第四章凸輪機(jī)構(gòu)

1、教學(xué)目地：1了解凸輪機(jī)械的類型及其應(yīng)用2掌握從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律位移線圖的特點(diǎn)和繪制方法3掌握用“反轉(zhuǎn)法按給定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律繪制盤狀凸輪輪廓線4定性了解凸輪機(jī)構(gòu)根本尺寸確實(shí)定教學(xué)重點(diǎn)：1從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特點(diǎn)以及位移線圖的繪制2按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律繪制尖頂、滾子從動(dòng)件盤凸輪輪廓。教學(xué)難點(diǎn)：1滾子從動(dòng)件盤形凸輪輪廓線的繪制平底、偏置從動(dòng)件盤形凸輪輪廓線的繪制第四章凸輪機(jī)構(gòu)4.1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類1應(yīng)用組成：凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架。特點(diǎn)與應(yīng)用：高副機(jī)構(gòu)。由于凸輪機(jī)構(gòu)具有多用性和靈活性，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)械、儀器、操 縱控制裝置和自動(dòng)生產(chǎn)線中，是自動(dòng)化生產(chǎn)中主要的驅(qū)動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)。但由于凸輪機(jī)構(gòu)是高副機(jī)構(gòu)，

2、易于磨損，因此只適用于傳遞動(dòng)力不大的場(chǎng)合。例：2分類1).按凸輪形狀分類，如圖1是凸輪的最根本形(1)盤形凸輪：它是一種有向徑變化的繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的盤形零件式。(2)移動(dòng)凸輪：匕可看作是回轉(zhuǎn)半徑無限大的盤形凸輪 ，凸輪相對(duì)機(jī)架作直線運(yùn)動(dòng)。(3)圓柱凸輪：它可看作是移動(dòng)凸輪卷成圓柱體所形成的凸輪，從動(dòng)件與凸輪之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為空間運(yùn)動(dòng)，如圖中的構(gòu)件1。2)按從動(dòng)件形狀分類(1) 尖頂從動(dòng)件： 尖頂從動(dòng)件能與任意復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，因而能使從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)任意的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這種從動(dòng)件結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，。但從動(dòng)件與凸輪間是點(diǎn)接觸條件下的滑動(dòng)摩擦，阻力大，磨損快，多用于受力不大的低速凸輪機(jī)構(gòu)中。(2) 滾子從動(dòng)件：

3、可視為在尖頂從動(dòng)件的尖頂處安裝一個(gè)滾子，即成為滾子從動(dòng)件(3) 平底從動(dòng)件：從動(dòng)件與凸輪之間為線接觸 ，當(dāng)不計(jì)凸輪與從動(dòng)件間的摩擦?xí)r ，凸輪與從動(dòng)件間的作用始終垂 直于從動(dòng)件的平底，因此傳動(dòng)效率高，接觸面間容易形成油膜，潤(rùn)滑較好，常用于高速凸輪機(jī)構(gòu)，。 4.2凸輪機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律4.2. 1平面凸輪機(jī)構(gòu)的工作過程和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)心直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤形凸輪基圓：圖示為一機(jī)構(gòu)，從動(dòng)件移動(dòng)導(dǎo)路至凸輪旋轉(zhuǎn)中心的偏距為e。以凸輪輪廓的最小向徑rb為半徑所作的圓稱為，rb為基圓半徑，凸輪以等角速度逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖示位置，尖頂與 A點(diǎn)接 觸，A點(diǎn)是基圓與開始上升的輪廓曲線的交點(diǎn)，此時(shí)，從動(dòng)件的尖頂離凸輪

4、軸最近。凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 向徑增大，從動(dòng)件被凸輪輪廓推向上，到達(dá)向徑最大的B點(diǎn)時(shí)，從動(dòng)件距凸輪軸心最遠(yuǎn)，這一過程稱為推程。與之對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角稱為推程運(yùn)動(dòng)角，從動(dòng)件上升的最大位移h稱為行程。當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過、s時(shí)，由于輪廓BC段為一向徑不變的圓弧，從動(dòng)件停留在最遠(yuǎn)處不動(dòng)，此過程稱為遠(yuǎn)停程，對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角、s稱為遠(yuǎn)停程角。當(dāng)凸輪又繼續(xù)轉(zhuǎn)過o'角時(shí)，凸輪向徑由最大減至5,從動(dòng)件從最遠(yuǎn)處回到基圓上的 D點(diǎn)，此過程稱為 回程，對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角0稱為回程運(yùn)動(dòng)角。當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過/.s' 角時(shí)，由于輪廓 DA段為向徑不變的基圓圓弧，從動(dòng)件繼續(xù)停在距軸心最近處不動(dòng)，此過程稱為近停程，對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角 J稱

