圆柱凸轮机构

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1、本章介绍凸轮机构的类型、特点、应用及盘形凸轮的设计。凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，它通过与从动件的高副接触，在运动时可以使从动件 获得连续或不连续的任意预期运动。在第4章介绍中，我们已经看到。凸轮机构在各种机械中有大 量的应用。即使在现代化程度很高的自动机械中，凸轮机构的作用也是不可替代的。凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成，结构简单、紧凑，只要设计出适当的凸轮轮廓曲 线，就可以使从动件实现任意的运动规律。在自动机械中，凸轮机构常与其它机构组合使用，充分 发挥各自的优势，扬长避短。由于凸轮机构是高副机构，易于磨损；磨损后会影响运动规律的准确 性，因此只适用于传递动力不大的场合。图12

2、-1为自动机床中的横向进给机构，当凸轮等速回转一周时，凸轮的曲线外廓推动从动件带 动刀架完成以下动作：车刀快速接近工件，等速进刀切削，切削结束刀具快速退回，停留一段时间 再进行下一个运动循环。图 12-1图 12-2图12-2为糖果包装剪切机构，它采用了凸轮一连杆机构，槽凸轮1绕定轴B转动，摇杆2与机 架铰接于A点。构件5和6与构件2组成转动副D和C，与构件3和4（剪刀）组成转动副E和F。 构件3和4绕定轴K转动。凸轮1转动时，通过构件2、5、和6,使剪刀打开或关闭。图12-3为机械手及进出糖机构。送糖盘7从输送带10上取得糖块，并与钳糖机械手反向同步放 置至进料工位1，经顶糖、折边后，产品被

3、机械手送至工位11后落下或由拨糖杆推下。机械手开闭 由机械手开合凸轮（图中虚线）1控制，该凸轮的轮廓线是由两个半径不同的圆弧组成，机械手的 夹紧主要靠弹簧力。图1口 顶糖、接糖抓构1 一平面槽凸轮凯何2僧情杼3-*块!-接椅杆5圆柱凸轮机构图L2-3 机械手及进出糖机构】一机械手开合凸轮2成品3输送指4托板$弹簧5钳懦机械手字一送椅盘8-托盘9-巧克力格】口一辅料帝1一进料工位 1一出糖工位图整!i电阻压帽自动机的传动系统图 1电动机Z槽式无缀变速机枸3分配釉 4、9压帽机枸凸轮5电阻送料机何凸轮 &一压紧机构凸轮7电阻帼8电阻坯件12-6婀轮ll-te轩适一调速手轮图 12-7为由两个凸轮组

4、合的顶糖、接糖机构，通过平面槽凸轮机构将糖顶起，由圆柱凸轮机构控制接糖杆 的动作，完成接糖工作。图12-5所示的机构中，应用了四个凸轮机构的配合动作来完成电阻压帽工 序。内燃机中的阀门启闭机构（图12-6），缝纫机的挑线机构（图12-7）等，都是凸轮机构具体应用 的实例。由以上各例可见，凸轮机构在各种机器中的应用是相当广泛的，了解凸轮机构的有关知识 是非常必要的。12.1凸轮机构的分类按照凸轮及从动件的形状，凸轮机构的分类见表12-1。12.2凸轮机构中从动件常用的运动规律凸轮机构设计的主要任务是保证从动件按照设计要求实现预期的运动规律，因此确定从动件的 运动规律是凸轮设计的前提。12.2.

5、1平面凸轮机构的工作过程和运动参数图12-8a为一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，从动件移动导路至凸轮旋转中心的偏距为e。 以凸轮轮廓的最小向径上为半径所作的圆称为基圆，上为基圆半径，凸轮以等角速度逆时针转动。 在图示位置，尖顶与A点接触，A点是基圆与开始上升的轮廓曲线的交点，此时，从动件的尖顶离 凸轮轴最近。凸轮转动时，向径增大，从动件被凸轮轮廓推向上，到达向径最大的B点时，从动件 距凸轮轴心最远，这一过程称为推程。与之对应的凸轮转角80称为推程运动角，从动件上升的最大 位移h称为行程。当凸轮继续转过8s时，由于轮廓BC段为一向径不变的圆弧，从动件停留在最远 处不动，此过程称为远停程，对应的

