圆柱凸轮机构设计结构计算.docx

圆柱凸轮机构设计结构计算本章介绍凸轮机构的类型、特点、应用与盘形凸轮的设计。凸轮是一种具有曲线轮廓或凹槽的构件，它通过与从动件的高副接触，在运动时可以使从动件获得连续或不连续的任意预期运动。在第章介绍中，我们已经看到。凸轮机构在各种机械中有大量的应用。即使在现代化程度很高的自动机械中，凸轮机构的作用也是不可替代的。凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成，结构简单、紧凑，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任意的运动规律。在自动机械中，凸轮机构常与其它机构组合使用，充分发挥各自的优势，扬长避短。由于凸轮机构是高副机构，易于磨损；磨损后会影响运动规律的准确性，因此只适用于传递动力不大的场合。图为自动机床中的横向进给机构，当凸轮等速回转一周时，凸轮的曲线外廓推动从动件带动刀架完成以下动作：车刀快速接近工件，等速进刀切削，切削结束刀具快速退回，停留一段时间再进行下一个运动循环。 图 图图为糖果包装剪切机构，它采用了凸轮连杆机构，槽凸轮绕定轴转动，摇杆与机架铰接于点。构件和与构件组成转动副和，与构件和（剪刀）组成转动副和。构件和绕定轴转动。凸轮转动时，通过构件、和，使剪刀打开或关闭。图为机械手与进出糖机构。送糖盘从输送带上取得糖块，并与钳糖机械手反向同步放置至进料工位，经顶糖、折边后，产品被机械手送至工位后落下或由拨糖杆推下。机械手开闭由机械手开合凸轮（图中虚线）控制，该凸轮的轮廓线是由两个半径不同的圆弧组成，机械手的夹紧主要靠弹簧力。图图图所示为由两个凸轮组合的顶糖、接糖机构，通过平面槽凸轮机构将糖顶起，由圆柱凸轮机构控制接糖杆的动作，完成接糖工作。图所示的机构中，应用了四个凸轮机构的配合动作来完成电阻压帽工序。内燃机中的阀门启闭机构（图），缝纫机的挑线机构（图）等，都是凸轮机构具体应用的实例。由以上各例可见，凸轮机构在各种机器中的应用是相当广泛的，了解凸轮机构的有关知识是非常必要的。 凸轮机构的分类按照凸轮与从动件的形状，凸轮机构的分类见表。 凸轮机构中从动件常用的运动规律凸轮机构设计的主要任务是保证从动件按照设计要求实现预期的运动规律，因此确定从动件的运动规律是凸轮设计的前提。. 平面凸轮机构的工作过程和运动参数图为一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，从动件移动导路至凸轮旋转中心的偏距为。以凸轮轮廓的最小向径为半径所作的圆称为基圆，为基圆半径，凸轮以等角速度w逆时针转动。在图示位置，尖顶与点接触，点是基圆与开始上升的轮廓曲线的交点，此时，从动件的尖顶离凸轮轴最近。凸轮转动时，向径增大，从动件被凸轮轮廓推向上，到达向径最大的点时，从动件距凸轮轴心最远，这一过程称为推程。与之对应的凸轮转角d称为推程运动角，从动件上升的最大位移称为行程。当凸轮继续转过d时，由于轮廓段为一向径不变的圆弧，从动件停留在最远处不动，此过程称为远停程，对应的凸轮转角d称为远停程角。当凸轮又继续转过d角时，凸轮向径由最大减至，从动件从最远处回到基圆上的点，此过程称为回程，对应的凸轮转角d称为回程运动角。当凸轮继续转过d角时，由于轮廓段为向径不变的基圆圆弧，从动件继续停在距轴心最近处不动，此过程称为近停程，对应的凸轮转角d称为近停程角。此时，dd ddp，凸轮刚好转过一圈，机构完成一个工作循环，从动件则完成一个“升停降停”的运动循环。图 单位（）弦距销距半角两柱销最小距离柱销中心圆半径柱销直径柱销数主动凸轮直径°上述过程可以用从动件的位移曲线来描述。以从动件的位移为纵坐标，对应的凸轮转角为横坐标，将凸轮转角或达出来的图形称为从动件的位移线图，如图所示。从动件在运动过程中，其位移、速度、加速度随时间（或凸轮转角）的变化规律，称为从动件的运动规律。由此可见，从动件的运动规律完全取决于凸轮的轮廓形状。工程中，从动件的运动规律通常是由凸轮的使用要求确定的。因此，根据实际要求的从动件运动规律所设计凸轮的轮廓曲线，完全能实现预期的生产要求。 从动件常用的运动规律常用的从动件运动规律有等速运动规律，等加速等减速运动规律、余弦加速度运动规律以与正弦运动规律等。等速运动规律 度有突变，其加速度和惯性力在理论上为无穷大，致使凸轮机构产生强烈的冲击、噪声和磨损，这种冲击为刚性冲击。因此，等速运动规律只适用于低速、轻载的场合。等加速等减速运动规律 从动件在一个行程中，前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动，这种运动规律称为等加速等减速运动规律。通常加速度和减速度的绝对值相等，其运动线图如图所示。图图由运动线图可知，这种运动规律的加速度在、三处存在有限的突变，因而会在机构中产生有限的冲击，这种冲击称为柔性冲击。与等速运动规律相比，其冲击程度大为减小。因此，等加速等减速运动规律适用于中速、中载的场合。