机械设计基础电子教案 模块3 凸轮机构

PAGE2PAGE《机械设计基础》教案（学期名称）第XX讲XX老师授课单元凸轮机构教案编号教案名称凸轮机构授课教师授课学时课程类型R必修课□选修课□实践课授课班级授课时间上课地点班主任日期节次教学目标能力目标1.能运用反转法原理，使用图解法完成对心尖顶直动从动件盘形凸轮轮廓曲线、对心直动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线的设计。

2.具备凸轮机构基本尺寸确定的能力，能合理确定基圆半径、滚子半径等参数，避免出现轮廓变尖、运动失真等问题。

3.能够根据实际情况选择合适的凸轮与从动件的材料及装配方式。

4.掌握凸轮机构压力角的计算与校核方法，确保机构传力性能良好，避免自锁现象。

5.学会使用AI工具（如DeepSeek）进行凸轮机构的设计与分析，生成运动规律数据、轮廓坐标，并进行压力角与失真校验。

知识目标1.了解凸轮机构的应用和分类，明确其在自动化机器中的重要地位及独特的运动转换能力。

2.掌握从动件运动规律，包括等速运动规律、等加速等减速运动规律、简谐运动规律的特点及适用场合。

3.熟悉盘形凸轮轮廓曲线的设计方法，理解反转法原理，并能应用图解法进行轮廓曲线设计。

4.掌握凸轮机构基本尺寸的确定，包括压力角、基圆半径、滚子半径的概念及计算方法。

5.了解凸轮机构的结构设计，包括凸轮的结构与装配、从动件的结构等知识。

素质目标1.树立精益求精的态度，培养对机械设计细节的关注和追求完美的精神。

2.培养严谨的工作作风和强烈的责任感，认识到凸轮机构设计对产品质量和工程安全的重要性。

3.提升分析问题和解决问题的能力，能结合实际工况对凸轮机构进行优化设计。

4.增强创新意识，了解AI技术在机械设计中的应用，培养跨学科学习能力。

5.培养团队协作精神，通过小组讨论、实训等环节，学会与他人合作完成设计任务。

教学重点及解决办法教学重点：

1.反转法原理及其在凸轮轮廓设计中的应用。

2.从动件运动规律的选择与应用。

3.凸轮机构基本尺寸（压力角、基圆半径、滚子半径）的确定。

解决办法：

1.通过动画演示和实例分析，帮助学生理解反转法原理，结合课堂练习，让学生亲自动手用图解法绘制凸轮轮廓曲线。

2.对比不同运动规律的位移、速度、加速度曲线，分析其冲击特性，结合工程实例说明各种运动规律的适用场合，加深学生理解。

3.详细讲解压力角的概念及对机构性能的影响，通过诺模图等工具帮助学生掌握基圆半径的确定方法，结合实例分析滚子半径选择不当导致的问题，强化学生对基本尺寸确定重要性的认识。

教学难点及解决办法教学难点：

1.反转法设计凸轮轮廓曲线的步骤及作图技巧。

2.凸轮机构压力角的计算与校核，避免自锁现象。

3.滚子半径的选择与轮廓失真问题的判断。

解决办法：

1.采用分步教学法，将反转法设计步骤分解，结合多媒体课件动态展示作图过程，安排学生进行分组练习，教师巡回指导，及时纠正错误。

2.结合具体例题，详细推导压力角的计算公式，介绍压力角的测量方法，通过诺模图快速查找最大压力角，帮助学生掌握压力角的校核方法。

3.讲解滚子半径与理论轮廓曲率半径的关系，通过图示对比不同滚子半径对实际轮廓的影响，让学生学会判断轮廓是否失真，并掌握合理选择滚子半径的方法。

教学方法1.案例教学法：结合内燃机配气机构、缝纫机挑线机构等实际应用案例，讲解凸轮机构的工作原理和设计要点，增强学生的直观认识。

2.实践操作法：组织学生进行凸轮轮廓曲线的图解法设计实训，让学生亲自动手绘制，加深对反转法原理的理解和应用能力。

3.小组讨论法：针对凸轮机构设计中的问题，如运动规律选择、尺寸确定等，组织学生进行小组讨论，培养学生的分析和协作能力。

4.多媒体辅助教学法：利用动画、视频等多媒体资源，展示凸轮机构的运动过程和设计过程，使抽象的知识直观化、形象化。

教学资源推荐教材

参考文献

PAGE2教学过程教学环节教学内容与过程课前预习亲爱的同学们，在学习“凸轮机构”这一模块之前，让我们先从生活中的一个小场景开始思考。你是否观察过家里的缝纫机？当它工作时，针线上下穿梭，布料不断前进，是什么神奇的机构在背后协调这些运动呢？没错，就是凸轮机构！缝纫机的挑线机构中，凸轮匀速转动，通过其曲线形沟槽驱动摆杆绕固定轴做往复摆动，从而完成挑线动作。这个小小的凸轮，却能精准地控制从动件的运动规律，是不是很奇妙？

