智能制造機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ) 課件 模塊三 凸輪機(jī)構(gòu)與人工智能技術(shù)

模塊三

凸輪機(jī)構(gòu)與人工智能技術(shù)智能制造機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)

主要根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)的類型與應(yīng)用，了解人工智能技術(shù)，學(xué)習(xí)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動的基本概念及從動件的三種常用運(yùn)動規(guī)律，掌握凸輪輪廓設(shè)計的基本原理與方法，并能分析其運(yùn)動特性。重點(diǎn)是凸輪輪廓曲線的設(shè)計，難點(diǎn)是從動件位移線圖的繪制。教學(xué)指南

任務(wù)描述1、認(rèn)識了解凸輪機(jī)構(gòu)及人工智能技術(shù)；2、能夠根據(jù)機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動，選擇凸輪機(jī)構(gòu)的類型；3、能夠設(shè)計凸輪的輪廓機(jī)構(gòu)，分析其能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動特性；學(xué)習(xí)目標(biāo)1、理解凸輪機(jī)構(gòu)的類型與應(yīng)用；2、掌握凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律；3、掌握凸輪輪廓曲線的設(shè)計；4、掌握凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸設(shè)計。學(xué)習(xí)方法理實(shí)一體項(xiàng)目一凸輪機(jī)構(gòu)與人工智能技術(shù)應(yīng)用

凸輪機(jī)構(gòu)定義

如圖3-1所示仿形車刀架機(jī)構(gòu)加工。凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械中的常用機(jī)構(gòu)，是通過高副將構(gòu)件連接而成，用以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的變換和動力的傳遞圖3-1仿形車刀架機(jī)構(gòu)加工學(xué)習(xí)筆記加二維碼

仿型車刀架機(jī)構(gòu)圖3-2仿形車刀架機(jī)構(gòu)圖

如圖3-2所示為仿型車刀架機(jī)構(gòu)，凸輪3作為靠模被固定在機(jī)床床身上，刀架2在彈簧力作用下與凸輪輪廓緊密接觸，工件1回轉(zhuǎn)。當(dāng)從動件2隨刀架水平移動時，其凸輪輪廓3驅(qū)使從動件2帶動刀具按相同軌跡移動，從而加工出與凸輪輪廓相同的旋轉(zhuǎn)曲面1來。學(xué)習(xí)筆記加二維碼凸輪機(jī)構(gòu)組成凸輪機(jī)構(gòu)是由凸輪（原動件）、從動件和機(jī)架三部分組成的。1）凸輪是一個具有曲線輪廓的構(gòu)件，通常作連續(xù)的等速轉(zhuǎn)動或移動；2）從動件是在凸輪輪廓的控制下，按預(yù)定的運(yùn)動規(guī)律作往復(fù)移動或擺動，用以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動要求的構(gòu)件；3）機(jī)架是用來支承機(jī)構(gòu)中的可動構(gòu)件的固定構(gòu)件。圖3-3內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)筆記加二維碼

如圖3-3所示為內(nèi)燃機(jī)的配氣凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪1做等速回轉(zhuǎn)時，其輪廓將迫使推桿2做往復(fù)移動，以達(dá)到控制氣門開啟和關(guān)閉(關(guān)閉靠彈簧4的作用)的目的，使可燃物質(zhì)進(jìn)入汽缸或廢氣排出，機(jī)架3起支撐作用。內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)自動進(jìn)刀機(jī)構(gòu)圖3-4自動進(jìn)刀機(jī)構(gòu)

如圖3-4所示為自動進(jìn)刀機(jī)構(gòu)，帶凹槽的圓柱凸輪1等速轉(zhuǎn)動時，槽中的滾子帶動從動件2繞軸0往復(fù)擺動，再通過扇形齒輪與齒條的嚙合運(yùn)動使刀架3作往復(fù)運(yùn)動。學(xué)習(xí)筆記加二維碼

人工智能（ArtificialIntelligence,AI）是指人類設(shè)計和操作相應(yīng)的程序，從而使計算機(jī)可以對人類的思維過程與智能行為進(jìn)行模擬的一門技術(shù)。

與人工智能相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)有：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、云計算和大數(shù)據(jù)等。

人工智能概念已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到社會的各個領(lǐng)域，當(dāng)前服務(wù)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域都在積極應(yīng)用人工智能來實(shí)現(xiàn)自身的自動化和智能化。被譽(yù)為國家綜合工業(yè)之冠的船舶工業(yè)很早就有了人工智能的應(yīng)用，尤其是我們國家的造船業(yè)，一大批職業(yè)技術(shù)人員經(jīng)過多年的努力，已成功實(shí)現(xiàn)了從學(xué)習(xí)追趕到超越領(lǐng)先的歷史使命，連續(xù)取得全球訂單、生產(chǎn)、銷售第一的世界“三冠王”。

