弧面分度凸轮的设计(共40页).doc

《弧面分度凸轮的设计(共40页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《弧面分度凸轮的设计(共40页).doc（40页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选优质文档-倾情为你奉上毕业设计题 目 弧面分度凸轮的设计 学 院 机械工程学院专 业 工业工程姓 名 冯 堃学 号 指导教师 王红岩二OO九 年 六 月 十 日弧面分度凸轮的设计The Design of Roller Gear Indexing Cam专 业：工业工程学 生：冯 堃指导教师：王红岩济南大学机械工程学院二零零九年六月专心-专注-专业目 录 摘 要本文简要介绍了弧面分度凸轮机构的工作原理与发展历程，并从几何学与运动学、动力学、制造、检测及误差分析等方面对弧面分度凸轮的设计过程进行了阐述，我们看到弧面分度凸轮机构具有传动平稳、分度准确、结构简单紧凑等优点, 它已被广泛用于高速高

2、精度的自动机械中, 同时凭借自己的独特优势吸引了国内外许多学者对它进行详细地研究。本文设计了中心距为80mm ,8分度且转速为200转每分的弧面分度凸轮机构，本文还对对弧面分度凸轮机构的特点及其在间歇机构中的重要应用进行了大量的研究和分析。设计中还对各个定位件和密封件进行了设计和选择，以及对日常维护工作进行了简单介绍。这些工作都将为该产品的制造与应用提供了很好的资料。关键词： 弧面分度凸轮；结构设计；间歇机构；日常维护。ABSTRACTThis paper introduces the Roller Gear Indexing Cam of mechanism and the working

3、principle of the development process, and from the geometry and kinematics, dynamics, manufacturing, testing and error analysis，that described the Roller Gear Indexing Cam of the design process.The roller gear index ing cam has m any advan tages, such as steady t ran sm ission, exact index ing andsi

4、mp le st ructu re, so it has been widely used in autom at IC machines with high speed and precision. This article is designed a globoid indexing cam mechanism,and that the center distance is 80mm,8 rollers and the speed of rotation is 200r/min. In the paper, the Roller Gear Indexing Cam of mechanism

5、 and its institutions in the intermittent application has been made specially research and analysis.Also,the design of the positioning parts and seals,and the day-to-day maintenance work were introduced briefly.All of them are for the manufacture and application of products.KEY WORDS: Roller Gear In

6、dexing Cam; Structural Design; Intermittent agencies；Routine Maintenance.第一章 绪论1.1 课题研究的背景和意义弧面分度凸轮机构是由美国人C. N.Neklutin 于20 世纪20 年代发明的,并由其所创建的Ferguson 公司首先进行了系列化标准化生产。国外对凸轮机构的应用已有几十年历史，所以无论是对这种机构的理论研究方面还是生产实践方面都己经比较成熟。德国、匈牙利、美国、日本等发达国家凸轮机构已经系列化、标准化，并广泛应用于各类型的高速自动线中。国内对该类机构的研究较晚，而且由于凸轮机构的设计理论及制造技术比较复

7、杂，一些关键的理论分析尚在进一步的探讨之中。尽管我国对弧面分度凸轮的研究起步较晚,直到20 世纪70年代末期才开始相关的研究工作,可是经过20 多年的努力,目前已在弧面分度凸轮的设计、检测、制造等方面取得了丰硕的成果,特别是对新型结构的弧面凸轮的研究方面进行了大量的探索6。 下面我们将对该运动机构的运动方式做下介绍1.2 分度运动在机械设计中，分度运动主要有直线式的传统式的传送带或旋转式的工作太两类。这两类运动都必须满足精密的位置精度要求。能达到这种目的的机构很多，如棘轮棘爪机构，马氏机构，不完全刺机构，摆动机构和单向离合器等间歇运动机构。凸轮驱动的精密间歇机构具有较高的分度精度，适合于高速生

