第3章凸輪機構..

1、第3章凸輪機構本章介紹凸輪機構的類型、特點、應用及盤形凸輪的設計。凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構件，它通過與從動件的高副接觸，在運動時可以使從動件獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預期運動。在第4章介紹中，我們已經(jīng)看到。凸輪機構在各種機械中有大量的應用。即使在現(xiàn)代化程度很高的自動機械中，凸輪機構的作用也是不可替代的。凸輪機構由凸輪、從動件和機架三部分組成，結構簡單、緊湊，只要設計出適當?shù)耐馆嗇喞€，就可以使從動件實現(xiàn)任意的運動規(guī)律。在自動機械中，凸輪機構常與其它機構組合使用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，揚長避短。由于凸輪機構是高副機構，易于磨損；磨損后會影響運動規(guī)律的準確性，因此只適用于傳遞動力不大的場合。圖

2、1-1為自動機床中的橫向進給機構，當凸輪等速回轉一周時，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，等速進刀切削，切削結束刀具快速退回，停留一段時間再進行下一個運動循環(huán)。圖1-1圖1-2圖1-2為糖果包裝剪切機構， 它采用了凸輪一連桿機構，槽凸輪1繞定軸B轉動，搖桿2與機架 鉸接于A點。構件5和6與構件2組成轉動副D和C,與構件3和4 （剪刀）組成轉動副 E和F。 構件3和4繞定軸K轉動。凸輪1轉動時，通過構件 2、5、和6,使剪刀打開或關閉。圖1-3為機械手及進出糖機構。送糖盤7從輸送帶10上取得糖塊，并與鉗糖機械手反向同步放置至進料工位I,經(jīng)頂糖、折邊后，產(chǎn)品被機械手送

3、至工位H后落下或由撥糖桿推下。機械手開閉 由機械手開合凸輪（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，機械手的-228 -夾緊主要靠彈簧力。圏12-4 頂糖、接糖機構1 一平面樁凸輪機構2頂糖抒3#塊4-接糖桿5IE柱凸輪機構圖1-6圖12-3機械吳及進出糖機構1機械手幵合凸輪2武品3輸送帶4托板$畀豪6-ffiW機械手7港幡盤 直一托盤0巧克力常 H 輸料帶1進料工惶 I出憾工位圖12-5電阻壓帽自動機的恃動系統(tǒng)圖 1一電動機2-帶或無圾變速機拘3分配釉4、9壓帽機構凸輪5電阻送料機構凸輪 名一壓進機構凸輪丁一電阻帽&一電H1坯件10蝸輪“一蝸軒12調(diào)速手輪圖1-7

4、圖1-4所示為由兩個凸輪組合的頂糖、接糖機構，通過平面槽凸輪機構將糖頂起，由圓柱凸輪機構控制接 糖桿的動作，完成接糖工作。圖1-5所示的機構中，應用了四個凸輪機構的配合動作來完成電阻壓帽工序。內(nèi) 燃機中的閥門啟閉機構 （圖1-6），縫紉機的挑線機構（圖 1-7 ）等，都是凸輪機構具體應用的實例。由以上各例可見，凸輪機構在各種機器中的應用是相當廣泛的，了解 凸輪機構的有關知識是非常必要的。凸輪機構的分類按照凸輪及從動件的形狀，凸輪機構的分類見表1-1。12凸輪機構中從動件常用的運動規(guī)律凸輪機構設計的主要任務是保證從動件按照設計要求實現(xiàn)預期的運動規(guī)律，因此確定從動件的 運動規(guī)律是凸輪設計的前提。1

5、.2. 1平面凸輪機構的工作過程和運動參數(shù)圖1-8a為一對心直動尖頂從動件盤形凸輪機構，從動件移動導路至凸輪旋轉中心的偏距為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針轉動。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。凸輪轉動時，向徑增大，從動件被凸輪輪廓推向上，到達向徑最大的B點時，從動件距凸輪軸心最遠，這一過程稱為推程。與之對應的凸輪轉角稱為推程運動角，從動件上升的最大位移h稱為行程。當凸輪繼續(xù)轉過、s時，由于輪廓 BC段為一向徑不變的圓弧，從動件停留在最遠 處不動，此過程稱為 遠停程，對應