在人工智能技術(shù)發(fā)展的初期，凸輪機(jī)構(gòu)作為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換和動力傳遞的關(guān)鍵部件，在智能機(jī)器人的制造過程中發(fā)揮了重要作用。目前，凸輪機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用在發(fā)動機(jī)中，我們下面將以船舶機(jī)艙發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的智能改造為例來認(rèn)識分析人工智能技術(shù)的應(yīng)用。

從手動到自動，再從自動化到人工智能。那么，什么是人工智能？人工智能的應(yīng)用和發(fā)展可否最終取代人類呢？人工智能（ArtificialIntelligence,AI）定義

學(xué)習(xí)筆記智能機(jī)艙——人工智能技術(shù)應(yīng)用CCS（中國船級社）對智能機(jī)艙的定義是，能夠綜合利用狀態(tài)檢測系統(tǒng)所獲得的各種信息和數(shù)據(jù)，對機(jī)艙內(nèi)機(jī)械設(shè)備（尤其發(fā)動機(jī)）的運(yùn)行狀態(tài)、健康狀況進(jìn)行分析和評估，用于機(jī)械設(shè)備操作決策和維護(hù)保養(yǎng)計劃的制定。在工業(yè)中由于工藝的進(jìn)步和工藝的復(fù)雜性，有許多情況需要對兩個或多個變量進(jìn)行監(jiān)測。對于智能船舶來說，對不必要的亢余變量的監(jiān)測會大幅度增加測量成本，大量待監(jiān)測信號還會阻礙決策。

計算技術(shù)如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被用于監(jiān)測不同的工業(yè)過程，比如在船用柴油機(jī)上降低燃料消耗的能效及故障檢測方面。ANN（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）相對于其他技術(shù)如數(shù)值方法的優(yōu)點(diǎn)是能利用簡單的函數(shù)、固有的適應(yīng)性和學(xué)習(xí)、訓(xùn)練的能力進(jìn)行并行和大規(guī)模處理。學(xué)習(xí)筆記

大多數(shù)模型都是利用ANN成功地建立起發(fā)動機(jī)性能預(yù)測模型和故障檢測模型，并采用相同的方法進(jìn)行研究，最終給出在商業(yè)漁船上建立船用發(fā)動機(jī)狀態(tài)檢修系統(tǒng)（CBM）的策略。如圖3-5所示為CBM系統(tǒng)框架圖，該系統(tǒng)大致分為四部分：數(shù)據(jù)獲?。╠ataacquisition）；數(shù)據(jù)選擇、凈化和調(diào)節(jié)（dataselection,purgingandconditioning）；發(fā)動機(jī)性能模型的發(fā)展（developmentofengine’sperformancemodel）；故障診斷（faultdiagnosis）。圖3-5CBM系統(tǒng)框架

學(xué)習(xí)筆記圖3-6發(fā)動機(jī)性能模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

人工智能技術(shù)與監(jiān)測技術(shù)結(jié)合起來形成智能網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時預(yù)測監(jiān)控對象狀態(tài)的變化趨勢，為控制決策服務(wù)

，這是智能艙開發(fā)建設(shè)中的核心技術(shù)應(yīng)用。在這里，ANN是包含三層神經(jīng)元的前饋網(wǎng)絡(luò)，可以將任意函數(shù)近似為任意精度，給定每個層中的足夠數(shù)量的神經(jīng)元。因此，采用三層前饋網(wǎng)絡(luò)，用Sigmoid函數(shù)作為激活函數(shù)來開發(fā)智能機(jī)艙中的發(fā)動機(jī)性能模型（見圖3-6），從而滿足“無人機(jī)艙”規(guī)范對機(jī)艙自動化監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，形成完整的船舶信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息共享及全船自動化系統(tǒng)對監(jiān)控的要求設(shè)計。凸輪機(jī)構(gòu)的基本特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)只要設(shè)計出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，就可以使從動件得到預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律。

結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于設(shè)計。凸輪輪廓與從動件之間為高副接觸，接觸應(yīng)力較大，易于磨損。凸輪機(jī)構(gòu)多用于傳遞動力不大的場合。缺點(diǎn)學(xué)習(xí)筆記1122按凸輪形狀分類凸輪機(jī)構(gòu)分類圖3-8盤形凸輪

圖3-9移動凸輪圖3-10圓柱凸輪學(xué)習(xí)筆記按從動件的末端形狀分類根據(jù)從動件的末端形狀，凸輪機(jī)構(gòu)分為尖頂、滾子和平底從動件三種類型，其基本類型及特點(diǎn)見表3.1。學(xué)習(xí)筆記按從動件運(yùn)動形式分類（直動和擺動）直動從動件凸輪機(jī)構(gòu)：如表3.1中運(yùn)動形式為直動的凸輪機(jī)構(gòu)。擺動從動件凸輪機(jī)構(gòu)：如表3.1中運(yùn)動形式為擺動的凸輪機(jī)構(gòu)。按從動件相對于凸輪的位置分類對心凸輪機(jī)構(gòu)：從動件中心與凸輪轉(zhuǎn)動中心O處在同一直線上，如圖3-11(a)所示。偏置凸輪機(jī)構(gòu)：從動件中心與凸輪轉(zhuǎn)動中心O不在同一直線上，有一偏心距e，如圖3-11(b)所示。學(xué)習(xí)筆記圖3-11凸輪機(jī)構(gòu)按凸輪與從動件保持接觸的方式分類圖3-13形封閉圖3-12力封閉學(xué)習(xí)筆記項(xiàng)目二從動件的常用運(yùn)動規(guī)律

