第3章凸轮机构

1、第第3章章 凸轮机构凸轮机构I凸轮：具有曲线轮廓的构件凸轮：具有曲线轮廓的构件I通过高副带动从动件实现预期运动通过高副带动从动件实现预期运动3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型3.23.2凸轮机构的特点和功能凸轮机构的特点和功能3.33.3从动件运动规律设计从动件运动规律设计3.43.4凸轮轮廓的设计凸轮轮廓的设计3.53.5凸轮机构基本参数设计凸轮机构基本参数设计3.63.6凸轮机构的计算机辅助设计凸轮机构的计算机辅助设计第第3 3章章 凸轮机构凸轮机构3.13.1凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型u3.1.1 凸轮机构的组成凸轮机构的组成u3.1.2 凸轮机构的类型凸

2、轮机构的类型3.1.1 3.1.1 凸轮机构的组成凸轮机构的组成高副机构高副机构3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型从动件从动件凸轮凸轮机架机架3.1.2 3.1.2 凸轮机构的类型凸轮机构的类型盘形凸轮盘形凸轮：最基本的形式，结构简单，应用最为广泛最基本的形式，结构简单，应用最为广泛移动凸轮移动凸轮：凸轮相对机架做直线运动：凸轮相对机架做直线运动圆柱凸轮圆柱凸轮：空间凸轮机构：空间凸轮机构盘形凸轮盘形凸轮按凸轮的形状分类按凸轮的形状分类移动凸轮移动凸轮圆柱凸轮圆柱凸轮3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型按从动件的形状分类按从动件的形状分类尖端从动件尖端从动件曲

3、面从动件曲面从动件u能与任意形状的凸轮轮廓保能与任意形状的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。意的运动规律。u尖端处极易磨损，只适尖端处极易磨损，只适用于低速场合。用于低速场合。u磨损比尖端从动件小磨损比尖端从动件小3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型 滚子从动件滚子从动件 平底从动件平底从动件l滚动摩擦，磨损小滚动摩擦，磨损小l用于传递较大的动力用于传递较大的动力u从动件与凸轮之间易形从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑好，受力平成油膜，润滑好，受力平稳，传动效率高稳，传动效率高u高速场合；但凸轮轮廓高速场合；但凸轮轮廓须全部外凸须全部外凸

4、按从动件的形状分类按从动件的形状分类3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型按从动件的运动形式分类按从动件的运动形式分类移动从动件移动从动件u移动从动件移动从动件：从动件往复移动，运动轨迹为一段直线；：从动件往复移动，运动轨迹为一段直线；u摆动从动件摆动从动件：从动件往复摆动，运动轨迹为一段圆弧。：从动件往复摆动，运动轨迹为一段圆弧。摆动从动件摆动从动件3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类力封闭：弹簧力、从动力封闭：弹簧力、从动件重力或其它外力件重力或其它外力形封闭形封闭利用高副元素利用高副元素

5、本身的几何形状本身的几何形状u槽两侧面的距离等于滚子直径；槽两侧面的距离等于滚子直径；u优点：封闭方式结构简单优点：封闭方式结构简单u缺点：加大了凸轮的尺寸和重量缺点：加大了凸轮的尺寸和重量槽凸轮机构槽凸轮机构3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型u凸轮廓线上任意两条平行切线间凸轮廓线上任意两条平行切线间的距离都等于框架内侧的宽度的距离都等于框架内侧的宽度u缺点：从动件的运动规律的选择缺点：从动件的运动规律的选择受到一定的限制受到一定的限制形封闭凸轮形封闭凸轮等宽凸轮机构等宽凸轮机构等径凸轮机构等径凸轮机构u两滚子中心间的距离始终保持两滚子中心间的距离始终保持不变不变u缺点：从动

6、件运动规律的选择缺点：从动件运动规律的选择受到一定的限制受到一定的限制3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型主回凸轮机构主回凸轮机构( (共轭凸轮机构共轭凸轮机构) )u优点：克服了等宽、等径凸轮的缺点优点：克服了等宽、等径凸轮的缺点u缺点：结构复杂，制造精度要求高缺点：结构复杂，制造精度要求高一个凸轮推动从动件完一个凸轮推动从动件完成正行程运动，另一个成正行程运动，另一个凸轮推动从动件完成反凸轮推动从动件完成反行程的运动行程的运动形封闭凸轮形封闭凸轮3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型形封闭凸轮形封闭凸轮摆杆为主动件，凸轮为从动件摆杆为主动件，凸轮为从动件反凸轮

