清華大學(xué)凸輪機(jī)構(gòu)講解課件

Chapter4.Cam(凸輪)Mechanisms凸輪機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)Questions：1、CompositionofCamMechanisms(凸輪機(jī)構(gòu)有哪些構(gòu)件組成?)2、Relationshipbetweenpressureangleandbasiccircleradiusofaplatecam(壓力角與基圓半徑有怎樣關(guān)系)？3、Why(凸輪機(jī)構(gòu)為什么要限制最大壓力角)？Importantcontents(重點(diǎn)掌握的內(nèi)容)：1、DesignofCamMechanisms(凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì))2、DeterminationBasicdimensionsofCamMechanisms(凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸確定)3、Displacementandmovedangleoffolloweratrandommoment.(任意時(shí)刻從動(dòng)件位移、轉(zhuǎn)角)Studyobject:CamMechanism§4-1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類一、凸輪機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用含有凸輪的機(jī)構(gòu)。1.定義：凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件?！?-1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類一、凸輪機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用O1凸輪1從動(dòng)件2機(jī)架312.凸輪機(jī)構(gòu)組成：凸輪---原動(dòng)件頂桿---從動(dòng)件機(jī)架---固定件內(nèi)燃機(jī)凸輪組合機(jī)構(gòu)2.凸輪應(yīng)用O1123456789101112O2O3例：粉料壓片機(jī)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)圖13型腔（料斗）（上沖頭）（下沖頭）（1）移動(dòng)料斗4至型腔上方，并使料斗振動(dòng)，將粉料裝入型腔。（2）下沖頭6下沉，以防止上沖頭12下壓時(shí)將型腔內(nèi)粉料抖出。（3）上、下沖頭對(duì)粉料加壓，并保壓一定時(shí)間。（4）上沖頭退出，下沖頭頂出藥片。二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類一、凸輪機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用（一）按凸輪的形狀分：盤形凸輪移動(dòng)凸輪圓柱凸輪滾輪凸輪機(jī)構(gòu)移動(dòng)凸輪副空間凸輪2§4-1凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用和分類二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類（一）按凸輪的形狀分：（二）按從動(dòng)件上高副元素的幾何形狀分：尖底從動(dòng)件滾子從動(dòng)件平底從動(dòng)件

（三）按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)分：擺動(dòng)從動(dòng)件移動(dòng)從動(dòng)件偏置移動(dòng)從動(dòng)件對(duì)心移動(dòng)從動(dòng)件二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類（一）按凸輪的形狀分：（二）按從動(dòng)件上高副元素的幾何形狀分：擺桿凸輪尖頂凸輪機(jī)構(gòu)尖頂凸輪機(jī)構(gòu)（偏心）二、凸輪機(jī)構(gòu)的分類（一）按凸輪的形狀分：（二）按從動(dòng)件上高副元素的幾何形狀分：（三）按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)分：（四）按凸輪與從動(dòng)件維持接觸（鎖合）的方式分：力鎖合幾何鎖合溝槽凸輪等寬凸輪等徑凸輪強(qiáng)制凸輪等寬凸輪(1).只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?可使從動(dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)。(2).結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，設(shè)計(jì)方便。(1).凸輪與從動(dòng)件間為點(diǎn)線接觸，易磨損，宜用于傳力不大的場(chǎng)合。(2).凸輪輪廓加工較困難。(3).從動(dòng)件行程不能過(guò)大，否則會(huì)使凸輪變得笨重。自動(dòng)機(jī)床、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、食品機(jī)械、包裝機(jī)械、機(jī)電一體化產(chǎn)品。1.凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：2.凸輪機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)：3.應(yīng)用：三、凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)一、基本概念sCDh行程推程運(yùn)動(dòng)角遠(yuǎn)休止角回程運(yùn)動(dòng)角近休止角Bos§4-2從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律DroeABC凸輪基圓該位置為初始位置分析凸輪機(jī)構(gòu)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)，一般存在四個(gè)階段，即：推程運(yùn)動(dòng)----推程運(yùn)動(dòng)角（與從動(dòng)件推程相對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角，φ）

遠(yuǎn)休止-------遠(yuǎn)休止角（與從動(dòng)件遠(yuǎn)休程相對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角，φs）

回程運(yùn)動(dòng)----回程運(yùn)動(dòng)角（與從動(dòng)件回程相對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角，φ‘）