從動件的運(yùn)動規(guī)律是指其運(yùn)動參數(shù)(位移s、速度v和加速度a)隨凸輪轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。

從動件的運(yùn)動規(guī)律常用運(yùn)動線圖來表示。位移曲線是凸輪機(jī)構(gòu)最重要的運(yùn)動線圖，它取決于凸輪輪廓曲線的形狀，要設(shè)計凸輪的輪廓曲線，則必須首先確定從動件的運(yùn)動規(guī)律及位移曲線。從動件的運(yùn)動規(guī)律定義：學(xué)習(xí)筆記圖3-14尖頂對心從動件凸輪機(jī)構(gòu)凸輪輪廓組成

非圓弧曲線AB、CD

圓弧曲線

BC、DA基圓基圓半徑r0推程升程h推程運(yùn)動角δ0遠(yuǎn)休止遠(yuǎn)休止角δs回程回程運(yùn)動角δh近休止近休止角δs

盤形凸輪機(jī)構(gòu)基本概念盤形凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程及基本概念學(xué)習(xí)筆記圖3-15盤形凸輪機(jī)構(gòu)加二維碼盤形凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程

圖3-16凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程

如圖3-16(a)所示的對心尖頂盤形凸輪機(jī)構(gòu)中，以凸輪輪廓最小向徑rb為半徑所作的圓稱為基圓，rb稱為基圓半徑。凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行一次完整的工作循環(huán)，一般包括以下四個運(yùn)動過程：

推程

h（推程運(yùn)動角δ0

）

遠(yuǎn)休止（遠(yuǎn)休止角δs)

回程

（回程運(yùn)動角δh）

近休止（近休止運(yùn)動角δs’）學(xué)習(xí)筆記當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過一周(即

轉(zhuǎn)角)時，機(jī)構(gòu)完成一個工作循環(huán)。當(dāng)凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)時，從動件又重復(fù)進(jìn)行著升—停—降—停的運(yùn)動循環(huán)。按照實(shí)際需要，從動件的一個工作循環(huán)還可以設(shè)計成：升—降；升—降—停；升—停—降等多種形式。凸輪輪廓組成如圖3-16(a)所示，是由非圓弧曲線AB、CD和圓弧曲線BC、DA組成的。學(xué)習(xí)筆記等速運(yùn)動規(guī)律：從動件速度為定值的運(yùn)動規(guī)律

推程時，凸輪轉(zhuǎn)過運(yùn)動角δ0，從動件升程為h。若以t0表示推程運(yùn)動時間，則有：

從動件的速度v2＝v0＝h/t0＝C(常數(shù))

從動件的位移s2＝v0t＝ht/t0

從動件的加速度a2＝dv2/dt＝0

其運(yùn)動線圖如圖3-17所示。圖3-17等速運(yùn)動學(xué)習(xí)筆記從動件的運(yùn)動線圖

在在平面直角坐標(biāo)系中，以縱坐標(biāo)表示從動件的運(yùn)動參數(shù)(位移、速度、加速度)，橫坐標(biāo)表示凸輪轉(zhuǎn)角δ，則可以畫出從動件位移、速度、加速度與凸輪轉(zhuǎn)角δ之間的關(guān)系曲線，稱為從動件的運(yùn)動線圖。從動件的運(yùn)動曲線取決于凸輪輪廓曲線的形狀。即：從動件的不同運(yùn)動規(guī)律要求凸輪具有不同的輪廓形狀。在凸輪機(jī)構(gòu)完成一次完整的工作循環(huán)中，描述從動件位移s與凸輪轉(zhuǎn)角δ之間關(guān)系的曲線，稱為從動件位移線圖。

凸輪勻速轉(zhuǎn)動時，ω1為常數(shù)，故δ＝ω1t，δ0＝ω1t0，代入上式可得以凸輪轉(zhuǎn)角δ表示的推程時從動件的運(yùn)動方程

回程時，凸輪轉(zhuǎn)過回程運(yùn)動角δh，從動件位移相應(yīng)由s2＝h逐漸減少到零。參照式(3－1)，可導(dǎo)出回程時從動件的運(yùn)動方程為(3－1)(3－2)學(xué)習(xí)筆記

