第五章：凸轮机构

1凸轮机构从动件常用运动规律凸轮轮廓曲线的设计凸轮机构应用和分类凸轮机构基本尺寸的确定反转法的灵活运用2凸轮机构的组成、特点及应用凸轮机构的分类§1凸轮机构的应用和分类3一、凸轮机构的组成、特点及应用实现自动进刀、退刀实例：自动机床的进刀机构4内燃机配气凸轮机构控制阀门的启闭51.凸轮机构的组成凸轮从动件机架高副机构凸轮：具有曲线轮廓或凹槽的构件。通常它为作连续运动的主动件。从动件：被凸轮推动的构件。在凸轮的控制下，作连续或间歇往复移动或摆动。62.特点凸轮廓线与从动件为点、线接触，易于磨损。适当地设计凸轮的轮廓曲线，可使从动件实现预期的运动规律，结构简单紧凑。优点：缺点：主要用于传力不大的控制场合。73.应用1）实现无特定运动规律要求的工作行程抓取物体的机械手82）实现复杂的运动规律实现自动进刀、退刀控制阀门的启闭9自动车床凸轮机构实现和控制送料、夹紧、车外圆与钻孔、切断的运动。10印刷机械11按凸轮的形状按从动件的形状按从动件的运动形式按凸轮与从动件维持高副接触的方法二、凸轮机构的分类12盘形凸轮移动凸轮圆柱凸轮1.按凸轮形状分类13盘形凸轮：最基本的形式，结构简单，应用最为广泛。移动凸轮：凸轮相对机架做直线移动。圆柱凸轮：属于空间凸轮机构。1.按凸轮形状分类14尖底从动件滚子从动件平底从动件2.按从动件的形状分类15尖底从动件：尖端能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。基本形式但尖端处极易磨损，只适用于传力不大的低速机构。16滚子从动件凸轮与从动件之间为滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，用于传递较大的动力，应用较广。常用于中、低速机构。17平底从动件从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑状况好，受力平稳，传动效率高，常用于高速场合。但与之相配合的凸轮轮廓须全部外凸。18直动从动件摆动从动件3.按从动件的运动形式分类19从动件作往复移动，其尖端的运动轨迹为一段直线。直动从动件：20从动件作往复摆动，其尖端的运动轨迹为一段圆弧。摆动从动件：21对心直动从动件：尖端或滚子中心的轨迹通过凸轮的轴心。直动从动件又分为：对心、偏置偏置直动从动件：尖端或滚子中心的轨迹不通过凸轮的轴心。224.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类力锁合型锁合23利用弹簧力、从动件重力或其它外力力锁合24型锁合：利用高副元素本身的几何形状槽凸轮机构：槽两侧面的法向距离等于滚子直径。主回凸轮机构(共轭凸轮机构)一个凸轮推动从动件完成正行程运动，另一个凸轮推动从动件完成反行程的运动。25型锁合等径凸轮机构：两滚子中心间的距离始终保持不变。等宽凸轮机构：凸轮廓线上任意两条平行切线间的距离都等于框架内侧的宽度。返回26§2从动件常用运动规律•基本概念和参数•从动件常用的运动规律•从动件常用运动规律的选择返回27一、基本概念和参数28从动件的位移线图升程:从动件上升的最大距离h。回程运动角:′推程运动角:远休止角:s近休止角:s′基圆：以凸轮回转中心为圆心，以最小向径为半径的圆。基圆半径：r0(滚子从动件凸轮机构除外）。B'Ss′s′s′s′r0h29从动件的位移线图K'B'Ss′s′s′s′sr0=∠kOk's=Ak'Kh30s′ss′h2O=BOB′=AOB″s=B″OC″=BOC′=C″ODs′=DOA偏距圆：以凸轮轴心O为圆心，以偏距e为半径所作的圆。31尖端摆动从动件凸轮机构s′s′2OmaxOC0A0角位移:从动件的摆角。=∠C0A0k'BK'B'max=∠kOk'K32二、从动件常用的运动规律从动件的位移s、速度v、加速度a与凸轮转角（或时间t）之间的函数关系。