总05--凸轮机构.ppt

第四章 凸轮机构,凸轮机构,1,凸轮机构的特点、应用与分类,2,从动件运动规律及其选择,3,凸轮轮廓,曲线的设计,4,盘形凸轮机构基本尺寸的确定,总,目录,退出系统,凸轮机构,-,含有凸轮的高副机构,凸轮机构的应用和分类,推杆运动规律,凸轮设计原理,重点：反转设计原理,凸轮轮廓曲线的设计方法,凸轮基本尺寸的确定,难点：影响凸轮基本尺寸的因素,授课内容和重点、难点,教学计划,课次一,课次二,1,凸轮机构的特点、应用与分类,一、,凸轮机构的组成、特点,与应用,基本组成：,1-,凸轮,一般为主动件,2-,推杆,一般为从动件,3-,机架,1,2,3,4,1.,凸轮机构,的组成,附加装置：,4-,锁合装置,其作用是保,持高副锁合（封闭）,凸轮,具有曲线轮廓或凹槽的构件,内燃机配气机构,自动机床进刀机构,2.,凸轮机构的特点,、应用及其实例,(1),推杆可实现各种预期,的运动规律；,用于传力不大的,控制和调节装置,凸轮机构,特点,应用,实例,组成,凸轮,+,推杆,+,机架（,+,锁合装置）,在印刷机中的应用,在转位设备中的应用,在机加工中的应用,第四章 凸轮机构,(3),结构简单，构件少。,(2),凸轮与推杆高副接触，,传力小；,凸轮机构,在印刷机中的应用,第四章 凸轮机构,凸轮机构在转位设备中的应用,第四章 凸轮机构,凸轮机构在机加工中的应用,第四章 凸轮机构,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,盘形凸轮,移动凸轮,圆柱凸轮,12,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,二、凸轮机构的分类与命名,2.,按推杆（从动件）的形状分类,尖顶推杆,曲面推杆,尖端能与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,作用力小或低速场合。,磨损比尖端从动件小。,滚子推杆,平底推杆,凸轮与从动件之间为滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，可用于,传递较大的动力,。,从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑状况好，受力平稳，传动效率高，常用于,高速,场合。但与之相配合的凸轮轮廓须全部外凸。,3.,按推杆的运动形式分类,直动推杆,摆动推杆,直动推杆,：,推杆作往复移动，其运动轨迹为一段直线；（对心、,偏置,）,摆动推杆,：,推杆作往复摆动，其运动轨迹为一段圆弧。,二、凸轮机构的分类与命名,用一例说明，对图示凸轮机构作如下分析：,凸 轮 形 状：,那么，该凸轮机构的名字可以命为：,对心,直动,尖顶从动件,盘形,凸轮,机构,偏置,滚子从动件,平底从动件,空间凸轮,移动凸轮,其它类型,盘形凸轮,（对心）直动,尖顶,可以组合出多种类型的凸轮机构,第四章 凸轮机构,单击鼠标继续,摆动,运动副元素形状：,从动件运动形式：,单击鼠标继续,更多类型,偏置直动尖顶从动件盘形凸轮机构,对心直动滚子从动件盘形凸轮机构,尖顶摆动从动件盘形凸轮机构,对心直动平底从动件盘形凸轮机构,滚子摆动从动件盘形凸轮机构,平底摆动从动件盘形凸轮机构,第四章 凸轮机构,4.,按凸轮与推杆维持高副接触的方法分类,(1),力锁合,弹簧力、推杆重力或其它外力,(2),几何,锁合,利用高副元素本身的几何形状,沟槽凸轮机构,槽两侧面的距离,等于滚子直径。,优点,：锁和方式结构简单,缺点,：加大了凸轮的尺寸和重量,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,：,推杆的运动规律的选择受到一定的限制，当,180,范围内的凸轮廓线根据推杆运动规律确定后，其余,180,内的凸轮廓线必须符合等宽原则。,等径凸轮机构,两滚子中心间的距离始终保持不变。