由圖3-17可見，從動件運(yùn)動開始時速度由零突變?yōu)関0，故a2＝＋∞；運(yùn)動終止時，速度由v0突變?yōu)榱?，a2＝－∞(由于材料有彈性變形，實(shí)際上不可能達(dá)到無窮大)，導(dǎo)致極大的慣性力，產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊、噪聲和磨損。這種從動件在某瞬時速度的突變，其加速度及慣性力在理論上均趨于無窮大時所引起的沖擊稱為剛性沖擊。因此，這種運(yùn)動規(guī)律不宜單獨(dú)使用，在運(yùn)動開始和終止段往往用其他運(yùn)動規(guī)律來過渡，只適用于低速、輕載的場合。學(xué)習(xí)筆記

等加速等減速運(yùn)動規(guī)律：指從動件在一行程(推程或回程)的前半行程為等加速運(yùn)動，而后半行程為等減速運(yùn)動的運(yùn)動規(guī)律。從動件推程的前半行程作等加速運(yùn)動時，經(jīng)過的運(yùn)動時間為，對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角為。后半行程作等減速運(yùn)動時，與之相應(yīng)的凸輪的轉(zhuǎn)角也相等，即各為；兩段升程也必相等，即均為。從動件在前半行程做等加速運(yùn)動的運(yùn)動方程可寫為：學(xué)習(xí)筆記將常數(shù)C1、C2及C3代入上面方程，并由，可得從動件在前半升程的運(yùn)動方程：(3－3)

若設(shè)，將凸輪轉(zhuǎn)角分成3等分，則對應(yīng)位移s2比值為1∶4∶9，其位移線圖就可以此作輔助線OO′，并按比例作圖找到對應(yīng)交點(diǎn)1′、2′、3′，光滑連接可得圖3-18(a)所示曲線。學(xué)習(xí)筆記圖3-18等加速等減速運(yùn)動小竅門：“三動”起來，動手畫一畫就會了?。〖佣S碼同理可得后半升程的運(yùn)動方程：(3－4)可見從動件的位移s2與凸輪轉(zhuǎn)角δ的平方成正比，所以其位移曲線為一拋物線。學(xué)習(xí)筆記

在橫坐標(biāo)軸上將長度為的線段分成若干等分，如3等分，是為1、2、3三點(diǎn)；

過這些點(diǎn)作橫軸的垂直線，并從點(diǎn)3截取h/2高得點(diǎn)3′；

過3′點(diǎn)作水平線交縱坐標(biāo)軸于點(diǎn)3″；

過O點(diǎn)作一斜線OO′，任意以適當(dāng)間距截取9個等分點(diǎn)，連接直線9－3″，再分別過點(diǎn)1、4作其平行線交縱軸于點(diǎn)1″和2″；

過1″和2″分別作水平線交過1、2點(diǎn)的橫軸垂線于1′、2′點(diǎn)；

將1′、2′、3′點(diǎn)連成光滑曲線便得到前半段等加速運(yùn)動的位移曲線如圖3-18(a)所示。根據(jù)對稱性原理，用同樣方法可求得4′、5′、6′點(diǎn)，連成光滑曲線得到后半段等減速運(yùn)動的位移曲線。學(xué)習(xí)筆記等加速段拋物線可按如下步驟（六步繪圖法）作圖繪制：123456

如圖3-18(b)所示，這種運(yùn)動規(guī)律在凸輪轉(zhuǎn)角為時，速度達(dá)到最大值。

如圖3-18(c)所示，這種運(yùn)動規(guī)律在0、A、B各點(diǎn)加速度出現(xiàn)有限的突變，這將產(chǎn)生有限慣性力的突變，而引起沖擊。這種從動件在某瞬時加速度發(fā)生有限值的突變時所引起的沖擊稱為柔性沖擊。所以等加速等減速運(yùn)動規(guī)律只適用于中速輕載的場合。

與上相仿，不難導(dǎo)出從動件回程作等加速等減速運(yùn)動時的運(yùn)動方程，并繪出位移線圖。學(xué)習(xí)筆記

簡諧(余弦加速度)運(yùn)動規(guī)律：從動件的加速度按余弦規(guī)律變化的運(yùn)動規(guī)律

如圖簡諧運(yùn)動所示，從動件前半升程做加速運(yùn)動，后半升程做減速運(yùn)動，其運(yùn)動方程可寫為：學(xué)習(xí)筆記（3-5）圖3-19簡諧運(yùn)動當(dāng)t＝0時，v2＝0，則C2＝0；當(dāng)t＝0時，s2＝0,則；當(dāng)t＝t0時，s2＝h，則加二維碼

將常數(shù)C1、C2及C3代入上面方程，并由，可得從動件做簡諧運(yùn)動的運(yùn)動方程(3－6)可見從動件的位移s2與凸輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角δ是成余弦關(guān)系的，所以其位移曲線是水平線和余弦線的疊加，近似于一條余弦曲線。學(xué)習(xí)筆記

