凸轮机构的设计与应用

1、第七章第七章 凸轮机构凸轮机构 凸轮机构：凸轮机构：是一种高副机构。是一种高副机构。 广泛应用于各种机械，尤其广泛应用于各种机械，尤其 是自动机械中。是自动机械中。 第七章第七章 凸轮机构凸轮机构 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 从动件的运动规律从动件的运动规律 平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计 平面凸轮机构基本尺寸的确定平面凸轮机构基本尺寸的确定 凸轮机构的组成凸轮机构的组成 凸轮机构的应用凸轮机构的应用 凸轮机构的分类凸轮机构的分类 7.1 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 凸轮机构的组成凸轮机构的组成 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 1-凸轮 2-气阀 3-内

2、燃机壳体 如如图所示为图所示为内燃机中的配气内燃机中的配气 凸轮机构凸轮机构。内燃机在燃烧过程中，。内燃机在燃烧过程中， 驱动凸轮轴及其上的凸轮转动，驱动凸轮轴及其上的凸轮转动， 并通过凸轮的曲线轮廓推动气阀并通过凸轮的曲线轮廓推动气阀 2 2按特定的规律往复移动，从而按特定的规律往复移动，从而 达到控制燃烧室中进、排气的功达到控制燃烧室中进、排气的功 能。能。 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 1-圆柱凸轮 2-摆杆 3-滚子 如图所示为如图所示为自动机床中自动机床中 的进刀凸轮机构的进刀凸轮机构。 当圆柱凸轮绕其轴线转当圆柱凸轮绕其轴线转 动时，通过其沟槽与摆杆动时，通过其沟槽与摆

3、杆 一端的滚子接触，并推动一端的滚子接触，并推动 摆杆绕固定轴按特定的规摆杆绕固定轴按特定的规 律作往复摆动，同时通过律作往复摆动，同时通过 摆杆另一端的扇形齿轮驱摆杆另一端的扇形齿轮驱 动刀架实现进刀或退刀运动刀架实现进刀或退刀运 动。动。 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 凸轮凸轮 从动件从动件 机架机架 高副机构高副机构 凸轮：凸轮：具有特定曲线轮廓或沟槽的构件，通常在具有特定曲线轮廓或沟槽的构件，通常在 机构运动中作主动件。机构运动中作主动件。 从动件：从动件：与凸轮接触并被直接推动的构件。与凸轮接触并被直接推动的构件。 机架：机架：支撑凸轮和从动件的构件。支撑凸轮和从动件的构

4、件。 凸轮机构的应用凸轮机构的应用 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 自动送料凸轮 1-圆柱凸轮 2-直 动从动件 3-毛坯 1 1、实现预期的位置要求、实现预期的位置要求 这种这种自动送料凸轮机构自动送料凸轮机构， 能够完成输送毛坯到达能够完成输送毛坯到达 预期位置的功能，但对预期位置的功能，但对 毛坯在移动过程中的运毛坯在移动过程中的运 动没有特殊的要求动没有特殊的要求 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 绕线机凸轮 1-凸轮 2-摆动从 动件 3-线轴 2 2、实现预期的运动规律要求、实现预期的运动规律要求 这种凸轮在运动中能推这种凸轮在运动中能推 动摆动从动件动摆动从动件

5、2 2实现实现均匀均匀 缠绕线绳的运动学要求。缠绕线绳的运动学要求。 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 3 3、实现运动和动力特性要求、实现运动和动力特性要求 这种凸轮机构能够实现这种凸轮机构能够实现气气 阀的运动学阀的运动学要求，并且具要求，并且具 有有良好的动力学特性良好的动力学特性。 1-凸轮 2-气阀 3-内燃机壳体 盘形凸轮盘形凸轮：结构简单，易于加工。应用最为广泛：结构简单，易于加工。应用最为广泛 移动凸轮移动凸轮：可视为盘形凸轮的回转轴心处于无穷远处时演化：可视为盘形凸轮的回转轴心处于无穷远处时演化 而成的而成的 圆柱凸轮圆柱凸轮：空间凸轮机构：空间凸轮机构 盘形凸轮 移

6、动凸轮 圆柱凸轮 凸轮机构的分类凸轮机构的分类 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 1 1、按凸轮的形状分类、按凸轮的形状分类 2 2、按从动件的形状分类、按从动件的形状分类 尖底从动件 尖端能以任意复杂的凸轮轮廓尖端能以任意复杂的凸轮轮廓 保持接触，从而使从动件实现保持接触，从而使从动件实现 任意的运动规律。但尖端处极任意的运动规律。但尖端处极 易磨损，只适用于低速场合。易磨损，只适用于低速场合。 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 滚子从动件 凸轮与从动件之间为滚动摩凸轮与从动件之间为滚动摩 擦，因此摩擦磨损较小，可擦，因此摩擦磨损较小，可 用于传递较大的动力。用于传递较大的动