7、机构反凸轮机构3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型3.13.1凸轮机构的组成和类型凸轮机构的组成和类型3.1.2 3.1.2 凸轮机构的类型凸轮机构的类型按凸轮的形状分类按凸轮的形状分类按从动件的形状分类按从动件的形状分类按从动件的形状分类按从动件的形状分类按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类凸轮机构的特点凸轮机构的特点u优点：优点：l构件少；结构简单、紧凑构件少；结构简单、紧凑l可方便地设计出任意要求的从动件运动规律可方便地设计出任意要求的从动件运动规律u缺点：缺点：l高副接触，易磨损，用于受力不大的场合高副接触，易磨损，用于受力不大的场合

8、3.23.2凸轮机构的特点和功能凸轮机构的特点和功能 凸轮机构的功能凸轮机构的功能u实现无特定运动规律要求的工作行程实现无特定运动规律要求的工作行程u实现有特定运动规律要求的工作行程实现有特定运动规律要求的工作行程u实现对运动和动力特性有特殊要求的工作行程实现对运动和动力特性有特殊要求的工作行程u实现复杂的运动轨迹实现复杂的运动轨迹3.23.2凸轮机构的特点和功能凸轮机构的特点和功能3.3 3.3 从动件运动规律设计从动件运动规律设计3.3.1 基础知识：凸轮机构的工作情况基础知识：凸轮机构的工作情况3.3.2从动件常用运动规律从动件常用运动规律3.3.3从动件运动规律的选择从动件运动规律的选

9、择3.3.4从动件运动规律的组合从动件运动规律的组合3.3.1 3.3.1 凸轮机构的工作情况凸轮机构的工作情况u回程运动角回程运动角u从动件运动规律（从动件位移线图）从动件运动规律（从动件位移线图） u基圆基圆以凸轮轮廓的最以凸轮轮廓的最小向径小向径r rb b所作的圆所作的圆u升程升程从动件上升的最从动件上升的最大距离大距离h hu推程运动角推程运动角1.等速运动等速运动2.等加速等减速等加速等减速(抛物线抛物线)运动运动3.简谐运动简谐运动(余弦加速度运动余弦加速度运动)4.摆线运动摆线运动5. 3-4-5多项式运动多项式运动3.3.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律3.3.2 3

10、.3.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律u特点特点：速度有突变，加：速度有突变，加速度理论上由零至无穷大，速度理论上由零至无穷大，从而使从动件产生巨大的从而使从动件产生巨大的惯性力，机构受到强烈冲惯性力，机构受到强烈冲击击刚性冲击刚性冲击u适应场合适应场合：低速轻载低速轻载1.等速运动等速运动2.等加速等减速等加速等减速(抛物线抛物线)运动运动u特点特点：加速度曲线有突变，加：加速度曲线有突变，加速度的变化率速度的变化率(即跃度即跃度j)在这些在这些位置为无穷大位置为无穷大柔性冲击柔性冲击u适应场合适应场合：中速轻载中速轻载3.3.2 3.3.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律22

11、222442hahvhs等加速阶段3.简谐运动简谐运动(余弦加速度运动余弦加速度运动)u 当质点在圆周上作匀速运动时，它当质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上的投影所构成的运动规在该圆直径上的投影所构成的运动规律律简谐运动简谐运动 cos12hsu特点特点：有：有柔性冲击柔性冲击u适用场合：适用场合：中速轻载中速轻载(当从动件作当从动件作连续运动时，可用于高速连续运动时，可用于高速)3.3.2 3.3.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律4.摆线运动规律摆线运动规律u半径半径R=h/2的圆沿纵座标作纯滚动，的圆沿纵座标作纯滚动，圆上最初位于座标原点的点其位移随圆上最初位于座标原点的点其