6、的凸輪轉角-S稱為遠停程角。當凸輪又繼續(xù)轉過'0 '角時，凸輪向 徑由最大減至b,從動件從最遠處回到基圓上的D點，此過程稱為 回程，對應的凸輪轉角稱為回升一停一降一?！钡倪\動循環(huán)。程運動角。當凸輪繼續(xù)轉過 J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，對應的凸輪轉角 飛'稱為近停程角。此時，'：o+、s+、o'+'：s' =2, 凸輪剛好轉過一圈，機構完成一個工作循環(huán)，從動件則完成一個弋釵牢B:壬吃戲尋曙忖A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目grLlr理顯警呂母證睪晶賢£曲蠱會-l«sC£Xb）roa）圖1-8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，對應的凸輪轉角為橫坐標，將凸輪轉角或時間與對應的從動件位移之間的函數(shù)關系用曲線表達出來的圖形稱為從動件的 位移線圖，如圖1-8b所示。從動件在運動過程中，其位移s、速度V、加速度a隨時間t （或凸輪轉角）的變化規(guī)律，稱為從動件的運動規(guī)律。由此可見，從動件的運動規(guī)律完全取決于凸輪的輪廓形狀。工程中，從動件的 運動規(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

8、件運動規(guī)律所設計凸輪的輪 廓曲線，完全能實現(xiàn)預期的生產(chǎn)要求。1.2.2從動件常用的運動規(guī)律常用的從動件運動規(guī)律有等速運動規(guī)律，等加速-等減速運動規(guī)律、余弦加速度運動規(guī)律以及正弦運動規(guī)律等。1. 等速運動規(guī)律從動件推程或回程的運動速度為常數(shù)的運動規(guī)律，稱為等速運動規(guī)律。其運動線圖如圖 1-9、所示。由圖可知，從動件在推程（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，致使凸輪機構產(chǎn)生強烈的沖擊、噪聲和磨損，這種沖擊為剛性沖擊。因此，等速運 動規(guī)律只適用于低速、輕載的場合。2. 等加速等減速運動規(guī)律從動件在一個行程 h中，前半行程作等加速運動，后半行程作等減速運動，這種

9、運動規(guī)律稱為b)1-10所示。等加速等減速運動規(guī)律。通常加速度和減速度的絕對值相等，其運動線圖如圖圖1-9圖 1-10由運動線圖可知，這種運動規(guī)律的加速度在A、B、C三處存在有限的突變，因而會在機構中產(chǎn)生有限的沖擊，這種沖擊稱為柔性沖擊。與等速運動規(guī)律相比，其沖擊程度大為減小。因此，等加速等減速運動規(guī)律適用于中速、中載的場合。3. 簡諧運動規(guī)律（余弦加速度運動規(guī)律）當一質(zhì)點在圓周上作勻速運動時，它在該圓直徑上投影的運動規(guī)律稱為簡諧運動。因其加速度運動曲線為余弦曲線故也稱余弦運動規(guī)律，其運動規(guī)律運動線圖如圖1-11所示?！癰）圖 1-119圖1-1由加速度線圖可知，此運動規(guī)律在行程的始末兩點加速

10、度存在有限突變，故也存在柔性沖擊， 只適用于中速場合。但當從動件作無停歇的升一降一升連續(xù)往復運動時，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. 擺線運動規(guī)律（正弦加速度運動規(guī)律）當一圓沿縱軸作勻速純滾動時，圓周上某定點A的運動軌跡為一擺線，而定點A運動時在縱軸上投影的運動規(guī)律即為擺線運動規(guī)律。因其加速度按正弦曲線變化，故又稱 正弦加速度運動規(guī)律，其運動規(guī)律運動 線圖如圖1-1所示。從動件按正弦加速度規(guī)律運動時，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。以上介紹了從動件常用的運動規(guī)律，實際生產(chǎn)中還有更多的運動規(guī)律，如復雜多項式運動規(guī)律、改進型運動