7、力。 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 平底从动件 从动件与凸轮之间易形成从动件与凸轮之间易形成 油膜，润滑状况好，受力油膜，润滑状况好，受力 平稳，传动效率高，常用平稳，传动效率高，常用 于高速场合。但与之相配于高速场合。但与之相配 合的凸轮轮廓须全部外凸。合的凸轮轮廓须全部外凸。 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 对心直动从动件 偏置直动从动件 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 从动件作往复移从动件作往复移 动，其运动轨迹动，其运动轨迹 为一段直线为一段直线 3 3、按从动件的运动形式分类、按从动件的运动形式分类 直动从动件 从动件作往复摆动，从动件作往复摆动， 其

8、运动轨迹为一段其运动轨迹为一段 圆弧。圆弧。 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 摆动从动件 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 4 4、按凸轮与从动件维持接触的方式分类、按凸轮与从动件维持接触的方式分类 (1)力锁合：利用从动件自身重力、回复弹簧力或其它外利用从动件自身重力、回复弹簧力或其它外 力，使从动件与凸轮廓线始终保持接触力，使从动件与凸轮廓线始终保持接触 (2) 型锁合：利用构成高副元素本身的几何形状，利用构成高副元素本身的几何形状， 使从动件与凸轮始终接触使从动件与凸轮始终接触。 盘形槽凸轮机构盘形槽凸轮机构 通过其沟槽两侧通过其沟槽两侧 的廓线始终保持的廓线始终保持

9、与从动件接触。与从动件接触。 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 凸轮廓线上任意两条凸轮廓线上任意两条 平行切线间的距离都平行切线间的距离都 相等，且等于从动件相等，且等于从动件 矩形框架矩形框架2 2内侧两个平内侧两个平 底之间的距离底之间的距离H H。 等宽凸轮机构等宽凸轮机构 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 等径凸轮机构等径凸轮机构 过凸轮轴心过凸轮轴心O O所作任一所作任一 径向线上与凸轮相接触的径向线上与凸轮相接触的 两滚子中心间的距离处处两滚子中心间的距离处处 相等。相等。 等宽与等径凸轮，等宽与等径凸轮， 其从动件运动规律的选其从动件运动规律的选 择或设计会受到一

10、定的择或设计会受到一定的 限制。限制。 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 共轭凸轮机构共轭凸轮机构 主凸轮主凸轮1 1推动推动 从动件完成沿逆从动件完成沿逆 时针方向正行程时针方向正行程 的摆动，另一个的摆动，另一个 凸轮凸轮1 1/ /推动完成沿推动完成沿 顺时针方向的反顺时针方向的反 行程的摆动。这行程的摆动。这 种凸轮机构又称种凸轮机构又称 为为主回凸轮机构主回凸轮机构 凸轮机构的应用和分类凸轮机构的应用和分类 反凸轮机构反凸轮机构 摆杆为主动件，凸摆杆为主动件，凸 轮为从动件轮为从动件 基本概念基本概念 从动件的常用运动规律从动件的常用运动规律 运动规律特性分析运动规律特性分析

11、 选择或设计运动规律时需注意的问题选择或设计运动规律时需注意的问题 组合型运动规律简介组合型运动规律简介 7.2 从动件的运动规律从动件的运动规律 基本概念基本概念 从动件的运动规律从动件的运动规律 从动件的运动规律从动件的运动规律 在凸轮廓线的推动下，从动件的在凸轮廓线的推动下，从动件的位移、速度、位移、速度、 加速度、跃度加速度、跃度（加速度对时间的导数）随时间变（加速度对时间的导数）随时间变 化的规律，常以图线表示，又称为从动件运动曲化的规律，常以图线表示，又称为从动件运动曲 线。线。 一般假定凸轮轴作等速运转，故凸轮转角与时一般假定凸轮轴作等速运转，故凸轮转角与时 间成正比，因此间成正