简谐运动规律（余弦加速度运动规律）当一质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上投影的运动规律称为简谐运动。因其加速度运动曲线为余弦曲线故也称余弦运动规律，其运动规律运动线图如图所示。图图由加速度线图可知，此运动规律在行程的始末两点加速度存在有限突变，故也存在柔性冲击，只适用于中速场合。但当从动件作无停歇的升降升连续往复运动时，则得到连续的余弦曲线，柔性冲击被消除，这种情况下可用于高速场合。摆线运动规律（正弦加速度运动规律） 当一圆沿纵轴作匀速纯滚动时，圆周上某定点的运动轨迹为一摆线，而定点运动时在纵轴上投影的运动规律即为摆线运动规律。因其加速度按正弦曲线变化，故又称正弦加速度运动规律，其运动规律运动线图如图所示。从动件按正弦加速度规律运动时，在全行程中无速度和加速度的突变，因此不产生冲击，适用于高速场合。，了解从动件的运动规律，便于我们在凸轮机构设计时，根据机器的工作要求进行合理选择。 凸轮轮廓曲线的设计根据机器的工作要求，在确定了凸轮机构的类型与从动件的运动干规律、凸轮的基圆半径和凸轮的转动方向后，便可开始凸轮轮廓曲线的设计了。凸轮轮廓曲线的设计方法有图解法和解析法。图解法简单直观，但不够精确，只适用于一般场合；解析法精确但计算量大，随着计算机辅助设计的迅速推广应用，解析法设计将成为设计凸轮机构的主要方法。以下分别介绍这两种方法。图 图解法设计凸轮轮廓曲线图解法的原理图解法绘制凸轮轮廓曲线的原理是“反转法”，即在整个凸轮机构（凸轮、从动件、机架）上加一个与凸轮角速度大小相等、方向相反的角速度（w），于是凸轮静止不动，而从动件则与机架（导路）一起以角速度（w）绕始终与凸轮轮廓保持接触，所以从动件在反转行程中，其尖顶的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓的设计 例 设已知凸轮逆时针回转，其基圆半径 ，从动件的运动规律为凸轮转角°°°°°°从动件的运动规律等速上升 等加速等减速下降回到原处停止不动试设计此凸轮轮廓曲线。解： 设计步骤如下：选取适当比例尺作位移线图选取长度比例尺和角度比例尺为m（）, md（度）按角度比例尺在横轴上由原点向右量取 、分别代表推程角°、回程角°、近停程角°。每°取一等分点等分推程和回程，得分点、，停程不必取分点，在纵轴上按长度比例尺向上截取代表推程位移。按已知运动规律作位移线图（图）。（）作基圆取分点 任取一点为圆心，以点为从动件尖顶的最低点，由长度比例尺取作基圆。从点始，按（w）方向取推程角、回程角和近停程角，并分成与位移线图对应的相同等分，得分点、与点重合。（）画轮廓曲线联接并在延长线上取得点，同样在延长线上取，直到点，点与基圆上点重合。将、 、 联接为光滑曲线，即得所求的凸轮轮廓曲线，如图。子中心，其运动轨迹就是凸轮的理论轮廓曲线，凸轮的实际轮廓曲线是与理论轮廓曲线相距滚子半径的一条等距曲线，应注意的是，凸轮的基圆指的是理论轮廓线上的基圆，如图所示。图对于其他从动件凸轮曲线的设计，可参照上述方法。* 解析法设计凸轮轮廓曲线直角坐标法的设计过程。图设计步骤：（）建立直角坐标系，并根据反转法建立从动件尖顶 的坐标方程。如图所示，建立过凸轮转轴中心的坐标系，图中点为从动件推程的起始点，导路与转轴中心的距离为（当凸轮逆时针转动、导路右偏时，为正，反之，为负，当凸轮顺时针转动时，则与之相反）根据反转法原理，凸轮以转过角，相当于从动件与导路以转过角，滚子中心到达点，位移量为。从图中几何关系可得点的坐标为凸轮实际廓线上任一点（，）在凸轮理论廓线法线上与滚子中心（，）相距 处，其坐标为（）建立计算机辅助设计程序框图，如图。（）运行计算机并绘出所设计的凸轮轮廓曲线。图本章小结凸轮机构的结构简单，紧凑，能够实现复杂的运动规律。凸轮机构从动件常见的运动规律有：等速运动规律、等加速等减速运动规律、简谐（余弦加速度）运动规律、摆线（正弦加速度）运动规律。 凸轮轮廓设计的图解法的原理是“反转法”。 思 考 题 为什么凸轮机构广泛应用于自动、半自动机械的控制装置中？ 凸轮轮廓的反转法设计依据的是什么原理？习 题 试标出图示位移线图中的行程、推程运动角d、远停程角d 、回程角d¢ 、近停程角d ¢。 试写出图示凸轮机构的名称，并在图上作出行程，基圆半径，凸轮转角d、d 、d¢ 、d ¢以与、两处的压力角。 如图所示是一偏心圆凸轮机构，为偏心圆的几何中心，偏心距 ， ，试在图中标出：凸轮的基圆半径、从动件的最大位移和推程运动角d 的值；凸轮转过°时从动件的位移。 图示为一滚子对心直动从动件盘形凸轮机构。试在图中画出该凸轮的理论轮廓曲线、基圆半径、推程最大位移和图示位置的凸轮机构压力角。题图 题图题图 题图 标出图中各凸轮机构图示位置的压力角和再转过°时的压力角。题图 设计一尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构。凸轮顺时针匀速转动，基圆半径 ，从动件的运动规律为d°°°°°°°运动规律等速上升停止等加速等减速下降停止 若将上题改为滚子从动件，设已知滚子半径 ，试设计其凸轮的实际轮廓曲线。