第3章凸轮机构.ppt

1、第3章 凸轮机构,31 凸轮机构的应用和类型,32 从动件的常用运动规律,33 凸轮机构的压力角,34 图解法设计凸轮的轮廓,35 解析法设计凸轮的轮廓,（推杆）,组成,凸轮机构,从动件(推杆) 往复移动或摆动 凸轮具有曲线轮廓或凹槽的构件，运动时，通过高副接触使从动件能够准确地获得各种预期的运动规律。凸轮轮廓形状取决于从动件的运动规律。,凸轮机构,组成,31 凸轮机构的应用和类型,结构：三个构件、盘(柱)状曲线轮廓、从动件呈杆状。,作用：将连续回转 从动件直线移动或摆动。,优点：可精确实现任意运动规律，简单紧凑。,缺点：高副，线接触，易磨损，传力不大。,应用：内燃机 、牙膏生产等自动线、补鞋

2、机、配钥匙机等。,分类：1)按凸轮形状分：盘形、 移动、 圆柱凸轮 ( 端面 ) 。,2)按推杆形状分：尖顶、 滚子、 平底从动件。,特点： 尖顶构造简单、易磨损、用于仪表机构；,滚子磨损小，应用广；,平底受力好、润滑好，用于高速传动。,实例,3).按推杆运动分：直动(对心、偏置)、 摆动,4).按保持接触方式分： 力封闭（重力、弹簧等）,内燃机气门机构,机床进给机构,几何形状封闭(凹槽、等宽、等径、主回凸轮),r1+r2 =const,等宽凸轮,优点：只需要设计适当的轮廓曲线，从动件便可获得任意的运动规律，且结构简单、紧凑、设计方便。,缺点：点、线接触，容易磨损。用于传力不大的控制机构。,作

3、者：潘存云教授,主回凸轮,设计：潘存云,绕线机构,应用实例：,设计：潘存云,设计：潘存云,送料机构,补鞋机,设计：潘存云,32 推杆的运动规律,凸轮机构设计的基本任务: 1)根据工作要求选定凸轮机构的形式;,名词术语：,一、推杆的常用运动规律,基圆、,推程运动角、,基圆半径、,推程、,远休止角、,回程运动角、,回程、,近休止角、,行程。一个循环,而根据工作要求选定推杆运动规律，是设计凸轮轮廓曲线的前提。,2)推杆运动规律;,3)合理确定结构尺寸;,4)设计轮廓曲线。,0 (推程运动角),0 (回程运动角),01 (远休止角),02,F,行程 h,02 (近休止角),r0 基圆半径,=t,机构中

4、各参数名称,偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构,0,0 (推程运动角),0 (回程运动角),01 (远休止角),02,0,F,行程 h,02 (近休止角),r0 基圆半径,=t,机构中各参数名称,偏置直动尖顶推杆盘形凸轮机构,E,设计：潘存云,运动规律：推杆在推程或回程时，其位移S2、速度V2、 和加速度a2 随时间t 的变化规律。,形式：多项式、三角函数。,S2=S2(t) V2=V2(t) a2=a2(t),边界条件： 凸轮转过推程运动角t从动件上升h,一、多项式运动规律,一般表达式：s2=C0+ C11+ C221+Cnn1 (1),求一阶导数得速度方程： v2 = ds2/dt,求二阶导数得

5、加速度方程： a2 =dv2/dt =2 C221+ 6C3211+n(n-1)Cn21n-21,其中：1凸轮转角，d1/dt=1凸轮角速度, Ci待定系数。,= C11+ 2C211+nCn1n-11,凸轮转过回程运动角h从动件下降h,在推程起始点：1=0， s2=0,代入得：C00， C1h/t,推程运动方程： s2 h1/t,v2 h1 /t,在推程终止点：1=t ，s2=h,刚性冲击,s2 = C0+ C11+ C221+Cnn1,v2 = C1+ 2C21+nCn1n-11,a2 = 2 C221+ 6C3211+n(n-1)Cn21n-21,同理得回程运动方程： s2h(1-1/h