12、比，因此凸轮机构从动件的运动规律凸轮机构从动件的运动规律通常通常 又可以表示为又可以表示为凸轮转角的函数。凸轮转角的函数。 尖底直动从动件的位移曲线尖底直动从动件的位移曲线 从动件的运动规律从动件的运动规律 从动件的运动规律从动件的运动规律 基圆基圆：凸轮上具有最小半径凸轮上具有最小半径r ro o 的圆的圆 推程与推程角推程与推程角：当凸轮廓线当凸轮廓线 上的曲线段与从动件接触时，上的曲线段与从动件接触时， 推动从动件沿导路由起始位置推动从动件沿导路由起始位置 运动到离凸轮轴心最远的位置。运动到离凸轮轴心最远的位置。 从动件的这一运动行程称为推从动件的这一运动行程称为推 程。此过程对应凸轮所

13、转过的程。此过程对应凸轮所转过的 角度称为角度称为推程角推程角，从动件沿导从动件沿导 路移动的最大位移称为路移动的最大位移称为升距升距h h。 远休止与远休止角：远休止与远休止角： 当凸轮廓线上对应的圆弧段与当凸轮廓线上对应的圆弧段与 从动件接触时，从动件在距凸轮轴心的最远处静止不动。从动件接触时，从动件在距凸轮轴心的最远处静止不动。 这一过程称为这一过程称为远休止远休止，此过程对应凸轮所转过的角度称为，此过程对应凸轮所转过的角度称为 远休止角远休止角s 。 从动件的运动规律从动件的运动规律 近休止与近休止角近休止与近休止角: : 当凸轮廓线上对应的圆弧段当凸轮廓线上对应的圆弧段 与从动件接触

14、时，从动件处于位移的起始位置，静止与从动件接触时，从动件处于位移的起始位置，静止 不动，这一过程称为不动，这一过程称为近休止近休止。此过程对应凸轮所转过。此过程对应凸轮所转过 的角度称为的角度称为近休止角近休止角/s 。 从动件的运动规律从动件的运动规律 回程与回程角回程与回程角: : 当凸轮廓线上的曲线段与从动件当凸轮廓线上的曲线段与从动件 接触时，引导从动件由最远位置返回到位移的起始位置。接触时，引导从动件由最远位置返回到位移的起始位置。 从动件的这一运动行程称从动件的这一运动行程称回程回程，此过程对应凸轮所转过，此过程对应凸轮所转过 的角度称为的角度称为回程角回程角/。 从动件的运动规律

15、从动件的运动规律 从动件常用运动规律从动件常用运动规律 一、多项式运动规律一、多项式运动规律 设从动件的位移为设从动件的位移为s s，凸轮转角为，凸轮转角为 ，则多项式，则多项式 运动规律的一般表达式为运动规律的一般表达式为 根据对从动件运动规律的具体要求，确定相应的根据对从动件运动规律的具体要求，确定相应的 边界条件代入上式，求出待定系数，即可推导出边界条件代入上式，求出待定系数，即可推导出 各种多项式运动规律。各种多项式运动规律。 下面分别推导工程中经常采用的几种下面分别推导工程中经常采用的几种多项式运动多项式运动 规律方程规律方程。 n n CCCCs 2 210 1.1.一次多项式一次

16、多项式 一一次多项式运动规律的一般表达式为次多项式运动规律的一般表达式为 由于一次多项式函数的一阶导数由于一次多项式函数的一阶导数 为常数，故通常又称为为常数，故通常又称为等速运动规律等速运动规律。其运动其运动 方程和运动线图如下所示方程和运动线图如下所示 10 CCs 从动件的运动规律从动件的运动规律 等速运动规律运动线图 推程运动方程推程运动方程 0 a v h s 从动件的运动规律从动件的运动规律 0 0 开始点 v t v a 0 0 结束点 v a 由于加速度无穷大而产生的冲击称为由于加速度无穷大而产生的冲击称为刚性冲击刚性冲击。 当然，在实际的凸轮机构中由于构件的弹性、阻尼当然，在

17、实际的凸轮机构中由于构件的弹性、阻尼 等多种因素，不可能产生无穷大的惯性力。等多种因素，不可能产生无穷大的惯性力。 这种运动规律通常只适用于低速轻载的工况下，这种运动规律通常只适用于低速轻载的工况下， 或是对从动件有实现等速运动要求的场合或是对从动件有实现等速运动要求的场合 从动件的运动规律从动件的运动规律 2.2.二次多项式二次多项式 工程中通常采用的二次多项式运动规律，工程中通常采用的二次多项式运动规律， 是指在从动件的一个运动行程中（推程或回是指在从动件的一个运动行程中（推程或回 程），程），前半段采用等加速，后半段采用等减速，前半段采用等加速，后半段采用等减速， 其位移曲线为两段光滑相

