凸輪機構(gòu)課件

凸輪機構(gòu)從動件常用運動規(guī)律凸輪輪廓曲線的設(shè)計凸輪機構(gòu)應(yīng)用和分類凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定反轉(zhuǎn)法的靈活運用1

1凸輪機構(gòu)的組成、特點及應(yīng)用

2凸輪機構(gòu)的分類

3凸輪機構(gòu)的材料教學(xué)內(nèi)容及重難點2一、凸輪機構(gòu)的應(yīng)用實現(xiàn)自動進(jìn)刀、退刀實例：自動機床的進(jìn)刀機構(gòu)3內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)控制閥門的啟閉42.凸輪機構(gòu)的組成凸輪從動件機架高副機構(gòu)52.特點凸輪廓線與從動件為點、線接觸，易于磨損。適當(dāng)?shù)卦O(shè)計凸輪的輪廓曲線，可使從動件實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。

優(yōu)點：缺點：主要用于傳力不大的控制場合。63.應(yīng)用1）實現(xiàn)無特定運動規(guī)律要求的工作行程抓取物體的機械手72）實現(xiàn)復(fù)雜的運動規(guī)律實現(xiàn)自動進(jìn)刀、退刀控制閥門的啟閉8自動車床凸輪機構(gòu)實現(xiàn)和控制送料、夾緊、車外圓與鉆孔、切斷的運動。9印刷機械101.按凸輪形狀分類二、凸輪機構(gòu)的分類盤形凸輪：最基本的形式，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用最為廣泛。移動凸輪：凸輪相對機架做直線移動。圓柱凸輪：屬于空間凸輪機構(gòu)。112.按從動件的形狀分類尖端能與任意復(fù)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。

尖端從動件：基本形式但尖端處極易磨損，只適用于傳力不大的低速機構(gòu)。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，用于傳遞較大的動力，應(yīng)用較廣。常用于中、低速機構(gòu)。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。143.按從動件的運動形式分類直動從動件：從動件作往復(fù)移動，其尖端的運動軌跡為一段直線。擺動從動件：從動件作往復(fù)擺動，其尖端的運動軌跡為一段圓弧。15對心直動從動件：

尖端或滾子中心的軌跡通過凸輪的軸心。直動從動件又分為：對心、偏置偏置直動從動件：尖端或滾子中心的軌跡不通過凸輪的軸心。164.按凸輪與從動件維持高副接觸的方法分類力鎖合利用彈簧力、從動件重力或其它外力17型鎖合：利用高副元素本身的幾何形狀槽凸輪機構(gòu)：槽兩側(cè)面的法向距離等于滾子直徑。主回凸輪機構(gòu)(共軛凸輪機構(gòu))一個凸輪推動從動件完成正行程運動，另一個凸輪推動從動件完成反行程的運動。18型鎖合等徑凸輪機構(gòu)：兩滾子中心間的距離始終保持不變。等寬凸輪機構(gòu)：

凸輪廓線上任意兩條平行切線間的距離都等于框架內(nèi)側(cè)的寬度。返回19§2從動件常用運動規(guī)律基本概念和參數(shù)從動件常用的運動規(guī)律從動件常用運動規(guī)律的選擇返回20一、基本概念和參數(shù)21從動件的位移線圖升程:從動件上升的最大距離h?；爻踢\動角:′推程運動角:

遠(yuǎn)休止角:

s近休止角:

s′基圓：以凸輪回轉(zhuǎn)中心為圓心，以最小向徑為半徑的圓?；鶊A半徑：r0。KK'

22二、從動件常用的運動規(guī)律等速運動等加等減速運動余弦加速運動（簡諧運動）正弦加速運動（擺線運動）23⒈等速運動推程運動方程式

S=h

/

v=h/

a=0推程運動線圖

s

va

sh

特點：行程始末速度有突變，加速度理論上由零變?yōu)闊o窮大，從而使從動件產(chǎn)生巨大的慣性力，機構(gòu)受到強烈沖擊，存在剛性沖擊。適應(yīng)場合：低速輕載24⒉等加速等減速運動sv

