盤形凸輪項目設計方案

1 盤形凸輪 項目設計方案 第一章 緒論 究背景 凸輪機構(gòu)由于結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律 ,因此廣泛應用于眾多機械中。但是由于凸輪與從動件之間的高副接觸方式會增加機構(gòu)的功率損耗 ,因此對其在高效率傳動系統(tǒng)中的使用形成了較大限制。如何實現(xiàn)直動從動件凸輪機構(gòu)的純滾動接觸是解決相對滑動接觸方式 ,并迅速提高凸輪機構(gòu)工作效率的最有效途徑。 低副機構(gòu)一般只能近似地實現(xiàn)給定運動規(guī)律，而且設計較為復雜。當從動件的位移、速度和加速度必須嚴格地按照預定規(guī)律變化，尤其當原動件作連續(xù)運動而從動件必須作間歇運動時，則以采用凸輪機 構(gòu)最為簡便。凸輪機構(gòu)由凸輪、從動件或從動件系統(tǒng)和機架組成，凸輪通過直接接觸將預定的運動傳給從動件。凸輪機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，可以準確實現(xiàn)要求的運動規(guī)律等優(yōu)點。只要適當?shù)卦O計凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預期的運動規(guī)律。在各種機械，特別是自動機械和自動控制裝置中，廣泛地應用著各種形式的凸輪機構(gòu)。凸輪機構(gòu)之所以能在各種自動機械中獲得廣泛的應用，是因為它兼有傳動、導引及控制機構(gòu)的各種功能。當凸輪機構(gòu)用于傳動機構(gòu)時，可以產(chǎn)生復雜的運動規(guī)律，包括變速范圍較大的非等速運動，以及暫時停留或各種步進運動；凸輪機構(gòu)也適宜于 用作導引機構(gòu)，使工作部件產(chǎn)生復雜的軌跡或平面運動；當凸輪機構(gòu)用作控制機構(gòu)時，可以控制執(zhí)行機構(gòu)的自動工作循環(huán)。因此凸輪機構(gòu)的設計和制造方法對現(xiàn)代制造業(yè)具有重要的意義。 本文基于 “ 兩構(gòu)件的相對運動可以用與這兩構(gòu)件相固連的一對瞬心線的純滾動來實現(xiàn) ” 這一瞬心線性質(zhì) ,推導出能夠滿足預定的從動件運動規(guī)律要求的純滾動接觸直動從動件盤形凸輪機構(gòu)輪廓曲線的計算公式 ,并分析了該種凸輪機構(gòu)的臨界壓力角、許用壓力角、機構(gòu)效率、基圓半徑等各項參數(shù)的特征和機構(gòu)特征。根據(jù)分析結(jié)果 ,完成了一套能夠?qū)崿F(xiàn)預定從動件運動規(guī)律的純滾動接觸凸輪機構(gòu)的完整輪廓曲線設計的方案 ,設計得到的凸輪機構(gòu)不但能夠在回程、近休止和推程的機構(gòu)運動階段保持純滾動接觸 ,還能實現(xiàn)遠休止運動階段 ,并且針對運動規(guī)律相同但行程大小不同的凸輪機構(gòu)提出縮放輪廓的設計方式 ,大大簡化了該種凸輪機構(gòu)的制造工藝。 最后 ,以一個實際凸輪機構(gòu)的設計為例 ,設計出一套完整凸輪機構(gòu)輪廓曲線 , 2 并在三維軟件 建立模型 ,利用 件對其進行運動學仿真 ,測量運動過程中從動件的運動特征 ,發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與計算結(jié)果一致。錄制仿真了動畫影象 ,通過在輪廓曲線上找特殊點的方法 ,驗證了 該凸輪機構(gòu)在純滾動接觸階段內(nèi)接觸點都在瞬心線上的特征 。 究內(nèi)容 及意義 究內(nèi)容 分析原有的凸輪撥叉機構(gòu)以及間歇式擺動進紙機構(gòu)設計存在的問題，提出一種新穎的進紙方式即超越式進紙機構(gòu)。 文中所研究的進紙運動機構(gòu)的技術關鍵是一共軛盤形分度凸輪機構(gòu)。該機構(gòu)為國外印鈔機械公司如 論文對其進行了較為深入的研究分析，系統(tǒng)闡述了超越式進紙機構(gòu)的設計原理和主關鍵機構(gòu)共軛盤形分度凸輪機構(gòu)的工作原理和參數(shù)化設計，推導出參數(shù)設計函數(shù)方程，并對共軛盤形分度凸輪的加速度通用公式做了詳細的推 導與實踐應用。 同時 ，文中還探討研究了共軛盤形凸輪型面的數(shù)控加工工藝技術，三坐標精密測量程序與凸輪曲面加工誤差修正方法， 造工程師軟件在共軛盤形分度凸輪的曲線面高精度磨削技術的應用分析研究。 考慮到共軛盤形分度凸輪機構(gòu)的裝配精度對超越式進紙的效果起著非常重要的影響，論文對于盤形分度凸輪機構(gòu)的裝配精度控制也做了較為詳細的控制分析，建立合理可行的裝配技術方案。裝配完成后再與自行研制的 得了很好的工程實際效果，達到了預期的設計目的。 本學位論文以國產(chǎn)印鈔機械中超越 式進紙機構(gòu)的設計、制造為出發(fā)點，探討印鈔機械中具有的通用而又關鍵的進紙機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計，分析原有的凸輪撥叉機構(gòu)以及間歇式擺動進紙機構(gòu)設計存在的問題，提出一種新穎的進紙方式即超越式進紙機構(gòu)。文中所研究的進紙運動機構(gòu)的技術關鍵是一共軛盤形分度凸輪機構(gòu)。