12、位移随时间变化的规律时间变化的规律摆线运动摆线运动特点：特点：无刚性、柔性冲击无刚性、柔性冲击适用场合：适用场合：适于高速适于高速3.3.2 3.3.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律5. 3-4-5次多项式运动规律次多项式运动规律 54361510hs特点：特点：无刚性冲击、柔性冲击无刚性冲击、柔性冲击适用场合：适用场合：高速、中载高速、中载3.3.2 3.3.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律3.3.3 3.3.3 从动件运动规律的选择从动件运动规律的选择1. 从动件常用运动规律性能比较从动件常用运动规律性能比较2.从动件运动规律的选择原则从动件运动规律的选择原则u对运动规律的

13、要求对运动规律的要求u凸轮的转速和荷载（动力特性和便于加工）凸轮的转速和荷载（动力特性和便于加工）3.3.3 3.3.3 从动件运动规律的选择从动件运动规律的选择3.3.4 从动件运动规律的组合从动件运动规律的组合u1.满足工作对运动规律的特殊要求；满足工作对运动规律的特殊要求；u2.为避免刚性冲击，位移曲线和速度为避免刚性冲击，位移曲线和速度曲线必须连续；而为避免柔性冲击，加曲线必须连续；而为避免柔性冲击，加速度曲线也必须连续。速度曲线也必须连续。u3. 尽量减小速度和加速度的最大值。尽量减小速度和加速度的最大值。3.4 凸轮轮廓的设计凸轮轮廓的设计u3.4.1 3.4.1 基本原理（反转法

14、）基本原理（反转法）u3.4.2 3.4.2 图解法设计凸轮廓线图解法设计凸轮廓线1.1.移动从动件盘形凸轮移动从动件盘形凸轮l尖底从动件尖底从动件l滚子从动件滚子从动件l平底从动件平底从动件2.2.摆动从动件盘形凸轮摆动从动件盘形凸轮u设计总结设计总结u3.4.3 3.4.3 解析法设计凸轮廓线解析法设计凸轮廓线3.4.1 3.4.1 基本原理（反转法）基本原理（反转法）3.4 凸轮轮廓的设计反转法反转法某一时刻某一时刻反转后从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线反转后从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线s1思考：如果从动件有偏置，反转后其位置？思考：如果从动件有偏置，反转后其位置？注意：

15、凸轮转角S凸轮转角3.4.2 3.4.2 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓旋转。旋转。逆时针逆时针，等角速度，等角速度偏距为偏距为置于凸轮轴心右侧，置于凸轮轴心右侧，曲线，从动件偏曲线，从动件偏，已知：基圆半径已知：基圆半径)(e-srb 1. 移动从动件盘形凸轮移动从动件盘形凸轮(1)尖底从动件尖底从动件3.4 凸轮轮廓的设计1.切分偏心圆切分偏心圆2. 找反转后从动件找反转后从动件所在的位置线所在的位置线3.截取相应位移，截取相应位移，求凸轮廓线求凸轮廓线凸轮转角 ？1. 移动从动件盘形凸轮移动从动件盘形凸轮（2 2）滚子从动件）滚子从动件曲线。曲线。，滚子半径滚子半径，已知：已知：

16、-sr, e,rrb滚子滚子中心中心将描绘将描绘- -条与凸轮廓线法向等条与凸轮廓线法向等距的曲线距的曲线-理论廓线理论廓线。反转法反转法r rb b指的是指的是理论廓线理论廓线的基圆。的基圆。 u作内包络线，得到凸轮的实际廓线；作内包络线，得到凸轮的实际廓线；u若同时作外包络线，形成槽凸轮廓线若同时作外包络线，形成槽凸轮廓线取平底从动件表面上的点取平底从动件表面上的点B B0 0作作为假想的尖端从动件的尖端。为假想的尖端从动件的尖端。1. 移动从动件盘形凸轮移动从动件盘形凸轮（3 3）平底从动件）平底从动件包络线包络线 为了保证在所有位置从动件平为了保证在所有位置从动件平底都能与凸轮轮廓曲线

17、相切，底都能与凸轮轮廓曲线相切，凸轮廓线必须是外凸的。凸轮廓线必须是外凸的。2. 摆动从动件盘形凸轮摆动从动件盘形凸轮凸轮轮廓设计总结：凸轮轮廓设计总结： 基本概念：从动件位移、凸轮转角、基本概念：从动件位移、凸轮转角、 理论轮廓和实际轮廓理论轮廓和实际轮廓找反转后从动件所在的位置线关键：3.4.3 3.4.3 解析法设计凸轮廓线解析法设计凸轮廓线u1 移动滚子从动移动滚子从动件盘形凸轮机构件盘形凸轮机构If in-line, e=0，s0=rbPosition of point BPosition of point B22000sincoscossinerses)(sMNBNyes)(sKH