把從動件的行程h作為直徑畫半圓，將此半圓分成若干等分，如6等分得半圓上1、2、…、6六點(diǎn)；把凸輪運(yùn)動角δ也分成相應(yīng)等分，得1～6六點(diǎn)；分別過半圓上1～6和橫坐標(biāo)上1～6各點(diǎn)作水平線和鉛垂線得交點(diǎn)1′、2′、3′、…、6′；用光滑曲線連接1′～6′各點(diǎn)，即得從動件的位移線圖如圖3-19(a)所示。學(xué)習(xí)筆記簡諧運(yùn)動規(guī)律位移線圖可按如下步驟（四步繪圖法）作圖繪制：如圖3-19(b)所示，這種運(yùn)動規(guī)律的速度線圖是一正弦曲線。由圖3-19(c)可見，一般情況下，這種運(yùn)動規(guī)律的從動件在行程的始點(diǎn)和終點(diǎn)有柔性沖擊；只有當(dāng)加速度曲線保持連續(xù)如圖3-19(c)虛線所示時，這種運(yùn)動規(guī)律才能避免沖擊。所以一般適用于中低速、中載或重載的場合。1234選擇從動件運(yùn)動規(guī)律時應(yīng)考慮的問題

若機(jī)器工作過程只對從動件工作行程有要求，而對運(yùn)動規(guī)律無特殊要求，從動件的運(yùn)動規(guī)律選擇應(yīng)從便于加工和具有良好的動力特性方面來考慮。對低速輕載凸輪機(jī)構(gòu)，可采用圓弧、直線或其他易于加工的曲線作為凸輪的輪廓曲線；對高速凸輪機(jī)構(gòu)，則應(yīng)首先考慮動力特性，以避免產(chǎn)生過大的沖擊(如剛性沖擊)。若機(jī)器工作過程對從動件的運(yùn)動規(guī)律有特殊要求，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)速不高時，可直接按工作要求選擇運(yùn)動規(guī)律；當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)速較高時，在選擇主運(yùn)動規(guī)律后，還需進(jìn)行組合改進(jìn)來確定。1為便于選擇從動件運(yùn)動規(guī)律，現(xiàn)將常用的從動件運(yùn)動規(guī)律特點(diǎn)和適用范圍列于下表3.2中。學(xué)習(xí)筆記2表3.2常用的從動件運(yùn)動規(guī)律比較運(yùn)動規(guī)律最大速度vmax最大加速度αmax沖擊性質(zhì)適用范圍等速1.00×ω1∞剛性沖擊低速、輕載等加速等減速2.00×ω14.00×ω柔性沖擊中速、輕載簡諧(余弦加速度)1.57×ω14.93×ω柔性沖擊中低速、中載或重載學(xué)習(xí)筆記項(xiàng)目三凸輪輪廓曲線的設(shè)計凸輪輪廓曲線的設(shè)計過程凸輪機(jī)構(gòu)的型式凸輪轉(zhuǎn)向凸輪的基圓半徑從動件的運(yùn)動規(guī)律凸輪輪廓曲線凸輪輪廓曲線的設(shè)計方法圖解法簡便、直觀，但設(shè)計精度較低。解析法設(shè)計精度較高，計算工作量較大。學(xué)習(xí)筆記反轉(zhuǎn)法原理

給整個凸輪機(jī)構(gòu)（含機(jī)架、凸輪及從動件）加上一個繞凸輪軸心的公共角速度-,根據(jù)相對運(yùn)動原理:凸輪靜止不動機(jī)架繞軸心轉(zhuǎn)動從動件作復(fù)合運(yùn)動隨機(jī)架以角速度-

繞凸輪軸心轉(zhuǎn)動；以原運(yùn)動規(guī)律相對于機(jī)架導(dǎo)路往復(fù)運(yùn)動。如圖3-20所示從動件尖頂?shù)能壽E就是凸輪輪廓曲線。學(xué)習(xí)筆記圖3-20反轉(zhuǎn)法加二維碼盤形凸輪輪廓曲線的設(shè)計學(xué)習(xí)筆記

圖3-21(a)為從動件導(dǎo)路通過凸輪回轉(zhuǎn)中心的對心直動尖頂從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)。已知從動件的位移線圖如圖3－21(b)所示、凸輪的基圓半徑rb(最小半徑rmin)，凸輪以等角速度順時針回轉(zhuǎn)，要求繪出此凸輪輪廓曲線。圖3-21對心直動尖頂從動件盤形凸輪對心直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制小竅門：用工具畫畫就好，做了嗎？加二維碼

凸輪輪廓曲線可按以下“四步繪圖法”步驟作圖繪制：

確定凸輪機(jī)構(gòu)初始位置。選取與位移線圖相同的長度比例尺（實(shí)際尺寸/圖示尺寸）和角度比例尺(實(shí)際角度/圖示尺寸)，以O(shè)為圓心、rb為半徑作基圓，取A0