該機構(gòu)為國外印鈔機械公司如 論文對其進行了較為深入的研究分析，系統(tǒng)闡述了超越式進紙機構(gòu)的設計原理和主關鍵機構(gòu)共軛盤形分度凸輪機構(gòu)的工作原理和參數(shù)化設計，推導出參數(shù)設計函數(shù)方程，并對共軛盤形分度凸輪的加速度通用公式做了詳細的推導與實踐應用。 同時，文中還探討研究了共軛盤形凸輪型面的數(shù)控加工工藝技術，三坐標精密測量程序與凸輪曲面加工誤差修正方法， 慮到共軛盤形分度凸輪機構(gòu)的裝配精度對超越式進紙的效果起著非常重要的影響，論文對于盤形分度凸輪機構(gòu)的裝配精度控制也做了較為詳細的控制分析，建立合理可行的裝配技術方案。裝配完成后再與自行研制的 得了很好的工程實際效果，達到了預期的設計目的。論文中所涉及的理論分析和制造工藝，對此類平面凸輪的 參數(shù)設計和制造提供了一條有效的工程技術途徑。 3 究意義 可輸入凸輪的基本參數(shù)值， 求 出任意轉(zhuǎn)角時的凸輪輪廓所對應的位置，為以后數(shù)控加工提供有效的數(shù)據(jù) ： (1)考慮凸輪機構(gòu)的動力學因素，對壓力角、曲率半徑進行條件校核； (2)繪制不同類型的凸輪輪廓，繪制速度、加速度及位移曲線圖； (3)能夠設計出精確的凸輪輪廓曲線，大大提高了凸輪的設計精度； (4)能夠?qū)⒃O計結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)控加工代碼，為數(shù)控加工做好的準備。 除此之外，整個系統(tǒng)操作方式簡單、用戶界面良好并具有實用性。 只需設計出適當?shù)耐馆嗇喞?，就可使從動件實現(xiàn)各種預期的運動規(guī)律，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設計方便。其缺點是：凸輪與從動件為點接觸或線接觸，壓強大，易于磨損，難加工，成本高。所以通常多用于傳力不大的控制機構(gòu) 凸輪機構(gòu) 由于 結(jié)構(gòu)簡單、易于 實現(xiàn) 復雜的運動規(guī)律 ,因此 廣泛應用于眾多機械中。 但是 凸輪與從動件 之 間的高副接觸方式會增加機構(gòu)的功率損耗 ,因此 對其在高效率傳動系統(tǒng) 中的 使用形成了 較大 限制。如何 實現(xiàn) 直動從動件凸輪機構(gòu)的純滾動接觸是解決相對滑動接觸方式 ,并迅速提高凸輪機構(gòu)工作效率的最 有效 途徑?；?“ 兩構(gòu)件的相對運動 可以用與這兩構(gòu)件相固連的 1對瞬心線的純滾動 來 實現(xiàn) ” 這 1瞬心線性質(zhì) ,推導出 能夠滿足 預定的從動件運動規(guī)律要求的純滾動接觸直動從動件盤形凸輪機構(gòu)輪廓曲線的計算公式 ,并研究了該種凸輪機構(gòu)的臨界壓力角、許用壓力角、機構(gòu)效率、基圓半徑等各項參數(shù)的特征和機構(gòu)特征。 根據(jù) 研究結(jié)果 ,完成了 1套 能夠?qū)崿F(xiàn) 預定從動件運動規(guī)律的純滾動接觸凸輪機構(gòu)的完整輪廓曲線 設計 的方案 ,設計 得到的凸輪機構(gòu)不但 能夠 在回程、近休止和推程的機構(gòu)運動階段保持純滾動接觸 ,還能 實現(xiàn) 遠休止運動階段 ,并且 針對 運動規(guī)律相同但行程大小不同的凸輪機構(gòu) 提出縮放輪廓的 設計 方式 ,大大簡化了該種凸輪機構(gòu)的制造工藝。 最后 ,以 1個實際凸輪機構(gòu)的設計為例 ,設計出 1套完整凸輪機構(gòu)輪廓曲線 ,并在 3維軟 利用 件對其 進行 運動學仿真 ,測量運動 過程 中從動件的運動特征 ,發(fā)現(xiàn) 仿 真結(jié)果與計算結(jié)果 1致。錄制仿真了動畫影象 ,通過 在輪廓曲線上找特殊點的策略 ,驗證了該凸輪機構(gòu)在純滾動接觸階段內(nèi)接觸點都在瞬心線上的特征 早期的工程技術人員大多采用作圖法繪制凸輪輪廓，這種方法的效率低、精度差、很難精確地得到壓力角和曲率半徑等設計參數(shù)。在 度低的手工繪圖，可重復利用已有的設計方案。而如今的 工程人員可以從三維建模開始，進行產(chǎn)品構(gòu)思設計和制圖，實現(xiàn)了設計數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)缴a(chǎn)的過程，大大簡化了手工工作環(huán)節(jié)。由于 計算機 技術和各種數(shù)值計算的發(fā)展，使得很多方面的研究得以深入。利用參數(shù)化技術三維 以繪制精確的凸輪。參數(shù)化設計具有造型精確，造型速度快，避免了手工取點造型的復雜過程，完成三維實體模型可以不斷的修改的特點。由于電子技術的發(fā)展，現(xiàn)在某些設備的控制元件可以采用電子元器件，但他們一般只能傳遞較小的功率，而凸輪機構(gòu)卻能在實現(xiàn)控制功能的同時 傳遞較大的功率。因此，凸輪機構(gòu)在生產(chǎn)中具有無可替代的優(yōu)越性，尤其在高速度、高精度傳動與分度機構(gòu)及引導機構(gòu)中，更有突出的優(yōu)點。可以說，對凸輪機構(gòu)的進一步研究，特別是對高速凸輪機構(gòu)及其動力學問題的進一步研究，是長期、持續(xù)并有重大意義的工作。