接下来，请大家带着以下问题进行预习：

1.凸轮机构由哪些基本构件组成？它在自动化机器中有哪些典型应用？除了缝纫机，你还能想到哪些含有凸轮机构的设备？

2.凸轮机构有哪些分类方式？根据凸轮的形状，可分为哪几种类型？它们各自的特点是什么？

3.从动件的运动规律有哪些？等速运动规律和等加速等减速运动规律的位移曲线有何不同？它们在运动过程中会产生冲击吗？

为了帮助大家更好地理解凸轮机构的分类，我们来看一个例子：内燃机的配气机构（如图3-1(a)所示），它采用的是盘形凸轮，凸轮做等速转动，通过其径向的变化，使顶杆按预期规律做上下往复移动，从而精确控制气阀的开闭。而在靠模车削机构（如图3-1(b)所示）中，靠模板作为移动凸轮，与工件一起向右移动，刀架在靠模板曲线轮廓的推动下做往复移动，切削出与靠模板曲线一致的工件形状。通过这两个例子，大家可以体会不同类型凸轮机构的应用特点。

另外，大家可以尝试绘制一个简单的等速运动规律的位移曲线。假设凸轮的推程运动角为180°，行程为20mm，那么在推程阶段，从动件的位移s与凸轮转角δ之间的关系是怎样的呢？如果是等加速等减速运动规律，位移曲线又会是什么形状？带着这些问题去预习教材中的相关内容，相信你会对凸轮机构有更初步的认识。期待在课堂上与大家一起深入探讨凸轮机构的奥秘！

课中讲练同学们，通过课前预习，我们已经对凸轮机构有了初步的了解。今天这节课，我们将重点学习凸轮机构的工作原理、从动件运动规律以及盘形凸轮轮廓曲线的设计方法。

首先，我们来回顾一下凸轮机构的工作原理。以尖顶直动从动件盘形凸轮机构为例（如图3-3所示），当凸轮以等角速度ω转动时，从动件会经历推程、远休止、回程和近休止四个阶段。推程是指从动件从离凸轮轴心最近的位置移动到最远位置的过程，对应的凸轮转角称为推程运动角δ₀；远休止是指从动件在最远位置停留的阶段，对应的转角为远休止角δₛ；回程则是从动件从最远位置回到最近位置的过程，对应的转角为回程运动角δ'₀；近休止是指从动件在最近位置停留的阶段，对应的转角为近休止角δ'ₛ。

接下来，我们学习从动件常用的运动规律。大家还记得课前预习时提到的等速运动规律吗？（引导学生回答）等速运动规律的位移曲线是一条斜直线（如图3-4所示），但在推程和回程的始末位置，速度会发生突变，产生刚性冲击，因此只适用于低速、轻载的场合。而等加速等减速运动规律的位移曲线是一条二次抛物线（如图3-5所示），在运动过程中加速度有突变，但冲击较小，为柔性冲击，适用于中速、中载的场合。简谐运动规律的位移曲线呈余弦曲线形状（如图3-6所示），同样存在柔性冲击，但在无停歇的连续往复运动时，加速度曲线连续，可用于高速传动。

现在，我们来进行一个课堂练习：已知一尖顶对心直动从动件盘形凸轮机构，基圆半径r₀=20mm，从动件行程h=10mm，推程运动角δ₀=180°，远休止角δₛ=30°，回程运动角δ'₀=90°，近休止角δ'ₛ=60°，从动件推程按等加速等减速运动规律运动，回程按简谐运动规律运动。请大家在坐标纸上绘制从动件的位移线图。（给学生15分钟时间绘制，教师巡视指导）

绘制完成后，我们以小组为单位，讨论如何根据位移线图利用反转法设计凸轮轮廓曲线。反转法的核心思想是：假设凸轮固定不动，从动件一方面绕凸轮轴心以角速度-ω转动，另一方面按预定的运动规律移动，从动件尖顶的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。（结合图3-8详细讲解作图步骤）

通过这个练习，相信大家对反转法设计凸轮轮廓曲线有了更直观的认识。课后请大家完成教材中的例题3-1，巩固今天所学的知识。

课后拓展提升同学们，经过课堂学习，我们已经掌握了凸轮机构的基本设计方法。课后，我们可以通过一个有趣的拓展项目来进一步提升自己的设计能力——设计一个自动送料机构的凸轮。

假设某工厂需要设计一个用于冲床的送料机构，要求送料杆在凸轮的驱动下做往复移动，实现间歇性送料。已知送料行程h=15mm，推程运动角δ₀=120°，远休止角δₛ=30°，回程运动角δ'₀=90°，近休止角δ'ₛ=120°，凸轮转速n=60r/min，从动件采用滚子直动从动件，滚子半径r₁=8mm，偏距e=5mm。

请大家完成以下任务：

1.选择合适的从动件运动规律。考虑到送料机构需要平稳运动，避免冲击，推程和回程分别适合采用哪种运动规律呢？（提示：等加速等减速运动规律或简谐运动规律）

2.绘制从动件的位移线图，并根据反转法设计凸轮的理论轮廓曲线和实际轮廓曲线。在设计过程中，要注意基圆半径的选择，确保最大压力角不超过许用值（直动从动件推程许用压力角[α]=30°~40°）。

3.对设计的凸轮机构进行压力角校核和轮廓失真校验。如果发现压力角过大或轮廓出现失真，应如何调整参数？

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