清华教你学机械

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1、精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所第第3 3章章 凸轮机构凸轮机构凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型从动件运动规律设计从动件运动规律设计凸轮轮廓的设计凸轮轮廓的设计凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构的计算机辅助设计凸轮机构的计算机辅助设计精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所3.1 3.1 凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型3.1.1 3.1.1 凸轮机构的组成凸轮机构的组成1 1 凸轮凸轮2 2 从动件从动件3 3 机架机架高副机构精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所3.1

2、.2 3.1.2 凸轮机构的类型凸轮机构的类型1.1.按凸轮的形状分类按凸轮的形状分类盘形凸轮盘形凸轮：最基本的形式，结构简单，应用最为广泛最基本的形式，结构简单，应用最为广泛移动凸轮移动凸轮：凸轮相对机架做直线运动：凸轮相对机架做直线运动圆柱凸轮圆柱凸轮：空间凸轮机构：空间凸轮机构盘形凸轮 移动凸轮 圆柱凸轮精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所2.2.按从动件的形状分类按从动件的形状分类尖端从动件曲面从动件尖端能以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。但尖端处极易磨损，只适用于低速场合。磨损比尖端从动件小。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学

3、系 设计工程研究所设计工程研究所 滚子从动件滚子从动件 平底从动件平底从动件凸凸轮轮与与从从动动件件之之间间为为滚滚动动摩摩擦擦，因因此此摩摩擦擦磨磨损损较较小小，可用于传递较大的动力。可用于传递较大的动力。从从动动件件与与凸凸轮轮之之间间易易形形成成油油膜膜，润润滑滑状状况况好好，受受力力平平稳稳，传传动动效效率率高高，常常用用于于高高速速场场合合。但但与与之之相相配配合合的的凸凸轮轮轮轮廓廓须须全部外凸。全部外凸。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所3.3.按从动件的运动形式分类按从动件的运动形式分类移动从动件移动从动件 摆动从动件摆动从动件移动从动件：从动件

4、作往复移动，其运动轨从动件作往复移动，其运动轨迹为一段直线；迹为一段直线；摆动从动件：从动件作往复摆动，其运动轨从动件作往复摆动，其运动轨迹为一段圆弧。迹为一段圆弧。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所4.4.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类(1)(1)力锁合力锁合弹簧力、从动件重力或其它外力弹簧力、从动件重力或其它外力(2)(2)型锁合型锁合利用高副元素本身的几何形状利用高副元素本身的几何形状精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所槽凸轮机构槽凸轮机构 槽两侧面的距离槽两侧面的距离等于滚子直径。等

5、于滚子直径。优点优点：锁合方式结构简单：锁合方式结构简单缺点缺点：加大了凸轮的尺寸和重量：加大了凸轮的尺寸和重量精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所等宽凸轮机构等宽凸轮机构 凸轮廓线上任意两条凸轮廓线上任意两条平行切线间的距离都等于平行切线间的距离都等于框架内侧的宽度。框架内侧的宽度。缺点：从从动动件件的的运运动动规规律律的的选选择择受受到到一一定定的的限限制制，当当180180 范范围围内内的的凸凸轮轮廓廓线线根根据据从从动动件件运运动动规规律律确确定定后，其余后，其余180180 内的凸轮廓线必须符合等宽原则内的凸轮廓线必须符合等宽原则精密仪器与机械学系精密仪

6、器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所等径凸轮机构等径凸轮机构 两滚子中心间的两滚子中心间的距离始终保持不变。距离始终保持不变。缺点：缺点：从动件运动规律的选择受到一定的限制从动件运动规律的选择受到一定的限制精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所主回凸轮机构主回凸轮机构(共轭凸轮机构共轭凸轮机构)优点：克服了等宽、等径凸轮的缺点克服了等宽、等径凸轮的缺点缺点：结构复杂，制造精度要求高结构复杂，制造精度要求高 一一个个凸凸轮轮推推动动从从动动件件完完成成正正行行程程运运动动，另另一一个个凸凸轮轮推推动动从从动动件完成反行程的运动件完成反行程的运动精密仪器与机械学系

7、精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所5.5.反凸轮机构反凸轮机构摆杆为主动件，凸轮为从动件摆杆为主动件，凸轮为从动件精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所反凸轮机构应用实例反凸轮机构应用实例自动铣槽机应用反凸轮机构实现料斗反转自动铣槽机应用反凸轮机构实现料斗反转精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所3.1.3 3.1.3 凸轮机构的应用凸轮机构的应用例例1 1：实现变速操纵：实现变速操纵例例2 2：实现自动进刀、退刀：实现自动进刀、退刀例例3 3：控制阀门的启闭：控制阀门的启闭例例4 4：印刷机的吸纸吸头：印刷机的吸纸吸头精密