推程運動線圖特點：行程始末和中點，加速度突變，存在柔性沖擊。ah

適應(yīng)場合：用于中速輕載。推程等加速段等減速段/2h/225位移曲線畫法h1"2"3"推程等減速段推程等減速段

3'2'1'4'5'4194126⒊簡諧運動

(余弦加速度運動)簡諧運動:

質(zhì)點沿圓周運動時，其在直徑上的投影點形成的運動。

特點：有柔性沖擊。適應(yīng)場合：用于中、低速輕載。

當(dāng)從動件作無停歇連續(xù)運動時，可用于高速。

s

S

27s

h

3123456124562'1'3'4'5'6'推程位移曲線畫法O28⒋擺線運動（正弦加速度運動）擺線運動:滾圓在縱軸上作勻速純滾動時，其上一點在縱軸上的投影點形成的運動，即為擺線運動。特點：無剛、柔性沖擊，用于高速。

s返回平底

29三、從動件常用運動規(guī)律的選擇1.常用運動規(guī)律性能比較302.從動件運動規(guī)律的選擇原則返回當(dāng)機械的工作過程只要求從動件實現(xiàn)一定的工作行程，而對其運動規(guī)律無特殊要求時，應(yīng)考慮所選擇的運動規(guī)律使凸輪機構(gòu)具有較好的動力特性和便于加工。當(dāng)對從動件的運動規(guī)律有特殊要求，而凸輪轉(zhuǎn)速又不太高時，應(yīng)首先從滿足工作需要出發(fā)來選擇從動件的運動規(guī)律，其次考慮其動力特性和便于加工；但凸輪轉(zhuǎn)速又較高時，應(yīng)兼顧兩者來設(shè)計從動件的運動規(guī)律。在選擇或設(shè)計從動件的運動規(guī)律時，除了要考慮其沖擊特性外，還應(yīng)考慮其最大速度、最大加速度和最大躍度，因為它們會從不同角度影響凸輪機構(gòu)的工作性能。31§⒊平面凸輪輪廓曲線的設(shè)計凸輪廓線設(shè)計的基本原理用圖解法設(shè)計凸輪廓線用解析法設(shè)計凸輪廓線返回32一、凸輪廓線設(shè)計的基本原理在圖示的凸輪機構(gòu)中，當(dāng)凸輪以等角速度

轉(zhuǎn)動時，推動從動件在導(dǎo)路中移動。為了在圖紙上繪制出凸輪的輪廓曲線，希望凸輪相對于紙面保持靜止不動，為此，采用“反轉(zhuǎn)法”。33反轉(zhuǎn)法原理設(shè)想給整個機構(gòu)繞凸輪轉(zhuǎn)動中心O加上一個與凸輪的角速度大小相等、方向相反的公共角速度（-

）。此時凸輪靜止不動；從動件隨機架反轉(zhuǎn)（-

）又相對機架移動作復(fù)合運動從動件在復(fù)合運動中，其尖端的運動軌跡就是凸輪廓線。返擺桿34設(shè)計凸輪廓線時，使從動件隨機架反轉(zhuǎn)，同時又相對機架作預(yù)期運動，作出從動件在復(fù)合運動中的一系列位置，從動件尖端的軌跡就是所要求的凸輪廓線。設(shè)想凸輪固定不動，35二、用圖解法設(shè)計凸輪廓線直動從動件盤形凸輪機構(gòu)擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)36(一）直動從動件盤形凸輪廓線的設(shè)計偏置尖端直動從動件凸輪機構(gòu)對心尖端直動從動件凸輪機構(gòu)偏置滾子直動從動件凸輪機構(gòu)平底直動從動件凸輪機構(gòu)37⒈偏置直動尖端從動件盤形凸輪機構(gòu)例：已知從動件的運動規(guī)律，從動件位于凸輪的上方，從動件的導(dǎo)路偏于凸輪軸心的左側(cè)，偏距為e，凸輪的基圓半徑r0，凸輪以等角速度