18、连的反向抛物线，故其位移曲线为两段光滑相连的反向抛物线，故 有时又称为有时又称为抛物线运动规律抛物线运动规律。其运动方程和运其运动方程和运 动线图如下所示动线图如下所示 从动件的运动规律从动件的运动规律 速度曲线连续，而加速度曲速度曲线连续，而加速度曲 线在运动的起始、中间点和线在运动的起始、中间点和 终点处不连续。将这种由于终点处不连续。将这种由于 有限值的加速度突变而产生有限值的加速度突变而产生 的冲击称为的冲击称为柔性冲击柔性冲击。适用。适用 于中、低速轻载。于中、低速轻载。 推程运动方程推程运动方程 等加速等减速运等加速等减速运 动规律运动线图动规律运动线图 2 2 2 2 4 4 2

19、 h a h v h hs 2/0 2 2 2 2 4 )( 4 )( 2 h a h v h s 2/ 从动件的运动规律从动件的运动规律 3.3.五次多项式五次多项式 五次多项式运动规律的位移、速度和加速五次多项式运动规律的位移、速度和加速 度方程的一般表达式为度方程的一般表达式为 32 5 22 4 2 3 2 2 4 5 3 4 2 321 5 5 2 210 201262 d d 5432 d d CCCC t v a CCCCC t s v CCCCs 从动件的运动规律从动件的运动规律 将将边界条件边界条件分别代入，可解得分别代入，可解得6 6个待定系数，得个待定系数，得 到从动件在

20、到从动件在推程推程中五次多项式运动规律的方程为中五次多项式运动规律的方程为 )(120)(180)(60 )(30)(60)(30 )(6)(15)(10 32 2 2 432 543 h a h v hs 位移方程中仅含有位移方程中仅含有3 3、4 4、5 5次幂，故又称为次幂，故又称为3-4-53-4-5 次多项式次多项式 从动件的运动规律从动件的运动规律 该种运动规律的速度与加速该种运动规律的速度与加速 度曲线均连续，因而度曲线均连续，因而不产生不产生 刚性与柔性冲击刚性与柔性冲击，可适用于，可适用于 高速中载工况高速中载工况 五次多项式运动规律五次多项式运动规律 从动件的运动规律从动件

21、的运动规律 从动件的运动规律从动件的运动规律 二、三角函数运动规律二、三角函数运动规律 1 1、简谐运动规律、简谐运动规律 图图a所示为所示为描述简谐运动轨迹的描述简谐运动轨迹的 示意图示意图。图中横坐标为凸轮转。图中横坐标为凸轮转 角角 ，纵坐标为从动件位移，纵坐标为从动件位移s 。 设当质点沿圆周转过任一角度设当质点沿圆周转过任一角度 时时 ，对应凸轮的转角为，对应凸轮的转角为 ， 则质点沿圆周等速运动时向纵则质点沿圆周等速运动时向纵 坐标方向的投影，即为坐标方向的投影，即为简谐运简谐运 动规律的位移曲线。动规律的位移曲线。 简谐运动规律运动线图 推程运动方程推程运动方程 )cos( 2

22、)sin( 2 )cos(1 2 2 22 h a h v h s 由于该种运动规律的加速度由于该种运动规律的加速度 曲线按余弦规律变化，故又曲线按余弦规律变化，故又 称为称为余弦加速度运动规律余弦加速度运动规律。 可知该运动规律的起可知该运动规律的起 始与终点处加速度突始与终点处加速度突 变为有限值，因而变为有限值，因而会会 产生柔性冲击产生柔性冲击。如果。如果 从动件的运动仅具有从动件的运动仅具有 推程和回程阶段，则推程和回程阶段，则 其加速度曲线也连续，其加速度曲线也连续， 不产生柔性冲击，因不产生柔性冲击，因 而可应用于高速工况而可应用于高速工况 场合。场合。 从动件的运动规律从动件的

23、运动规律 从动件的运动规律从动件的运动规律 2 2、摆线运动规律、摆线运动规律 图图a所示为所示为描述摆线运动轨迹的描述摆线运动轨迹的 示意图示意图。由解析几何可知，当一。由解析几何可知，当一 个半径为个半径为R的滚圆，沿纵坐标从的滚圆，沿纵坐标从 起始点起始点A0 匀速纯滚动时，圆周上匀速纯滚动时，圆周上 点点A的运动轨迹即为摆线，而点的运动轨迹即为摆线，而点A 的运动轨迹向纵坐标方向的投影的运动轨迹向纵坐标方向的投影 即构成摆线运动规律。即构成摆线运动规律。 摆线运动规律运动线图摆线运动规律运动线图 )2sin( 2 )2cos(1 )2sin( 2 1 2 2 h a h v hs 推程

