3.1 凸轮机构的组成与类型3.1.1 凸轮机构的组成 1 凸轮 2 从动件 3 机架 高副机构第1页/共57页3.1.2 凸轮机构的类型1.按凸轮的形状分类盘形凸轮：最基本的形式，结构简单，应用最为广泛移动凸轮：凸轮相对机架做直线运动圆柱凸轮：空间凸轮机构盘形凸轮 移动凸轮 圆柱凸轮第2页/共57页2.按从动件的形状分类尖端从动件曲面从动件尖端能以任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律但尖端处极易磨损，只适用于低速场合磨损比尖端从动件小第3页/共57页 滚子从动件滚子从动件 平底从动件平底从动件凸轮与从动件之间为滚动凸轮与从动件之间为滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，摩擦，因此摩擦磨损较小，可用于传递较大的动力可用于传递较大的动力从动件与凸轮之间易形从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑状况好，成油膜，润滑状况好，受力平稳，传动效率高，受力平稳，传动效率高，常用于高速场合但与常用于高速场合但与之相配合的凸轮轮廓须之相配合的凸轮轮廓须全部外凸全部外凸第4页/共57页3.按从动件的运动形式分类移动从动件移动从动件 摆动从动件摆动从动件移动从动件：从动件作往复移动，其运动从动件作往复移动，其运动轨迹为一段直线；轨迹为一段直线；摆动从动件：从动件作往复摆动，其运动从动件作往复摆动，其运动轨迹为一段圆弧。
轨迹为一段圆弧第5页/共57页4.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类(1)力锁合弹簧力、从动件重力或其它外力(2)型锁合利用高副元素本身的几何形状第6页/共57页槽凸轮机构 槽两侧面的距离等于滚子直径优点：锁合方式结构简单缺点：加大了凸轮的尺寸和重量第7页/共57页等宽凸轮机构 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缺点：从动件的运动规律的选择受到一定的限制，从动件的运动规律的选择受到一定的限制，当当180180范围内的凸轮廓线根据从动件运动规律确定范围内的凸轮廓线根据从动件运动规律确定后，其余后，其余180180内的凸轮廓线必须符合等宽原则内的凸轮廓线必须符合等宽原则第8页/共57页等径凸轮机构 两滚子中心间的距离始终保持不变缺点：缺点：从动件运动规律的选择受到一定的限制从动件运动规律的选择受到一定的限制第9页/共57页主回凸轮机构(共轭凸轮机构)优点：克服了等宽、等径凸轮的缺点克服了等宽、等径凸轮的缺点缺点：结构复杂，制造精度要求高结构复杂，制造精度要求高 一个凸轮推动从一个凸轮推动从动件完成正行程运动，动件完成正行程运动，另一个凸轮推动从动另一个凸轮推动从动件完成反行程的运动件完成反行程的运动第10页/共57页5.反凸轮机构摆杆为主动件，凸轮为从动件摆杆为主动件，凸轮为从动件第11页/共57页反凸轮机构应用实例反凸轮机构应用实例自动铣槽机应用反凸轮机构实现料斗反转第12页/共57页3.1.3 凸轮机构的应用例例1 1：实现变速操纵：实现变速操纵例例2 2：实现自动进刀、退刀：实现自动进刀、退刀例例3 3：控制阀门的启闭：控制阀门的启闭例例4 4：印刷机的吸纸吸头：印刷机的吸纸吸头第13页/共57页3.2 从动件运动规律设计3.2.1 凸轮机构的工作情况第14页/共57页回程运动角回程运动角 近休止角近休止角从动件运动规律（从动件运动线图）从动件运动规律（从动件运动线图）:从动件的位移、速度、加速度、从动件的位移、速度、加速度、跃度随时间或凸轮转角的变化规律跃度随时间或凸轮转角的变化规律 基圆以凸轮轮廓的最小向径rb所作的圆 升距从动件上升的最大距离h 推程运动角0 远休止角s0s第15页/共57页3.2.2 从动件常用运动规律1.等速运动特点：特点：速度有突变，加速速度有突变，加速度理论上由零至无穷大，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适应场合：适应场合：低速轻载低速轻载第16页/共57页2.等加速等减速(抛物线)运动特点：特点：加速度曲线有突变，加速度曲线有突变，加速度的变化率加速度的变化率(即跃度即跃度j)在这些位置为无穷大在这些位置为无穷大柔性冲击柔性冲击适应场合：适应场合：中速轻载中速轻载第17页/共57页3.简谐运动(余弦加速度运动)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律简谐运动 cos12hs特点：有柔性冲击适用场合：中速轻载(当从动件作连续运动时，可用于高速)第18页/共57页4.摆线运动规律（正弦加速度运动规律）半径R=h/2的滚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时间变化的规律摆线运动特点：无刚性、柔性冲击适用场合：适于高速第19页/共57页5.3-4-5次多项式运动规律 54361510hs特点：无刚性冲击、柔性冲击适用场合：高速、中载第20页/共57页3.2.3 从动件运动规律的选择1.常用运动规律性能比较边界条件的不同，可能改变冲击特性第21页/共57页2.从动件运动规律的选择原则考虑因素：对运动规律的要求凸轮的转速（动力特性和便于加工）3.2.4 从动件运动规律的组合1.满足工作对运动规律的特殊要求；2.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，加速度曲线也必须连续。