6、凸轮转角q称为远停程角。当凸轮又继续转过80角时，凸轮向 径由最大减至以从动件从最远处回到基圆上的Q点，此过程称为回程，对应的凸轮转角80称为回 程运动角。当凸轮继续转过q角时，由于轮廓DA段为向径不变的基圆圆弧，从动件继续停在距轴 心最近处不动，此过程称为近停程，对应的凸轮转角8称为近停程角。此时，80+气+ *+8=2兀， 凸轮刚好转过一圈，机构完成一个工作循环，从动件则完成一个“升一停一降一停”的运动循环。盎 形 沔 轮 机 构表1ZT凸粕机梅的分秃网柱四轮机橱移动凸整机构耗会方式215形顷合弦距销距半角两柱销最 小距离柱销中心 圆半径R2柱销直径柱销数主动凸轮直径R1103.32522

7、.553.325135508100上述过程可以用从动件的位移曲线来描述。以从动件的位移S为纵坐标，对应的凸轮转角为横 坐标，将凸轮转角或达出来的图形称为从动件的位移线图，如图12-8b所示。从动件在运动过程中，其位移s、速度小加速度。随时间（或凸轮转角）的变化规律，称为 从动件的运动规律。由此可见，从动件的运动规律完全取决于凸轮的轮廓形状。工程中，从动件的 运动规律通常是由凸轮的使用要求确定的。因此，根据实际要求的从动件运动规律所设计凸轮的轮 廓曲线，完全能实现预期的生产要求。12.2.2从动件常用的运动规律常用的从动件运动规律有等速运动规律，等加速等减速运动规律、余弦加速度运动规律以及正 弦

8、运动规律等。1. 等速运动规律度有突变，其加速度和惯性力在理论上为无穷大，致使凸轮机构产生强烈的冲击、噪声和磨损， 这种冲击为刚性冲击。因此，等速运动规律只适用于低速、轻载的场合。2. 等加速等减速运动规律从动件在一个行程h中，前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动，这种运动规律称为 等加速等减速运动规律。通常加速度和减速度的绝对值相等，其运动线图如图12-10所示。图 12-9图 12-10由运动线图可知，这种运动规律的加速度在A、B、C三处存在有限的突变，因而会在机构中产 生有限的冲击，这种冲击称为柔性冲击。与等速运动规律相比，其冲击程度大为减小。因此，等加 速等减速运动规律适用于中速

9、、中载的场合。3. 简谐运动规律（余弦加速度运动规律）当一质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上投影的运动规律称为简谐运动。因其加速度 运动曲线为余弦曲线故也称余弦运动规律，其运动规律运动线图如图12-11所示。ab）图 12-11由加速度线图可知，此运动规律在行程的始末两点加速度存在有限突变，故也存在柔性冲击，只适用于中速场合。但当从动件作无停歇的升一降一升连续往复运动-时，则得到连续的余弦曲线，柔性冲击被消除，这种情况下可用于高速场合。H一彳4. 摆线运动规律（正弦加速度运动规律）慧L景7当一圆沿纵轴作匀速纯滚动时，圆周上某定点A的运动轨迹为一摆J线，而定点A运动时在纵轴上投影的运动规律

10、即为摆线运动规律。因其加速度按正弦曲线变化，故又称正弦加速度运动规律，其运动规律运动线图如图12-12所示。VX从动件按正弦加速度规律运动时，在全行程中无速度和加速度的突27变，因此不产生冲击，适用于高速场合。图12-12，了解从动件的运动规律，便于我们在凸轮机构设计时，根据机器的工作要求进行合理选择。12.3凸轮轮廓曲线的设计根据机器的工作要求，在确定了凸轮机构的类型及从动件的运动干规律、凸轮的基圆半径和凸 轮的转动方向后，便可开始凸轮轮廓曲线的设计了。凸轮轮廓曲线的设计方法有图解法和解析法。图解法简单直观，但不够精确，只适用于一般场合；解析法精确但计算量大，随着计算机辅助设计 的迅速推广应

11、用，解析法设计将成为设计凸轮机构的主要方法。以下分别介绍这两种方法。图 12-1312.3.1图解法设计凸轮轮廓曲线1. 图解法的原理图解法绘制凸轮轮廓曲线的原理是“反转法”，即在整个凸轮机构（凸轮、从动件、机架）上加一个与凸轮角速 度大小相等、方向相反的角速度（一），于是凸轮静止不 动，而从动件则与机架（导路）一起以角速度（一）绕 始终与凸轮轮廓保持接触，所以从动件在反转行程中，其 尖顶的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。2. 尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓的设计例12-1设已知凸轮逆时针回转，其基圆半径上=30mm，从动件的运动规律为凸轮转角0 180180 300300 360从动件的运动规律等速