,缺点：,推杆运动规律的选择受到一定的限制,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,缺点,：,结构复杂，制造精度要求高,一个凸轮推,动推杆完成正行程,运动，另一个凸轮,推动推杆完成反行,程的运动。,5.,反凸轮机构,推杆为主动件，凸轮为从动件,9.2,推杆运动规律设计,9.2.1,凸轮机构的,基本概念,回程,推杆从距凸轮转动中心最远点向最近点运动的过程；,回程运动角,0,回程凸轮相应所转过的角度叫回程运动角。,行程,推杆在推程或回程所运动的距离，用,h,表示。,近休止角,01,推杆,在距凸轮转动中心最近位置静止不动时，凸轮所转过的角度。,推杆运动规律（推杆位移线图）,基圆,以凸轮轮廓的最小向径,r,b,所作的圆,推程,推杆从距凸轮转动中心最近点向最远点运动的过程；,推程运动角,0,推程凸轮相应所转过的角度叫推程运动角。,远休止角,01,推杆,在距凸轮转动中心最远位置静止不动时，凸轮所转过的角度。,9.2.2,推杆常用运动规律,1,、多项式运动规律,推杆常用的运动规律,（以推程为例）,其中,：,凸轮转角；,s,推杆位移,C,0,C,1,C,n,待定系数，据边界条件确定。,（,1,）等速运动（,n=1,）,特点：,速度有突变，加速度理论上由零至无穷大，从而使从动件产生巨大的惯性力，机构受到强烈冲击,刚性冲击,适应场合：,低速轻载,边界条件：,=,0,时，,s=,0,；,=,0,时，,s=,h,C,0,=0,，,C,1,=,h,/,0,推程,回程,二、从动件常用运动规律,等速运动特点：,在行程的起始和终止位置有刚性冲击，,适用于低速。,第四章 凸轮机构,1.,等速运动规律,刚性冲击,当速度有突变时，理论上加速度为无穷大，此时推杆上的惯性力产生的冲击。,（,2,）等加速等减速,(,抛物线,),运动,特点：,加速度曲线有突变，加速度的变化率,(,即跃度,j),在这些位置为无穷大,柔性冲击,适应场合：,中速轻载,为保证凸轮机构运动平稳性，常使推杆先加速再减速，且加速、减速段凸轮运动角及推杆的行程各占一半。,（,3,）,3-4-5,多项式运动,(,简介,),特点：,无刚性冲击、柔性冲击,适用场合：,高速、中载,（,1,）,简谐运动,(,余弦加速度运动,),特点：,有柔性冲击,适用场合：,中速轻载,(,当推杆作连续运动时，可用于高速,),2,、三角函数运动规律,简谐运动,：圆周上匀速运动的质点在其直径上的投影构成的运动规律。,加速度,一般方程：,（,2,）,摆线运动,(,正弦加速度运动,),特点：,无刚性、柔性冲击,适用场合：,适于高速,摆线,：沿直线匀速纯滚动的圆上任意点的轨迹,加速度,一般方程：,9.2.3,从动件运动规律的选择,1.,常用运动规律性能比较,2.,从动件运动规律的选择原则,（,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。,对于重载凸轮机构：应选择,V,max,值较小的运动规律；,对于高速凸轮机构：应选择,a,max,值较小的运动规律。,a,max,动量,mv,若机构突然被卡住，则冲击力将很大,（,F=,mv/t,）。,对重载凸轮，则适合选用,V,max,较小的运动规律。,惯性力,F=-m,a,，,对强度和耐磨性要求,。,对高速凸轮，希望,a,max,愈小愈好。,V,max,高速重载凸轮要选,V,max,和,a,max,比较小的理由：,图示凸轮机构从动件推程运动线图是由哪两种常用的基本运动规律组合而成？并指出有无冲击。如果有冲击，哪些位置上有何种冲击？（从动件运动形式为停,升,停）。,9.3,凸轮轮廓的设计,反转后，推杆尖端的运动轨迹就是凸轮的轮廓曲线。