8、产，并具有高承载能力和底维修率，并能满足用户所要求的特殊运动特性，是一种很有发展前途的新兴的凸轮驱动分度机构。这种机构是由凸轮、从动件、从动系统以及驱动系统组成。其分度运动和分度机构如图1-1和图1-2。图1-1 图1-21.3 从动系统的工作原理分度机构的从动件一般为圆柱形滚子。滚子固定在从动盘上，而从动盘多固定在输出轴上，该轴支撑在固定于箱体内的轴承上，从而构成了从动系统1。当电动机作用于驱动系统时（一般为降速的涡轮蜗杆系统），是运动按一定要求输入到凸轮轴（主动轴）上时，凸轮轴便以一定的转速旋转，通过凸轮的轮廓带动于之啮合的从动轮，从而使精密间歇分度运动由输出轴输出。在啮合过程中，通过凸轮

9、轮廓的变化来控制和引导从动件（输出轴）的旋转货停顿，以完成预先要求的间歇运动。这就是分度机构输入和输出的传动比。凸轮以固定的速度旋转、输出、停顿和启动（停顿和分度运动），这个过程周期性的循环。在一个循环中（从动件旋转360）输出个停顿的次数称为停顿次数；在标准的分度中这种停顿次数也叫分度次数。若凸轮为单头蜗性曲线，停顿数为从动盘滚子书；若凸轮为多头蜗形曲线，则停顿数为从动滚子数除以凸轮头数1。1.4 凸轮驱动系统分度机构高速分度需要准确的控制，需要具有特定的加速度特性，这往往是由机械组合运动来保证。凸轮分度驱动机构可以设计成能最能充分满足精度和刚度要求的机构。在凸轮分度中，凸轮从动件总是和凸轮

10、保持啮合，从动件在啮合中有预载，这种采用变化轴间距的方法在凸轮和从动件间建立一个微小干预。微小干预消除了任何制造公差和间隙。这种预紧方法产生的轴向力是依靠输入轴和输出轴上的锥形滚子轴承支撑。这个预加载荷使输出运动的整个过程都是由凸轮控制，从而保证机构的精度。为了特殊运动的需要。简单地修正凸轮，并对精密凸轮和分度机构中的从动件、从动系统以及驱动系统进行精心设计，就可以使啮合中的冲击保持最小，精度可达到精密级。与凸轮啮合的滚子采用滚针轴承，形成滚动接触，减少了摩擦和磨损，从而延长了寿命，减小了振动，提高了精度。该分度机构的速度从动件的加速度曲线也可以人为的控制，所以成为当今最好的分度机构之一。1.

11、4.1精密分度凸轮机构的基本类型精密间歇分度凸轮机构的基本类型有三种：1） 圆柱分度凸轮（直角式精密分度机构）2） 弧面分度凸轮（滚子齿轮式分度机构）3） 平行分度凸轮（平行平面分度凸轮机构）这里主要介绍下弧面分度凸轮：弧面分度凸轮机构是由弧面凸轮和安装在从动轮圆周外径向方向的滚子从动件组成。该从动轮很像一个齿轮轮齿，输入轴和输出轴成直角交错，滚子齿形的分度的范围在224等分中选取，并可得到附加停顿和特殊的运动。该弧面凸轮的特点：1） 径向深度小。凸轮和紧靠它安装的从动件，确定了产品的最大外形尺寸，适应输入轴和输出轴成直角的使用要求。由于滚子和凸轮是延径向成辐射状的排列，因此滚子切入凸轮轮廓的

12、深度将比垂直切入的浅，从而使凸轮沟槽的径向深度减小。2） 开设输出轴通孔。从动轮上允许开设打的输出通孔。在大多数滚子齿轮形分度机构中的产品是开设通孔的，以便于安装静止中心距标杆，或通过气、液、电管路和装夹工具。3） 设计范围广。在弧面分度机构的凸轮和从动件设计中，凸轮轮廓设计范围很广，能够适应各种运动要求，是一种易于实现设计要求的理想机构。 第二章 弧面凸轮设计中基本参数的确认凸轮设计方法很多，在以前多用图解法，但由于计算机和数控机床的快速发展，很多场合都采用解析法，这样会更精确地设计出凸轮的轮廓。为了进一步提高加工精度，广泛采用了计算机辅助设计（CAD）和最优化设计，以及在数控机床上直接进行