24、运动方程推程运动方程 由于加速度曲线按正弦由于加速度曲线按正弦 规律变化，故又称为规律变化，故又称为正正 弦加速度运动规律弦加速度运动规律。该。该 种运动规律的种运动规律的速度与加速度与加 速度曲线均连续，不产速度曲线均连续，不产 生刚性与柔性冲击生刚性与柔性冲击，适，适 用于高速场合用于高速场合 从动件的运动规律从动件的运动规律 运动规律特性分析运动规律特性分析 一、衡量运动特性的主要指标一、衡量运动特性的主要指标 1 1、最大速度、最大速度 最大速度值越大，则从动件系统的动量也大。最大速度值越大，则从动件系统的动量也大。 若机构在工作中遇到需要紧急停车的情况，由于若机构在工作中遇到需要紧急

25、停车的情况，由于 从动件系统动量过大，会出现操控失灵，造成机从动件系统动量过大，会出现操控失灵，造成机 构损坏等安全事故。因此希望构损坏等安全事故。因此希望从动件运动速度的从动件运动速度的 最大值越小越好最大值越小越好。 从动件的运动规律从动件的运动规律 2 2、最大加速度、最大加速度 最大加速度值的大小，会直接影响从动件系统最大加速度值的大小，会直接影响从动件系统 的惯性力，从动件与凸轮廓线的接触应力，从动件的惯性力，从动件与凸轮廓线的接触应力，从动件 的强度等。因此希望的强度等。因此希望从动件在运动过程中的加速度从动件在运动过程中的加速度 最大值越小越好。最大值越小越好。 从动件的运动规律

26、从动件的运动规律 3 3、运动规律的高阶导数、运动规律的高阶导数。 运动规律的高阶导数是否连续也是衡量运动规运动规律的高阶导数是否连续也是衡量运动规 律特性的主要指标。律特性的主要指标。 研究表明，为有效改善凸轮机构的动力学特性，研究表明，为有效改善凸轮机构的动力学特性， 减小系统的残余振动，应选取跃度连续的运动规律减小系统的残余振动，应选取跃度连续的运动规律 进行凸轮廓线设计进行凸轮廓线设计。 二、特性指标的无量纲化二、特性指标的无量纲化 为在为在相同的条件相同的条件下对各种运动规律的下对各种运动规律的特性参特性参 数进行分析比较数进行分析比较，通常需对运动规律的特性指标，通常需对运动规律的

27、特性指标 进行无量纲化。几种常用运动规律的无量纲化指进行无量纲化。几种常用运动规律的无量纲化指 标和适用场合如下表所示标和适用场合如下表所示 从动件的运动规律从动件的运动规律 从动件的运动规律从动件的运动规律 从动件常用运动规律特性比较及适用场合从动件常用运动规律特性比较及适用场合 三、特性指标的分析与比较三、特性指标的分析与比较 n 高阶导数连续性较好的运动规律，如摆线、五高阶导数连续性较好的运动规律，如摆线、五 次多项式等，其最大速度和最大加速度值一般也次多项式等，其最大速度和最大加速度值一般也 较大。较大。 n 具有较小的最大速度和最大加速度值的运动规具有较小的最大速度和最大加速度值的运

28、动规 律，其高阶导数往往是不连续的。律，其高阶导数往往是不连续的。 n 在选择或设计从动件运动规律时，根据凸轮机在选择或设计从动件运动规律时，根据凸轮机 构的实际应用场合，在综合权衡各项特性指标的构的实际应用场合，在综合权衡各项特性指标的 基础上作具体的分析。基础上作具体的分析。 从动件的运动规律从动件的运动规律 选择和设计运动规律时需注意的问题选择和设计运动规律时需注意的问题 1.1.根据工作要求选择或设计运动规律根据工作要求选择或设计运动规律 当工作场合对从动件运动规律有特殊要求，且当工作场合对从动件运动规律有特殊要求，且 凸轮转速不太高时，从动件运动规律的选择或设计，凸轮转速不太高时，从