33二、从动件常用的运动规律多项式类的运动规律一次多项式—等速运动规律二次多项式—等加速等减速运动规律五次多项式三角函数运动规律余弦加速度运动规律（简谐运动规律）正弦加速度运动规律（摆线运动规律）34二、从动件常用的运动规律等速运动规律等加速等减速运动规律余弦加速运动（简谐运动）规律正弦加速运动（摆线运动）规律35⒈等速运动规律推程运动方程式S=h/v=h/a=0][0,φ][0,φ回程运动方程式S=h-h/'v=-h/'a=0特点：存在刚性冲击。适应场合：从动件的质量不大或低速场合。36⒉等加速等减速运动规律特点：行程始末和中点，加速度突变，存在柔性冲击。适应场合：用于中速轻载的场合。22h4a2h4v22h2S222h4ah4v22h2hS)()(推程:等加速段等减速段/2][0,φ]/2,[φφ37推程位移线图画法123推程等加速段22h2S推程等减速段3'2'1'9413S:2S:1S3O:2O:1O9:4:1O9:O4:1O9:4:1S:S:S3:2:1::3213211524S)S-(h,S)S-(h22h2hS)(4'45'56'/2h/2h123456:1mm图长代表的凸轮转角。单位º/mm38⒊简谐运动规律简谐运动:动点在圆周上作匀速运动时，其在该圆直径上的投影点所形成的运动。特点：有柔性冲击。适应场合：用于中、低速轻载。s)()()]cos([cos222h2a2hv12hssinS推程：当从动件作无停歇连续运动时，可用于高速场合。(余弦加速度运动规律)39sh1234562'1'3'4'5'6')()()]cos([cos222h2a2hv12hssin推程位移线图画法O61234540⒋摆线运动规律摆线运动:滚圆在纵轴上作匀速纯滚动时，其上一点在纵轴上的投影点形成的运动。)Φ2πsin(2Φ2hω2πa)]Φ2πcos([1Φhωv)]Φ2πsin(2π1Φh[s特点：无刚、柔性冲击，用于高速场合。s返回平底（正弦加速度运动）推程：41从动件的位移线图42三、从动件运动规律的选择1.常用运动规律的特性比较432.从动件运动规律的选择原则返回应满足机器的工作要求。使凸轮机构具有良好的工作性能。应考虑使凸轮轮廓加工方便。44§⒊平面凸轮的轮廓曲线的设计•凸轮廓线设计的基本原理•用图解法设计凸轮廓线•用解析法设计凸轮廓线返回45一、凸轮廓线设计的基本原理在图示的凸轮机构中，当凸轮以等角速度转动时，推动从动件在导路中移动。•为了在图纸上绘制出凸轮的轮廓曲线，希望凸轮相对于纸面保持静止不动，为此，采用“反转法”。46反转法原理设想给整个机构绕凸轮转动中心O加上一个与凸轮的角速度大小相等、方向相反的公共角速度（-）。此时凸轮静止不动；从动件在复合运动中，其尖端的运动轨迹是凸轮廓线。随机架反转（-）从动件作复合运动又相对机架移动47设计凸轮廓线时，使从动件随机架反转，同时又相对机架移动，作出从动件在复合运动中的一系列位置，从动件尖端的轨迹就是所要求的凸轮廓线。设想凸轮固定不动，反转法原理48二、用图解法设计凸轮的廓线直动从动件盘形凸轮机构摆动从动件盘形凸轮机构49(一）直动从动件盘形凸轮廓线的设计•偏置尖端直动从动件凸轮机构•对心尖端直动从动件凸轮机构•偏置滚子直动从动件凸轮机构•平底直动从动件凸轮机构50⒈偏置尖端直动从动件盘形凸轮机构例：已知从动件的运动规律，从动件位于凸轮的上方，从动件的导路偏于凸轮轴心的左侧，偏距为e，凸轮的基圆半径r0，凸轮以等角速度沿顺时针方向转动。要求设计凸轮廓线。ω51思路分析：机构“反转”时各构件间相对运动的几何关系。（、S的图示）反转过程中，从动件的位置线始终与偏距圆相切，且与凸轮轴心的相对位置关系保持不变。转角i=∠C0OCi，点Ci为从动件的位置线与基圆的交点。