圓柱凸輪機構-設計-結構計算

1、- -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12-1

2、為自動機床中的橫向進給機構，當凸輪等速回轉(zhuǎn)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12-1圖12-2圖12-2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(zhuǎn)動，搖桿2與機架鉸接于A點。構件5和6與構件2組成轉(zhuǎn)動副D和C,與構件3和4（剪刀）組成轉(zhuǎn)動副E和F。構件3和4繞定軸K轉(zhuǎn)動。凸輪1轉(zhuǎn)動時，通過構件2、5、和6,使剪刀打開或關閉。圖12-3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)品被機械手送至工位II

3、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，機械手的夾緊主要靠彈簧力。- - #-圖124頂糖*接糖機構一平面梢凸輪規(guī)構2預糖桿3M決一接糖桿5-柱凸輪機構圖11-3機械手及進出慵機構1機械手開合凸輪2品3輸送帶4一托桎一禪竇6-謝慵機植手亍一送糖盤B托盤珂克力第】口一軸糊帶1一進料工愷1一出糖工位- #- -潮電阻壓帽自動機的傳動疾統(tǒng)陽1電動機2-式無級變速桃構3分配軸4*g圧帽機構凸輪5電阻送料機構凸輪各一壓舉機構凸輪一電阻帽E-電阻坯件10-ll-w軒12調(diào)速手輪圖12-4所示FU!b-宗*SS爲一SF5M-暮圖12-7-

4、 -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12-5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12-6），縫紉機的挑線機構（圖12-7）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。12.1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12-1。12.2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。12

5、.2.1平面凸輪機構的工作過程和運動參數(shù)圖12-8a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(zhuǎn)中心的偏距為e。以凸輪輪廓的最小向徑rb為半徑所作的圓稱為基圓，rb為基圓半徑，凸輪以等角速度逆時針轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)角80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(zhuǎn)過Q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，對應的凸輪

6、轉(zhuǎn)角Q稱為遠停程角。當凸輪又繼續(xù)轉(zhuǎn)過0角時，凸輪向徑由最大減至rb，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(zhuǎn)角稱為回程運動角。當凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過Q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(zhuǎn)角Q稱為近停程角。此時，S0+5s+0+Q2,，凸輪剛好轉(zhuǎn)過一圈，機構完成一個工作循環(huán)，從動件則完成一個升停降停的運動循環(huán)。- -羋訝頃壽鄴*戦輯獰曲*1一捋越迓垂窘C犁言辛持耳箱裁進啟岳闌確-ls- -/t州SL郭）- -圖12-8單位（mm）弦距銷距半角兩柱銷最小距離柱銷中心圓半徑R2柱銷直徑柱銷數(shù)主動凸輪直徑R1103.325

7、22.553.325135508100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(zhuǎn)角為橫坐標，將凸輪轉(zhuǎn)角或達出來的圖形稱為從動件的位移線圖，如圖12-8b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(zhuǎn)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。12.2.2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

8、運動規(guī)律等。1等速運動規(guī)律度有突變，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，這種運動規(guī)律稱為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12-10所示。(0列上圖12-9圖12-10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。

9、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12-11所示。- -ab)圖12-11由加速度線圖可知，此運動規(guī)律在行程的始末兩點加速度存在有限突變，故也存在柔性沖擊，的工作要求進行合理選擇。12.3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(zhuǎn)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

10、設計的迅速推廣應用，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。0圖12-1312.3.1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(zhuǎn)法，即在整個凸輪機構（凸輪、從動件、機架）上加一個與凸輪角速度大小相等、方向相反的角速度（-）,于是凸輪靜止不動，而從動件則與機架（導路）一起以角速度（一）繞始終與凸輪輪廓保持接觸，所以從動件在反轉(zhuǎn)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12-1設已知凸輪逆時針回轉(zhuǎn)，其基圓半徑rb=30mm,從動件的運動規(guī)律為凸輪轉(zhuǎn)角0。180。180300。從動件的運動規(guī)律等速上升30m

11、m等加速等減速下降回到原處300。360。停止不動試設計此凸輪輪廓曲線。解：設計步驟如下：（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%=0.002（m/mm）,出=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120。、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12-14a）。（2）作基圓取分點任取一點O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

12、向取推程角、回程角和近停程角，并分成與位移線圖對應的相同等分，得分點BpB2、B11與B點重合。- #- -3）畫輪廓曲線聯(lián)接OB1并在延長線上取B1B111得點B1,同樣在OB2延長線上取B2B222,，直到B9點，點B10與基圓上點B10重合。將B、B2、B10聯(lián)接為光滑曲線，即得所求的凸輪輪廓曲線,如圖12-14b。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rT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12-14c所示。isoa)8BiB邑-BB.圖12-14- #- #- - #-對于其他從動件凸輪曲線的設計，可參

13、照上述方法。*12.3.2解析法設計凸輪輪廓曲線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(zhuǎn)法建立從動件尖頂?shù)淖鴺朔匠?。圖12-15如圖12-15所示，建立過凸輪轉(zhuǎn)軸中心的坐標系xOy，圖中B0點為從動件推程的起始點，導路與轉(zhuǎn)軸中心的距離為e（當凸輪逆時針轉(zhuǎn)動、導路右偏時，e為正，反之，e為負，當凸輪順時針轉(zhuǎn)動時，則與之相反）根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理,凸輪以轉(zhuǎn)過角，相當于從動件及導路以轉(zhuǎn)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=（s0+s）sin+ecos（12-1）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rT處，其坐

14、標為x=xrTcos。（12-2）y=yqsin。（2）建立計算機輔助設計程序框圖，如圖12-16。（3）運行計算機并繪出所設計的凸輪輪廓曲線。開始結東按給定運動規(guī)祎計算推程陽V13士咅十3%g%+爲一1-%+耳荃缶瑩山叫十$汁丟礎3時hi算回程趴V打印此譏皿M計鼻r.rrsh,v圖12-16- #-1凸輪機構的結構簡單，緊湊，能夠?qū)崿F(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(zhuǎn)法”。思考題12-1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？12-2凸輪輪廓的反轉(zhuǎn)法設計依據(jù)的是什么原理？習題12-1試標出圖示位移線圖中的行程h、推程運動角、遠停程角八回程角，、近停程角12-2試寫出圖示凸輪機構的名稱，并在圖上作出行程h,基圓半徑rb，凸輪轉(zhuǎn)角。、s、，。、；以及A、B兩處的壓力角。12-3如圖所示是一偏心圓凸輪機構，O為偏心圓的幾何中心，偏心距e=15mm，d=60mm，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(zhuǎn)過90時從動件的位移so12-4圖示為一滾子對心直動從動件盤形凸輪機構。試在圖中畫出該凸輪的理論輪廓曲線、基圓半徑、推程最大