凸轮机构设计与实践

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1、成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文）论文题目：PLC搬运机械手控制系统设计教学点：重庆科创职业学院指导老师：黄武凯职 称：讲师学生姓名：李梦岚学号：_2008522461专 业：机电一体化工程成都电子机械高等专科学校成教院制2010年 12月 5日成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文）任务书题目：PLC搬运机械手控制系统设计任务与要求：此处要填写时间:年 月 日至 年 月教学点:重庆科创职业学院学生姓名:学 号： 2006301877专业:模具设计与制造指导单位或教研室:指导教师:职称：成都电子机械高等专科学校成教院制毕业设计（论文）进度计划表日期工作内容执行情况指导教师签

2、字4月15日 至4月20日准备良好*教师对进度计划实施情况总评签名年 月 日本表作评定学生平时成绩的依据之一。摘要凸轮机构是一种被广泛应用于各种自动化机械、仪器和操纵控制装置中的机 械零件。凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各 种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。凸轮机构可以将凸轮的连续转动或移动转换为从动件连续或不连续的移动 或摆动。与连杆机构相比，凸轮机构便于实现给定的运动规律和轨迹；而且结构 简单紧凑；但由于凸轮与从动件之间以高副接触，因此凸轮机构比较容易磨损。关键词：凸轮机构、高副、自动化AbstractCam is a widely used in a v

3、ariety of automated machinery, apparatus and control devices to manipulate the mechanical parts. Cam has been the reason why such a wide range of applications, mainly due to a variety of cam mechanism can be achieved sports complex requirements, but also the structure of simple, compact.Cam cam can

4、be a continuous rotation or move converted to Follower continuous or to move or swing. Compared with the linkage mechanism, cam mechanism to facilitate the realization of the given rules and track the movement; and compact structure is simple; but the cam and follower high-ah, deputy contact and eas

5、y to wear.In this paper, the design of cam need to understand the relevant terms and the need for the design of the cam and cam design parameters appear in the actual contours of the distortion curve and a sharp change, as well as the solution to the problem in the design should pay attention to the

6、 issue of the system Introduction and summary.Key words: Cam、high deputy、automation第一章凸轮机构的介绍1第一节凸轮机构的概述1第二节凸轮机构的分类2第三节凸轮机构的特点3第二章从动件的常用运动规律4第一节凸轮机构运动过程及有关名称4第二节凸轮的几何锁合4第三节位移线图5第三章凸轮机构设计基本尺寸的确定6第一节滚子半径的选择6第二节压力角及其校核6第三节基圆半径的选择7第四章凸轮机构的结构设计8第五章凸轮机构的应用9结束语10谢辞11参考文献12第一章凸轮机构的介绍第一节凸轮机构的概述凸轮机构是应用较广泛的机构，

7、特别是在印刷机、纺织机、内燃机、包装机 械以及各种自动机械中有着普遍的应用。凸轮机构是由凸轮、从动件、机架组成的高副机构。图1-1所示为典型的凸轮机构如图1-1所示为典型的凸轮机构，它由曲线轮廓的盘状构件凸轮1，作往复 直线运动或摆动的从动件2及机架3三部分组成。通常凸轮1作匀速转动，从动 件按照凸轮轮廓确定的运动规律运动完成要求的动作。凸轮机构在自动机床进刀机构中的应用，当凸轮匀速转动时从动件作匀速直 线运动完成进刀动作。又如内燃机配气机构中的凸轮机构，凸轮作匀速转动，从 动件行走一定的行程，实现打开和关闭进、排气门的动作。第二节凸轮机构的分类由于凸轮机构是由从动件、凸轮组成的高副机构，因此

8、可按照凸轮的形状、 从动件的形状和运动形式、凸轮与从动件维持高副接触的方式等特点对凸轮机构 进行分类。一、按照凸轮的形状分类（1）盘形凸轮：凸轮是一个变曲率半径的盘形构件。（2）移动凸轮：具有曲线形状的作往复直线运动的构件。（3）圆柱凸轮：在圆柱体上开出曲面轮廓的凹槽或在其端面上做出曲面形 状轮廓。盘形凸轮和移动凸轮与从动件的运动在同一平面内，称为平面凸轮机构。圆 柱凸轮机构属空间凸轮机构。二、按照从动件的形状分类（1）尖顶从动件：该种从动件与凸轮之间为点接触，可以与任意复杂形状 的凸轮轮廓保持接触，但尖顶容易磨损，一般用于传递动力较小的低速凸轮机构 中。（2）滚子从动件：滚子的转动把从动件与