,正转,反转,9.3.1,基本原理,（反转法）,O,9.3.1,凸轮廓线设计方法的基本原理,反转原理：,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,3,3,-,1,1,1,2,2,1,具体作图过程,:,作图设计过程分三步：,从动件反转、确定尖顶的位置、用光滑曲线连接各点,凸轮转动一个角度，从动件会上升一段距离，,若观察者站在凸轮上，会看到从动件反向转动相同的角度,1,2,3,若凸轮转过,90,度，从动件会到达,3,O,-,1,1,60,r,0,120,-,1,已知凸轮的基圆半径,r,0,，,角速度,和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,设计步骤小结：,选比例尺,l,作基圆,r,0,。,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,1,3,5,7,8,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,90,90,A,1,8,7,6,5,4,3,2,14,13,12,11,10,9,9.3.2,图解法设计凸轮轮廓,60,120,90,90,1,3,5,7,8,9,11,13,15,s,9,11,13,12,14,10,2),对心直动滚子推杆盘形凸轮,s,9,11,13,15,1,3,5,7,8,r,0,A,120,-,1,设计步骤小结：,选比例尺,l,作基圆,r,0,。,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。,1,3,5,7,8,9,11,13,12,14,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,60,90,90,1,8,7,6,5,4,3,2,14,13,12,11,10,9,理论轮廓,实际轮廓,作各位置滚子圆的内,(,外,),包络线。,已知凸轮的基圆半径,r,0,，,角速度,和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,60,120,90,90,3),对心直动平底推杆盘形凸轮,s,9,11,13,15,1,3,5,7,8,r,0,已知凸轮的基圆半径,r,0,，,角速度,和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,设计步骤：,选比例尺,l,作基圆,r,0,。,反向等分各运动角。原则是：陡密缓疏。,确定反转后，从动件平底直线在各等份点的位置。,作平底直线族的内包络线。,8,7,6,5,4,3,2,1,9,10,11,12,13,14,-,A,1,3,5,7,8,9,11,13,12,14,1,2,3,4,5,6,7,8,15,14,13,12,11,10,9,60,120,90,90,9,11,13,15,1,3,5,7,8,O,e,A,已知,:,凸轮的基圆半径,r,0,，,角速度,和从动件的运动规律和偏心距,e,，,设计该凸轮轮廓曲线。,4),偏置直动尖顶,从动件,盘形凸轮,1,3,5,7,8,9,11,13,12,14,-,6,1,2,3,4,5,7,8,15,14,13,12,11,10,9,设计步骤小结：,选比例尺,l,作基圆,r,0,;,反向等分各运动角,;,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。,15,14,13,12,11,10,9,k,9,k,10,k,11,k,12,k,13,k,14,k,15,1,2,3,4,5,6,7,8,k,1,k,2,k,3,k,5,k,4,k,6,k,7,k,8,60,120,90,90,s,5),摆动尖顶推杆盘形凸轮机构,120,B,1,1,r,0,60,120,90,90,已知,:,凸轮的基圆半径,r,0,，,角速度,，,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。