8、仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所3.2 3.2 从动件运动规律设计从动件运动规律设计3.2.1 3.2.1 凸轮机构的工作情况凸轮机构的工作情况精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所回程运动角回程运动角 近休止角近休止角从动件运动规律（从动件运动线图）从动件运动规律（从动件运动线图）:从动件的位移、从动件的位移、速度、加速度、跃度随时间或凸轮转角的变化规律速度、加速度、跃度随时间或凸轮转角的变化规律基基圆圆以以凸凸轮轮轮轮廓廓的的最最小向径小向径r rb b所作的圆所作的圆升升距距从从动动件件上上升升的的最最大距离大距离h h推程运动角

9、推程运动角0 0远休止角远休止角s s精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所3.2.2 3.2.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律1.1.等速运动等速运动特特点点：速速度度有有突突变变，加加速速度度理理论论上上由由零零至至无无穷穷大大，从从而而使使从从动动件件产产生生巨巨大大的的惯惯性性力力，机机构构受受到到强强烈烈冲冲击击刚性冲击刚性冲击适应场合：适应场合：低速轻载低速轻载精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所2.2.等加速等减速等加速等减速(抛物线抛物线)运动运动特特点点：加加速速度度曲曲线线有有突突变变，加加速速度度的的变变化

10、化率率(即即跃跃度度j)在在这这些些位位置置为为无无穷穷大大柔性冲击柔性冲击适应场合：适应场合：中速轻载中速轻载精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所3.3.简谐运动简谐运动(余弦加速度运动余弦加速度运动)当质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上的投影所构成的运动规律简谐运动特点：有柔性冲击适用场合：中速轻载(当从动件作连续运动时，可用于高速)精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所4.4.摆线运动规律（正弦加速度运动规律）摆线运动规律（正弦加速度运动规律）半径R=h/2的滚圆沿纵座标作纯滚动，圆上最初位于座标原点的点其位移随时间变化的规

11、律摆线运动特点：无刚性、柔性冲击适用场合：适于高速精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所5.3-4-55.3-4-5次多项式运动规律次多项式运动规律特点：无刚性冲击、柔性冲击适用场合：高速、中载精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所3.2.3 3.2.3 从动件运动规律的选择从动件运动规律的选择1.1.常用运动规律性能比较常用运动规律性能比较边界条件的不同，可能改变冲击特性精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所2.2.从动件运动规律的选择原则从动件运动规律的选择原则考虑因素：考虑因素：对运动规律的要求对运动规律

12、的要求凸轮的转速（动力特性和便于加工）凸轮的转速（动力特性和便于加工）3.2.4 3.2.4 从动件运动规律的组合从动件运动规律的组合1.1.满足工作对运动规律的特殊要求；满足工作对运动规律的特殊要求；2.2.为为避避免免刚刚性性冲冲击击，位位移移曲曲线线和和速速度度曲曲线线必必须须连连续续；而而为为避避免免柔柔性性冲冲击击，加速度曲线也必须连续。加速度曲线也必须连续。3.3.尽量减小速度和加速度的最大值。尽量减小速度和加速度的最大值。边边界界条条件件：组组合合各各段段运运动动规规律律的的位位移移、速速度度和和加加速速度度曲曲线线在在连连接接点点处处其其值应分别相等。值应分别相等。精密仪器与机

13、械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所运动曲线拼接步骤运动曲线拼接步骤1.1.理解题意，根据已知条件计算有关数据，将运动要求具理解题意，根据已知条件计算有关数据，将运动要求具体化，草拟出从动件的运动线图：推程？回程？。体化，草拟出从动件的运动线图：推程？回程？。2.2.按照草拟的运动线图，选择各段运动规律曲线类型。按照草拟的运动线图，选择各段运动规律曲线类型。3.3.利用各段曲线应满足的边界条件，确定各段运动规律的利用各段曲线应满足的边界条件，确定各段运动规律的行程及其对应的凸轮转角。行程及其对应的凸轮转角。4.4.精确地作出从动件完整的运动线图。精确地作出从动件完整的运动线图

14、。教材教材p91-94p91-94：例例3.1 3.1 运动曲线拼接运动曲线拼接精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所3.3 3.3 凸轮轮廓的设计凸轮轮廓的设计3.3.1 3.3.1 基本原理基本原理反转后，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所3.3.2 3.3.2 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓1.1.移动从动件盘形凸轮移动从动件盘形凸轮(1)(1)尖端从动件尖端从动件精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所设计步骤：设计步骤：1）作出基圆，选定从动件初始）作出