9、凸轮之间的滑动摩擦变为滚动摩 擦，减少凸轮机构的磨损，并且可以传递较大的动力，因此应用较为广泛。（3）平底从动件：这种从动件的受力较为平稳，容易形成油膜，因此在高 速凸轮中应用较广。（4）曲底从动件：这种从动件具有尖顶与平底从动件的双重优点，但制造 困难。三、按照从动件的运动形式分类为直动和摆动从动件两大类。四、按照维持凸轮与从动件高副接触的方式分类力封闭（又称锁合）和形封闭两种形式。力封闭凸轮机构:是依靠重力弹簧力等外力维持凸轮与从动件之间的高副 接触。形封闭凸轮机构:是其依靠凸轮或从动件特殊的几何形状来维持高副接触。等宽凸轮机构:两高副接触点之间的距离b保持不变。第三节凸轮机构的特点一、凸

10、轮机构的优点只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简 单、紧凑、设计方便，因此在自动机床、轻工机械、纺织机械、印刷机械、食品 机械、包装机械和机电一体化产品中得到广泛应用。二、凸轮机构的缺点1）凸轮与从动件间为点或线接触，易磨损，只宜用于传力不大的场合；2）凸轮轮廓精度要求较高，需用数控机床进行加工；3）从动件的行程不能过大，否则会使凸轮变得笨重。第二章从动件的常用运动规律第一节凸轮机构运动过程及有关名称在凸轮机构中原动件凸轮与从动件之间有一定的运动关系和名称：（1）基圆：以凸轮转动中心为圆心，凸轮轮廓曲线上的最小矢径为半径所 画的圆称为凸轮机构的基圆。基圆的半径用r

11、表示，它是设计凸轮轮廓曲线的基 准。（2）推程：从动件距凸轮回转中心最近点到最远点的运动过程。（3）回程:与推程相反，为从动件从距凸轮回转中心最远点到最近点的远 动过程。（4）行程：整个推动过程中从动件运动的距离，用h表示。（5）推程回角：整个推程过程中凸轮转过的角度，用6表示。（6）回程运动角：整个回程过程中凸轮转过的角度，用6表示。（7）远休止角：从动件在距凸轮回转中心最远点静止不动时对应的凸轮转 角，用6 s表示。（8）近休止角：从动件在距凸轮回转中心最近点静止不动时对应的凸轮转 角，用6s表示。凸轮转过一周，从动件经历推程、远休止、回程、近休止、四个运动阶段， 是典型的升一停一回一停的

12、双停歇循环；从动件运动也可以是一次停歇或没有停 歇循环。第二节凸轮的几何锁合几何锁合：依靠凸轮和从动件的特殊几何形状而始终维持接触。1）凹槽凸轮机构：其凹槽两侧面间的距离等于滚子的直径，故能保证滚子 与凸轮始终接触。显然这种凸轮只能采用滚子从动件。2）共轭凸轮机构：利用固定在同一轴上但不在同一平面内的主、回两个凸 轮来控制一个从动件，主凸轮驱使从动件逆时针方向摆动；而回凸轮驱使从动件 顺时针方向返回。3）等径凸轮机构和等宽凸轮机构：其从动件上分别装有相对位置不变的两 个滚子和两个平底，凸轮运动时，其轮廓能始终与两个滚子或平底同时保持接触。 显然，这两种凸轮只能在1800范围内自由设计其廓线，而

13、另1800的凸轮廓线必 须按照等径或等宽的条件来确定，因而其从动件运动规律的自由选择受到一定限 制。几何锁合的凸轮机构可以免除弹簧附加的阻力，从而减小驱动力和提高效率。其缺点是机构外廓尺寸较大，设计也较复杂。第三节位移线图从动件的运动过程，可以用位移线图表示。位移线图以从动件位移S或角位 移W为纵坐标，凸轮转角0为横坐标。以四根不同的位移线分别表示凸轮机构的 推程，远休止、回程、近休止四个运动规律。一、从动件常用运动规律从动件的运动规律指在推程和回程当中其位移S、速度V、加速度a、随凸 轮转角变化的规律。下面介绍从动件的运动规律：等速运动规律，加速、等减速 运动规律，余弦加速度运动规律。二、运

