凸轮机构及间歇运动机构.pptx
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1、4-1 凸轮机构的应用和类型一、凸轮机构的应用二、凸轮机构的分类三、凸轮机构的特点第1页/共78页O1凸轮1从动件2机架31一、一、凸轮机构的应用凸轮机构的应用4-1 4-1 凸轮机构的应用和类型凸轮机构的应用和类型凸轮机构是机械中的一种常用机构,在自动凸轮机构是机械中的一种常用机构,在自动化和半自动化机械中应用非常广泛化和半自动化机械中应用非常广泛第2页/共78页凸轮机构应用举例凸轮机构应用举例内燃机配气凸轮机构自动机床进刀凸轮机构第3页/共78页绕线机凸轮机构冲床冲床装卸料机构装卸料机构凸轮机构凸轮机构第4页/共78页圆柱凸轮输送机自动车床凸轮机构自动车床凸轮机构第5页/共78页 具有曲线
2、轮廓的构件,称为凸轮,与凸轮保持接触的杆,称为从动件或推杆。凸轮机构可将主动凸轮的等速连续转动变为从动件的往复直线运动或绕某定点摆动,并依靠凸轮轮廓曲线准确地实现所要求的运动规律。第6页/共78页 凸轮是由一种具有曲线轮廓或凹槽曲线轮廓或凹槽的构件,多为主动件,通常作等速连续转动,从动件作连续或间歇往复摆动、移动或平面复杂运动。从动件的运动规律完全取决于凸轮轮廓或沟槽的形状。凸轮机构是含有凸轮的一种高副机构,由凸轮、从动件和机架三个构件、两个低副和一个高副组成的单自由度机构。第7页/共78页 凸轮机构的组成凸轮机构的组成凸轮、从动件和机架三个基本构件。O1凸轮1从动件2机架31凸轮机构的适用场
3、合凸轮机构的适用场合广泛用于各种机械,特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线。广泛用于各种机械,特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线。第8页/共78页二凸轮机构的分类二凸轮机构的分类盘形凸轮Plate cam移动凸轮Wedge cam(一一)按凸轮的形状分为按凸轮的形状分为:盘形盘形、移动移动、圆柱凸轮圆柱凸轮 (端面端面)。第9页/共78页圆柱凸轮Cylindrical cam第10页/共78页(二)按从动件的型式分:尖顶、滚子、平底从动件。尖顶从动件Knife-edge follower滚子从动件Roller follower第11页/共78页平底从动件Flat-face follo
4、wer第12页/共78页(三)按从动件的运动形式分摆动从动件Oscillating follower移动从动件Reciprocating follower第13页/共78页(四)按凸轮与从动件维持高副接触(封闭)的方式分力封闭型凸轮机构Force-closed cams弹簧力封闭Force-closed by preloaded spring重力封闭 Force-closed by gravity第14页/共78页形封闭型凸轮机构Form-closed cams凹槽凸轮机构Plate-groove cam mechanism等宽凸轮机构Constant-breadth cam mechanis
5、m第15页/共78页形封闭型凸轮机构Form-closed cam mechanism等径凸轮机构Conjugate yoke radial cam mechanism共轭凸轮机构Conjugate cam mechanism第16页/共78页三、凸轮机构的特点1、优点:多用性和灵活性。只要设计出适当的凸轮轮廓曲线,即可使从动件获得各种预期的运动规律,并且结构简单、紧凑、工作可靠。2、缺点:凸轮轮廓曲线与从动件间为高副接触(点或线),压强较大,容易磨损,凸轮轮廓加工较困难,费用较高。第17页/共78页4-2 从动件的常用运动规律一、凸轮机构的运动循环及基本名词术语二、从动件运动规律三、从动件运
6、动规律的选择第18页/共78页rbh S S S S DD0B0B sO,t360基圆基圆半径rb推程推程运动角 升距h远停远休止角 s回程回程运动角 近停近休止角 s B 位移曲线一、凸轮机构的运动循环及基本名词术语一、凸轮机构的运动循环及基本名词术语第19页/共78页 从动件的运动线图(Diagram of motion)以直角坐标系的纵坐标代表从动件位移s,横坐标代表凸轮转角,则可得则可得s s与与 的关系曲线,如上右图,称之为从动的关系曲线,如上右图,称之为从动件位移线图。件位移线图。位移线图(Displacement diagram)反映了从动件的位移s 随时间t 或凸轮转角 变化的