6、 ),v2-h1 /h,a20,a2 0,1.等速运动（一次多项式）运动规律,2. 等加等减速（二次多项式）运动规律,位移曲线为一抛物线。加、减速各占一半。,推程加速上升段边界条件：,起始点：1=0， s2=0， v20,中间点：1=t /2，s2=h/2,求得：C00， C10，C22h/2t,加速段推程运动方程为：,s2 2h21 /2t,v2 4h11 /2t,a2 4h21 /2t,设计：潘存云,推程减速上升段边界条件：,终止点：1=t ，s2=h，v20,中间点：1=t/2，s2=h/2,求得：C0h， C14h/t ， C2-2h/2t,减速段推程运动方程为：,s2 h-2h(t

7、1)2/2t,v2 -4h1(t-1)/2t,a2 -4h21 /2t,柔性冲击,3.五次多项式运动规律,位移方程： s2=10h(1/t)315h (1/t)4+6h (1/t)5,s2,v2,a2,无冲击，适用于高速凸轮。,设计：潘存云,二、三角函数运动规律,1.余弦加速度(简谐)运动规律,推程： s2h1-cos(1/t)/2,v2 h1sin(1/t)1/2t,a2 2h21 cos(1/t)/22t,回程： s2h1cos(1/h)/2,v2-h1sin(1/h)1/2h,a2-2h21 cos(1/h)/22h,在起始和终止处理论上a2为有限值，产生柔性冲击。,2.正弦加速度（摆线

8、）运动规律,无冲击,设计：潘存云,正弦改进等速 组合运动规律,三、改进型运动规律,将几种运动规律组合，以改善运动特性。,正弦加速度运动和等速运动规律组合。降低加速度的最大值。,设计：潘存云,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。,定义：正压力与推杆上力作用点B速度方向间的夹角, F”，效率低。,若大到一定程度时，会有：,机构发生自锁。,33 凸轮机构的压力角,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 tan ,F 一定时， ,Ff F

9、,为了保证凸轮机构正常工作，要求：, ,摩擦阻力,保证传动效率 最大压力角,许用压力角,设计：潘存云,二、压力角与凸轮机构尺寸之间的关系,P点为速度瞬心， 于是有：,v=lOP1,rmin ,= 30 直动从动件；,= 3545摆动从动件；,= 7080回程。, lOP =v2/1,= ds2 /d1,= lOC + lCP,lCP =,lOC = e,lCP = ds2/d1- e, ,(S2+S0 )tan,若发现设计结果，可增大rmin,e偏距,设计：潘存云,同理，当导路位于中心左侧时，有：,lOP =lCP- lOC, lCP = ds2/d1 + e,“+” 用于导路和瞬心位于中心两

10、侧； “-” 用于导路和瞬心位于中心同侧；,显然，导路和瞬心位于中心同侧时，压力角将减小。,注意：用偏置法可减小推程压力角，但同时增大了回 程压力角，故偏距 e 不能太大。,lCP = (S2+S0 )tan,正确偏置：导路位于与凸轮旋转方向1相反的位置。,设计：潘存云,提问：对于平底推杆凸轮机构： ？,0,1.凸轮廓线设计方法的基本原理,34 图解法设计凸轮轮廓,2.用作图法设计凸轮廓线,1)对心直动尖顶从动件盘形凸轮,3)滚子直动从动件盘形凸轮,4)对心直动平底从动件盘形凸轮,2)偏置直动尖顶从动件盘形凸轮,5)摆动尖顶从动件盘形凸轮机构,设计：潘存云,一、凸轮廓线设计方法的基本原理,反转

11、原理：,依据此原理可以用几何作图的方法 设计凸轮的轮廓曲线，例如：,给整个凸轮机构施以-1时，不影响各构件之间的相对运动，此时，凸轮将静止，而从动件尖顶复合运动的轨迹即凸轮的轮廓曲线。,尖顶凸轮绘制动画,滚子凸轮绘制动画,设计：潘存云,对心直动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度1和从动件的位移线图，设计该凸轮轮廓曲线。,设计步骤小结：,选比例尺l作基圆rmin。,反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。,确定反转后，从动件尖顶在各等份点的位置。,将各尖顶点连接成一条光滑曲线。,1.对心直动尖顶从动件盘形凸轮,二、直动从动件盘形凸轮轮廓的绘制,设计：潘存云,偏置直动尖顶从动件凸