現(xiàn)代三維 理進行全方位的輔助，對制造業(yè)的發(fā)展具有深遠的影響。 4 第二章 盤形凸輪的應用性狀 形凸輪基圓半徑的確定 確定擺動從動件凸輪機構(gòu)基圓半徑及中心距的圖解法 進行凸輪機構(gòu)設計時 ，往往是已知從動件的運動規(guī)律 。 在一定的條件下設計出 較合理的凸輪機構(gòu)。我們知道從減小凸輪機構(gòu)的作用力 出發(fā) ， 凸輪壓力角的數(shù)值 愈小愈好 ， 但壓力角的減小將導致整個機構(gòu)尺寸 。 對 心尖 頂 直 動從動 件中推程角 o=90 從動 件在推程 時 按等速、等加速、等 減速及按正弦加速度、余弦加速度 運動 ， 取凸 輪 機 構(gòu) 的 許 用 壓 力角 =30 根據(jù)諾 模 圖 可確定其最小基 圓 半 徑 ，即 h/由此可近似的確定最小基圓半徑為 5 r h/。 下圖所示，對心尖頂盤形凸輪機構(gòu)以角速度逆時針方向轉(zhuǎn)動，從動件受載荷 ,壓力角為，基圓半徑為 動件瞬時速度為 V，位移為 S，接觸電 B，凸輪輪廓的法線 不考慮運動副的摩擦將里 其中 是推動從動件運動的有效驅(qū)動力， 然 越大， 大， 小，從動件運動越費勁當達到臨界壓力角時，無論用力 不能推動從動件，即發(fā)生自鎖，凸輪機構(gòu)被卡死 且與凸輪尺寸的關系 過凸輪軸心 O 作直線 直于從動件的運動方向，根據(jù)三心定理得：則該直線與法線 就是凸輪與從動件的相對瞬時，因此得 dt/ds/由直角三角形 B=V/V/(S+ 又因為 r=rb+s 所以 （ ） -s=S 故 凸輪基圓半徑 力角 越小，反之， 越大 6 輪 機構(gòu)的 應 用和 類 型 一、凸輪機構(gòu)的應用 在各種機器中，為了實現(xiàn)各種復雜的運動要求經(jīng)常用到凸輪機構(gòu)，在自動化和半自動化機械中應用更為廣泛。 圖 輪 1以等角速度回轉(zhuǎn)，它的輪廓驅(qū)使從動件 2（閥桿）按預期的運動規(guī)律啟閉閥門。 圖 繞線軸 3快速轉(zhuǎn)動時，經(jīng)齒輪帶動凸輪 1緩慢地轉(zhuǎn)動，通過凸輪輪廓與尖頂 ，驅(qū)使從動件 2往復擺動，因而使線均勻地纏繞在軸上。 圖 輪 1固定在沖頭上，當沖頭上下往復運動時，凸輪驅(qū)使從動件 2以一定的規(guī)律水平往復運動，從而帶動機械手裝卸工件。 圖 帶有凹槽的凸輪 1轉(zhuǎn)動時，通過槽中的滾子，驅(qū)圖 燃機配氣凸輪機構(gòu) 圖 線機的凸輪機構(gòu) 7 使從運件 2作往復移動。凸輪每回轉(zhuǎn)一周，從動件即從儲料器中推出一個毛坯，送到加工位置。 從以上的例子可以看出：凸輪機構(gòu)主要由凸輪、從動件和機架三個基本構(gòu)件組成。 凸輪機構(gòu)的優(yōu)點為：只需設計適當?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到所需的運動規(guī)律，并 且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設計方便。它的缺點是凸輪輪廓與從動件之間為點接觸或線接觸，易于磨損，所以通常多用于傳力不大而需要實現(xiàn)特殊運動規(guī)律場合。 二、凸輪機構(gòu)的分類 根據(jù)凸輪和從動件的不同形狀和形式，凸輪機構(gòu)可按如下方法分類。 (1)盤形凸輪。它是凸輪的最基本形式。這種凸輪是一個繞固定軸轉(zhuǎn)動并且具有變化半徑的盤形零件，如圖 3示。 (2)移動凸輪。當盤形凸輪的回轉(zhuǎn)中心趨于無窮遠時，凸輪相對機架作直線運動，這種凸輪稱為移動凸輪，如圖 3 圖 圖 (3)圓柱凸輪。將移動凸輪卷成圓柱體即成為圓柱凸輪，如圖 所示。 (1)尖頂從動件。如圖所示，尖頂能與復雜的凸輪輪廓保持接觸，因而能實現(xiàn)任意預期的運動規(guī)律。但磨損快、效率低，只適用于受力不大的低速凸輪機構(gòu)。 (2)滾子從動件。如圖所示，在從動件前端安裝一個滾子，即成滾子從動件。滾子和凸輪輪廓之間為滾動摩擦，耐磨損，可以承受較大載荷，是最常用的一種形式。 (3)平底從動件。如圖所示，從動件與凸輪輪廓表面接觸的端面為一平面。顯然 它不能與凹陷的凸輪輪廓相接觸。這種從動件的優(yōu)點是：當不考慮摩擦時，凸輪與從動件之間的作用力始終與從動件的平底相垂直，傳動效率較高，且接觸面易于形成油膜，利于潤滑，常用于高速凸輪機構(gòu)。 以上三種從動件都可以相對機架作往復直線移動或作往復擺動。為了使凸輪與從 示 例 : 內(nèi)燃機配氣機構(gòu)（圖 繞線機構(gòu)（圖 沖床裝卸料機構(gòu) （圖 送料機構(gòu)（圖 8 圖 燃機配氣機構(gòu) 圖 線機構(gòu) 圖 床裝卸料機構(gòu) 圖 料機構(gòu) 從以上所舉各列可以看出凸輪機構(gòu)： 組成： 原動件 1 凸輪具有變化向徑或變化輪廓曲線，常為等速回轉(zhuǎn)。 從動件 2 移動或擺動，靠凸輪向徑不同來實現(xiàn)要求的運動規(guī)律。 機架 3 起支承作用。 分類： a b c 圖 動件的形式 9 尖頂從動件 從動件端部以尖頂與與凸輪輪廓接觸，如圖 a）所示。