運(yùn)動規(guī)律等速上升30 mm等加速等減速下降回到原處停止不動試設(shè)計此凸輪輪廓曲線。解： 設(shè)計步驟如下：（1） 選取適當(dāng)比例尺作位移線圖選取長度比例尺和角度比例尺為mL=0.002（m/mm）, md=6（度/mm）按角度比例尺在橫軸上由原點向右量取 30mm、20mm、10mm分別代表推程角180°、回程角120°、近停程角60°。每30°取一等分點等分推程和回程，得分點1、2、10，停程不必取分點，在縱軸上按長度比例尺向上截取15mm代表推程位移30mm。按已知運(yùn)

12、動規(guī)律作位移線圖（圖12-14a）。（2）作基圓取分點 任取一點O為圓心，以點B為從動件尖頂?shù)淖畹忘c，由長度比例尺取rb=15mm作基圓。從B點始，按（w）方向取推程角、回程角和近停程角，并分成與位移線圖對應(yīng)的相同等分，得分點B1、B2、B11與B點重合。（3）畫輪廓曲線聯(lián)接OB1并在延長線上取B1B1=11得點B1，同樣在OB2延長線上取B2B2=22，直到B9點，點B10與基圓上點B10重合。將B1、 B2、 B10聯(lián)接為光滑曲線，即得所求的凸輪輪廓曲線，如圖12-14b。子中心，其運(yùn)動軌跡就是凸輪的理論輪廓曲線，凸輪的實際輪廓曲線是與理論輪廓曲線相距滾子半徑rT的一條等距曲線，應(yīng)注意的是

13、，凸輪的基圓指的是理論輪廓線上的基圓，如圖12-14c所示。圖12-14對于其他從動件凸輪曲線的設(shè)計，可參照上述方法。*12.3.2 解析法設(shè)計凸輪輪廓曲線直角坐標(biāo)法的設(shè)計過程。圖12-15設(shè)計步驟：（1）建立直角坐標(biāo)系，并根據(jù)反轉(zhuǎn)法建立從動件尖頂 的坐標(biāo)方程。如圖12-15所示，建立過凸輪轉(zhuǎn)軸中心的坐標(biāo)系xOy，圖中B0點為從動件推程的起始點，導(dǎo)路與轉(zhuǎn)軸中心的距離為e（當(dāng)凸輪逆時針轉(zhuǎn)動、導(dǎo)路右偏時，e為正，反之，e為負(fù)，當(dāng)凸輪順時針轉(zhuǎn)動時，則與之相反）根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，凸輪以轉(zhuǎn)過角，相當(dāng)于從動件及導(dǎo)路以轉(zhuǎn)過角，滾子中心到達(dá)B點，位移量為s。從圖中幾何關(guān)系可得B點的坐標(biāo)為（12-1） x=（s0

14、+s）sinj+ecosj凸輪實際廓線上任一點B（x，y）在凸輪理論廓線法線上與滾子中心B（x，y）相距rT 處，其坐標(biāo)為（12-2） x= xrT cosq y= yrT sinq（2）建立計算機(jī)輔助設(shè)計程序框圖，如圖12-16。（3）運(yùn)行計算機(jī)并繪出所設(shè)計的凸輪輪廓曲線。圖12-16本章小結(jié)1凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律。2凸輪機(jī)構(gòu)從動件常見的運(yùn)動規(guī)律有：等速運(yùn)動規(guī)律、等加速等減速運(yùn)動規(guī)律、簡諧（余弦加速度）運(yùn)動規(guī)律、擺線（正弦加速度）運(yùn)動規(guī)律。 3凸輪輪廓設(shè)計的圖解法的原理是“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、半自動機(jī)械的控制裝置中？12-

15、2 凸輪輪廓的反轉(zhuǎn)法設(shè)計依據(jù)的是什么原理？習(xí) 題 12-1 試標(biāo)出圖示位移線圖中的行程h、推程運(yùn)動角do、遠(yuǎn)停程角d s、回程角d¢ o、近停程角d ¢s。12-2 試寫出圖示凸輪機(jī)構(gòu)的名稱，并在圖上作出行程h，基圓半徑rb，凸輪轉(zhuǎn)角do、d s、d¢ o、d ¢s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，d=60 mm，試在圖中標(biāo)出：（1） 凸輪的基圓半徑、從動件的最大位移H和推程運(yùn)動角d 的值；（2） 凸輪轉(zhuǎn)過90°時從動件的位移s。12-4 圖示為一滾子對心直動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。試在圖中畫出該凸輪的理論輪廓曲線、基圓半徑、推程最大位移H和圖示位置的凸輪機(jī)構(gòu)壓力角。題12-1圖 題12-2圖題12-3圖 題12-4圖