第3章凸輪機(jī)構(gòu)..

1、第3章凸輪機(jī)構(gòu)本章介紹凸輪機(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(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)由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架三部分組成，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，只要設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞€，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，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(huì)影響運(yùn)動(dòng)規(guī)律的準(zhǔn)確性，因此只適用于傳遞動(dòng)力不大的場合。圖

2、1-1為自動(dòng)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(shí)，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)循環(huán)。圖1-1圖1-2圖1-2為糖果包裝剪切機(jī)構(gòu)， 它采用了凸輪一連桿機(jī)構(gòu)，槽凸輪1繞定軸B轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿2與機(jī)架 鉸接于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)。凸輪1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過構(gòu)件 2、5、和6,使剪刀打開或關(guān)閉。圖1-3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I,經(jīng)頂糖、折邊后，產(chǎn)品被機(jī)械手送

3、至工位H后落下或由撥糖桿推下。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(gè)半徑不同的圓弧組成，機(jī)械手的-228 -夾緊主要靠彈簧力。圏12-4 頂糖、接糖機(jī)構(gòu)1 一平面樁凸輪機(jī)構(gòu)2頂糖抒3#塊4-接糖桿5IE柱凸輪機(jī)構(gòu)圖1-6圖12-3機(jī)械吳及進(jìn)出糖機(jī)構(gòu)1機(jī)械手幵合凸輪2武品3輸送帶4托板$畀豪6-ffiW機(jī)械手7港幡盤 直一托盤0巧克力常 H 輸料帶1進(jìn)料工惶 I出憾工位圖12-5電阻壓帽自動(dòng)機(jī)的恃動(dòng)系統(tǒng)圖 1一電動(dòng)機(jī)2-帶或無圾變速機(jī)拘3分配釉4、9壓帽機(jī)構(gòu)凸輪5電阻送料機(jī)構(gòu)凸輪 名一壓進(jìn)機(jī)構(gòu)凸輪丁一電阻帽&一電H1坯件10蝸輪“一蝸軒12調(diào)速手輪圖1-7

4、圖1-4所示為由兩個(gè)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(dòng)作，完成接糖工作。圖1-5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)作來完成電阻壓帽工序。內(nèi) 燃機(jī)中的閥門啟閉機(jī)構(gòu) （圖1-6），縫紉機(jī)的挑線機(jī)構(gòu)（圖 1-7 ）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，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。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)的分類見表1-1。12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。1

5、.2. 1平面凸輪機(jī)構(gòu)的工作過程和運(yùn)動(dòng)參數(shù)圖1-8a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e。以凸輪輪廓的最小向徑心為半徑所作的圓稱為 基圓，心為基圓半徑，凸輪以等角速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖示位置，尖頂與 A點(diǎn)接觸，A點(diǎn)是基圓與開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)件被凸輪輪廓推向上，到達(dá)向徑最大的B點(diǎn)時(shí)，從動(dòng)件距凸輪軸心最遠(yuǎn)，這一過程稱為推程。與之對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角稱為推程運(yùn)動(dòng)角，從動(dòng)件上升的最大位移h稱為行程。當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過、s時(shí)，由于輪廓 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)，此過程稱為 遠(yuǎn)停程，對(duì)應(yīng)

6、的凸輪轉(zhuǎn)角-S稱為遠(yuǎn)停程角。當(dāng)凸輪又繼續(xù)轉(zhuǎn)過'0 '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)，此過程稱為 回程，對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角稱為回升一停一降一?！钡倪\(yùn)動(dòng)循環(huán)。程運(yùn)動(dòng)角。當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過 J角時(shí)，由于輪廓 DA段為向徑不變的基圓圓弧，從動(dòng)件繼續(xù)停在距軸 心最近處不動(dòng)，此過程稱為 近停程，對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角 飛'稱為近停程角。此時(shí)，'：o+、s+、o'+'：s' =2, 凸輪剛好轉(zhuǎn)過一圈，機(jī)構(gòu)完成一個(gè)工作循環(huán)，從動(dòng)件則完成一個(gè)弋釵牢B:壬吃戲?qū)な镡釧拿墻W嚅豊孝堂B-年垢壬培崔唱冬舉*虻尋丟用上*居虻尋W空津莘鴦壬培卑魁乍氓空

7、瑯上記事SE££皚培玄香眸逞玄半屁壬埒芒自認(rèn)目grLlr理顯警呂母證睪晶賢£曲蠱會(huì)-l«sC£Xb）roa）圖1-8上述過程可以用從動(dòng)件的位移曲線來描述。以從動(dòng)件的位移s為縱坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)，將凸輪轉(zhuǎn)角或時(shí)間與對(duì)應(yīng)的從動(dòng)件位移之間的函數(shù)關(guān)系用曲線表達(dá)出來的圖形稱為從動(dòng)件的 位移線圖，如圖1-8b所示。從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)過程中，其位移s、速度V、加速度a隨時(shí)間t （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，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)際要求的從動(dòng)

8、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。1.2.2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)律從動(dòng)件推程或回程的運(yùn)動(dòng)速度為常數(shù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，稱為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其運(yùn)動(dòng)線圖如圖 1-9、所示。由圖可知，從動(dòng)件在推程（或回程）開始和終止的瞬間，速度有突變，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(dòng)規(guī)律只適用于低速、輕載的場合。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中，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