14、动规律的拼接生产中应用的从动件运动规律往往是非常复杂的。当单一的运动规律不能满 足运动要求时，可以将几个运动规律拼接得到要求的运动规律。如:可将5次多项 式和匀速运动规律拼接得到新的运动规律，该运动规律不存在冲击。三、选择从动件运动规律的原则如果生产上对从动件有运动规律要求则需要按照要求进行设计。如果生产上 只有升程的要求则应注意：(1) 从动件的最大速度要尽量小，这样可减少从动件的最大动量；(2) 从动件的最大加速度要尽量小且无突变，这样可减少从动件的最大惯力， 减少冲击。(3) 从动件的最大跃度(加速度的导数)要尽量小，这样可使从动件的运转平 稳性提高。选择从动件的运动规律是一个实践性很强

15、的问题，应在实践中逐步掌握。第三章凸轮机构设计基本尺寸的确定本章研究基圆半径rb和rt和滚子半径等基本尺寸及凸轮机构的传力性能。第一节滚子半径的选择选择滚子半径时，从受力情况及滚子强度等方面考虑，滚子半径rt大些较 好。但是增大滚子半径对凸轮工作轮廓影响很大。设凸轮理论轮廓外凸部分的最 小曲率半径p表示，则相应位置工作轮廓的曲率半径p =p -rt。当prt时，p 0，凸轮工作轮廓为一平滑曲线。当p =rt时，p =0，凸轮工作轮廓上产生尖点，尖点处磨损后改变从动件 原定的运动规律。当prt时，p 为负值，则凸轮工作轮廓曲线出现相交加工时相交部分将 被切去，从动件的运动要求无法实现，这种现象称

16、为“失真”。为了使凸轮工作 轮廓在任何位置既不产生尖点有不相交，滚子半径必须小于理论轮廓最小曲率半 径。通常rt=0.8p。凸轮理论轮廓最小曲率半径p可用作图法近似求出。在 理论轮廓上目测选择曲率最大的点E，以E为圆心作任意半径的小圆，再以该圆 与理论轮廓线的两个交点F和G为圆心，以同样的半径作两个小圆，三个小圆相 交于H、I、J、K四点；连接HI、JK并延长得交点C，C点即为E点理论轮廓线 的曲率中心，CE为最小曲率半径p。第二节压力角及其校核如果凸轮机构在推程中的一个位置。若忽略摩擦力的影响，凸轮作用从动件 上的驱动F是沿接触处的法线方向传递的。此力可分解为两个分力F1和F2, F1 是推

17、动从动件运动的有效力。F2是使从动件压紧导路的有害分力。凸轮对从动 件驱动力F与从动件受力点的速度方向间所夹的锐角a称为压力角。且F1= cos a .F2=sina，压力角a愈大。则有害分力F2愈大，机构的传力性能愈坏，当a 增大到一数值时，无论凸轮给从动件的驱动力多大，都不能推动从动件，即机构 发生自锁。为了保证机构正常工作，并具有良好的传力性能能，必须对压力角加 以限制，根据理论分析和实际经练，许用压力角a 为推程时，直动从动件取 a =30，摆动从动件取a =35-45；回程时取a =70-80。凸轮轮廓绘制成之后，必须校核凸轮的压力角，检验其最大压力角是否在许 用值范围之内。检验方法

18、：在凸轮理论轮廓比较陡的地方取几点，过这些点作法 线和从动件速度方向线，量出它们之间所夹的锐角，应该不超过许用值。如果超 过许用值，通常采用加大基圆半径的方法减小压力角。第三节基圆半径的选择设计凸轮机构时，一般是先根据机构的布局和结构需要初步选定基圆半径， 再绘制凸轮轮廓。基圆半径选得愈小，则凸轮机构愈紧凑。但是，基圆半径过小 会引起压力角增大，机构工作情况变坏，甚至机构发生自锁。基圆半径与压力角的关系说明：两个凸轮的基圆半径分别为r1和r2且r1r2. 当凸轮转过0角时两从动件的位移相同，可看出a 1a 2。所以，减少基圆半径 时压力增大；反之，基圆半径增大时，压力角减小。第四章凸轮机构的结