近休止-------近休止角（與從動(dòng)件近休程相對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角，φs‘）凸輪基圓：以凸輪軸心為圓心,以其輪廓最小向徑

r0為半徑的圓；

從動(dòng)件行程:

在推程或回程中從動(dòng)件的最大位移,用h表示；

偏距:

凸輪回轉(zhuǎn)中心與從動(dòng)件導(dǎo)路間的偏置距離,用e表示；偏距圓：以凸輪軸心為圓心,以e為半徑的圓。擺動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)AO1O2B1B從動(dòng)件擺角推程運(yùn)動(dòng)角CD遠(yuǎn)休止角回程運(yùn)動(dòng)角近休止角oB最大擺角最大擺角擺角sOsOsO（1）升-停-回-停型（RDRD型）（2）升-回-停型（RRD型）（3）升-停-回型（RDR型）（4）升-回型（RR型）sO按照從動(dòng)見(jiàn)件在一個(gè)循環(huán)中是否需要停歇及停在何處等，可將凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的位移曲線分成如下四種類型：1.等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律推程的運(yùn)動(dòng)方程：hOSvOvOa從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)起始位置和終止兩瞬時(shí)的加速度在理論上由零值突變?yōu)闊o(wú)窮大，慣性力也為無(wú)窮大。由此的沖擊稱為剛性沖擊。適用于低速場(chǎng)合。二、基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律二、基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律2等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律推程等加速運(yùn)動(dòng)的方程式為：149410h1423560s0vvmax0amax-amaxa0j在運(yùn)動(dòng)規(guī)律推程的始末點(diǎn)和前后半程的交接處，加速度雖為有限值，但加速度對(duì)時(shí)間的變化率理論上為無(wú)窮大。由此引起的沖擊稱為柔性沖擊。適用于中、低速場(chǎng)合。二、基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律3.余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律1'2'3'4'5'6'0s123456h對(duì)RDRD型運(yùn)動(dòng)循環(huán)，該運(yùn)動(dòng)規(guī)律在推程的開(kāi)始和終止瞬時(shí)，從動(dòng)件的加速度仍有突變，故存在柔性沖擊。因此適用于中、低速場(chǎng)合。對(duì)RR型運(yùn)動(dòng)，若推程、回程均為余弦加速度規(guī)律，加速度曲線無(wú)突變，因而無(wú)沖擊，可用于高速凸輪。vmaxa123456amax-amaxv123456，s三、組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)介運(yùn)動(dòng)規(guī)律組合時(shí)應(yīng)遵循以下原則：（1）對(duì)于中、低速運(yùn)動(dòng)的凸輪機(jī)構(gòu)，要求從動(dòng)件的位移曲線在銜接處相切，以保證速度曲線的連續(xù)。即要求在銜接處的位移和速度應(yīng)分別相等。（2）對(duì)于中、高速運(yùn)動(dòng)的凸輪機(jī)構(gòu)，要求從動(dòng)件的速度曲線在銜接處相切，以保證加速度曲線連續(xù)，即要求在銜接處的位移、速度和加速度應(yīng)分別相等。§4-2從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律三、組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡(jiǎn)介介紹兩種典型的組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律1.修正梯形組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律a12345678oa0amax=(h2/2)×4.00amax=(h2/2)×6.28等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律a=10.1250.50.875a=10.1250.50.875修正梯形組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律amax=(h2/2)×4.8882.改進(jìn)型等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律Oa正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律aos12av§4-2從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律四、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問(wèn)題（1）應(yīng)滿足機(jī)器工作的要求；（2）對(duì)于高速凸輪機(jī)構(gòu)，應(yīng)使凸輪機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能；（3）設(shè)計(jì)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，應(yīng)考慮到凸輪輪廓的工藝性要好?！?-3按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線

已知從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[s=s()、v=v()、a=a()]及凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸（如ro、e）及轉(zhuǎn)向，設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線。roesB0BosB1S-S-反轉(zhuǎn)法原理假想給正在運(yùn)動(dòng)著的整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)加上一個(gè)與凸輪角速度大小相等、方向相反的公共角速度（-），這樣，各構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系并不改變，但原來(lái)以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)的凸輪將處于靜止?fàn)顟B(tài)；機(jī)架（從動(dòng)件的導(dǎo)路）則以（-）的角速度圍繞凸輪原來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；而從動(dòng)件一方面隨機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)，另一方面又按照給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)機(jī)架作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。凸輪輪廓設(shè)計(jì)2凸輪的輪廓設(shè)計(jì)osB1B-一、尖頂從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)§4-3按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線（一）尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)