12、上升30 mm 等加速等减速下降回到原处停止不动试设计此凸轮轮廓曲线。解：设计步骤如下：（1）选取适当比例尺作位移线图选取长度比例尺和角度比例尺为先=0.002 （m/mm）,四g=6 （度/mm）按角度比例尺在横轴上由原点向右量取30mm、20mm、10mm分别代表推程角180、回程角 120、近停程角60o每30取一等分点等分推程和回程，得分点1、2、10，停程不必取分点， 在纵轴上按长度比例尺向上截取15mm代表推程位移30mm。按已知运动规律作位移线图（图 12-14a）。（2）作基圆取分点任取一点O为圆心，以点B为从动件尖顶的最低点，由长度比例尺取rb=15mm作基圆。从B点 始，按

13、（一）方向取推程角、回程角和近停程角，并分成与位移线图对应的相同等分，得分点B、B2、B11与B点重合。（3）画轮廓曲线联接OB1并在延长线上取B1B1FT得点B1，,同样在OB2延长线上取B2B2,=22,，直到B9 点，点B10与基圆上点B顶重合。将B1 、B2.、B10联接为光滑曲线，即得所求的凸轮轮廓曲线，如图 12-14b。子中心，其运动轨迹就是凸轮的理论轮廓曲线，凸轮的实际轮廓曲线是与理论轮廓曲线相距滚子半径rT的一条等距曲线，应注意的是，凸轮的基圆指的是理论轮廓线上的基圆，如图12-14c所示。图 12-14对于其他从动件凸轮曲线的设计，可参照上述方法。*12.3.2解析法设计凸

14、轮轮廓曲线直角坐标法的设计过程。设计步骤：（1）建立直角坐标系，并根据反转法建立从动件尖顶 的坐标方程。图 12-15如图12-15所示，建立过凸轮转轴中心的坐标系xOj， 图中B0点为从动件推程的起始点，导路与转轴中心的距离 为e （当凸轮逆时针转动、导路右偏时，e为正，反之，e 为负，当凸轮顺时针转动时，则与之相反）根据反转法原理，x=(s0+s)sin中+ecos中凸轮实际廓线上任一点b（x，y）在凸轮凸轮以转过角，相当于从动件及导路以转过角，滚子中心到达B点，位移量为s。从图中几何关系 可得B点的坐标为（12-1）理论廓线法线上与滚子中心B（X，y）相距0处，其坐标为(12-2)x=

15、xrT cosOy= yrT sinO（2）建立计算机辅助设计程序框图，如图12-16。（3）运行计算机并绘出所设计的凸轮轮廓曲线。图 12-16本章小结1.2.加速度）运动规律、摆线（正弦加速度）运动规律。3.凸轮轮廓设计的图解法的原理是“反转法”。凸轮机构的结构简单，紧凑，能够实现复杂的运动规律。凸轮机构从动件常见的运动规律有：等速运动规律、等加速等减速运动规律、简谐（余弦思考题12-1为什么凸轮机构广泛应用于自动、半自动机械的控制装置中？12-2凸轮轮廓的反转法设计依据的是什么原理?12-1试标出图示位移线图中的行程、推程运动角私、远停程角8s、回程角&、近停程角8s。12-2试写出图示

16、凸轮机构的名称，并在图上作出行程，基圆半径气，凸轮转角8o、8 s、8o、8s以及A、B两处的压力角。12-3如图所示是一偏心圆凸轮机构，O为偏心圆的几何中心，偏心距e=15 mm, d=60 mm,试在图中标出:(1)凸轮的基圆半径、从动件的最大位移H和推程运动角8的值;(2)凸轮转过90时从动件的位移s。12-4图示为一滚子对心直动从动件盘形凸轮机构。试在图中画出该凸轮的理论轮廓曲线、基圆半径、推程最大位移H和图示位置的凸轮机构压力角。题12-2图-223 -题12-4图题12-3图12-5标出图中各凸轮机构图示A位置的压力角和再转过45时的压力角。题12-5图12-6设计一尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构。凸轮顺时针匀速转动，基圆半径rb=40 mm,从动件的运动规律0 9090180180240运动规律等速上升停止等加速等减速下降240360停止12-7若将上题改为滚子从动件，设巳知滚子半径rT=10 mm,试设计其凸轮的实际轮廓曲线。