29、动件运动规律的选择或设计， 应在满足工作要求的基础上，考虑动力特性等其他应在满足工作要求的基础上，考虑动力特性等其他 因素。因素。 从动件的运动规律从动件的运动规律 2.2.兼顾运动学和动力特性两方面要求兼顾运动学和动力特性两方面要求 当工作场合对从动件的运动规律有特殊要求，当工作场合对从动件的运动规律有特殊要求， 且凸轮转速又较高时，应兼顾运动学和动力特性且凸轮转速又较高时，应兼顾运动学和动力特性 两方面要求，选择或设计从动件的运动规律。两方面要求，选择或设计从动件的运动规律。 3.3.综合考虑运动规律的各项特性指标综合考虑运动规律的各项特性指标 在满足从动件工作要求的前提下，还应在仔在满足

30、从动件工作要求的前提下，还应在仔 细权衡运动规律各项特性指标优劣的基础上，选择细权衡运动规律各项特性指标优劣的基础上，选择 或设计从动件运动规律。或设计从动件运动规律。 从动件的运动规律从动件的运动规律 在工程实际中需针对具体的设计问题，在综在工程实际中需针对具体的设计问题，在综 合考虑运动学、动力学等多方面因素的基础上来合考虑运动学、动力学等多方面因素的基础上来 选择或设计从动件的运动规律。选择或设计从动件的运动规律。 组合型运动规律简介组合型运动规律简介 从动件的运动规律从动件的运动规律 为满足工程实际的需要，综合几种不同运为满足工程实际的需要，综合几种不同运 动规律的优点，设计出一种具有

31、良好综合特性动规律的优点，设计出一种具有良好综合特性 的运动规律。这种的运动规律。这种通过几种不同函数组合在一通过几种不同函数组合在一 起而设计出的从动件运动规律，起而设计出的从动件运动规律，称为组合型运称为组合型运 动规律。动规律。 1 1、修正正弦运动规律、修正正弦运动规律 该曲线在运动起始的段和该曲线在运动起始的段和 终止的段，采用周期相同终止的段，采用周期相同 的正弦函数；在两段中间的正弦函数；在两段中间 的段则采用一段周期较长的段则采用一段周期较长 的简谐函数。的简谐函数。 从动件的运动规律从动件的运动规律 2 2、修正梯形运动规律、修正梯形运动规律 用几段简谐函数使加速度成用几段简

32、谐函数使加速度成 为连续曲线。加速段和减速为连续曲线。加速段和减速 段的加速度曲线是对称的。段的加速度曲线是对称的。 组合型运动规律运动线图组合型运动规律运动线图 凸轮廓线设计的基本原理凸轮廓线设计的基本原理反转法反转法 用作图法设计凸轮廓线用作图法设计凸轮廓线 用解析法设计凸轮廓线用解析法设计凸轮廓线 7.3 平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计 凸轮廓线设计的基本原理凸轮廓线设计的基本原理反转法反转法 平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计 为了便于绘出凸轮轮廓为了便于绘出凸轮轮廓 曲线曲线, , 应使工作中转动着的应使工作中转动着的 凸轮与不动的图纸间保持相凸轮与不动的图纸间保持相 对静止。对静止

33、。 如果如果给整个凸轮机构加给整个凸轮机构加 上一个与凸轮转动角度上一个与凸轮转动角度数数 值相等、值相等、 方向相反的方向相反的“-”-” 角速度角速度, , 则凸轮处于相对静则凸轮处于相对静 止状态。止状态。 从动件尖底的运从动件尖底的运 动轨迹就是凸轮动轨迹就是凸轮 的廓线的廓线 、尖底从动件盘形凸轮、尖底从动件盘形凸轮 已知：凸轮以等角速度已知：凸轮以等角速度 顺时针方向转动，凸轮顺时针方向转动，凸轮 基圆半径基圆半径r ro o，导路与凸轮回转中心间的相对位置，导路与凸轮回转中心间的相对位置 及偏距及偏距e e, ,从动件的运动规律。从动件的运动规律。 用作图法设计凸轮廓线用作图法设

34、计凸轮廓线 一、直动从动件盘形凸轮廓线设计一、直动从动件盘形凸轮廓线设计 平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计 设计步骤设计步骤 、 作从动件的位移线图作从动件的位移线图 、确定从动件尖底的初始位置、确定从动件尖底的初始位置 、确定导路在反转过程中的一系列位置、确定导路在反转过程中的一系列位置 、确定尖底在反转过程中的一系列位置、确定尖底在反转过程中的一系列位置 、绘制凸轮廓线、绘制凸轮廓线 、滚子从动件盘形凸轮、滚子从动件盘形凸轮 已知：凸轮以等角速度已知：凸轮以等角速度 顺时针方向转动，凸轮顺时针方向转动，凸轮 基圆半径基圆半径r ro o，导路与凸轮回转中心间的相对位置，导路与凸轮回转中心间