3.尽量减小速度和加速度的最大值边界条件：组合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第22页/共57页运动曲线拼接步骤运动曲线拼接步骤1.1.理解题意，根据已知条件计算有关数据，将运动要求具理解题意，根据已知条件计算有关数据，将运动要求具体化，草拟出从动件的运动线图：推程？回程？体化，草拟出从动件的运动线图：推程？回程？2.2.按照草拟的运动线图，选择各段运动规律曲线类型按照草拟的运动线图，选择各段运动规律曲线类型3.3.利用各段曲线应满足的边界条件，确定各段运动规律的利用各段曲线应满足的边界条件，确定各段运动规律的行程及其对应的凸轮转角行程及其对应的凸轮转角4.4.精确地作出从动件完整的运动线图精确地作出从动件完整的运动线图教材教材p91-94p91-94：例例3.1 3.1 运动曲线拼接运动曲线拼接第23页/共57页3.3 凸轮轮廓的设计3.3.1 基本原理反转法反转法反转后，从动件尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线第24页/共57页3.3.2 图解法设计凸轮轮廓1.移动从动件盘形凸轮(1)尖端从动件brs-e()已知：基圆半径，曲线，从动件偏置于凸轮轴心右侧，偏距为，等角速度逆时针 旋转。
第25页/共57页设计步骤：设计步骤：1）作出基圆，选定从动件初始）作出基圆，选定从动件初始位置位置2）作偏距圆的分点与位移）作偏距圆的分点与位移-转角转角曲线所分区间一致曲线所分区间一致3）作切射线，截取线段，求出）作切射线，截取线段，求出外廓的一系列位置外廓的一系列位置4）连接并平滑，得到凸轮轮廓）连接并平滑，得到凸轮轮廓5）检查几个问题（压力角）检查几个问题（压力角.）第26页/共57页（2）滚子从动件曲线滚子半径滚子半径，已知：已知：-sr,e,rrb滚子中心将描绘一条与凸轮廓线法向等距的曲线理论廓线rb指的是理论廓线的基圆反转法反转法第27页/共57页 作内包络线，得到凸轮的实际廓线；若同时作外包络线，可形成槽凸轮廓线第28页/共57页（3）平底从动件 取平底从动件表面上的点B0作为假想的尖端从动件的尖端第29页/共57页包络线包络线 为了保证在所有位置从动件平底都能与凸轮轮廓曲线相切，凸轮廓线必须是外凸的第30页/共57页2.摆动从动件盘形凸轮转轴圆分点“位移”为角度从动件常做成弯杆形状？第31页/共57页3.3.3 3.3.3 用解析法设计凸轮廓线用解析法设计凸轮廓线根据反转法原理几何关系，向坐标系投影。
根据反转法原理几何关系，向坐标系投影例如设计例如设计移动滚子从动件盘形凸轮廓线，应列出如下方程：，应列出如下方程：1)理论廓线方程理论廓线方程2)实际廓线方程实际廓线方程3)刀具中心轨迹方程刀具中心轨迹方程第32页/共57页第33页/共57页第34页/共57页第35页/共57页第36页/共57页3.4 凸轮机构(Cam Mechanism)基本尺寸的确定3.4.1 移动滚子从动件盘形凸轮(Disc Cam)机构问题：压力角过大机构尺寸过大运动失真基本参数设计：基本参数设计：1.压力角压力角(Pressure angle)2.基圆半径基圆半径(Radius of base circle)3.偏置方向偏置方向(Offset distance)4.滚子半径滚子半径(Radius of roller)第37页/共57页(1)压力角(Pressure angle)与许用值(Allowable pressure angle)sincos FFFFF1max1 ftgfFF即：自锁80)(45)(30回程：摆动，移动推程：凸轮机构压力角：在不计摩擦的情况下，凸轮对从动件作用力的方向线与从动件上力作用点的速度之间所夹的锐角。
从机构受力看：压力角越小越好Self-locking)第38页/共57页(2)压力角与凸轮基圆半径(Radius of base circle)的关系22berseddstg 凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心右侧：于凸轮轴心右侧：-return risedds凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心于凸轮轴心左侧左侧：22berseddstg第39页/共57页22berseddstg凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心于凸轮轴心右侧右侧：(凸顺，从左）凸顺，从左）凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心于凸轮轴心左侧左侧：(凸顺，从右）凸顺，从右）22berseddstgdds？凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心于凸轮轴心左侧左侧：(凸顺，从右）凸顺，从右）22berseddstg(2)压力角与凸轮基圆半径(Radius of base circle)的关系基圆半径越大，压力角越小基圆半径越大，压力角越小第40页/共57页22taneseddsrb综合以上两式，可得到压力角与综合以上两式，可得到压力角与凸轮基圆半径的关系：凸轮基圆半径的关系：-return risedds 在使在使 的前提下（的前提下（保证传力特性保证传力特性），选取），选取尽可能小的基圆半径（尽可能小的基圆半径（希望结构紧凑希望结构紧凑）：）：P108max(3)凸轮基圆半径(Radius of base circle)的确定第41页/共57页(4)从动件偏置方向的选择22berseddstg凸轮逆时针回转，从动件右偏置凸轮顺时针回转，从动件左偏置凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心于凸轮轴心右侧右侧：(凸顺，从左）凸顺，从左）凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心于凸轮轴心左侧左侧：(凸顺，从右）凸顺，从右）22berseddstgdds？减少推程压力角减少推程压力角:凸轮逆时针方向转动、从动件偏凸轮逆时针方向转动、从动件偏于凸轮轴心于凸轮轴心左侧左侧：(凸顺，从右）凸顺，从右）22berseddstg第42页/共57页(5)凸轮轮廓形状(Cam profile)与滚子半径的关系 外凸凸轮廓线0rr0minmin0min 第43页/共57页 0rr0minmin0min实际廓线(Cam profile)出现尖点第44页/共57页 0rr0minmin0min实际廓线出现交叉，从动件不能准确地实现预期的运动规律运动失真(Undercutting)第45页/共57页 内凹凸轮廓线 无论滚子半径多大，总能由理论轮廓(Pitch curve)求出实际轮廓。
第46页/共57页 运动失真原因：避免方法：滚子半径的选择考虑结构、强度与运动规律等因素rmin0min0min0增大增大)8.0(减小滚子半径brrr第47页/共57页3.4.2 移动平底从动件盘形凸轮机构（Disc cam mechanism with reciprocating flat-face follower)凸轮出现过度切割(undercutting)的现象，从动件无法完全实现预期的运动规律运动失真问题：p基圆半径过小基圆半径过小p从动件升程过大从动件升程过大,或推程角过小或推程角过小第48页/共57页基圆半径的确定:偏距e：不影响凸轮廓线的形状第49页/共57页基圆半径的确定移动平底从动件盘形凸轮移动平底从动件盘形凸轮min22dsdsrbmin22mindsdsrb基圆半径的取值范围条件：避免运动失真上述基圆半径的取值能够保证凸轮廓线全部外凸，并避免廓线变尖或出现交叉第50页/共57页减小升程h增大基圆rb增大偏心e移动平底从动件盘形凸轮移动平底从动件盘形凸轮第51页/共57页 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，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。
第52页/共57页 平底宽度的确定minmaxddsddsB右侧 左侧ddsL 接触点偏离轴心的距离：平底宽度：第53页/共57页3.5 凸轮机构的计算机辅助设计凸轮机构的设计步骤凸轮机构的设计步骤1、根据使用场合和工作要求，、根据使用场合和工作要求，选择凸轮机构的类型选择凸轮机构的类型（合理选择（合理选择凸轮和从动件的形式）凸轮和从动件的形式）2、根据工作要求，、根据工作要求，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3、根据机构的具体结构条件，、根据机构的具体结构条件，初选凸轮的基圆半径初选凸轮的基圆半径4、设计凸轮的轮廓，分析凸轮轮廓是否合理设计凸轮的轮廓，分析凸轮轮廓是否合理(传力特性：压力传力特性：压力角不超过许用值；不产生运动失真：最小曲率半径不小于角不超过许用值；不产生运动失真：最小曲率半径不小于许用值）许用值）5、设计结构和材料选择设计结构和材料选择掌握凸轮机构计算机辅助设计的完整设计过程 注意设计的目标以及在程序流程图中的实现第54页/共57页本章的基本要求 掌握根据工作要求和使用场合选择凸轮机构的类型；掌握从动件几种常用运动规律的特点和适用场合，以及不同运动规律位移曲线的拼接方法；熟练掌握运用反转法原理设计凸轮廓线；掌握设计凸轮机构的基本步骤；掌握移动滚子和平底从动件盘形凸轮机构基本尺寸（如基圆半径、滚子半径、平底宽度和偏置方向等）的确定原则；了解采用计算机对凸轮机构进行辅助设计的方法。
第55页/共57页第三章 凸轮机构 作业第5周作业：题3.3；3.4；3.5：移动滚子、平底、摆动从动件盘形凸轮机构中凸轮廓线设计(用图解法）；第6周作业题3.8：反转法应用及压力角概念；题3.10：凸轮机构基本参数设计题3.13：串连式的凸轮机构+连杆机构设计 (用图解法）选做练习题（不作为作业）选做练习题（不作为作业）题题3.3.2 2：从动件运动规律的拼接；：从动件运动规律的拼接；任选习题集中任选习题集中3.153.15*or 3.16 or 3.16*中一题，写出计算机辅助设计凸轮机中一题，写出计算机辅助设计凸轮机构的流程图，并编制相关的计算程序，撰写设计报告构的流程图，并编制相关的计算程序，撰写设计报告第56页/共57页感谢您的观看！第57页/共57页。