15、基圆，选定从动件初始位置位置2）作偏距圆的分点与位移）作偏距圆的分点与位移-转角转角曲线所分区间一致曲线所分区间一致3）作切射线，截取线段，求出）作切射线，截取线段，求出外廓的一系列位置外廓的一系列位置4）连接并平滑，得到凸轮轮廓）连接并平滑，得到凸轮轮廓5）检查几个问题（压力角）检查几个问题（压力角.）精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所（2 2）滚子从动件）滚子从动件滚子中心将描绘一条与凸轮廓线法向等距的曲线理论廓线。rb指的是理论廓线的基圆。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所 作内包络线，得到凸轮的实际廓线；若同时作外包络线，

16、可形成槽凸轮廓线。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所（3 3）平底从动件）平底从动件 取平底从动件表面上的点B0作为假想的尖端从动件的尖端。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所 为了保证在所有位置从动件平底都能与凸轮轮廓曲线相切，凸轮廓线必须是外凸的。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所2.2.摆动从动件盘形凸轮摆动从动件盘形凸轮转轴圆分点“位移”为角度从动件常做成弯杆形状？精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所3.3.3 3.3.3 用解析法设计凸轮廓线用解析法设计凸轮廓线

17、根据反转法原理几何关系，向坐标系投影。根据反转法原理几何关系，向坐标系投影。例如设计例如设计移动滚子从动件盘形凸轮廓线移动滚子从动件盘形凸轮廓线，应列出如下方程：，应列出如下方程：1)理论廓线方程理论廓线方程2)实际廓线方程实际廓线方程3)刀具中心轨迹方程刀具中心轨迹方程精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究

18、所3.4 3.4 凸轮机构凸轮机构(Cam Mechanism)(Cam Mechanism)基本尺寸的确定基本尺寸的确定3.4.1 3.4.1 移动滚子从动件盘形凸轮移动滚子从动件盘形凸轮(Disc Cam)(Disc Cam)机构机构问题：压力角过大机构尺寸过大运动失真基本参数设计：基本参数设计：1.压力角压力角(Pressure angle)2.基圆半径基圆半径(Radius of base circle)3.偏置方向偏置方向(Offset distance)4.滚子半径滚子半径(Radius of roller)精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所(1)压

19、力角压力角(Pressure angle)与许用值与许用值(Allowable pressure angle)凸轮机构压力角：在不计摩擦的情况下，凸轮对从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度之间所夹的锐角。从机构受力看：压力角越小越好。(Self-locking)精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所(2)压力角与凸压力角与凸轮基圆半径轮基圆半径(Radius of base circle)的关系的关系凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心右侧：于凸轮轴心右侧：凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心于凸轮

20、轴心左侧左侧：精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心于凸轮轴心右侧右侧：(凸顺，从左）凸顺，从左）凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心于凸轮轴心左侧左侧：(凸顺，从右）凸顺，从右）？凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心于凸轮轴心左侧左侧：(凸顺，从右）凸顺，从右）(2)压力角与凸压力角与凸轮基圆半径轮基圆半径(Radius of base circle)的关系的关系基圆半径越大，压力角越小基圆半径越大，压力角越小精密仪器与机械学系精密仪器与机

21、械学系 设计工程研究所设计工程研究所综合以上两式，可得到压力角与综合以上两式，可得到压力角与凸轮基圆半径的关系：凸轮基圆半径的关系：在使在使 的前提下（的前提下（保证传力特性保证传力特性），选取尽），选取尽可能小的基圆半径（可能小的基圆半径（希望结构紧凑希望结构紧凑）：）：P108maxaa(3)凸凸轮基圆半径轮基圆半径(Radius of base circle)的确定的确定精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所(4)从从动件偏置方向的选择动件偏置方向的选择凸轮逆时针回转，从动件右偏置凸轮顺时针回转，从动件左偏置凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动

22、件偏于凸轮轴心于凸轮轴心右侧右侧：(凸顺，从左）凸顺，从左）凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心于凸轮轴心左侧左侧：(凸顺，从右）凸顺，从右）？减少推程压力角减少推程压力角:凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心于凸轮轴心左侧左侧：(凸顺，从右）凸顺，从右）精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所(5)凸轮轮廓形状凸轮轮廓形状(Cam profile)与滚子半径的关系与滚子半径的关系外凸凸轮廓线外凸凸轮廓线精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所实际廓线(Cam profile)出现尖

23、点精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所实际廓线出现交叉，从动件不能准确地实现预期的运动规律运动失真(Undercutting)精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所内凹凸轮廓线内凹凸轮廓线 无论滚子半径多大，总能由理论轮廓(Pitch curve)求出实际轮廓。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所运动失真运动失真原因：原因：避免方法：避免方法：滚子半径的选择滚子半径的选择考虑结构、强度与运动规律等因素考虑结构、强度与运动规律等因素精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所3.4.2