為從動件初始位置，如圖3-21(a)所示。

等分位移曲線，得各分點(diǎn)位移量。在位移線圖上，將、分段等分，得等分點(diǎn)1、2、3、4和5、6、7、8；由各等分點(diǎn)作垂線，與位移曲線相交，得轉(zhuǎn)角在各等分點(diǎn)對應(yīng)的位移量11′、22′、33′、…、77′，如圖3-21(b)所示。

作從動件尖頂軌跡點(diǎn)。在基圓上，自初始位置開始，沿-ω方向，依次取角度、、，按位移線圖中相同等分，過O點(diǎn)對、作等分線，分別交基圓于；在各位置線上，分別截取位移量＝11′,＝22′,＝33′、…、＝77′，則點(diǎn)A0、A1、A2、A3、…、A8便是從動件尖頂?shù)能壽E點(diǎn)，如圖3-21(a)所示。

繪制凸輪輪廓曲線，在、范圍內(nèi)，將A0、A1、A3、…、A8等各點(diǎn)連成光滑的曲線；在δs

范圍內(nèi)作基圓弧。三段曲線圍成的封閉曲線，便是凸輪輪廓曲線，如圖3-21(a)所示。學(xué)習(xí)筆記

︵A0A8

1234學(xué)習(xí)筆記對心直動滾子從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制

若把尖頂從動件改為滾子時，其凸輪輪廓設(shè)計方法如下：首先把滾子中心看作尖頂從動件的尖頂，按照前述方法求出一條輪廓曲線(也即滾子中心的軌跡)，稱其為凸輪的理論輪廓曲線。再以曲線上各點(diǎn)為圓心，以滾子半徑rT為半徑作系列圓，最后作這些圓的內(nèi)包絡(luò)線β，即為改用滾子從動件時凸輪的實(shí)際輪廓曲線，如圖3-22所示。由作圖過程可知滾子從動件凸輪的基圓半徑和壓力角均應(yīng)在理論輪廓曲線上度量。圖3-22對心直動滾子從動件盤形凸輪加二維碼12學(xué)習(xí)筆記對心平底直動從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制與上述方法相似

如圖3-23所示，將平底與導(dǎo)路中心線的交點(diǎn)A0視為尖頂從動件的尖頂，按照尖頂從動件凸輪輪廓曲線繪制的方法，求出理論輪廓上一系列點(diǎn)A1、A2、A3…A8，其次，過這些點(diǎn)畫出各個位置的平底A1B1、A2B2、A3B3…A8B8，然后作這些平底的包絡(luò)線，便得到凸輪的實(shí)際輪廓曲線，如圖3-23所示。圖中位置1、6分別是平底與凸輪輪廓相切點(diǎn)與導(dǎo)路中心的距離的左最遠(yuǎn)位置和右最遠(yuǎn)位置。為了保證平底始終與凸輪輪廓接觸，平底左側(cè)長度應(yīng)大于m,右側(cè)長度應(yīng)大于l。圖3-23對心平底直動從動件盤形凸輪學(xué)習(xí)筆記偏置直動尖頂從動件盤形凸輪輪廓曲線的繪制

如圖3-24所示，從動件導(dǎo)路的軸線與凸輪軸心O的偏距為e。基圓半徑為rb；凸輪以角速度順時針轉(zhuǎn)動，從動件位移線圖如圖3-24(b)所示，要求繪出此凸輪輪廓曲線。圖3-24偏置直動尖頂從動件盤形凸輪學(xué)習(xí)筆記學(xué)習(xí)筆記凸輪輪廓曲線可按以下“五步繪圖法”步驟作圖繪制：

確定凸輪機(jī)構(gòu)初始位置。選取長度比例尺(通常與位移線圖比例尺相同)，作出偏距圓(以e為半徑的圓)及基圓，過偏距圓上一點(diǎn)K作偏距圓的切線作為從動件導(dǎo)路，并與基圓相交于B0(也是C0)點(diǎn)，該點(diǎn)也就是從動件尖頂?shù)钠鹗嘉恢?，如圖3-24(a)所示。

等分基圓。從O開始按逆時針方向在基圓上畫出推程運(yùn)動角180°()，遠(yuǎn)休止角30°()，回程運(yùn)動角90°()和近休止角60°()，并在相應(yīng)段與位移線圖對應(yīng)劃分出若干等分，分別交基圓于點(diǎn)C1、C2、C3、…C9，如圖3-24(a)所示。作從動件導(dǎo)路線。過各分點(diǎn)C1、C2、C3、…C9，分別向偏距圓作切線，作為從動件反轉(zhuǎn)后的導(dǎo)路線如圖3-24(a)所示。作從動件尖頂軌跡點(diǎn)。在以上導(dǎo)路線上，分別從基圓上的點(diǎn)C1、C2、C3、…C8向外截取相應(yīng)的位移量B1C1＝11′、B2C2＝22′、B3C3＝33′、…B8C8＝88′，從而得到反轉(zhuǎn)后從動件尖頂軌跡點(diǎn)B0、B1、B2、…B9，如圖3-24(a)所示。繪制凸輪輪廓曲線。將B0、B1、B2、…B9等各點(diǎn)連成光滑的曲線，即得到該凸輪的輪廓曲線如圖3-24(a)所示。12345項(xiàng)目四凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸設(shè)計預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律良好的傳力性能緊湊的結(jié)構(gòu)尺寸綜合考慮滾子半徑