這種從動件結(jié)構(gòu)最簡單，尖頂能與復雜的 凸輪輪廓保持接觸，因此理論上可以實現(xiàn)任意預期的運動規(guī)律。尖頂從動件事研究其他類型從動凸輪機構(gòu)的基礎。由于尖頂與凸輪是點接觸，易磨損，故僅適用于低速輕載的凸輪機構(gòu)中。 滾子從動件 從動件端 部裝有可以自由轉(zhuǎn)動的滾子，滾子與凸輪輪廓之間為滾動摩擦，耐磨損，可以承受較大的載荷，故應用廣泛，如圖 b）所示。 (3) 平底從動件 從動件的端部是一平底，這種從動件與凸輪輪廓接觸處在一定條件下易形成油膜，利于潤滑，傳動效率較高，且能傳動較大的作用力，故常用于高速凸輪機構(gòu)中，如圖 c）所示。 圖 鎖合方式分類 材料： 凸輪的主要失效形式為磨損和疲勞點蝕。 常用的凸輪材料： 40 2 0 40常用的滾子材料： 20 者滾動軸承 10 圖 動件位移線圖 動件常用運動規(guī)律 從動件隨主動件的運動變化規(guī)律叫從動件的運動規(guī)律?，F(xiàn)以圖 示的尖底直動從動件盤形凸輪機構(gòu)為例進行凸輪機構(gòu)的運動分析。 以凸輪回轉(zhuǎn)中心到其輪廓的最小向徑為半徑所繪制出的圓稱為 基圓 ，半徑用 尖底與凸輪廓在線的 基圓上）接觸時 ，從動件處于上升的起始位置。當凸輪以等角速度 沿逆時針方向轉(zhuǎn)動時，從動件在凸輪的推動下以一定的運動規(guī)律到達最遠位置 B，這個過程叫 推程 。此時從動件所走過的距離叫 升程 ，用 應凸輪所轉(zhuǎn)過的角度 0叫 推程運動角 (0 1 )。當凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn) 動件與凸輪廓線 為圓心的一段圓弧，因此從動件靜止不動，這其間從動件呈休止狀態(tài)，對應的 休止角 ( )。凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn) 0時，從動件與凸輪廓線 觸，又回到起始位置，這個過程為 回程 ，其回程量仍為 h，對應的凸輪轉(zhuǎn)角 0叫 回程運動角 ( 0 )。當凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn) s時，從動件與凸輪基圓的 動件在最低的位置停留不動，對應的 s角叫近休止角。當凸輪繼續(xù)回轉(zhuǎn)時，從動件的運動又重復上述過程。 從動件位移曲線如圖 示，其橫坐標代表凸輪轉(zhuǎn)角 (因通常凸輪等角速度轉(zhuǎn)動，故橫坐標也代表時間 t)，縱坐標代表從動件位移 s ，表明從動件位移 s 與凸輪轉(zhuǎn)角 或時間 以上分析可知，從動件的位移線圖取決于凸輪輪廓線的形狀。也就是說，從動件的不同運動規(guī)律要求凸輪具有不同的輪廓曲線。下面介紹幾種從動件常用運動規(guī)律： 11 1等速運動規(guī)律 從動件在一個推程或一個回程中加速度始終為零，即從動件作等速運動。從動件在推程、回程時的位移、速度和加速度方程分別為 000v)0( 0 （ 5 和 000000015 與式（ 5應的從動件 s 曲線、 v 曲線和 a 曲線如圖 示。 由上可知：采用這種運動規(guī)律，從動件在運動開始和運動終止時，速度有突變，因而加速度在理論上由零變?yōu)闊o窮大，致使從動件產(chǎn)生無限大慣性力，使凸輪機 構(gòu)受到極大沖擊，稱這種沖擊為剛性沖擊。故等速運動規(guī)律適用于低速凸輪機構(gòu)。 2等加速等減速運動規(guī)律 從動件在一個推程或一個回程中作等加速等減速運動。以推程為例，設從動件在前半個推程作等加速運動，后半個推程作等減速運動，兩段加速度的絕對值相等，則推程前半段位移方程為 2020 2121 （ a） 當 20 時， 2， 即 200 2212 圖 速運動規(guī)律 12 則 20204 （ b） 將式（ b）代入式（ a），得 2202 ， 204dd 推程前、后半段的位移、速度和加速度方程為式（ 與式（ 應的 s 曲線、 v 曲線和 a 曲線，如圖 示。 2044202022020 0020202020202442 用同樣方法可推導出回程段位移、速度和加速度方程為 24420002020202020 00002020020200202442 由位移方程可知，位移曲線為拋物線，當 取 1， 2， 3， 個單 位 時 ， 對應 ， 4， 9， 個單 位，由此可作出 從動件在此期 間 的位移 線圖 ，如 圖 s 曲線 所示 ,其作 圖 方法如下：在 橫 坐標軸 上 將長 度 為 20 的 線 段分成若干等分（ 圖 中 為 3等分），得 1， 2， 3各 點 ，過這 些 點 做 橫軸 的 垂線 ；再 過 任一斜 線 在其上以任意 間 距截取 9個 等分點 ， 連 接直 線 9 并作 其 并行 線4和 1，最后由 1 ， 2 ， 3 分別 向 過 1， 2， 3點 的 垂線 投影，得到 1 ，圖 加速等減速運動規(guī)律 13 2， 3 點 ， 將這 些 點連 成光滑 曲線 便得到前半段等加速 運動 的位移 曲線。 如 圖所示，用同 樣 方法可求得等 減 速段的位移 曲線。 