（順時針)旋轉(zhuǎn)。要求設(shè)計凸輪廓線。

38分析：機構(gòu)“反轉(zhuǎn)”時各構(gòu)件間相對運動的幾何關(guān)系。反轉(zhuǎn)時，從動件的位置線始終與偏距圓相切，且與凸輪軸心的相對位置關(guān)系保持不變。轉(zhuǎn)角

i=∠C0OCi，

點

Ci

為從動件的位置線與基圓的交點(從動件只隨機架反轉(zhuǎn)時占據(jù)的位置）。從動件位移Si=CiBi，i=1,2，3…Si

iBiCiC0活用39轉(zhuǎn)角

i=∠C0OCi，

點

Ci

為從動件的位置線與基圓的交點(從動件只隨機架反轉(zhuǎn)時占據(jù)的位置）。從動件位移Si=CiBi，i=1,2，3…Si

iBiCiC0

設(shè)計思路：在基圓上分度

i在基圓上得Ci凸輪廓線（尖端軌跡）尖端在復(fù)合運動位置BiSi=CiBi返擺桿40作圖步驟：

⑴選取適當(dāng)?shù)?/p>

比例尺

l和

,作出從動件的位移線圖s-，并將推程運動角

和回程運動角

′作若干等分。

:1mm圖長代表的凸輪轉(zhuǎn)角。單位o/mm41⑵

按同樣的長度比例尺

l，畫出偏距圓和基圓，確定從動件尖端在推程的起始位置B0(C0)

即：導(dǎo)路線與基圓的交點。42⑶確定從動件在反轉(zhuǎn)中占據(jù)的各位置（只隨機架反轉(zhuǎn)）。在基圓上，自O(shè)C0開始沿（-

）方向依次取推程運動角

、遠(yuǎn)休止角

s、回程運動角

′和近休止角

s′。然后將

和

′分成與位移線圖中對應(yīng)的等分，在基圓上得C1、C2、C3…諸點

。43過點C1、C2

、C3……作偏距圓的一系列切線。即為反轉(zhuǎn)時從動件依次占據(jù)的位置線。在反轉(zhuǎn)時，從動件與凸輪軸心的相對方位應(yīng)保持不變。⑶確定從動件在反轉(zhuǎn)中占據(jù)的各位置（只隨機架反轉(zhuǎn)）。44⑷確定從動件尖端在復(fù)合運動中依次占據(jù)的位置。B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10沿以上各切線自基圓向外量取從動件相應(yīng)的位移量，即作：C1B1=11′,C2B2=22′….，得諸點B1、B2、….。45

⑸將點B0、、B1

、

B2…連成一條光滑曲線，即得凸輪的輪廓曲線。

（圖中遠(yuǎn)休止段B6、

B7間和近休止段C11

、

C0間均為圓?。〣1B2B3B4B5B6B7B8B9B1046⒉對心尖端直動從動件凸輪機構(gòu)其設(shè)計方法基本與偏置從動件凸輪機構(gòu)相同;不同之處在于,反轉(zhuǎn)時，從動件的位置線始終通過凸輪軸心O。(因為e=0,從動件件的位置線通過凸輪的軸心)，47r0

例：已知：從動件的運動規(guī)律，從動件位于凸輪的上方，凸輪的基圓半徑r0，凸輪以等角速度

（順時針)旋轉(zhuǎn)。要求設(shè)計凸輪廓線。

48對心尖端直動從動件凸輪機構(gòu)B1B2B3B4B4B5B6B8B9B1049⒊偏置直動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)分析:反轉(zhuǎn)法原理滾子中心是從動件與滾子的鉸接點，其運動規(guī)律就是從動件的運動規(guī)律。凸輪的實際廓線是理論廓線上滾子圓族的包絡(luò)線（與該滾子圓族所有圓相切的曲線）