9、運(yùn)動(dòng)規(guī)律稱為b)1-10所示。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)線圖如圖圖1-9圖 1-10由運(yùn)動(dòng)線圖可知，這種運(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，其沖擊程度大為減小。因此，等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律適用于中速、中載的場合。3. 簡諧運(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，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)線圖如圖1-11所示?！癰）圖 1-119圖1-1由加速度線圖可知，此運(yùn)動(dòng)規(guī)律在行程的始末兩點(diǎn)加速

10、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(dòng)件作無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，柔性沖擊被消除，這種情況下可用于高速 場合。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)A的運(yùn)動(dòng)軌跡為一擺線，而定點(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。因其加速度按正弦曲線變化，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1-1所示。從動(dòng)件按正弦加速度規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，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。以上介紹了從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)際生產(chǎn)中還有更多的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如復(fù)雜多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律、改進(jìn)型運(yùn)動(dòng)

11、規(guī)律等，了解從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，便于我們?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。13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)干規(guī)律、凸輪的基圓半徑和凸 輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向后，便可開始凸輪輪廓曲線的設(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。 圖解法簡單直觀，但不夠精確，只適用于一般場合；解析法精確但計(jì)算量大，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)圖 1-13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。1.3.1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

12、角速 度大小相等、方向相反的角速度（一），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（繞凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，且從動(dòng)件仍按原來的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)導(dǎo)路移動(dòng)（或擺動(dòng)），如圖1-13。因從動(dòng)件尖頂始終與凸輪輪廓保 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)件盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)例1-1設(shè)已知凸輪逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，其基圓半徑rb=30 mm，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等加速等減速下降回到原處停止不動(dòng)試設(shè)計(jì)此凸輪輪廓曲線。解：設(shè)計(jì)步

13、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丄l=0.002 （ m/mm ） , -=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10°近停程角60°每30。取一等分點(diǎn)等分推程和回程，得分點(diǎn) 1、2、10,停程不必取分點(diǎn)， 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)動(dòng)規(guī)律作位移線圖（圖1-14a）。(2) 作基圓取分點(diǎn)任取一點(diǎn)0為圓心，以點(diǎn)B為從動(dòng)件尖頂?shù)淖畹忘c(diǎn)，由長度比例尺取rb=15mm作基圓。從B點(diǎn)始，按(一)方向取推程角、回程角和近停程角，并分成

14、與位移線圖對(duì)應(yīng)的相同等分，得分點(diǎn)Bi、B2、Bii與B點(diǎn)重合。(3) 畫輪廓曲線聯(lián)接OBi并在延長線上取 Bi Bi' =1得點(diǎn)Bi'同樣在0B2延長線上取B2B2' =22'，直到B9 點(diǎn)，點(diǎn)Bio與基圓上點(diǎn)Bio'重合。將Bi'、 B2' Bio'聯(lián)接為光滑曲線，即得所求的凸輪輪廓曲線， 如圖i-i4b。若從動(dòng)件為滾子，則可把尖頂看作是滾子中心，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葉的一條等距曲線，應(yīng)注意的是，凸輪的基圓指的是理論輪廓線上的基圓，如圖 i-i4c所示。圖 i-i4對(duì)于

15、其他從動(dòng)件凸輪曲線的設(shè)計(jì)，可參照上述方法。*1.3.2解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓的實(shí)質(zhì)是建立凸輪理論輪廓線、實(shí)際輪廓線的方程式，精確計(jì)算出廓線上 各點(diǎn)的坐標(biāo)值的方法。解析法設(shè)計(jì)凸輪曲線分為直角坐標(biāo)法和極坐標(biāo)法。下面以偏置直動(dòng)滾子從動(dòng) 件盤形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)為例，簡單介紹直角坐標(biāo)法的設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)步驟:(1) 建立直角坐標(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1-15所示，建立過凸輪轉(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為正，反之，e為負(fù)，當(dāng)凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，貝y與之相反)根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，凸輪

16、以轉(zhuǎn)過角，相當(dāng)于從動(dòng)件及導(dǎo)路以轉(zhuǎn)過角，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= (so+s) sin +ecos :(1-1)式中圖 1-15y= (so+s) cos esin式(1-1 )為凸輪理論廓線方程。凸輪實(shí)際廓線上任一點(diǎn)B' (x', y')在凸輪理論廓線法線上與滾子中心B (x, y)相距 厲處，其坐標(biāo)為(1-2)x'= rT costy'=y rT sin v(2) 建立計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序框圖，如圖1-16。(3) 運(yùn)行計(jì)算機(jī)并繪出所設(shè)計(jì)的凸輪輪廓曲線。訂印罠r畋口 tX圖 1-16本小結(jié)1 凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，

17、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1-1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？1-2凸輪輪廓的反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)依據(jù)的是什么原理？1-1試標(biāo)出圖示位移線圖中的行程h、推程運(yùn)動(dòng)角0、遠(yuǎn)停程角Z.S、回程角/。、近停程角.S。1-2 試寫岀圖示凸輪機(jī)構(gòu)的名稱，并在圖上作岀行程h，基圓半徑rb，凸輪轉(zhuǎn)角、b、.：.s、o、一s以及A、B兩處的壓力角。1-3 如圖所示是一偏心圓凸輪機(jī)構(gòu)，0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(dòng)件的最大位移H和推程運(yùn)動(dòng)角的值；(2) 凸輪轉(zhuǎn)過90°時(shí)從動(dòng)件的位移S。1-4圖示為一滾子對(duì)心直動(dòng)