由上可知， 這 種 運動規(guī) 律在始、末 點 及正、 負加 速度接 點處 ，加速度 產(chǎn) 生有限值突 變 ，致使 慣 性力 發(fā) 生有限值突 變 ，使凸 輪 機構(gòu)受到有限的 沖擊 ， 稱這 種 沖擊為 柔性 沖擊 ，故等加速等 減 速 運動規(guī) 律適用于中速凸 輪 機構(gòu)。 3余弦加速度（ 簡諧 ） 運動規(guī) 律 質(zhì)點 在 圓 周上作 勻 速 運動時 ，它在 這個圓 周直 徑 上的投影所構(gòu)成的 運動稱為簡諧運動 ，其位移 線圖 作法如下：以 從動 件的行程 徑畫 半 圓 ， 將 此半 圓 分成若干等分 (圖 得 1， 2， 3， 點 。再把凸 輪 推程角也分成相 應等分，并作 垂線 11， 22， 33， 然后 將圓 周上的等 分點 投影到相 應 的垂直 線上 得 1， 2， 3， 點 。用光滑 曲 線連 接 這 些 點 ，即得到 從動 件的位移 線圖 ， 其方程 為 圖中 2及 0 ，由此可 導出從動件在推程時的位移、速度和加速 度方程為 02022000 用同樣方法可導出從動件在回程時運動方程為 02022000co 由上可知，簡諧運動的加速度為余弦，故又稱其為余弦加速度運動規(guī)律。這種運動規(guī)律加速度曲線在運動開始和終止時也有突變，故也有柔性沖擊，因此也只使用于中速凸輪機構(gòu)。但當從動件在整個運動沒有休止狀態(tài)時，加速度曲線保持連續(xù)，因而避免沖擊，此時可用于高速凸輪機構(gòu)（如圖中虛線所示）。 圖 弦加速度運動規(guī)律 14 除上述幾種運動規(guī)律外，工程上還應用正弦加速度等運動規(guī)律，由于這種運動規(guī)律加速度曲線保持連續(xù) ，因此可避免任何沖擊。 第三章 盤形凸輪的設計方法 凸輪機構(gòu)設計的主要任務，就是根據(jù)給定從動件的運動規(guī)律來設計凸輪的輪廓曲線。設計方法分圖解法和解析法。圖解法作圖誤差較大，適用于精度要求較低的凸輪設計中；但圖解法清晰、直觀，據(jù)其能進一步理解凸輪輪廓設計原理及一些基本概念 根據(jù)工作要求合理地選擇從動件的運動規(guī)律之后，我們可以按照結(jié)構(gòu)所允許的空間和具體要求，初步確定凸輪的基圓半徑 后繪制凸輪的輪廓。 一、尖頂對心移動從動件盤形凸輪 如 圖 （ 示為從動件導路通過凸輪回 轉(zhuǎn)中心的尖頂對心直動從動件盤形凸輪機構(gòu)。今已知從動件的位移線圖（圖 凸輪的基圓半徑 小半徑 凸輪以等角速度 1順時針回轉(zhuǎn)，要求繪出此凸輪的輪廓。 凸輪機構(gòu)工作時凸輪是運動的，而我們繪制凸輪輪廓時，卻需要凸輪與圖紙相對靜止，為此，我們在設計中采用“反轉(zhuǎn)法”。根據(jù)相對運動原理：如果給整個機構(gòu)加上繞凸輪軸心 1，機構(gòu)各構(gòu)件間的相對運動不變。這a) b) 圖 頂直動從動件盤形凸輪 15 樣一來，凸輪不動，而從動件一方面隨機架和導路以角速度 繞 一方面又在導路中移動。由于尖頂始終與凸輪輪廓相接觸，所以反轉(zhuǎn)后 尖頂?shù)倪\動軌跡就是凸輪輪廓。 【實訓例】凸輪輪廓可按如下步驟作圖求得（圖 ）：以 任取始點 的相反方向取角度 t、 h、 s，并將 4等分，得 A1、 A2、 A7 和 以 1、 A2、 A3、 A7各點作射線。在位移線圖上量取各個位移量，并在相應的射線上截取 1=11、 2= 22、7=33、得 反轉(zhuǎn)后尖頂?shù)囊幌盗形恢?、 將 、便得到所要求的凸輪輪廓。 二、滾子直動從動件盤形凸輪 把尖頂從動件改為滾子從動件時，其凸輪輪廓設計方法如圖所示。首先，把滾子中心看作尖頂從動件的尖頂，按照上面的方法求出一條輪廓曲線 0；然后以 0 上各點為中心，以滾子半徑為半徑，畫一系列圓；最后作這些圓的包絡線 ，它便是使用滾子從動件時凸輪的實際輪廓，而 0 稱為凸輪的理論輪廓。由作圖過程可知，滾子從動件凸輪基圓半徑 平底從動件的凸輪輪廓的繪制方法與上述相似。如圖 3平底與導路中心 線的交點照尖頂從動件凸輪輪廓繪制的方法，求出理論輪廓上一系列點 2、 其次，過這些點畫出各個位置的平底 2然后作這些平底的包絡線，便得到凸輪的實際輪廓曲線。圖中位置 1、 6分別是平底與凸輪輪廓相切點與導路中心的距離的左最遠位滾子直動從動件盤形凸輪 平底從動件 盤形 凸輪 偏置從動件盤形凸輪 16 置和右最遠位置。為了保證平底始終與輪廓接觸，平底左側(cè)長度應大于 m，右側(cè)長度應大于 l 。 三、偏置從動件盤形凸輪 當凸輪機構(gòu)的構(gòu)造不允許從動件軸線通過凸輪軸心時，或者為了獲得較小 的機構(gòu)尺寸，機械中有時采用偏置從動件盤形凸輪機構(gòu)。此外，若為平底從動件時，采用偏置的方法還可使從動件得到微小的轉(zhuǎn)動，以減少平底與凸輪間的摩擦。 如圖所示，從動件導路的軸線與凸輪軸心 e。從動件在反轉(zhuǎn)運動中依次占據(jù)的位置，不再是由凸輪回轉(zhuǎn)軸心 是始終與此，若以凸輪回轉(zhuǎn)中心 偏距 從動件在反轉(zhuǎn)運動中依次占據(jù)的位置必然都是偏距圓的切線（圖中 ，從動件的位移（ 1、 2）也應沿這些 切線量取，這是與對心移動從動件不同的地方。因其余的作圖步驟與尖頂對心移動從動件凸輪輪廓線的作法相同，此處不再重復。 