13、计算机辅助制造。这样可以快速加工出精确度很高的凸轮形曲面。在整体的设计思想上不仅考虑凸轮的运动学还要考虑凸轮的动力学，尤其近来国外多采用“群狼设计方法”，即在设计时除了要考虑设计运动轨迹、速度、加速度曲线、压力角、基圆尺寸等因素之外，还要对其应力状态、材质、热处理、寿命、磨损状况、润滑油的采用以及他的商品价值，社会的需求和市场的销售状况，用户的反映和它的应用前景等进行全面分析估价，这是一种同时考虑各种因素而进行的全面设计。2.1 弧面分度凸轮机构的基本形式与工作特点弧面分度凸轮机构用于两垂直交错轴间的间歇分度进步传动。如图2-1所示，主动凸轮1为圆弧回转体，凸轮轮廓制成突脊状，类似于一个具有变

14、螺旋角的弧面蜗杆。从动盘2外圈上装有个轴线沿径向均布发布的滚子。转盘相当于蜗轮，滚子相当于蜗轮的齿。所以弧面凸轮也有单头、多头和左旋、右旋之分，凸轮和转盘移动方向间的关系，可用类似蜗杆蜗轮传动的方法来判定。当凸轮旋转时，其分度段轮廓推动滚子，使转盘分度转位；当凸轮转到其间歇段轮廓时，转盘上的两个滚子跨夹在凸轮的圆环面突脊上，是转盘停止转动。所以这种机构不必附加其他装置就能获得很好的定位作用，又可以通过调整中心距来消除滚子与凸轮突脊间的间隙和补偿磨损。转盘在分度期的运动规律，可按转速、载荷等工作要求进行设计特别适用于高速、重载、高精度分度等场合。凸轮一般做等速连续旋转，有时由于需要转盘有较长的停

15、歇时间，也可使凸轮作间歇性停转。现以图2-1所示单头左旋凸轮为例，说明滚子与凸轮工作曲面的啮合过程：转盘的分度期开始时（图），凸轮转角0，No.2滚子与No.1滚子和凸轮定位环面左、右两侧分别接触，No.1滚子在其起始位置, No.2滚子在其起始位置=-30 ,No.3滚子在其起始位置=-90。凸轮以方向旋转时，其廓面1L（糟的左侧脊的右侧）推动NO.1滚子使转盘以以逆时针方向转动（图b）。在廓面1L间隙推动NO.1滚子的同时，在适当的时刻凸轮廓面2L进入啮合，同时推动NO.2滚子（图c）。在NO.1滚子推出啮合，仅又廓面2L推动No.2滚子（图d）.凸轮转过后，NO.2 滚子与 NO.3滚子

16、分别与凸轮定位环面接触上的NO.2滚子与NO.3滚子取代原来的NO.1和NO.2滚子开始重复上述过程进行下一个工作循环10。 图2-12.2 运动的必要条件凸轮曲线的选择设计理想的分度运动首先要考虑他的位移，速度和加速度的要求，对分度精度和耐久性(寿命)影响最大的往往是加速度，因此希望有一个理想的加速度曲线。加速度曲线常用的种类较多（见表2-1）。各种曲线都有各自的速度最大值和加速度的最大值以及功率因素最大值和跃动最大值 。可以根据不同场合和不同的需要选择不同的曲线。如果一种曲线满足不了需要可以多种曲线分段组合，在不同的区间采用不同的曲线以满足运动特性的需要。另外也可以对同一种，比如在开始和终

17、止位置段进行修正，构成修正曲线或称变形曲线。目前多采用较理想的运动规律，如加速度曲线为梯形、修正梯形以及正弦加速度曲线和修正正弦加速度曲线。美国CAMCO公司在大多数分度机构中采用修正正弦加速度曲线作为标准运动，把几种加速度曲线在一个周期内的几何形状显示对照，发现修正正弦加速度曲线在某些组合和顺序的变化中，加速度峰值和位移峰值都是比较低，而用功率因素曲线表示时，也明显看出其最大功率因数为最低。所以设计时我们选定修正正弦曲线作为我们的凸轮曲线。 表2-1 凸轮曲线的特性比较表表中Cv为速度系数值；Ta，Tb为加速度曲线时间分度，M为负、正最大加速度比值。2.3 选择曲线时考虑的运动学参数如表2-