rT壓力角α凸輪的基圓半徑r0凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求學(xué)習(xí)筆記滾子半徑的選擇圖3-25滾子半徑的選擇從接觸強(qiáng)度來看，滾子半徑選得大些，有利于減少滾子與凸輪間的接觸應(yīng)力；但滾子半徑的增大，將給凸輪實(shí)際輪廓曲線帶來較大的影響，有時甚至使從動件不能完成預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律。如圖3-25所示，設(shè)滾子半徑為,凸輪理論輪廓上最小曲率半徑為，對應(yīng)的工作輪廓曲率半徑為，它們之間有以下關(guān)系：凸輪理論輪廓的內(nèi)凹部分由圖3-25(a)得由此說明，工作輪廓曲率半徑總是大于理論輪廓曲率半徑，不論選擇多大的滾子都能作出工作輪廓。

a

min

rT

學(xué)習(xí)筆記

a

min-rT

凸輪理論輪廓的外凸部分由圖3-25(b)得

當(dāng)>時，>0,工作輪廓為一平滑的曲線；

當(dāng)＝

時，＝0，如圖3-25(c)所示，在凸輪工作輪廓曲線上產(chǎn)生了尖點(diǎn)。這種尖點(diǎn)極易磨損，磨損后會改變從動件預(yù)定的運(yùn)動規(guī)律。

當(dāng)<時，<0，如圖3-25(d)所示，凸輪工作輪廓曲線相交，陰影部分的輪廓在實(shí)際加工時會被切去而出現(xiàn)這部分運(yùn)動規(guī)律無法實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象稱為運(yùn)動失真。學(xué)習(xí)筆記123滾子半徑的選擇應(yīng)綜合考慮以下因素：為保證從動件運(yùn)動不失真，應(yīng)使?jié)L子半徑rT小于凸輪理論輪廓外凸部分的最小曲率半徑，可取；從滾子的強(qiáng)度、接觸應(yīng)力和凸輪結(jié)構(gòu)的合理性等方面考慮，滾子半徑也不宜過小，可??；為保證滾子結(jié)構(gòu)合理及滾子軸強(qiáng)度足夠，還應(yīng)使

rT≥(2～3)r（r為滾子軸的半徑）。注意：如果所設(shè)計出的凸輪理論輪廓的最小曲率半徑過小，不能使上述條件得以綜合滿足，此時則應(yīng)加大基圓半徑。rT

≤0.8

minrT

≤0.4r0學(xué)習(xí)筆記123壓力角的選擇和檢驗(yàn)壓力角與機(jī)構(gòu)傳力性能的關(guān)系壓力角：作用力F與從動件上該力作用點(diǎn)的線速度方向間所夾的銳角α稱為凸輪機(jī)構(gòu)在該位置的壓力角(如圖3-26所示)。有效分力Ft＝Fcosα有害分力Fn＝Fsinα自鎖：當(dāng)壓力角α增大到一定程度時，由于引起的摩擦阻力始終大于有效分力，無論凸輪給從動件施加的作用力多大，從動件都不能運(yùn)動，這種現(xiàn)象稱為自鎖。從改善受力情況，提高傳動效率，避免自鎖的觀點(diǎn)看，壓力角愈小愈好(基圓半徑就愈大)。學(xué)習(xí)筆記圖3-26凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角壓力角與機(jī)構(gòu)尺寸的關(guān)系上式說明：當(dāng)壓力角α愈大時，則其基圓半徑愈小，相應(yīng)機(jī)構(gòu)尺寸也越小。因此，從機(jī)構(gòu)尺寸緊湊的觀點(diǎn)看，壓力角較大為好。學(xué)習(xí)筆記由速度合成定理作出B點(diǎn)的速度三角形，可知

（3-7）壓力角的許用值從動件種類推程回程力封閉形封閉移動從動件≤30°，當(dāng)要求凸輪盡可能小時，可用到45°70°～80°≤30°(可用到45°)擺動從動件35°～45°70°～80°35°～45°表3.3直動尖頂從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)許用壓力角[α]