四、 凸輪輪廓曲線繪制 設計對心尖頂直動從動件盤形凸輪機構(gòu)凸輪輪廓，已知從動件的運動規(guī)律如右圖所示，凸輪以角速度按順時針方向轉(zhuǎn)動，基圓半徑 5程 h=4據(jù)反轉(zhuǎn)法原理設計出凸輪輪廓曲線且步驟如下 ： 取長度比例尺 出基圓和從動件尖頂離軸心 圖左所示，從動件與凸輪輪廓在點 O)杰出的位置， 在基圓上自 的反方向量取推程角 o=90遠休止角s=30，回程角 o=60和近休止角 s=180，并將推程運動角和回程運動角各分成若干等分，如圖左中各分成四等分得 、 凸輪軸心 這些射線是反轉(zhuǎn)后從動件在個個位置的曲線。 從動件的位移曲線上的推程角和回程運動角扽得分成作圖中對應區(qū)間相同的份數(shù)，得等分點 1， 2過各等分點分別做垂直于橫坐標軸的直線，它們與位移曲線相交于 1、 2則 11、 22 為凸輪在相應轉(zhuǎn)角位置時，從動件的位移量。 各射線 的延長線上從基圓開始向外分別量取位移量1、 2 于是 各點 曲線即為所求的凸輪輪廓 據(jù) 6o=90與等速運動標尺上 h/直線交 0， 于是 0對于直動從動件的推程許用壓力角 =3017 因此該凸輪機構(gòu)的最大壓力角 a）， 0，實際輪廓為一平滑線。 當 b）， = 0，在凸輪實際輪廓曲線上產(chǎn)生了尖點，這種尖點極易磨損，磨損后就會改變原定的運動規(guī)律。 當 c）， 0，實際輪廓曲線發(fā)生相交，圖中陰影部分的輪廓曲線在實際加工時將被切去，使這一部分運動規(guī)律無法實現(xiàn)。為了使凸輪輪廓在任何位置既不變尖更不相交，滾子半徑必須小于理論輪廓外凸部分的最小曲率半徑 論輪廓內(nèi)凹部分對滾子半徑的選擇沒有影響）。通常取 r 至不能滿足安裝和強度要求，則應把凸輪基圓半徑 新設計凸輪輪廓曲線。 二、壓力角 的校核 凸輪機構(gòu)也和連桿機構(gòu)一樣，從動件運動方向和接觸輪廓法線方向之間所夾的銳角稱為壓力角。圖 3不考慮摩擦時，凸輪給從動件的作用力 動件運動方向與 即壓力角。 R 可分解為沿從動件運動方向的軸向分力 R 和與之垂直的側(cè)向分力 R ，且 R =R 當驅(qū)動從動件運動的分力 R 一定時，壓力角 越大，則側(cè)向分力 R 越大，機構(gòu)的效率越低。當 增大到一定程度，使 R所引起的摩擦阻力大于軸向分力 R 時，無論凸輪加給從動件的作用力多大，從動件都不能運動，這種現(xiàn)象稱為自鎖。由以上分析可以看出，為了保證凸輪機構(gòu)正常工作并具有一定的傳動效率，必須對壓力角加以限制。凸輪輪廓曲線 上各點的壓力角是變化的，在設計時應使最大壓力角不超過許用值。通常對直動從動件凸輪機構(gòu)取許用壓力角 =30，對擺動從動件凸輪機構(gòu)建議取 =45 。常見的依靠外力維持接觸的凸輪機構(gòu)，其從動件是在彈簧或重力作用下返回的，回程不會出現(xiàn)自鎖。因此，對于這類凸輪機構(gòu)通常只須對推程的壓力角進行校核。 在設計凸輪機構(gòu)時，通常是首先根據(jù)結(jié)構(gòu)需要初步選定基圓半徑，然后用圖解法或解析法設計凸輪輪廓。為確保運動性能，必須對輪廓各處的壓 力角進行校核，檢驗最大壓力角是否在許用范圍之內(nèi)。用圖解法檢驗時，可在凸輪理論輪廓曲線比較陡的地方取若干點（如圖中的 作出過這些點的法線和從動件 出它們之間所夾的銳角1、2、 。若其中最大值超圖 檢驗最在壓力角 19 過許用壓力角，則應考慮修改設計，可采用加大凸輪基圓半徑或?qū)π耐馆啓C構(gòu)改為偏置凸輪機構(gòu)的方法。 三、基圓半徑的選擇 設計凸輪輪廓時，首先應確定凸輪的基圓半徑 由前述可知：基圓半徑不但直接影響凸輪的結(jié)構(gòu)尺寸，而且還影響到從動件的運動是否“失真”和凸輪機構(gòu)的傳力性能。因此，對凸輪基圓的選取必須給予足夠重視。 目前，凸輪基圓半徑的選取常用如下兩種方法： （一）根據(jù)凸輪的結(jié)構(gòu)確定 凸輪與軸做成一體（凸輪軸）時： rb=r+5 （ 3 當凸輪裝在軸上時： (.7)r +5 （ 3 式中： 若凸輪機構(gòu)為非滾子從動件，在計算基圓半徑時，式 (3式 (3的 （二）根據(jù) 確定基圓最小半徑 所示為工程上常用的諾模圖 ,圖中上半圓的標尺代表凸輪轉(zhuǎn)角 0，下半圓的標尺為最大壓力角 徑的標尺代表從動件規(guī)律的 h/下面舉例說明該圖的使用方法。 輪機構(gòu)的特點 凸輪機構(gòu) 是由 凸輪 ， 從動件 和 機架 三個基本 構(gòu)件 組成的高副機構(gòu)。凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，一般為主動件，作等速回轉(zhuǎn)運動或往復 直線運動 。 與凸輪輪廓接觸，并傳遞動力和實現(xiàn)預定的運動規(guī)律的構(gòu)件，一般做往復直線運動或擺動，稱為從動件 。 凸輪機構(gòu)在應用中的基本特點在于能使從動件獲得較復雜的運動規(guī)律。 凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)的傳動特點只需設計適當?shù)耐馆嗇喞憧梢允箯膭蛹崿F(xiàn)預期運動規(guī)律。缺點是凸輪輪廓與從動件之間是點或線接觸，易磨損，通常用于傳力不大的控制機 械中。 例如，自動機床進刀機構(gòu)、上料機構(gòu)，內(nèi)燃機配氣機構(gòu)，印刷機、紡織機和各種電氣開關中的凸輪機構(gòu)等。 