18、1所示，各种运动曲线的无因次速度v，无因次加速度a，无因次跃动J的最大值、皆为凸轮曲线的固有特性值，从运动学考虑，选择凸轮曲线时应分析这些因素13。1）无因次最大加速度重载荷即随动质量大的载荷，应采用小的曲线，离心较大时，采用小的曲线较为合适，另外小的曲线使的最大压力角也小，凸轮尺寸也可以小些，最小的曲线是等速度曲线1。2）无因次最大加速度因为惯性力和转盘质量及加速度有关，惯性力越大，从动件助振力越大，所以转盘质量大时，应选取较小值的曲线。另外值关系到从动件与凸轮间法向载荷，而凸轮机构的强度主要根据凸轮接触强度和销轴弯曲强度来计算，因为任何应力都与法向力成正比，所以凸轮强度也与值有关越小，许用

19、应力也越小，极限速度也越小。高速凸轮应选值小的曲线，通常选等加速度曲线1。4） 无因次最大跃动最大跃动表示加速度曲线的斜率，其跃动值与从动件振动关系较大，可用下式表达跃动值：）式中此分量波动幅度；周期；无因次最大加速度。越大，振动分量振幅越大，越小，振动分量频率度越高。如果此频率接近随动件固有频率，机构将产生共振。5） 速度系数Cv因素当选修正正弦曲线时，速度系数Cv值可用下式计算：Cv= 如果F=0 Cv=1.75961.762.4 弧面分度凸轮机构的主要运动参数设计的部分常量为：中心距80，分度数8，转速200/min2.4.1 凸轮分度廓线头数、转盘滚子数与转盘分度书之间的关系凸轮分度廓

20、线的头数主要有下列几种：单头，双头，多头，多头的比较少用。凸轮分度廓线如为左旋用表示，右旋则用表示，一般采用左旋较多。转盘转移圈中的停歇次数成为转盘分度数，它与转盘滚子数间的关系为82.4.2 凸轮与转盘在分度期与停歇期的运动参数凸轮分度期转角f在满足工作要求的条件下，一般取大一些的值对机构的运转情况是有利的，较常用的f。在满足动停比的情况下我们选f凸轮角速度为 凸轮停歇期转角为机构分度期的时间和停歇期的时间为 凸轮角位移以表示，并以凸轮分度期开始处作为=0。转盘分度期转位角转盘在分度其任意时刻的角位移 式中 S所选定的运动规律无因次位移转盘分度期的角速度为 式中 V所选的运动规律无因次速度。

21、在计算时，无论是顺时针向或逆时针向转动，总取绝对值，即它不带正负号，因此也没有正负号。分度期转盘与凸轮的角速度比/与最大角速度比（/）max为 /= （/）max=式中 Vmax所选定的运动规律无因次速度的最大值，每种运动规律的Vmax是一个定值。2.4.3动停比k与运动系数凸轮转移圈中，转盘的转位时间与停歇时间之比称为动停比k k=0.5凸轮转移圈中，转盘转位时间所占的比率称为运动系数 2.4.4 啮合重叠系数由于制造和安装误差等影响，可能发生凸轮廓线与转盘滚子啮合中断的现象。所以必须有适当的时间使前一个滚子尚未退出啮合时，后面的另一个滚子已先期纪念馆如啮合，以保证转动连续。在分度期间凸轮有

22、两条同侧廓线时推动两个滚子所占的时间按比率加上1定义为啮合重叠系数： 式中 凸轮分度期转角； 在分度期间凸轮有两条同侧廓线同时推动两个滚子时所应对的凸轮转角。单头是一般取=1.11.3，双头时可以再大些，但也不宜过大，否则容易发生由于两条同侧廓线间的不协调而产生卡住的现象。2.5弧面分度凸轮机构的主要几何尺寸计算2.5.1凸轮节圆半径，转盘节圆半径与中心距C转盘的基准尺寸用节圆半径来表示，是转盘转动轴心到滚子宽度b中点处的转盘径向尺寸。凸轮的基准尺寸用节圆半径来表示，是沿凸轮中心与转盘转动轴线的公垂线量度的到的距离。故中心距C为 C=+两节圆的交点称节点2.5.2许用压力角凸轮上的压力角是指在

