機(jī)械原理第9章凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)

凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)機(jī)械原理第9章，介紹凸輪機(jī)構(gòu)的定義、特點(diǎn)、種類、原理、設(shè)計(jì)方法、工程應(yīng)用及案例分析。凸輪機(jī)構(gòu)的定義定義凸輪機(jī)構(gòu)是由凸輪、從動(dòng)件和支承機(jī)構(gòu)組成的一種機(jī)構(gòu)，它通過凸輪的旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)引起從動(dòng)件作規(guī)律周期或非周期運(yùn)動(dòng)。與曲柄連桿機(jī)構(gòu)的比較與曲柄連桿機(jī)構(gòu)相比較，凸輪機(jī)構(gòu)有更廣泛的運(yùn)動(dòng)性能，可以實(shí)現(xiàn)非常規(guī)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，凸輪機(jī)構(gòu)不會(huì)發(fā)生彎矩，因此使用壽命更長，但是制造成本較高。與三連桿機(jī)構(gòu)的差異凸輪機(jī)構(gòu)與三連桿機(jī)構(gòu)類似，都可以實(shí)現(xiàn)規(guī)律性運(yùn)動(dòng)，但是凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加靈活，可以適應(yīng)更多不同的工作條件和運(yùn)動(dòng)要求。凸輪機(jī)構(gòu)的組成和特點(diǎn)凸輪的組成凸輪由基圓和凸形元件組成。其中，凸形元件包括圓柱形凸、橢圓形凸、心形凸、圓弧形凸等。凸型元件的不同對(duì)于凸輪運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生影響。支承機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)支承機(jī)構(gòu)由凸輪桿、凸輪軸、凸輪套等組成，凸輪的運(yùn)動(dòng)靠它們來支持。支承機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需考慮凸輪與支承機(jī)構(gòu)之間的接觸壓力、摩擦力等。凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)凸輪機(jī)構(gòu)通過凸輪的運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)各種規(guī)律運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用廣泛。凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為困難，需要綜合考慮凸輪形狀、運(yùn)動(dòng)曲線、支承結(jié)構(gòu)、工作負(fù)載等多個(gè)因素。凸輪的種類與分類1按軸心位置分類凸輪分為同軸凸輪和異軸凸輪兩種。同軸凸輪就是凸輪與從動(dòng)件軸線重合的凸輪。異軸凸輪的軸線和從動(dòng)件軸線不一定重合，一般應(yīng)用于擺線機(jī)構(gòu)等。2按凸輪形狀分類凸輪形狀可以分為：圓柱形凸輪、卵圓形凸輪、心形凸輪等。各種凸輪形狀的特點(diǎn)各異，具有較為豐富的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。3按凸輪用途分類凸輪根據(jù)使用場(chǎng)景和所要實(shí)現(xiàn)的功能可以分為工作凸輪、傳動(dòng)凸輪、控制凸輪等。工作凸輪用于工件的加工和制造，傳動(dòng)凸輪用于傳遞動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)軌跡，而控制凸輪主要用于控制機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)。凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理凸輪輪廓和從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的關(guān)系凸輪的輪廓決定了從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)路徑。凸輪和從動(dòng)件之間的幾何關(guān)系可以決定從動(dòng)件的加速度和速度曲線，進(jìn)而決定了從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。凸輪輪廓和運(yùn)動(dòng)曲線的設(shè)計(jì)凸輪輪廓的合理設(shè)計(jì)是凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。正確設(shè)計(jì)凸輪輪廓可以使從動(dòng)件具有所需要的運(yùn)動(dòng)特性。通常使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來輔助凸輪輪廓設(shè)計(jì)。凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理簡單直觀。當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)或擺動(dòng)時(shí)，凸輪的輪廓將引導(dǎo)從動(dòng)件做規(guī)律性運(yùn)動(dòng)。從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與凸輪輪廓的形狀有關(guān)。凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以分為凸輪輪廓設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)分析和尺寸計(jì)算三個(gè)步驟。這些步驟的順序不能顛倒。凸輪輪廓設(shè)計(jì)的方法凸輪輪廓設(shè)計(jì)是凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心?？梢愿鶕?jù)凸輪運(yùn)動(dòng)的特征（如加速度、速度等）進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以使用MATLAB等工具進(jìn)行自動(dòng)設(shè)計(jì)。尺寸計(jì)算的方法尺寸計(jì)算是根據(jù)設(shè)計(jì)的凸輪輪廓和運(yùn)動(dòng)分析進(jìn)行的?？梢允褂霉こ淌謨?cè)或者相關(guān)軟件進(jìn)行尺寸計(jì)算，也可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行計(jì)算。凸輪機(jī)構(gòu)在工程中的應(yīng)用1上料機(jī)械利用凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，可以制造出多種不同類型的上料機(jī)械，例如擺動(dòng)上料機(jī)、旋轉(zhuǎn)上料機(jī)等。凸輪機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生規(guī)律的周期運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。2汽車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲軸凸輪機(jī)構(gòu)通過凸輪輪廓和滑塊的配合，產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)氣門的開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣的循環(huán)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中是一個(gè)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。3機(jī)械手臂機(jī)械手臂是近年來的發(fā)展方向之一，凸輪機(jī)構(gòu)在其中起到了重要的作用。通過凸輪輪廓的設(shè)計(jì)和從動(dòng)件的配合，控制機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精密加工或者物品的搬運(yùn)。凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的案例分析案例名稱應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)方法高速削孔機(jī)床主軸傳動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械加工分析主軸加工負(fù)載，確定凸輪輪廓，設(shè)計(jì)從動(dòng)件和支承結(jié)構(gòu)，計(jì)算尺寸和工藝配合擺線針輪減速器設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)計(jì)算針輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定凸輪輪廓，設(shè)計(jì)從動(dòng)件