凸輪機構(gòu)的傳動特點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設計方便，可實現(xiàn)從動件任意預期 20 運動，最適用于要求從動件作間歇運動的場合。因此在機床、紡織機械、輕工機械、印刷機械、機電一體化裝配中大量應用 。 缺點 ： 1）點、線接觸易磨損； 2）凸輪輪廓加工困難； 3）行程不大 無論是采用作圖法還是解析法設計凸輪輪廓曲線，所依據(jù)的基本原理都是反轉(zhuǎn)法原理。 例 偏置直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu) 。 根據(jù)上述分析，在設計凸輪廓線時，可假設凸輪靜止不動，而使推桿相對于凸輪作反轉(zhuǎn)運動；同時又在其導軌內(nèi)作預期運動，作出推桿在這種復合運動中的一系列位置，則其尖頂?shù)能壽E就是所要求的凸輪廓線。這就是凸輪廓線設計方法的反轉(zhuǎn)法原理。 下面我們來介紹運用反轉(zhuǎn)法原理設計凸輪廓線的具體作法。 （ 1）直動推桿盤形凸輪機構(gòu) 在設計凸輪的輪廓時，需先取適當?shù)谋壤?1 ，根據(jù)已知的基圓半徑 e 作出基圓和偏距圓，然后才能運用上述反轉(zhuǎn)法進行作圖。其作圖方法及步驟： 1) 確定推桿在反轉(zhuǎn)運動中占據(jù)的各個位置； 2）計算推桿在反轉(zhuǎn)運動中的預期位移； 3) 確定推桿在復合運動中依次占據(jù)的位置； 4) 將推桿尖點各位置點連成一光滑曲線，即為凸輪輪廓曲線。 對于偏置直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)，推桿在反轉(zhuǎn)運動中占據(jù)的各個位置為過基圓上各分點所作偏距圓的切線；而對于對心直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)，可以認為是 e = 0 時的偏置凸輪機構(gòu)，則需過基圓上各分點作過凸輪回轉(zhuǎn)中心的徑向線即可，其他設計方法基本相同。 例 1 偏置直動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)的凸輪廓線設計 。 對于直動 滾子推桿盤形凸輪機構(gòu)，在設計凸輪廓線時，可首先將滾子中心視為尖頂推桿的尖頂，按前述方法定出滾子中心在推桿復合運動中的軌跡 (稱為凸輪的理論廓線 )，然后以理論廓線上一系列點為圓心，以滾子半徑 作此圓族的包絡線，即為凸輪的工作廓線 (又稱實際廓線 )。值得注意，凸輪的基圓半徑系指理論廓線的最小半徑。 例 2 偏置直動滾子推桿盤形凸輪機構(gòu)的凸輪廓線設計 。 對于直動平底推桿盤形凸輪機構(gòu)，在設計這種凸輪廓線時，可將推桿導路中心線與推桿平底的交點 A 視為尖頂推桿的尖頂，按前述作圖步驟確定出 A 在推桿復合運動中依次占據(jù)的各位置。然后再過這些點作一系列代表推桿平底的直 21 線，此直線族的包絡線，即為凸輪的工作廓線 例 3 直動平底推桿盤形凸輪機構(gòu)的凸輪廓線設計 （ 2）擺動推桿盤形凸輪機構(gòu) 對于擺動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu)凸輪廓線的設計，同樣也可參照前述方法進行。所不同的是推桿的預期運動規(guī)律要用推桿的角位移來表示，即在前面所得的直動推桿的各位移方程中，只需將位移 s 改為角位移 ；行程 h 改為角行程 ，就可用來求擺動推桿的角位移了。 例 4 擺動滾子推桿盤形凸輪機構(gòu) 的凸輪廓線設計 （ 3）直動推桿圓柱凸輪機構(gòu) 對于直 動推桿圓柱凸輪機構(gòu)，可設想將此圓柱凸輪的外表面展開在平面上，則得到一個移動速度為 V（ V 的移動凸輪。利用反轉(zhuǎn)法原理，給整個移動凸輪機構(gòu)加上一公共線速度 V 后，此時凸輪將靜止不動，推桿在隨其導軌反向移動和在導軌中按預期的運動規(guī)律往復移動的復合運動時，其尖頂（或滾子中心或推桿導路中心線與推桿平底的交點 A）描出的軌跡即為凸輪的理論廓線。然后再用前述同樣的方法就可求得移動凸輪的工作廓線。最后，將這樣作出的移動凸輪圖卷于以只為半徑的圓柱體上，并將其上的曲線描在圓柱體的表面上，即為所求的圓柱凸輪的輪廓曲線。 例 5直動推桿圓柱凸輪機構(gòu)的凸輪廓線設計 低副機構(gòu)一般只能近似地實現(xiàn)給定運動規(guī)律。當從動件的位移、速度和加速度必須嚴格地按照預定規(guī)律變化，尤其當原動件作連續(xù)運動而從動件必須作間歇運動時，則以采用凸輪機構(gòu)最為簡便。本章主要介紹凸輪機構(gòu)設計中的基本問題，要求掌握從動件運動規(guī)律的選擇、凸輪輪廓曲線的設計及凸輪機構(gòu)基本參數(shù)的確定，并了解承載能力計算和結(jié)構(gòu)設計問題 圖解法設計凸輪輪廓 1反轉(zhuǎn)法原理： 給整個凸輪機構(gòu)施以 影響各構(gòu)件之間的相對運動，此時，凸輪將靜止，而從動件尖頂復合運動的軌跡即凸 輪的輪廓曲線（圖 22 圖 頂對心移動從動件盤形凸輪機構(gòu) 反轉(zhuǎn)法原理 ： 依據(jù)此原理可以用幾何作圖的方法設計凸輪的輪廓曲線。 