18、KNxbcos)(sin)(srysrxbbcoscosrrryyrxx3.4.3 3.4.3 解析法设计凸轮廓线解析法设计凸轮廓线u刀具中心轨迹：刀具中心轨迹：3.5 3.5 凸轮机构基本参数设计凸轮机构基本参数设计3.5.1移动滚子从动件盘形凸轮：移动滚子从动件盘形凸轮： 基圆半径基圆半径 偏置方向偏置方向 滚子半径滚子半径1、压力角及其许用值、压力角及其许用值sincos FFFFF80)(45)(30回程：摆动，移动推程：22tanerseddsancb2、 凸轮基圆半径的确定凸轮基圆半径的确定基圆半径越大，压力角越小，基圆半径越大，压力角越小， 但结构尺寸较大但结构尺寸较大22ber

19、seddstg u方法方法1 1：l根据满足最大压力角根据满足最大压力角a a的要求确定的要求确定u方法方法2 2：l令基圆半径大于令基圆半径大于1.61.62 2倍的凸轮轴径，倍的凸轮轴径，校验压力角校验压力角a a2、 凸轮基圆半径的确定凸轮基圆半径的确定3、 从动件偏置方向的选择从动件偏置方向的选择3、 从动件偏置方向的选择从动件偏置方向的选择22berseddstgl凸轮逆时针回转，从动凸轮逆时针回转，从动件右偏置，取件右偏置，取l凸轮顺时针回转，从动凸轮顺时针回转，从动件左偏置，取件左偏置，取l其他情况其他情况取取+BDP中中3、 从动件偏置方向的选择从动件偏置方向的选择22bers

20、eddstgn合理选择偏置方向合理选择偏置方向n偏置的目的是为了减小从动件偏置的目的是为了减小从动件在推程阶段所受的压力角在推程阶段所受的压力角。4、滚子半径的选择、滚子半径的选择4 4、滚子半径的选择、滚子半径的选择u外凸凸轮廓线外凸凸轮廓线0rr0minmin0min 0rr0minmin0min实际廓线出现尖点实际廓线出现尖点 0rr0minmin0min实际廓线出现交叉，从动件实际廓线出现交叉，从动件不能准确地实现预期的运动不能准确地实现预期的运动规律规律运动失真运动失真u运动失真运动失真 原因：原因： u避免方法：避免方法：rmin0min0min0)8 . 0(减小滚子半径增大增大

21、brrr设计要求：设计要求：ararminminu内凹凸轮廓线内凹凸轮廓线无论滚子半径多大，总能由理论轮廓求出实际无论滚子半径多大，总能由理论轮廓求出实际轮廓。轮廓。滚子半径的选择：滚子半径的选择：考虑结构、强度等因素考虑结构、强度等因素ararminmin3.5.2 3.5.2 移动平底从动件盘形凸轮移动平底从动件盘形凸轮 凸轮出现过度切割的现象，凸轮出现过度切割的现象，从动件无法完全实现预期的运从动件无法完全实现预期的运动规律。动规律。 原因？减小升程h或：增大相应的凸轮转角增大基圆rb增大偏心e？u运动失真运动失真u基圆半径与哪些参数相关？基圆半径与哪些参数相关？u如何确定合理的基圆半径避免运动失真如何确定合理的基圆半径避免运动失真基圆半径过小基圆半径过小从动件升程过大从动件升程过大 min22min22mindsdsrdsdsrbbu从动件偏置方向的选择从动件偏置方向的选择从动件偏置并不影响凸轮廓线的形状从动件偏置并不影响凸轮廓线的形状选择偏置的主要目的是为了减小从动件在推程选择偏置的主要目的是为了减小从动件在推程阶段所受的弯曲应力。阶段所受的弯曲应力。凸轮上某点的坐标：凸轮上某点的坐标：sincos)(cossin)(ddssryddssrxbbu平地宽度的确定平地宽度的确定minmaxBddsdds3.6 凸轮机构的计算机辅助设计凸轮机构的计算机辅助设计设计过程设计