。在反轉(zhuǎn)中，滾子中心將描繪出一條與凸輪廓線法向等距的曲線(凸輪的理論廓線)。50分析：機構(gòu)“反轉(zhuǎn)”時各構(gòu)件間相對運動的幾何關(guān)系轉(zhuǎn)角

i=∠C0OCi，

點

Ci為從動件的位置線與基圓的交點?；鶊A：以凸輪回轉(zhuǎn)中心O為圓心，以理論廓線的最小向徑為半徑的圓。從動件位移Si=

Ci

Bi

，i=1,2，3…iCiBi51作圖步驟：r0注意：凸輪的基圓半徑r0是理論廓線的最小向徑。⑴將滾子中心B假想為尖端從動件的尖端，按前述方法作出凸輪的理論廓線

。52⑵以理論廓線上各點為圓心，按同樣的長度比例尺

l

，根據(jù)滾子半徑rT作一系列滾子圓（圖上半徑為rT/

l

）。B6B7B11B053⑶然后，作出滾子圓族的內(nèi)包絡(luò)線（與該滾子圓族所有圓相切的曲線）即為凸輪的實際廓線。B0B11B6B7543)基圓半徑r0

指的是凸輪的理論廓線的最小向徑。注意：凸輪的實際廓線只能用包絡(luò)線法來求取。因滾子中心的運動規(guī)律是從動件的運動規(guī)律。2)作出凸輪的理論廓線上滾子圓族的包絡(luò)線才能得到凸輪的實際廓線。r055⒋對心直動平底從動件盤形凸輪機構(gòu)設(shè)計方法的基本思路與滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)相似，不同的是取從動件平底與導(dǎo)路中心線的交點為參考點，將其視作尖端從動件的尖端。

設(shè)計思路：作出參考點在反轉(zhuǎn)過程中占據(jù)的一系列位置作出平底在反轉(zhuǎn)過程中相應(yīng)地占據(jù)的一系列位置凸輪的實際廓線（平底直線族的包絡(luò)線）56

例：已知從動件的運動規(guī)律，從動件位于凸輪的上方，凸輪的基圓半徑r0，凸輪以等角速度

沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。要求設(shè)計該凸輪機構(gòu)的凸輪廓線。

′

s′

Sr057作圖步驟：⑴將從動件平底與導(dǎo)路中心線的交點B作為參考點（視作尖端從動件的尖端）。作出該交點B在反轉(zhuǎn)過程中占據(jù)的一系列位置B1

、B2、….

。B0B1B2B3B4B5B6B7B8O-

r058

⑵過點B1、B2、….畫出一系列代表平底的直線（與導(dǎo)路線垂直），得一直線族。⑶作該平底直線族的包絡(luò)線，即得到凸輪的實際廓線。B0B1B2B3B4B5B7B8B6LmaxLmax'r0運動59從動件相對機架作往復(fù)擺動,

其尖端的運動軌跡為一段圓弧。（二）、擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)反轉(zhuǎn)原理60已知：從動件運動規(guī)律，LOA、LAB、r0，要求設(shè)計凸輪廓線。

B0A0r0O61反轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)角

i=∠A0OAi，r0從動件的角位移（擺角）

i=∠CiAiBi，i=1,2，3…

點

Ci為尖端的軌跡圓弧與基圓的交點。轉(zhuǎn)軸圓

iBiCi

iAi機構(gòu)“反轉(zhuǎn)”時各構(gòu)件間相對運動的幾何關(guān)系。反轉(zhuǎn)過程中，從動件轉(zhuǎn)軸A的運動軌跡是以凸輪軸心O為圓心，中心距LOA為半徑的圓（轉(zhuǎn)軸圓）。直動推桿O62已知：從動件運動規(guī)律，LOA、LAB、r0。⑴選取適當(dāng)?shù)谋壤?，作出從動件的位移線圖，并將

和

′作若干等分。作圖步驟：B0A0r0

:1mm圖長代表的從動件的角位移。單位o/mmO⑵確定擺動從動件的尖端在推程的起始位置B0(C0)，63（4）確定從動件尖端在反轉(zhuǎn)過程中依次占據(jù)的位置B1、B2….。A4C1B1B1A1C1=1=

11B2C2C3B3C4B4C5B5C6B6C7B7C8B8B9O（3）確定反轉(zhuǎn)過程中從動件轉(zhuǎn)軸A所依次占據(jù)的位置。64A4C1B1B1A1C1=1=