从动件位移Si=CiBi，i=1,2，3…iBiCiC0活用r0O152设计思路凸轮轮廓曲线（尖底轨迹）在基圆上分度φiφi=∠C0OCi在基圆上得点CiSi=CiBi尖底作复合运动的位置BiφiCiBi53作图步骤：⑴选取适当的比例尺l和,作出从动件的位移线图s-，并将推程运动角和回程运动角′作若干等分。:1mm图长代表的凸轮转角。单位º/mm54⑵按同样的长度比例尺l，画出偏距圆和基圆，确定从动件尖端在推程的起始位置B0(C0)即：从动件的起始位置线与基圆的交点。55⑶确定从动件在反转中依次占据的位置线•在基圆上，自OC0开始沿（-）方向依次取推程运动角、远休止角s、回程运动角′和近休止角s′。•然后将和′分成与位移线图中对应的等分，在基圆上得C1、C2、C3…诸点。56•过点C1、C2、C3……作偏距圆的一系列切线。即为反转时从动件依次占据的位置线。⑶确定从动件在反转中依次占据的位置线。♫注意:在反转过程中，从动件与凸轮轴心的相对方位应保持不变。57⑷确定从动件尖端在复合运动中依次占据的位置。B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10•沿以上各切线自基圆向外量取从动件相应的位移量，即作：C1B1=11′,C2B2=22′….，得诸点B1、B2、….。58⑸将点B0、、B1、B2…连成一条光滑曲线，即得凸轮的轮廓曲线。B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10B0（图中远休止段B6、B7间和近休止段C11、C0间均为圆弧）59⒉对心尖端直动从动件凸轮机构其设计方法基本与偏置从动件凸轮机构相同;不同之处在于,反转时，从动件的位置线始终通过凸轮轴心O。(因为e=0,从动件的位置线通过凸轮的轴心)，60r0例：已知：从动件的运动规律，从动件位于凸轮的上方，凸轮的基圆半径r0，凸轮以等角速度（顺时针)旋转。要求设计凸轮廓线。61对心尖端直动从动件凸轮机构B1B2B3B4B5B6B7B8B9B1062⒊偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构反转法凸轮的实际廓线是理论廓线上滚子圆族的包络线（与该滚子圆族所有圆相切的曲线）。在反转中，滚子中心将描绘出一条与凸轮廓线法向等距的曲线。(凸轮的理论廓线)滚子中心是从动件与滚子的铰接点，其运动规律就是从动件的运动规律。63思路分析：机构“反转”时各构件间相对运动的几何关系转角i=∠C0OCi，点Ci为从动件的位置线与基圆的交点。基圆：以凸轮回转中心O为圆心，以理论廓线的最小向径为半径的圆。从动件位移Si=CiBi，i=1,2，3…iCiBi64设计思路：作滚子圆族的包络线（凸轮的实际廓线）iCiBi以滚子中心为参考点作出凸轮的理论廓线转角i=∠C0OCi，过点Ci作从动件的位置线。从动件位移Si=CiBi，i=1,2，3…在凸轮的理论廓线上画滚子圆65作图步骤：r0注意：凸轮的基圆半径r0是理论廓线的最小向径。⑴将滚子中心B假想为尖端从动件的尖端，按前述方法作出凸轮的理论廓线。66⑵以理论廓线上各点为圆心，按同样的长度比例尺l，根据滚子半径rT作一系列滚子圆（图上半径为rT/l）。B6B7B11B067⑶然后，作出滚子圆族的内包络线（与该滚子圆族所有圆相切的曲线）即为凸轮的实际廓线。B0B11B6B7682)基圆半径r0指的是凸轮的理论廓线的最小向径。注意：1）凸轮的实际廓线只能用包络线法来求取。因滚子中心的运动规律是从动件的运动规律。先作出凸轮的理论廓线，再作其上滚子圆族的包络线才能得到凸轮的实际廓线。r069⒋对心直动平底从动件盘形凸轮机构设计的基本思路与滚子从动件盘形凸轮机构相似，不同的是取从动件平底与导路线的交点为参考点，将其视作尖端从动件的尖端。设计思路：作出参考点在反转过程中占据的一系列位置作出平底在反转过程中相应地占据的一系列位置凸轮的实际廓线（平底直线族