7、规律。速度线图(Velocity diagram)反映了从动件的速度v 随时间t 或凸轮转角 变化的规律。加速度线图(Acceleration diagram)反映了从动件的加速度a 随时间t 或凸轮转角 变化的规律。结论结论凸轮轮廓曲线的形状决定了从动件的运动规律。要使从动件实现某种运动规律,就要设计出与其相应的凸轮轮廓曲线。第20页/共78页 凸轮机构的运动学设计参数凸轮机构的运动学设计参数 推程运动角(Cam angle for rise)远休止角(Cam angle for outer dwell)S 回程运动角(Cam angle for return)近休止角(Cam angle
8、for inner dwell)S 从动件的位移s、速度v、加速度 凸轮机构的基本尺寸凸轮机构的基本尺寸 基圆(Base circle)半径rb 移动从动件凸轮机构的偏距(Offset distance)e 摆动从动件的杆长(Follower arm)l 中心距(Center distance)L第21页/共78页所谓从动件运动规律,是指从动件的位移S、速度v、加速度a随时间t或凸轮转角()变化的规律。这种变化的规律可以用线图来表示,是凸轮设计的依据。以凸轮的转角(或对应的时间)为横坐标,以从动件的位移为纵坐标所作的曲线,称为从动件的位移曲线。同样可以作出从动件的速度曲线、加速度曲线。二、从动
9、件运动规律第22页/共78页生产中对工作构件的运动要求是多种多样的。例如自动机床中用来控制刀具进给运动的凸轮机构,要求刀具(从动件)在工作行程时作等速运动(速度要求)。内燃机配气凸轮机构,则要求凸轮具有良好的动力学性能(主要是加速度要求)。在某些控制机构中则只有简单的升距要求。人们经过长期的理论研究和生产实践,已经积累了能适应多种工作要求的从动件典型运动特性的运动曲线,即所谓“常用运动规律”。第23页/共78页凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规律。反之,从动件不同的运动规律要求凸轮具有不同形状的轮廓曲线,也即是说,凸轮轮廓曲线的形状取决于凸轮机构从动件的运动参数。第24页/共78页 设计凸轮机
10、构时,通常只需根据工作要求,从常用运动规律中选择适当的运动曲线。在一般情况下,推程是工作行程,要求比较严格,需要进行仔细研究。回程一般要求较低,受力情况也比推程阶段有利,故不作专门讨论。第25页/共78页1、基本运动规律第26页/共78页1.等速运动规律推程的运动方程:hOSvOvOa 从动件在运动起始位置和终止两瞬时的速度有突变,故加速度在理论上由零值突变为无穷大,惯性力也为无穷大。由此的强烈冲击称为刚性冲击。适用于低速场合。下面介绍几种从动件常用运动规律 从动件运动的速度为常数时的运动规律,称为等速运动规律(直线运动规律)。第27页/共78页 实际上,由于构件材料有弹性,加速度和惯性力不至
11、于达到无穷大,但仍将造成强烈冲击。当加速度为正时,它将增大凸轮压力,使凸轮轮廓严重磨损;加速度为负时,可能会造成用力封闭的从动件与凸轮轮廓瞬时脱离接触,并加大力封闭弹簧的负荷。因此这种运动规律只适用于低速,如自动机床刀具进给机构以及在低速下工作的一些凸轮控制机构。第28页/共78页2、简谐运动规律、简谐运动规律 (余弦加速度运动规律)(余弦加速度运动规律)1234560s1 23456h 该运动规律在推程的开始和终止瞬时,从动件的加速度仍有突变,故存在柔性冲击。因此适用于中、低速场合。vmaxa1 2 3456amax-amaxv1 23456,从动件的加速度按余弦规律变化第29页/共78页3
12、.正弦加速度运动规律(摆线运动规律)推程阶段的正弦加速度方程为12345678sohssS=S-S21346h/257s12345678ovvmax12345678oaamax-amax 这种运动规律的速度及加速度曲线都是连续的,没有任何突变,因而既没有刚性冲击、又没有柔性冲击,可适用于高速凸轮机构。从动杆的加速度按正弦规律变化第30页/共78页 基本运动规律的数学表达式简单,便于分析,而且按此设计出的凸轮,加工方便简单,曾被广泛采用。但随着工业及科学技术的不断发展,对凸轮机构的要求愈来愈高,工作要求也更加多样复杂。为了提高凸轮机构工作的可靠性和寿命,减小中、高速凸轮机构的振动噪音,适应中、高