24、3.4.2 移动平底从动件盘形凸轮机构移动平底从动件盘形凸轮机构（Disc cam mechanism with reciprocating flat-face follower)Disc cam mechanism with reciprocating flat-face follower)凸轮出现过度切割(undercutting)的现象，从动件无法完全实现预期的运动规律。运动失真问题：运动失真问题：p基圆半径过小基圆半径过小p从动件升程过大从动件升程过大,或推程角过小或推程角过小精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所基圆半径的确定基圆半径的确定:偏距e：不影响

25、凸轮廓线的形状精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所基圆半径的确定基圆半径的确定移动平底从动件盘形凸轮移动平底从动件盘形凸轮基圆半径的取值范围基圆半径的取值范围条件：避免运动失真条件：避免运动失真上述基圆半径的取值能够保证凸轮廓线全部外凸，上述基圆半径的取值能够保证凸轮廓线全部外凸，并避免廓线变尖或出现交叉。并避免廓线变尖或出现交叉。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所减小升程h增大基圆rb增大偏心e移动平底从动件盘形凸轮移动平底从动件盘形凸轮精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所从动件偏置方向的选择从动件偏

26、置方向的选择 从动件偏置并不影响凸轮廓线的形状，选择偏置的主要目的是：为了减小从动件在推程阶段所受的弯曲应力。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所平底宽度的确定平底宽度的确定右侧 左侧接触点偏离轴心的距离：平底宽度：精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所3.5 3.5 凸轮机构的计算机辅助设计凸轮机构的计算机辅助设计凸轮机构的设计步骤凸轮机构的设计步骤1、根据使用场合和工作要求，、根据使用场合和工作要求，选择凸轮机构的类型选择凸轮机构的类型（合理选择（合理选择凸轮和从动件的形式）凸轮和从动件的形式）2、根据工作要求，、根据工作要求，选择

27、或设计从动件的运动规律选择或设计从动件的运动规律3、根据机构的具体结构条件，、根据机构的具体结构条件，初选凸轮的基圆半径初选凸轮的基圆半径4、设计凸轮的轮廓，分析凸轮轮廓是否合理设计凸轮的轮廓，分析凸轮轮廓是否合理(传力特性：压力传力特性：压力角不超过许用值；不产生运动失真：最小曲率半径不小于角不超过许用值；不产生运动失真：最小曲率半径不小于许用值）许用值）5、设计结构和材料选择设计结构和材料选择。掌握凸轮机构计算机辅助设计的完整设计过程掌握凸轮机构计算机辅助设计的完整设计过程注意设计的目标以及在程序流程图中的实现注意设计的目标以及在程序流程图中的实现精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计

28、工程研究所设计工程研究所本章的基本要求本章的基本要求掌握根据工作要求和使用场合选择凸轮机构的类型；掌握根据工作要求和使用场合选择凸轮机构的类型；掌握从动件几种常用运动规律的特点和适用场合，以掌握从动件几种常用运动规律的特点和适用场合，以及不同运动规律位移曲线的拼接方法；及不同运动规律位移曲线的拼接方法；熟练掌握运用反转法原理设计凸轮廓线；熟练掌握运用反转法原理设计凸轮廓线；掌握设计凸轮机构的基本步骤；掌握设计凸轮机构的基本步骤；掌握移动滚子和平底从动件盘形凸轮机构基本尺寸掌握移动滚子和平底从动件盘形凸轮机构基本尺寸（如基圆半径、滚子半径、平底宽度和偏置方向等）（如基圆半径、滚子半径、平底宽度和

29、偏置方向等）的确定原则；的确定原则；了解采用计算机对凸轮机构进行辅助设计的方法。了解采用计算机对凸轮机构进行辅助设计的方法。精密仪器与机械学系精密仪器与机械学系 设计工程研究所设计工程研究所第三章第三章 凸轮机构凸轮机构 作业作业第第5周作业：周作业：题题3.3；3.4；3.5：移动滚子、平底、摆动从动件盘形凸轮机构：移动滚子、平底、摆动从动件盘形凸轮机构中凸轮廓线设计中凸轮廓线设计(用图解法）；用图解法）；第第6周作业周作业题题3.8：反转法应用及压力角概念；：反转法应用及压力角概念；题题3.10：凸轮机构基本参数设计：凸轮机构基本参数设计题题3.13：串连式的凸轮机构：串连式的凸轮机构+连杆机构设计连杆机构设计 (用图解法）用图解法）选做练习题（不作为作业）选做练习题（不作为作业）题题3.3.2 2：从动件运动规律的拼接；：从动件运动规律的拼接；任选习题集中任选习题集中3.15*or 3.16*3.15*or 3.16*中一题，写出计算机辅助设计凸轮机中一题，写出计算机辅助设计凸轮机构的流程图，并编制相关的计算程序，撰写设计报告。构的流程图，并编制相关的计算程序，撰写设计报告。