11B2C2C3B3C4B4C5B5C6B6C7B7C8B8（5）將點B0、B1

、B2…連成一條光滑曲線，即得凸輪的輪廓曲線。

B9O65小結(jié)SiCiB0Bi

ir0反轉(zhuǎn)法的關(guān)鍵：明確凸輪和從動件的相對位置和相對運動關(guān)系。反轉(zhuǎn)法的兩個主要步驟：先反轉(zhuǎn)機架和從動件，確定從動件尖端（或參考點）在反轉(zhuǎn)過程中占據(jù)的一系列位置，再根據(jù)從動件端部的形狀，畫出凸輪的實際廓線。轉(zhuǎn)軸圓r0

iCiAi

iBi返回66§⒋凸輪機構(gòu)基本尺寸的確定凸輪機構(gòu)的壓力角凸輪基圓半徑的確定滾子半徑的選擇671.壓力角的定義nnR

在不計摩擦的情況下，凸輪對從動件作用力的方向線與從動件上力作用點的速度方向之間所夾的銳角。一、凸輪機構(gòu)的壓力角68壓力角為機構(gòu)位置的函數(shù)69壓力角與作用力的關(guān)系自鎖：

當(dāng)壓力角α增加到某一數(shù)值時，有害分力所引起的摩擦阻力將大于有效分力，這時無論凸輪給從動件的作用力多大，都不能推動從動件運動，即機構(gòu)將發(fā)生自鎖。nnR

R"R'有效分力有害分力從減小推力，避免自鎖，使機構(gòu)具有良好的受力狀況來看，壓力角α應(yīng)越小越好。XY70在⊿

BCP中，則：2.壓力角的計算因P為凸輪與從動件的相對瞬心nnR

R"R'S0SPCD71從動件偏置方向?qū)?/p>

的影響式中：“—”，推程瞬心與導(dǎo)路位于凸輪軸心的同側(cè)?！?”，推程瞬心與導(dǎo)路位于凸輪軸心的異側(cè)。72基圓半徑r0與

的關(guān)系：在其它條件不變時，r0越小，

越大。從使機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊的觀點來看，壓力角越大越好。73設(shè)計機構(gòu)時，滿足

max[]。從減小推力，避免自鎖，使機構(gòu)具有良好的受力狀況來看，壓力角α應(yīng)越小越好。從使機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊的觀點來看，壓力角越大越好。3.許用壓力角推程：移動從動件，[α]=30°擺動從動件，[α]=45°回程：[α]=70°～80°744.從動件偏置方向的選擇

凸輪逆時針回轉(zhuǎn)時，從動件的導(dǎo)路偏于凸輪軸心的右側(cè)；在設(shè)計機構(gòu)時，可通過選取從動件適當(dāng)?shù)钠梅较騺慝@得較小的推程壓力角。凸輪順時針回轉(zhuǎn)時，從動件的導(dǎo)路偏于凸輪軸心的左側(cè)；75二、凸輪基圓半徑的確定設(shè)計原則：在滿足

max[]的條件下，取盡可能小的基圓半徑。1.預(yù)值校正法首先預(yù)估r0，一般取r0=rs

+rT

+(3~4)mm式中：rs凸輪軸半徑rT滾子半徑初選r0

之后，再檢查從動件推程時是否滿足

max[]，若不滿足，增加r0

或使從動件導(dǎo)路偏置，來減小壓力角。762.根據(jù)諾模圖確定r0圖示為用于對心直動滾子從動件凸輪機構(gòu)的諾模圖工程上繪制的表示最大壓力角與基園半徑的對應(yīng)關(guān)系的圖形

max

77例：欲設(shè)計一對心直動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)；解：

=45°，

max=30°，將兩點相連，交正弦加速度運動規(guī)律的水平標(biāo)尺0.26處，已知：從動件運動規(guī)律推程：=45°，擺線h=13mm,

max=[α]=30°h/r0=0.26r0=13/0.26=50mm

max

78三、滾子半徑