注：如果用滾子從動件、潤滑良好及支承剛度較大或受力不大而要求結(jié)構(gòu)緊湊時，可取上述數(shù)據(jù)較大值；否則，取較小值。學(xué)習(xí)筆記良好的傳力性能―→壓力角取小值緊湊的結(jié)構(gòu)尺寸―→壓力角取大值綜合考慮：在滿足≤[α]的前提下，盡量采用較小的基圓半徑。直動尖頂從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)許用壓力角推薦值見下表3.3所示。檢驗(yàn)壓力角圖3-27檢驗(yàn)壓力角

如圖3-27所示，是用圖解法檢驗(yàn)壓力角。在凸輪輪廓曲線上最陡的地方取幾點(diǎn)，作這幾點(diǎn)的法線，再用量角器檢驗(yàn)各點(diǎn)法線與向徑之間的夾角是否超過許用壓力角。若測量結(jié)果超過許用值，應(yīng)考慮修改設(shè)計，常用加大凸輪基圓半徑的方法來使αmax減小。學(xué)習(xí)筆記

若v、s、

已知，則壓力角越大，基圓半徑越小，使得機(jī)構(gòu)尺寸緊湊，但易產(chǎn)生自鎖。

壓力角越小，基圓半徑越大，傳動效率越高，無用分力越小，受力性能提高，可避免自鎖。

針對凸輪機(jī)構(gòu)傳力性能和尺寸緊湊的矛盾，設(shè)計時通常應(yīng)考慮許用壓力角[]。

一般只針對推程進(jìn)行壓力角的校核?；爻讨袕膭蛹怯蓮椈伞⒆灾氐韧饬︱?qū)動，而非由凸輪驅(qū)動，故在回程中通常不產(chǎn)生自鎖。設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)應(yīng)注意的問題學(xué)習(xí)筆記1234基圓半徑的確定根據(jù)凸輪的結(jié)構(gòu)確定rb當(dāng)凸輪與軸做成一體(凸輪軸)時：rb＝rs＋rT＋(2～5)mm

(3－8)當(dāng)凸輪裝在軸上時：rb＝(1.5～1.7)rs＋rT＋(2～5)mm

(3－9)rs為凸輪軸的半徑(mm)；rT為從動件滾子的半徑(mm)。檢查凸輪輪廓上各點(diǎn)的壓力角和最小曲率半徑。若不滿足要求，則應(yīng)加大

后，重新設(shè)計。rb學(xué)習(xí)筆記根據(jù)αmax≤[α]確定基圓最小半徑rbmin采用圖3-28所示諾模圖，可以近似地確定凸輪的最小基圓半徑或校核該機(jī)構(gòu)的最大壓力角。

圖3-28諾模圖學(xué)習(xí)筆記

設(shè)計一對心直動尖頂從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，已知凸輪的推程運(yùn)動角為δ0＝175°，從動件在推程中按等加速等減速規(guī)律運(yùn)動，升程h＝18mm,最大壓力角αmax＝16°。試確定凸輪的基圓半徑rb。任務(wù)分析：采用圖3-28所示諾模圖，可以近似地確定凸輪的最小基圓半徑rb。（1）按已知條件將位于圓周上的標(biāo)尺δ0＝175°、αmax＝16°的兩點(diǎn)，以直線相連(如圖3-29諾模圖中虛線所示)。（2）由虛線與直徑上等加速等減速運(yùn)動規(guī)律的標(biāo)尺的交點(diǎn)得：h/rb＝0.6（3）計算最小基圓半徑得rbmin＝h/0.6＝18/0.6mm＝30mm（4）基圓半徑rb可按rb≥rbmin選取。圖3-29諾模圖學(xué)習(xí)筆記任務(wù)一任務(wù)實(shí)施：學(xué)習(xí)測試與學(xué)習(xí)評價學(xué)習(xí)測試一、填空題1)凸輪機(jī)構(gòu)按凸輪形狀分為________、________和________三種類型。2)凸輪機(jī)構(gòu)從動件等速運(yùn)動規(guī)律時，在推程運(yùn)動的起點(diǎn)和終點(diǎn)存在________沖擊；等加速等減速運(yùn)動規(guī)律時，在推程的起點(diǎn)和終點(diǎn)存在________沖擊。3)凸輪機(jī)構(gòu)中的壓力角是________和________所夾的銳角。4)在滾子從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)中，滾子中心的軌跡稱為凸輪的________曲線，與滾子相包絡(luò)的凸輪輪廓線稱為凸輪的________曲線。5)在凸輪機(jī)構(gòu)中，壓力角愈________，基圓半徑愈________，傳動效率愈高。6)平底直動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角為________。二、單選題1)凸輪機(jī)構(gòu)當(dāng)從動件運(yùn)動規(guī)律一定時，其基圓半徑rb與機(jī)構(gòu)壓力角α的關(guān)系是________。（A.rb越小則α越大；B.rb越小則α越小；C.rb變化而α不變

）2)作等加速等減速運(yùn)動的凸輪機(jī)構(gòu)從動件在加速度出現(xiàn)突然變化時，將產(chǎn)生________沖擊，引起機(jī)構(gòu)振動。