35、的相对位置 及偏距及偏距e e，滚子半径为，滚子半径为r,r,从动件的运动规律。从动件的运动规律。 平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计 凸轮的理论廓线凸轮的理论廓线：根据滚子中心的运动轨：根据滚子中心的运动轨 迹设计出的廓线迹设计出的廓线 凸轮的实际廓线：凸轮的实际廓线：与滚子直接接触的廓线与滚子直接接触的廓线 过程中的一系列位置过程中的一系列位置 注意：注意： n基圆是指凸轮理论廓线上由最小半径所基圆是指凸轮理论廓线上由最小半径所 作的圆作的圆 n从动件端部的滚子与凸轮实际廓线的接从动件端部的滚子与凸轮实际廓线的接 触点会随凸轮的转动而不断变化。触点会随凸轮的转动而不断变化。 、平底从动件盘形

36、凸轮、平底从动件盘形凸轮 与滚子从动件盘形凸轮廓线的设计方法与滚子从动件盘形凸轮廓线的设计方法 相类似。相类似。 平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计 n将将平底与导路中心线的交点平底与导路中心线的交点作为作为 假想的尖底从动件的尖端；假想的尖底从动件的尖端； n应用反转法，根据平底从动件的应用反转法，根据平底从动件的 运动规律，依次运动规律，依次确定出假想的尖端确定出假想的尖端 在反转过程中所处的位置在反转过程中所处的位置，并在这，并在这 些位置点分别作出各平底的图形；些位置点分别作出各平底的图形； n作平底的作平底的内包络线内包络线，即为所要设计，即为所要设计 的凸轮廓线的凸轮廓线 平面凸轮廓

37、线设计平面凸轮廓线设计 二、摆动从动件盘形凸轮廓线设计二、摆动从动件盘形凸轮廓线设计 已知：凸轮以等角速度逆时针方向转动，已知：凸轮以等角速度逆时针方向转动， 凸轮轴与摆杆回转中心的距离为凸轮轴与摆杆回转中心的距离为 ，凸轮基，凸轮基 圆半径圆半径r ro o，摆杆长度，摆杆长度l l，摆杆的运动规律已，摆杆的运动规律已 知，推程时凸轮与摆杆的转向相反。知，推程时凸轮与摆杆的转向相反。 a 设计步骤设计步骤 、 作从动件的位移线图作从动件的位移线图 、确定摆杆的初始位置、确定摆杆的初始位置 、确定摆杆轴心在反转过程中的一、确定摆杆轴心在反转过程中的一 系列位置系列位置 、确定摆杆尖底的一系列位

38、置、确定摆杆尖底的一系列位置 、绘制凸轮廓线、绘制凸轮廓线 用解析法设计凸轮廓线用解析法设计凸轮廓线 平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计 作图法的特点作图法的特点 概念清晰，简便易行；概念清晰，简便易行； 误差大、效率低。误差大、效率低。 解析法的特点解析法的特点 计算精度高、速度快，适合凸轮在数控机床计算精度高、速度快，适合凸轮在数控机床 上加工。上加工。 解析法设计的关键问题解析法设计的关键问题 将凸轮廓线表示为数学方程，这一过程称为将凸轮廓线表示为数学方程，这一过程称为 建立数学模型。建立数学模型。 平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计 一、直动滚子从动件盘形凸轮一、直动滚子从动件盘形凸轮 已

39、知：凸轮以等角速度逆时针已知：凸轮以等角速度逆时针 方向转动，凸轮基园半径方向转动，凸轮基园半径r ro o、滚子、滚子 半径半径r rr r，导路和凸轮轴心间的相对，导路和凸轮轴心间的相对 位置及偏距位置及偏距e e，从动件的运动规，从动件的运动规 律律 。 ( )ss 1. 1. 理论廓线方程理论廓线方程 sincos)( cossin)( 0 0 essy essx 22 0 er = 0 s ( , )B x y 2.2.实际廓线方程实际廓线方程 sin cos ryy rxx 22 22 )/dd()/dd( /dd cos )/dd()/dd( /dd sin yx y yx x

40、平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计 cos sin ) d d ( d d d d tan yx y x sin)(cos)/dd(/dd cos)(sin)/dd(/dd 0 0 ssesy ssesx ( ,)B x y 3.3.刀具的中心轨迹方程刀具的中心轨迹方程 应用数控铣床或凸轮磨床可加工凸轮的实际廓线。在加应用数控铣床或凸轮磨床可加工凸轮的实际廓线。在加 工凸轮前需计算刀具的中心轨迹方程。工凸轮前需计算刀具的中心轨迹方程。 22 22 )/dd()/dd( /dd )/dd()/dd( /dd yx x rrxy yx y rrxx cc cc rrc rrc 平面凸轮廓线设计平面凸