5、為近停程角。此時(shí)，：o +、s+0+、s' =2,凸輪剛好轉(zhuǎn)過一圈，機(jī)構(gòu)完 成一個(gè)工作循環(huán)，從動(dòng)件那么完成一個(gè)升一停一降一停的運(yùn)動(dòng)循環(huán)。a)上述過程可以用從動(dòng)件的位移曲線來描述。以從動(dòng)件的位移s為縱坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)，將凸輪轉(zhuǎn)角或時(shí)間與對(duì)應(yīng)的從動(dòng)件位移之間的函數(shù)關(guān)系用曲線表達(dá)出來的圖形稱為從動(dòng)件的 位移線圖，如圖12-8b所示。從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)過程中，其位移s、速度V、加速度a隨時(shí)間t 或凸輪轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，稱為從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由此可見，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全取決于凸輪的輪廓形狀。工程中，從動(dòng)件的 運(yùn)動(dòng)規(guī)律通常是由凸輪的使用要求確定的。因此，根據(jù)實(shí)際要求的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律所設(shè)計(jì)凸輪

6、的輪 廓曲線，完全能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的生產(chǎn)要求。從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律常用的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律有等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，等加速-等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。1. 等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律從動(dòng)件推程或回程的運(yùn)動(dòng)速度為常數(shù)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，稱為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其運(yùn)動(dòng)線圖如下列圖所示。由圖可知，從動(dòng)件在推程或回程開始和終止的瞬間，速度有突變，其加速度和慣性力在理論上為無窮大，致使凸輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊、噪聲和磨損，這種沖擊為剛性沖擊。因此，等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律只適用于低速、輕載的場(chǎng)合。2. 等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律從動(dòng)件在一個(gè)行程 h中，前半行程作等加速運(yùn)動(dòng)，后半行程作等減速運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律稱為 等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通常加速

7、度和減速度的絕對(duì)值相等，其運(yùn)動(dòng)線圖如下圖。由運(yùn)動(dòng)線圖可知，這種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的加速度在A、B、C三處存在有限的突變，因而會(huì)在機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生有限的沖擊，這種沖擊稱為 柔性沖擊。與等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律相比，其沖擊程度大為減小。因此，等加 速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律適用于中速、中載的場(chǎng)合。3. 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律當(dāng)一質(zhì)點(diǎn)在圓周上作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它在該圓直徑上投影的運(yùn)動(dòng)規(guī)律稱為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。因其加速度運(yùn)動(dòng)曲線為余弦曲線故也稱余弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律。a )那么得到連續(xù)的余弦曲線,V由加速度線圖可知，此運(yùn)動(dòng)規(guī)律在行程的始末兩點(diǎn)加速度存在有限突變，故也存在柔性沖擊， 只適用于中速場(chǎng)合。但當(dāng)從動(dòng)件作無停歇的升一降一升連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，柔性沖擊

8、被消除，這種情況下可用于高速場(chǎng)合。4. 擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律當(dāng)一圓沿縱軸作勻速純滾動(dòng)時(shí)，圓周上某定點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)軌跡為一擺線，而定點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)時(shí)在縱軸上投影的運(yùn)動(dòng)規(guī)律即為擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因其加速度按正弦曲線變化，故又稱 正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng) 線圖如下圖。從動(dòng)件按正弦加速度規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，在全行程中無速度和加速度的突a變，因此不產(chǎn)生沖擊，適用于高速場(chǎng)合。以上介紹了從動(dòng)件常用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)際生產(chǎn)中還有更多的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如復(fù)雜多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律、改良型運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，了解從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī) 律，便于我們?cè)谕馆啓C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)機(jī)器的工作要求進(jìn)行合理選擇。 4.3凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)器的工作要求，在確定

9、了凸輪機(jī)構(gòu)的類型及從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)干 規(guī)律、凸輪的基圓半徑和凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向后，便可開始凸輪輪廓曲線的 設(shè)計(jì)了。凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)方法有圖解法和解析法。圖解法簡(jiǎn)單直觀，以下分別介紹這兩種方法。但不夠精確，只適用于一般場(chǎng)合；解析法精確但計(jì)算量大，隨著計(jì)算機(jī) 輔助設(shè)計(jì)的迅速推廣應(yīng)用，解析法設(shè)計(jì)將成為設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)的主要方法。圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線1 圖解法的原理圖解法繪制凸輪輪廓曲線的原理是反轉(zhuǎn)法，即在整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)凸輪、從動(dòng)件、機(jī)架上加一個(gè)與凸輪角速度大小相等、方向相反的角速度一,于是凸輪靜止不動(dòng)， 而從動(dòng)件那么與機(jī)架導(dǎo)路一起以角速度-繞凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，且從動(dòng)件仍按原來的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)導(dǎo)路移動(dòng)或擺動(dòng)，如圖12-1