11、規(guī)律等，了解從動件的運動規(guī)律，便于我們在凸輪機構設 計時，根據(jù)機器的工作要求進行合理選擇。13凸輪輪廓曲線的設計根據(jù)機器的工作要求，在確定了凸輪機構的類型及從動件的運動干規(guī)律、凸輪的基圓半徑和凸 輪的轉動方向后，便可開始凸輪輪廓曲線的設計了。凸輪輪廓曲線的設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；解析法精確但計算量大，隨著計算機輔助設計圖 1-13的迅速推廣應用，解析法設計將成為設計凸輪機構的主要方法。以下分別介紹這兩種方法。1.3.1圖解法設計凸輪輪廓曲線1 圖解法的原理圖解法繪制凸輪輪廓曲線的原理是反轉法”即在整個凸輪機構（凸輪、從動件、機架）上加一個與凸輪

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，而從動件則與機架（導路）一起以角速度（繞凸輪轉動，且從動件仍按原來的運動規(guī)律相對導路移動（或擺動），如圖1-13。因從動件尖頂始終與凸輪輪廓保 持接觸，所以從動件在反轉行程中，其尖頂?shù)倪\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計例1-1設已知凸輪逆時針回轉，其基圓半徑rb=30 mm，從動件的運動規(guī)律為凸輪轉角0° 180°180° 300°300°360°從動件的運動規(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計此凸輪輪廓曲線。解：設計步

13、驟如下：（1）選取適當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。按已知運動規(guī)律作位移線圖（圖1-14a）。(2) 作基圓取分點任取一點0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(一)方向取推程角、回程角和近停程角，并分成

14、與位移線圖對應的相同等分，得分點Bi、B2、Bii與B點重合。(3) 畫輪廓曲線聯(lián)接OBi并在延長線上取 Bi Bi' =1得點Bi'同樣在0B2延長線上取B2B2' =22'，直到B9 點，點Bio與基圓上點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。若從動件為滾子，則可把尖頂看作是滾子中心，其運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葉的一條等距曲線，應注意的是，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對于

15、其他從動件凸輪曲線的設計，可參照上述方法。*1.3.2解析法設計凸輪輪廓曲線解析法設計凸輪輪廓的實質(zhì)是建立凸輪理論輪廓線、實際輪廓線的方程式，精確計算出廓線上 各點的坐標值的方法。解析法設計凸輪曲線分為直角坐標法和極坐標法。下面以偏置直動滾子從動 件盤形凸輪輪廓曲線設計為例，簡單介紹直角坐標法的設計過程。設計步驟:(1) 建立直角坐標系，并根據(jù)反轉法建立從動件尖頂 的坐標方程。如圖1-15所示，建立過凸輪轉軸中心的坐標系xOy,圖中B。點為從動件推程的起始點，導路與轉軸中心的距離為 e(當凸輪逆時針轉動、導路右偏時，e為正，反之，e為負，當凸輪順時針轉動時，貝y與之相反)根據(jù)反轉法原理，凸輪

16、以轉過角，相當于從動件及導路以轉過角，滾子中心到達B點，位移量為s。從圖中幾何關系可得 B點的坐標為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 厲處，其坐標為(1-2)x'= rT costy'=y rT sin v(2) 建立計算機輔助設計程序框圖，如圖1-16。(3) 運行計算機并繪出所設計的凸輪輪廓曲線。訂印罠r畋口 tX圖 1-16本小結1 凸輪機構的結構簡單，

17、緊湊，能夠實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律。2 .凸輪機構從動件常見的運動規(guī)律有：等速運動規(guī)律、等加速等減速運動規(guī)律、簡諧（余弦 加速度）運動規(guī)律、擺線（正弦加速度）運動規(guī)律。3.凸輪輪廓設計的圖解法的原理是反轉法”。思考題1-1為什么凸輪機構廣泛應用于自動、半自動機械的控制裝置中？1-2凸輪輪廓的反轉法設計依據(jù)的是什么原理？1-1試標出圖示位移線圖中的行程h、推程運動角0、遠停程角Z.S、回程角/。、近停程角.S。1-2 試寫岀圖示凸輪機構的名稱，并在圖上作岀行程h，基圓半徑rb，凸輪轉角、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構，0為偏心圓的幾何中心，偏心距e=15 mm , d=60 mm，試在圖中標出:(1) 凸輪的基圓半徑、從動件的最大位移H和推程運動角的值；(2) 凸輪轉過90°時從動件的位移S。1-4圖示為一滾子對心直動