19、构设计一、凸轮和滚子的材料凸轮机构主要失效形式是磨损和疲劳点蚀，着就要求凸轮和滚子的工作表面 硬度高、耐磨并且有足够的表面接触强度，对于经常受到冲击的凸轮机构要求凸 轮芯部有较大的韧性。低速、中小载荷的一般场合，凸轮常采用45、40Cr钢，表面淬火（硬度 40-50HRC），亦可采用15、20Cr20CrMnTi，经渗碳淬火，硬度达56-62HRC。滚子 材料可采用20Cr，经渗碳淬火，表面硬度达56-62HRC；也可用滚动轴承作为滚 子。二、凸轮和滚子的结构当凸轮的径向尺寸与轴的直径尺寸相差不大时，凸轮与轴做成一体称为凸轮 轴；当尺寸相差较大时，将凸轮与轴分别制造，可用键和销与轴连接，这种结

20、构 称为整体式凸轮。当凸轮与轮用螺栓联接，轮与轴用键联接；轴与凸轮用弹簧和圆螺母联接。 这两种凸轮结构可以调整凸轮与轴在圆周方向上相对位置，便于安装和调整。三、滚子的结构滚子的几种装配结构：滚子上装有油杯、滚子无油杯、滚子为滚动轴承。滚 子轴销直径D和滚子宽度b，可按经验公式确定四、滚子、平底从动件凸轮机构实际轮廓曲线的失真和变尖问题失真:实际轮廓的曲率半径p 小于零，实际轮廓不存在，滚子不能实现预定 的运动规律，称为失真。变尖:当p二r时,实际轮廓的曲率半径p 为零，表示该点变尖。凸轮轮廓变尖和失真都是不允许的，在生产中必须克服变尖和失真的现象。要克服实际轮廓失真和变尖的问题,可增加凸轮理论

21、轮廓的曲率半径或减少 滚子的半径。一般的滚子选用的是滚动轴承，因此，当出现理论轮廓的曲率半径 0.8p r时通常采取增加凸轮基圆半径的方法家大理论轮廓的最小曲率半径。第五章凸轮机构的应用凸轮机构广泛的应用于各种自动机械、仪器和操作控制装置中。本章主要介 绍几种凸轮机构在实际生产的应用，以便更好的了解凸轮机构。当凸轮转动时，依靠凸轮的轮廓，使从动件（气门）向下移动打开气门，借 助弹簧的作用力关闭，实现按预定时间打开或关闭气门，完成内燃机的配气动当凸轮转动时，依靠凸轮的轮廓可使从动杆做往复摆动。从动杆上装有扇形 齿轮，通过它可带动横刀架完成进刀和退刀的动作。移动凸轮，可使从动杆沿凸轮轮廓运动，带刀

22、架进退，完成与凸轮轮廓曲线 相同的工件外形的加工。摇动手柄使轴转动，同时使固连于轴上的蜗杆和线轴一起转动；通过蜗杆与 蜗轮减速带动凸轮缓慢转动，靠凸轮轮廓土从动杆（摆杆）上尖顶A之间的接触， 推动从动杆绕B点摆动，其端部拨叉使导线均匀地绕在线轴上。结束语本论文通过对凸轮设计中需要了解的相关名词及需要掌握的凸轮设计的参 数和凸轮机构设计中出现的实际轮廓曲线的失真和变尖问题的解决方法以及在 设计中应注意的问题作出了系统的介绍和总结。谢辞在这次机械设计的大作业即凸轮机构的设计与实践中我遇到了很多的问题。 但我的指导老师在我完成这次作业中给予了我很大的帮助，如我在做凸轮机构的 设计时不知道该怎么进行时，老师给我讲解了其设计的精髓和应该注意的问题， 帮助我很好的完成了这次设计和实践。在此我深深的感谢老师你对我的帮助和指导。让我在社会实践的道路上有了 新的认识和体会，更加深刻的理解和明白了机械设计的精髓。最后我对老师说一句：老师你辛苦了！参考文献1. 高大钊主编，土力学与基础工程M,北京：中国建筑工业出版社，1998.9： 49-55.2. 陈正汉.非饱和土的应力状态与应变状态变量.第七届土力学及基础工程学术 会议论文集C.北京：中国建筑工业出版社，1994.9： 186-191.