13、速重载的要求及满足机器对从动件运动特性的某些特殊要求,只用某种基本运动规律往往难以满足。为此,提出了改进型运动规律。改进型运动规律可以通过两种方式获得,一种是把基本运动规律合理地加以组合;另一种是采用多项式表达位移方程的运动规律。第31页/共78页组合运动规律简介组合后的从动件运动规律应满足:1)工作对从动件特殊的运动要求;2)能避免刚性冲击、柔性冲击;3)使最大速度和最大加速度尽可能小。第32页/共78页 (二)组合运动规律 为了克服单一运动规律的某些缺陷,获得更好的运动和动力特性,可以把几种运动规律拼接起来,构成组合运动规律(Law of combined motion)。组合原则组合原则
14、位移曲线、速度曲线必须连续,高速凸轮机构加速度曲线也必须连续。各段运动规律的位移、速度和加速度曲线在连接点处其值应分别相等。vs a ,t,t,thOOO vs a ,t,t,thOOO 正弦加速度曲线与直线组合第33页/共78页三、从动件运动规律的选择选择从动件运动规律时,必须首先了解机器的工作过程,根据工作要求选择从动件的运动规律。同时还应考虑使凸轮机构具有良好的动力特性和便于加工制造等。第34页/共78页4-3 凸轮机构的压力角一、凸轮机构的压力角 与作用力的关系二、压力角 与凸轮机构尺寸的关系第35页/共78页定义:从动件在凸轮轮廓接触点B处所受的正压力的方向(即凸轮轮廓在该点法线方向
15、)与从动件上的速度方向之间所夹的锐角,称为从动件在该位置的压力角,通常也称为凸轮机构的压力角。设计凸轮机构时,除了要求从动件能实现预期的运动规律外,还希望凸轮机构结构紧凑,受力情况良好。而这与压力角有很大关系。凸轮机构的传力性能的好坏与机构的压力角有关。第36页/共78页 F”,若大到一定程度时,会有:机构发生自锁。一、压力角与作用力的关系不考虑摩擦时,作用力沿法线方向。F-有用分力,沿导路方向F”-有害分力,垂直于导路F”=F tg F 一定时,Ff F为了保证凸轮机构正常工作,要求:第37页/共78页 设计基本尺寸时务必使 max 许用压力角的推荐值:工作行程对于移动从动件,=3038对于
16、摆动从动件,=4045非工作行程:可在7080之间选取压力角 的取值第38页/共78页第39页/共78页第40页/共78页4-4 图解法设计凸轮轮廓当根据工作要求和结构条件选定凸轮机构型式、从动件运动规律和凸轮转向,并确定凸轮基因半径等基本尺寸之后,就可以进行凸轮轮廓设计了。凸轮轮廓设计的方法有图解法和解析法。第41页/共78页 对心尖顶直动从动件盘形凸轮机构,当凸轮以等角速度转动时,从动件将按预定的运动规律运动。凸轮轮廓设计的基本原理第42页/共78页假设给整个机构加上一个公共的角速度“-”,使其绕凸轮轴心o作反向转动。根据相对运动原理,凸轮与从动件之间的相对运动不变,结果,凸轮静止不动,而
17、从动件一方面随其导路以角速度“-”绕0转动,另一方面还在其导路内按预定的运动规律移动。从动件在这种复合运动中,其尖顶仍然始终与凸轮轮廓保持接触,因此,在此运动过程中,尖顶的运动轨迹即为凸轮轮廓。第43页/共78页 已知从动件的运动规律s=s()、v=v()、a=a()及凸轮机构的基本尺寸(如r0、e)及转向,求凸轮轮廓曲线上点的坐标值或作出凸轮的轮廓曲线。r0eB0BB1S-反转法原理 假象给正在运动着的整个凸轮机构加上个与假象给正在运动着的整个凸轮机构加上个与凸轮角速度凸轮角速度 大小相等、方向相反的公共角速度大小相等、方向相反的公共角速度(-),这样,各构件的相对运动关系并不改),这样,各
18、构件的相对运动关系并不改变,但原来以变,但原来以角速度角速度 转动的凸轮将处于静止状转动的凸轮将处于静止状态;机架(从动件的导路)则以(态;机架(从动件的导路)则以(-)的角)的角速度围绕凸轮原来的转动轴线转动;而从动件速度围绕凸轮原来的转动轴线转动;而从动件一方面随机架转动,另一方面又按照给定的运一方面随机架转动,另一方面又按照给定的运动规律相对机架作往复运动。动规律相对机架作往复运动。-B1-B1-B1osS-B1sosS-B1第44页/共78页rbOs 1 3 5 7 8 60120909060120 1 2 90A909 1113151 3 5 7 8 9 11 13 12 14 10
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- 凸轮 机构 间歇 运动
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