已知:的轉(zhuǎn)向，ro,e，s=s()，1.解析法-sxyO(1)取定oxy坐標(biāo)，x或y軸平行于導(dǎo)路線，且使初始位置在第一象限；（2）寫出點(diǎn)B1的坐標(biāo)；S0（4）寫出凸輪輪廓上點(diǎn)B的坐標(biāo)。（3）寫出平面旋轉(zhuǎn)矩陣

；eB0ro注意：逆時(shí)針為正。求凸輪輪廓曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)值或作出凸輪的輪廓曲線。一、尖頂從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)（一）尖頂移動(dòng)從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)（1）按已設(shè)計(jì)好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作出位移線圖；2.幾何法-（2）按基本尺寸作出凸輪機(jī)構(gòu)的初始位置（ro、e）

；（3）按-

方向劃分偏距圓得c0；再分出，s，’和s’，細(xì)分各角得c1、c2等點(diǎn)；并過(guò)這些點(diǎn)作偏距圓的切線，即為反轉(zhuǎn)導(dǎo)路線；c1c2c3c4c5c6c7c0erbO180oB1B3B4B2B5B8（4）在各反轉(zhuǎn)導(dǎo)路線上量取與位移圖相應(yīng)的位移，得B1、B2、

等點(diǎn)，即為凸輪輪廓上的點(diǎn)。oS180o120o60o12345678910hB6c10c8c9B7120oB9B1060oB0（5）把B1、B2、等點(diǎn)圓滑連接起來(lái)即得到設(shè)計(jì)圖輪廓線

已知:的轉(zhuǎn)向，ro,e，s=s()，（二）尖頂擺動(dòng)從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)

已知：的轉(zhuǎn)向，ro,中心距l(xiāng)OA=a，擺桿長(zhǎng)L，，1.解析法B1B（1）取定oxy坐標(biāo)，x或y軸在O1O2

線上，且使初始位置在第一象限；（2）寫出點(diǎn)B1的坐標(biāo)；（4）寫出凸輪輪廓上點(diǎn)B的坐標(biāo)。（3）寫出平面旋轉(zhuǎn)矩陣

；注意：逆時(shí)針為正。LB0O1O2aro0xy-求凸輪輪廓曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)值或作出凸輪的輪廓曲線。A0a120°A8Orb（二）尖頂擺動(dòng)從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)2.幾何法180o120o60oo12345678910（1）作出角位移線圖；（2）作初始位置；（4）找從動(dòng)件反轉(zhuǎn)后的一系列位置，得

C1、C2、

等點(diǎn)，即為凸輪輪廓上的點(diǎn)。A1A2A3A5A6A7A9A10A40000000000（3）按-

方向劃分圓R得A0、

A1、A2等點(diǎn)；即得機(jī)架反轉(zhuǎn)的一系列位置；0B0L180°60°B1B2B3B4B5B6B7B8B9B101C12C23C3C4C5C6C7C8C9C10R-

已知：的轉(zhuǎn)向，ro,中心距l(xiāng)OA=a，擺桿長(zhǎng)L，，求凸輪的輪廓曲線。（5）把

C1、C2、等點(diǎn)圓滑連起來(lái)即得到設(shè)計(jì)廓線。一、尖頂從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)§3-3凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)二、滾子從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)roeB0B-roeB0B-二、滾子從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)CxyroB0"輪廓曲線的設(shè)計(jì)步驟：理論輪廓曲線'實(shí)際輪廓曲線（1）把滾子中心看作是尖底，按前面作圖法求出滾子中心在固定坐標(biāo)系oxy中的軌跡（稱為理論輪廓）；（2）再以理論廓線任一點(diǎn)為圓心，以滾子半徑為半徑作一系列圓，然后系列圓的內(nèi)包羅線，得到滾子從動(dòng)件凸輪的工作輪廓曲線（稱為實(shí)際輪廓曲線）。rr注意：（1）理論輪廓與實(shí)際輪廓互為等距曲線；（2）凸輪的基圓半徑是指理論輪廓曲線的最小向徑?！?-3按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線三、平底移動(dòng)從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)B12SroB1P（1）選定oxy坐標(biāo)如圖；xyOP為構(gòu)件1、2的瞬心（2）寫出點(diǎn)B1的坐標(biāo)；（4）寫出凸輪輪廓上點(diǎn)B的坐標(biāo)。（3）寫出平面旋轉(zhuǎn)矩陣