例如：尖頂凸輪繪制，滾子凸輪繪制。 2用作圖法設計凸輪廓線 （ 1）對心直動尖頂推桿盤形凸輪 對心直動尖頂推桿凸輪機構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑 速度和推桿的運動規(guī)律，設計該凸輪輪廓曲線。 設計步驟： 選比例尺 l 作基圓 反向等分各運動角。原則是：陡密緩疏。 確定反轉(zhuǎn)后，從動件尖頂在各等份點的位置。 將各尖頂點連接成 一條光滑曲線。 圖 子對心移動從動件盤形凸輪機構(gòu) （ 2）對心直動滾子推桿盤形凸輪 對心直動滾子推桿凸輪機構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑 速度和推桿的運動規(guī)律，設計該凸輪輪廓曲線。 設計步驟： 選比例尺 l 作基圓 反向等分各運動角。原則是：陡密緩疏。 確定反轉(zhuǎn)后，從動件滾子中心在各等份點的位置。 將各中心點連接成一條光滑曲線。 作各位置滾子圓的內(nèi) (外 )包絡線 (中心軌跡的等距曲線 )。 23 （ 3）對心直動平底推桿盤形凸輪 對心直動平底推桿凸輪機構(gòu)中，已知凸輪的基 圓半徑 速度 和推桿的運動規(guī)律，設計該凸輪輪廓曲線。 設計步驟： 選比例尺 l 作基圓 反向等分各運動角。原則是：陡密緩疏。 確定反轉(zhuǎn)后，從動件平底直線在各等份點的位置。 作平底直線族的內(nèi)包絡線。 圖 對心直動平底推桿移動從動件盤形凸輪機構(gòu) （ 4）偏置直動尖頂推桿盤形凸輪 偏置直動尖頂推桿凸輪機構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑 速度 和推桿的運動規(guī)律和偏心距 e，設計該凸輪輪廓曲線。 24 圖 偏置直動尖頂推桿 從動件盤形凸輪 （ 5）擺動尖頂推桿盤形凸輪機構(gòu) 擺動尖頂推桿凸輪機構(gòu)中，已知凸輪的基圓半徑 速度 ，擺動推桿長度 d，擺桿角位移方程，設計該凸輪輪廓曲線。 圖 為 擺動尖頂推桿從動件盤形凸輪 第四章 盤形凸輪的機構(gòu)設計范例 設計范例 【例】 設計一對心直動尖頂從動件盤形凸輪機構(gòu)，已知凸輪的推程運動角為 t =175，從動件在推程中按等加速和等減速規(guī)律運動，行程h=18大壓力角 6。試確定凸輪的基圓半徑 解 ： 1）按已知條件將位于圓周上的標尺為 0=175、 6的兩點，以直線相連（如圖中虛線所示） 2）由虛線與直徑上等加速和等減速運動規(guī)律的標尺的交點得：h/）計算最小基圓半 徑 得 h/8/0）基圓半徑 求凸輪基圓半徑的模圖 25 取 輪機構(gòu)的材料選擇 試驗證明：相同金屬材料比不同金屬的粘著傾向大；單相材料、塑性材料比多相材料脆 性材料的粘著傾向大。為減輕粘著磨損的程度推薦采用材料匹配有 ;(1)鑄鋼青銅；淬硬非淬硬鋼；非淬硬鋼 黃銅巴氏合金；淬硬鋼；青銅黃銅非淬硬鋼尼龍及積層熱壓樹脂。 禁忌的材料匹配是：非淬硬鋼青銅，非淬硬鋼尼龍及積層樹脂；淬硬鋼 硬鎳鋼 淬硬鎳鋼 因為是低速輕載凸輪選用鋼調(diào)質(zhì)，從動件接觸處選用鋼表面淬火 第五章 前景展望 機械設計制造 及其 自動化專業(yè) 業(yè)務培養(yǎng)目標：本專業(yè)培養(yǎng)具備機械設計制造基礎知識與應用能力，能在工業(yè)生產(chǎn)第一線從事機械制造領域內(nèi)的設計制造、科技開發(fā)、應用研究、運行管理和經(jīng)營銷售等方面工作的高級工程技術人才。 業(yè)務培養(yǎng)要求：本專業(yè)學生主要學習機械設計與制造的基礎理論，學習微電子技術、計算機技術和信息處理技術的基本知識，受到現(xiàn)代機械工程師的基本訓練，具有進行機械產(chǎn)品設計、制造及設備控制、生產(chǎn)組織管理的基本能力。 畢業(yè)生應獲得以下幾方面的知識和能力： 1 具 有較扎實的自然科學基礎、較好的人文、藝術和社會科學基礎及正確運用本國語言、文字的表達能力； 2較系統(tǒng)地掌握本專業(yè)領域?qū)拸V的技術理論基礎知識，主要包括力學、機械學、電工與電子技術、機械工程材料、機械設計工程學、 機械制造 基礎、自動化基礎、市場經(jīng)濟及企業(yè)管理等基礎知識； 3具有本專業(yè)必需的制圖、計算、實驗、測試、文獻檢索和基本工藝操作等基本技能； 4具有本專業(yè)領域內(nèi)某個專業(yè)方向所必要的專業(yè)知識，了解其科學前沿及發(fā)展趨勢； 5具有初步的科學研究、科技開發(fā)及組織管理能力； 6具有較強的自學能力和創(chuàng)新意識 。 下面是企業(yè)對本專業(yè)畢業(yè)生要求： 畢業(yè)生應獲得以下幾方面的知識與能力： 1. 具有較扎實的自然科學基礎，較好的人文、藝術和社會科學基礎及正確運用 26 本國語言、文字的表達能力； 要包括力學、機械學、電工與電子學、流體力學、工程熱力學、市場經(jīng)濟及企業(yè)管理等基礎知識； 算、測試、文獻檢索和基本工藝操作等基本技能及較強的計算機和外語應用能力； 領域內(nèi)某個專業(yè)方向所必要的專業(yè)知識，了解其科學前沿及發(fā)展趨勢； 新意識和較高的綜合素質(zhì)。 所以，我們的職業(yè)目標可以從大學一年級