,1,2,3,4,5,6,7,8,5,6,7,8,B,1,B,2,B,3,B,4,B,5,B,6,B,7,B,8,60,90,-,d,A,B,l,1,2,3,4,B,2,2,B,3,3,B,4,4,B,5,5,B,6,6,B,7,7,A,1,A,2,A,3,A,4,A,5,A,6,A,7,A,8,y,x,B,0,9.3.3,用解析法设计凸轮的轮廓曲线,1),偏置直动滚子推杆盘,形凸轮机构,实际轮廓线为理论轮廓的等距线,。,曲线任意点切线与法线斜率互为负倒数：,原理：,反转法,设计结果：,轮廓的参数方程,:,x=x(,),y=y(,),x=,(s,0,+s)sin,+,ecos,y=,(s,0,+s)cos,-,esin,e,tan=,-,dx,/,dy,=(,dx/d,),/,(,-,dy/d,),=,sin,/,cos,(1),e,r,0,-,r,r,r,0,s,0,s,n,n,s,0,y,x,已知：,r,0,、,r,T,、,e,、,、,S=S(),由图可知：,s,0,(r,0,2,-e,2,),(x,y),r,r,n,n,对,(1),式求导，得：,dx/d,(,ds/d,-,e)sin,+(s,0,+s)cos,式中,:,“,”,对应于内等距线，,“”,对应于外等距线。,实际轮廓为,B,点的坐标：,x,=,y,=,x,-,r,r,cos,y,-,r,r,sin,y,x,B,0,e,e,r,0,-,r,r,r,0,s,0,s,n,n,s,0,y,x,(,dx/d,),(dx/d),2,+(dy/d),2,得：,sin=,-(,dy/d,),(dx/d),2,+(dy/d),2,cos,=,(x,y,),(x,y,),dy/d,(,ds/d,-,e)cos,-,(s,0,+s)sin,作者：潘存云教授,s,0,r,0,B,0,O,x,y,(,x,y,),2),对心直动平底推杆盘形凸轮,OP=v/,y=,x=,建立坐标系如图：,P,点为相对瞬心，,(r,0,+s)sin,+(,ds/d,)cos,(r,0,+s)cos,(,ds/d,)sin,v,推杆移动速度为：,=,(,ds/dt)/(d/dt,),=,ds/d,v=,v,p,=OP,-,ds/d,s,0,s,P,B,反转,后，推杆移动距离为,S,，,0,x,r,0,O,y,l,A,0,B,0,3),摆动滚子推杆盘形凸轮机构,已知,：,中心距,a,，,摆杆长度,l,，,0,、,、,S=S(),理论廓线方程：,x=,y=,实际轮廓方程的求法同前。,asin,l sin(,+,+,0,),acos,l,cos,(,+,+,0,),l sin(,+,+,0,),asin,y,x,a,a,对应点,B,的坐标为：,x,=x,r,r,cos,y,=y,r,r,sin,A,-,B,0,acos,9,4,凸轮机构基本尺寸的确定,上述设计廓线时的凸轮结构参数,r,0,、,e,、,r,r,等，是预先给定的。实际上，这些参数也是根据机构的受力情况是否良好、动作是否灵活、尺寸是否紧凑等因素由设计者确定的。,1.,凸轮机构的压力角,2,.,凸轮基圆半径的确定,3.,滚子半径的确定,4.,平底尺寸,l,的确定,l,b,B,d,1.,凸轮机构的压力角,受力图中，由,F,x,=0,，,F,y,=0,，,M,B,=0,得,：,F,R2,F,R1,t,t,n,n,1,2,2,-Fsin(,+,1,)+(F,R,1,F,R2,)cos,2,=0,G+Fcos(,+,1,)(F,R,1,+F,R,2,)sin,2,=0,F,R,2,cos,2,(l+b)F,R,1,cos,2,b=0,由以上三式消去,F,R1,、,F,R2,得：,v,G,F=,cos(,+,1,)(,1,+,2,b/l)sin(,+,1,)tan,2,G,压力角,正压力与推杆上,B,点速度方向之间的夹角,分母,F,若,大到使分母趋于,0,，则,F,机构发生自锁,F,对,B,点取矩,称,c,=artan,1/(,1,+,2,b/l)tan,2,-,1,为临界压力角,。