41、轮廓线设计 平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计 二、平底直动从动件盘形凸轮机构二、平底直动从动件盘形凸轮机构 sin d d cos)( cos d d sin)( 0 0 s sry s srx d dsv OP n建立直角坐标系，使轴与从动件导路重合，推程开建立直角坐标系，使轴与从动件导路重合，推程开 始时平底与凸轮基圆在点相切始时平底与凸轮基圆在点相切 n由速度瞬心法可知，图中由速度瞬心法可知，图中P P点为凸轮与平底从动件的点为凸轮与平底从动件的 相对速度瞬心相对速度瞬心 ( , )B x y 平面凸轮廓线设计平面凸轮廓线设计 三、摆动滚子从动件盘形凸轮机构三、摆动滚子从动件盘形凸轮机构

42、 n建立坐标系，使摆杆回转轴心建立坐标系，使摆杆回转轴心A A0 0与与 凸轮回转轴心凸轮回转轴心O O的连线与的连线与y y轴重合轴重合 已知：凸轮以等角速度逆时针已知：凸轮以等角速度逆时针 方向转动，推程时摆杆顺时针方方向转动，推程时摆杆顺时针方 向转动，凸轮回转中心向转动，凸轮回转中心O O与摆杆回与摆杆回 转轴心转轴心A A0 0的距离为的距离为 , ,摆杆的长度为摆杆的长度为 l l, ,滚子半径滚子半径r r，摆杆的运动规律，摆杆的运动规律 。 ( ) n凸轮的凸轮的理论廓线理论廓线B B点的坐标点的坐标 )cos(cos )sin(sin 0 0 lay lax a 7. 平面凸

43、轮机构基本尺寸的确定平面凸轮机构基本尺寸的确定 凸轮机构的压力角凸轮机构的压力角 凸轮基园半径的确定凸轮基园半径的确定 滚子半径的选择滚子半径的选择 平底直动从动件平底尺寸的确定平底直动从动件平底尺寸的确定 从动件偏置方向的确定从动件偏置方向的确定 凸轮机构的压力角凸轮机构的压力角 平面凸轮机构基本尺寸的确定平面凸轮机构基本尺寸的确定 压力角：压力角：从动件与凸轮在接触点从动件与凸轮在接触点 处的受力方向与其在该点绝对速处的受力方向与其在该点绝对速 度方向之间所夹的锐角度方向之间所夹的锐角 ser e ss eOP BD PD 22 0 0 ds/d tan 说明：说明：凸轮逆时针方向转动，当

44、从动件导路中心偏在凸轮凸轮逆时针方向转动，当从动件导路中心偏在凸轮 轴心右侧时，推程取减号，回程取加号；偏在左侧时，推轴心右侧时，推程取减号，回程取加号；偏在左侧时，推 程取加号，回程取减号。程取加号，回程取减号。 若凸轮顺针方向转动，则加减号的取法与上述相反。若凸轮顺针方向转动，则加减号的取法与上述相反。 一、压力角一、压力角 几种常见的盘形凸轮机构的压力角几种常见的盘形凸轮机构的压力角 平面凸轮机构基本尺寸的确定平面凸轮机构基本尺寸的确定 在图在图b b和和d d中，由于中，由于 从动件的平底在运从动件的平底在运 动中的任一位置都动中的任一位置都 与凸轮廓线相切，与凸轮廓线相切， 因此这类

45、因此这类凸轮机构凸轮机构 的压力角在凸轮机的压力角在凸轮机 构整个运动周期中构整个运动周期中 为常值为常值。 二、压力角对凸轮机构受力的影响二、压力角对凸轮机构受力的影响 平面凸轮机构基本尺寸的确定平面凸轮机构基本尺寸的确定 其他条件相同时，压力角其他条件相同时，压力角 越大，推动从动件所需的越大，推动从动件所需的 作用力越大；作用力越大； 当压力角非常大时，理论当压力角非常大时，理论 上作用力为无穷大时才能上作用力为无穷大时才能 推动从动件，此时凸轮机推动从动件，此时凸轮机 构将发生自锁。我们将此构将发生自锁。我们将此 时凸轮机构的压力角称为时凸轮机构的压力角称为 临界压力角临界压力角 三、许用压力角三、许用压力角 平面凸轮机构基本尺寸的确定平面凸轮机构基本尺寸的确定 许