12、轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度1和从动件的位移线图和偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。,2.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮,设计：潘存云,理论轮廓,实际轮廓,作各位置滚子圆的内(外)包络线。,3.滚子直动从动件盘形凸轮,滚子直动从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度1和从动件的位移线图，设计该凸轮轮廓曲线。,基圆半径 压力角 在理论轮廓上,设计：潘存云,a工作轮廓的曲率半径，理论轮廓的曲率半径， rT滚子半径,rT,arT0,对于外凸轮廓，要保证正常工作，应使： min rT,滚子半径的确定,arT,rT,arT0,轮廓正常,轮廓变尖, rT,arT,轮廓正常,外凸,设计：

13、潘存云,对心直动平底从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度1和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,作平底直线族的内包络线。,4.对心直动平底从动件盘形凸轮,设计：潘存云,对平底推杆凸轮机构，也有失真现象。,可通过增大rmin解决此问题。,平底左右两侧的宽度必须分别大于导路至左右最远切点的距离。,位移线图相同， 基圆大小不同。,设计：潘存云,摆动尖顶从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆半径rmin，角速度1，摆杆长度l以及摆杆回转中心与凸轮回转中心的距离d，摆杆角位移方程，设计该凸轮轮廓曲线。,三、摆动从动件盘形凸轮机构,0,(d),A；基圆；(l),B。等分。半径OA圆等分（A）

14、。基圆等分（B）。角位移位置（1）；（1）连成光滑曲线。,生产实际中，为了提高机构的效率，改善其受力情况，通常规定：凸轮机构的最大压力角max应小于某一许用压力角，max；必须校核凸轮轮廓推程压力角。P49,摆动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法与直动尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法基本类似，所不同的是推杆的预期运动规律及作图设计中都要用到推杆的角位移 表示，即将直动推杆的各位移方程中的位移s改为角位移 , 行程h改为角行程，就可用来求摆动推杆的角位移了。,摆动滚子从动件凸轮机构摆动平底从动件凸轮机构,对于滚子推杆（或平底推杆）的盘形凸轮廓线的设计，只要先将其滚子中心点（或推杆平底与其导路中心线的交

15、点）视为尖顶推杆的尖顶，就可用尖顶推杆盘形凸轮廓线的设计方法来确定出凸轮理论廓线上各点的位置；然后再以这些点为圆心作出一系列滚子圆（或过这些点作一系列平底推杆的平 底线），再作出此圆族（或直线族）的包络线。即得所设计凸轮的工作廓线。,滚子盘形凸轮廓线必须校核凸轮理论轮廓压力角。,作图法的缺点：繁琐、误差较大。 解析法的优点： 计算精度高、速度快，适合凸轮在数控机床上加工。 解析法的设计结果 根据凸轮机构的运动学参数和基本尺寸的设计结果，求出凸轮轮廓曲线的方程，利用计算机精确地计算出凸轮轮廓曲线上各点的坐标值。,35 解析法设计凸轮的轮廓,设计：潘存云,(一)滚子直动从动件盘形凸轮机构,结果：求

16、出轮廓曲线的解析表达式,已知条件：e、rmin、rT、S2=S2(1)、1及其方向。,理论轮廓的极坐标参数方程：,原理：反转法。,=1+0,tan0 = e/ S0,tan = e/(S2 + S0),即B点的极坐标,=,参数方程。,对顶角,设计：潘存云,其中： tan=,实际轮廓方程是理论轮廓的等距曲线。由高等数学可知：等距线对应点具有公共的曲率中心和法线。,T =+,实际轮廓上对应点的 T 位置：,位于理论轮廓 B 点法线 n-n 与滚子圆的交线上。,T点的极坐标参数方程为：,由图有： =+,直接引用前面的结论,为压力角,直角坐标参数方程为：,x = T cos T,y = T sin T,（二）移动平底从动件盘形凸轮机构1.实际廓线方程,1. 实际轮廓曲线方程 从动件的平底通常垂直于从动件移动导路，其凸轮的实际轮廓曲线是平底一系列位置的包络线，通常按对心从动件进行设计。过B点作法线，求得P。,vvPOP, OPvdsd,(二)移动平底直动从动件盘形凸轮机构 已知参数：基圆半径 rb、凸轮等角 速度逆时针方