10、3。因從動(dòng)件尖頂始終與凸輪輪廓保持接觸，所以從動(dòng)件在反轉(zhuǎn)行程中，其尖頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪的輪廓曲線。2 尖頂直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪輪廓的設(shè)計(jì)例4-1設(shè)凸輪逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，其基圓半徑5=30 mm，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為凸輪轉(zhuǎn)角0° 180°180° 300°300°360°從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等速上升30 mm等加速等減速下降回到原處停止不動(dòng)試設(shè)計(jì)此凸輪輪廓曲線。解：設(shè)計(jì)步驟如下：1選取適當(dāng)比例尺作位移線圖選取長(zhǎng)度比例尺和角度比例尺為jl=0.002 m/mm , J =6 度 /mm按角度比例尺在橫軸上由原點(diǎn)向右量取30mm、20mm、10mm分別

11、代表推程角 180°回程角120 °近停程角60 °每30 °取 等分點(diǎn)等分推程和回程，得分點(diǎn) 1、2、10,停程不必取分點(diǎn)， 在縱軸上按長(zhǎng)度比例尺向上截取15mm代表推程位移30mm。按運(yùn)動(dòng)規(guī)律作位移線圖2作基圓取分點(diǎn)任取一點(diǎn)O為圓心，以點(diǎn)B為從動(dòng)件尖頂?shù)淖畹忘c(diǎn)，由長(zhǎng)度比例尺取 rb=15mm作基圓。從B點(diǎn) 始，按一方向取推程角、回程角和近停程角，并分成與位移線圖對(duì)應(yīng)的相同等分，得分點(diǎn)B1、B2、B11與B點(diǎn)重合。(3) 畫輪廓曲線聯(lián)接OBi并在延長(zhǎng)線上取 Bi Bi' =1得點(diǎn)Bi',同樣在0B2延長(zhǎng)線上取B2B2' =22&

12、#39;，直到B9 點(diǎn)，點(diǎn)Bio與基圓上點(diǎn)Bi。'重合。將Bi'、 B2' Bio'聯(lián)接為光滑曲線，即得所求的凸輪輪廓曲線， 如圖 i2-i4b。假設(shè)從動(dòng)件為滾子，那么可把尖頂看作是滾子中心，其運(yùn)動(dòng)軌跡就是凸輪的理論輪廓曲線，凸輪的 實(shí)際輪廓曲線是與理論輪廓曲線相距滾子半徑h的一條等距曲線，應(yīng)注意的是，凸輪的基圓指的是理論輪廓線上的基圓，如下圖。'« 7 * y ju n1 BO* 240*弼對(duì)于其他從動(dòng)件凸輪曲線的設(shè)計(jì)，可參照上述方法。解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線(簡(jiǎn)述)解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓的實(shí)質(zhì)是建立凸輪理論輪廓線、實(shí)際輪廓線的方程式，精確計(jì)算出廓線上 各點(diǎn)的坐標(biāo)值的方法。解析法設(shè)計(jì)凸輪曲線分為直角坐標(biāo)法和極坐標(biāo)法。下面以偏置直動(dòng)滾子從動(dòng) 件盤形凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)為例，簡(jiǎn)單介紹直角坐標(biāo)法的設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)步驟：(i)建立直角坐標(biāo)系，并根據(jù)反轉(zhuǎn)法建立從動(dòng)件尖頂?shù)淖鴺?biāo)方程。如圖i2-i5所示，建立過凸輪轉(zhuǎn)軸中心的坐標(biāo)系xOy，圖中Bo點(diǎn)為從動(dòng)件推程的起始點(diǎn)，導(dǎo)路與轉(zhuǎn)軸中心的距離為 e (當(dāng)凸輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)、導(dǎo)路右偏時(shí)，e為正，反之，e為負(fù)，當(dāng)凸輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，那么與之相反)根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，凸輪以轉(zhuǎn)過角，相當(dāng)于從動(dòng)件及導(dǎo)路以轉(zhuǎn)過角，滾子中心到 達(dá)B點(diǎn)，位移量為s。從圖中幾何關(guān)系可得 B點(diǎn)的坐標(biāo)為x= (so+