23、凸轮与从动件接触点上的从动件运动方向和凸轮表面的法线方向的夹角。限制压力角值可以防止从动件和导槽间卡住，并使从动件侧面反推力最小。如果压力角过大，会使内核副很快磨损，若再大，将导致从动件卡住或弯曲变形，或产生振动等不能正常运转。所以压力角越小越好，根据经验一般=3040，所以设计中我们选=30。2.5.3转盘节圆半径37.2所以我们取=35（mm），=C-=80-35=45（mm）2.5.4滚子数z、相邻两滚子轴线间夹角、滚子半径与宽度b滚子数z一般都为偶数，常用的z=612。相邻两滚子轴线间夹角为 滚子半径和宽度b一般取为=（0.50.7）sin=（0.50.7）*35*sin22.5=6.

24、699.38由上我们取=8mm b=（1.01.4）=811.2（mm）由上我们取b=10mm2.5.5凸轮的主要尺寸凸轮的顶弧面半径为 =31.04（mm），取=31mm凸轮定位环面两侧夹角为 凸轮的定位环面侧面长度h为 h=b+e式中 e滚子与凸轮槽底间沿滚子方向的间隙，一般取e=（0.20.3）b，但至少e510mm，所以我们有h=15凸轮定位环面外圆直径为 所以我们可以计算出，=98.45mm凸轮定位环内圆直径为 = -2hcos =98.45-215cos22.5=70.73（mm），取=70mm凸轮的理论宽度为相邻两滚子轴线与凸轮底部弧面相交处的宽度，为 （mm）在选定凸轮的实际宽

25、度l是必须注意以下两点：（1） 应验算有适当的啮合重叠系数；当l愈大时，愈小。（2） 不允许在凸轮上出现两条定位环面，因次l亦不能太大。一般l为 得到 34.44l的原则，故取=26mm，=50mm。第2段中轴需要配合一个轴承，满足他们的在轴向力和径向力的要求，我们所选的轴承为圆锥滚子形的，集合尺寸为：内径高=30mm17.25mm；再加上一个油封，内径高=30mm12mm的油封，一个合理尺寸的偏心套高度为24mm，所以这段轴的长度设为42mm；第三段为调整段，长度要求以考虑以满足两边的轴承配合要求，及分度盘的固定位置为先，我们选择的为40mm；第四段为分度盘的定位段，他的位置由为重要，直接影

26、响到分度盘的工作能力，加工时该段的位置是测量的重点，我们选择的长度为8；第五段也是调整段，以便于调整第四段和第六段的精度和位置；第六段为轴承配合段，位置要求较高，加工时是精度测量的重点，选择的长度为19mm由以上的计算可得出轴的总长=172mm。另外为了方便轴的加工、保证加工质量轴上还设计了砂轮越程槽、螺纹退刀槽、中心孔、倒角等，其尺寸均按设计手册查阅所得7。4.3分度盘的结构设计 图4-4 分度盘的设计分度盘的结构特点：1）本次设计的凸轮机构，其输出为轴输出，其总体形状为圆形具有最好的对中性，结合图4-1可知该分度盘主要负责分度，完成分度形式，所以该分度盘主要承受径向力；2）分度盘上有安装8个滚子轴用来传递运动，滚子轴上安装的是滚针轴承，这样能很好的减少凸轮和滚子在高速转动时的摩擦，增加机构的使用寿命；3）分度盘使用的固定方法是直接通过4个螺钉固定在轴上，和键相比更能有效的防止分度盘松动或因为有转盘间歇而产生的振动，保证它的精度要求；4） 分度盘的尺寸以及各个需要加工的面的粗糙度、相关结构间的形位公差等都做出了相应的设计。4.4输出轴偏心套的设计图4-5