；注意：逆時(shí)針為正。v2=op.-平底凸輪機(jī)構(gòu)對(duì)于平底移動(dòng)從動(dòng)件盤型凸輪，只要運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，偏置從動(dòng)件和對(duì)心從動(dòng)件具有相同的輪廓。B121對(duì)于平底移動(dòng)從動(dòng)件盤型凸輪，把平底與導(dǎo)路交點(diǎn)看作是尖底從動(dòng)件的尖底，按尖底從動(dòng)件作圖法求出一系列點(diǎn)，然后過(guò)這些點(diǎn)畫出一系列平底，作系列平底的內(nèi)包羅線即得到實(shí)際輪廓。三、平底移動(dòng)從動(dòng)件盤型凸輪機(jī)構(gòu)作圖法-sO180o120o60o1234567891021180o120o平底凸輪機(jī)構(gòu)§4-3按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線四、圓柱凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)圓柱凸輪可以展成平面移動(dòng)凸輪B-RB0xy021R2Rnnrr圓柱展開(kāi)凸輪的理論輪廓曲線的方程xB=RyB=S圓柱展開(kāi)凸輪的實(shí)際輪廓曲線的方程x=xBrrsiny=yBrrcosv1v21v2空間凸輪1由上述關(guān)系式知，壓力角a愈大，有效分力Ｆy愈小，有害分力Ｆx愈大。推薦壓力角數(shù)值移動(dòng)從動(dòng)件[a]=30°擺動(dòng)從動(dòng)件[a]=45°回程中，一般不會(huì)有自鎖現(xiàn)象，壓力角取值為[a]=70°～80°§4-5凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角是指從動(dòng)件在高副接觸點(diǎn)所受的法向壓力與從動(dòng)件在該點(diǎn)的線速度方向之間所加的銳角，常用α表示。一、凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角和自鎖當(dāng)a角大到某一數(shù)值時(shí)，必將會(huì)出現(xiàn)Fy<mFx

的情況。這時(shí)，不論施加多大的F力，都不能使從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為自鎖。因此，為了保證凸輪機(jī)構(gòu)的正常工作，必須對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角進(jìn)行限制。1.移動(dòng)從動(dòng)件的壓力角

由圖c可知，平底從動(dòng)件的壓力角為常數(shù)，由于機(jī)構(gòu)受力方向不變，采用平底從動(dòng)件的凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性好。

圖d所示，若從動(dòng)件的偏置方向選擇不對(duì)，會(huì)增大機(jī)構(gòu)的壓力角，導(dǎo)致機(jī)械效率降低，甚至出現(xiàn)機(jī)構(gòu)的自鎖現(xiàn)象。因此，正確選擇偏置方向有利于減小機(jī)構(gòu)的壓力角。2.擺動(dòng)從動(dòng)件的壓力角圖b所示的擺動(dòng)平底從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)，接觸點(diǎn)B處的速度方向垂直AB,B點(diǎn)的受力方向垂直于平底,壓力角α可通過(guò)式sinα=e/AB求解。圖a為擺動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角示意圖。e二、按許用壓力角確定凸輪回轉(zhuǎn)中心和基圓半徑oe1cpAnnP為構(gòu)件1、2的瞬心v2=op.注意：“+”、“-”1.偏置方位與偏距大?。?）偏置方位選擇原則：（2）偏距大小：有利于減小工作行程的最大壓力角。n1tt2pnAcoev2s0sro1、直動(dòng)從動(dòng)件基圓半徑的確定（1）受力不大，而要求結(jié)構(gòu)緊湊時(shí)，根據(jù)解得（2）受力較大，結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)嚴(yán)格限制rsrhrorh=1.75rs+(7~10)mmro=rh+3mm對(duì)于鑄鐵凸輪在給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，合理設(shè)計(jì)偏距可減小壓力角，增大基圓半徑也可以減小壓力角。原則：保證