,增大导轨长度,l,或减小悬臂尺寸,b,可提高,c,工程上要求：,max,直动推杆：,30,摆动推杆：,35,45,回程：,70,80,提问：平底推杆,？,n,n,0,v,O,r,0,B,O,s,0,s,D,P,点为相对瞬心：,由,BCP,得,:,2.,凸轮基圆半径的确定,ds/d,OP=v/,=,ds/dt,/,d,/dt,=,ds/d,运动规律确定之后，凸轮机构的压力角,与基圆半径,r,0,直接相关。,=(ds/d-e)/(s,0,+s),tan,=(OP-e)/BC,n,n,P,v,v,r,0,tan,=,s+r,2,0,-,e,2,ds/d,-,e,其中：,s,0,=r,2,0,-e,2,r,0,图示,凸轮机构中，导路位于右侧。,e,e,C,作者：潘存云教授,O,B,ds/d,tan,=,s+r,2,0,-e,2,ds/d,+,e,n,n,同理，当导路位于中心左侧时，有：,CP=,ds/d,+,e,e,P,C,r,0,s,0,s,D,=(ds/d+e)/(s,0,+s),tan,=(OP+e)/BC,其中：,s,0,=r,2,0,-e,2,e,OP=v/,=,ds/dt,/,d,/dt,=,ds/d,此时，当偏距,e,增大时，压力角反而增大。,对于直动推杆凸轮机构存在一个正确偏置的问题！,综合考虑两种情况有：,tan,=,s+r,2,0,-e,2,ds/d,e,“,+,”,用于导路和瞬心位于凸轮回转中心的两侧；,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。,正确偏置：,导路位于与凸轮旋转方向,相反的位置。,o,B,设计：潘存云,n,n,P,e,B,0,n,n,P,e,正确偏置,错误偏置,“,-,”,用于导路和瞬心位于凸轮回转中心的同侧；,3,、压力角与推杆偏置关系,偏置方向：,由凸轮回转中心做推杆轴线的垂线，得垂足,C,，,该点速度方向：,与推杆推程方向同,正偏置，,e,为正；,与推杆推程方向反,反偏置，,e,为负。,正偏置,推程,，回程,；,负偏置,推程,，,回程,。,凸轮逆时针回转时，推杆的轴线偏于凸轮轴心右侧；,凸轮顺时针回转时，推杆的轴线偏于凸轮轴心左侧。,设计时要求：,于是有：,对心布置有：,tan,=,ds/d,/(r,0,+s,）,提问：,在设计一对心凸轮机构设计,时，,当出现,的情况，在不改变运动规律的前提下，可采取哪些措施来进行改进？,1),加大基圆半径,r,0,，,2),将对心改为偏置，,3),采用平底从动件,tan,=(ds/d-e)/(r,0,2,-e,2,),1/2,+s,=0,r,0,e,tan,=,s+r,2,0,-e,2,ds/d,e,a,工作轮廓的曲率半径,，,理论轮廓的曲率半径，,r,r,滚子半径,r,T,a,r,T,r,T,轮廓失真,3.,滚子半径的确定,a,r,T,r,T,a,r,T,0,轮廓正常,轮廓变尖,内凹,a,r,T,r,T,r,T,r,T,a,r,T,轮廓正常,外凸,r,T,a,动画,动画,动画,动画,可用求极值的方法求得,min,常采用上机编程求得,min,工程上要求,a,1,5mm,若,不满足此条件,时：,增大,r,0,减小,r,r,r,0,8,7,6,5,4,3,2,1,9,10,11,12,13,14,-,A,1,2,3,4,5,6,7,8,15,14,13,12,11,10,9,4.,平底尺寸,l,的确定,l,max,a),作图法确定：,l=2l,max,+(57)mm,v,C,r,0,O,x,y,ds/d,l,max,=,ds/d,max,P,点为相对瞬心，有：,b),计算法确定：,BC=OP,=,v/,=,ds/dt,/,d,/dt,=,ds/d,l=2,ds/d,max,+(57),mm,v,=OP,B,0,-,s,0,s,P,B,v,对平底推杆凸轮机构，也有失真现象。,O,r,0,可通过增大,r,0,解决此问题。,r,0,小结：,在进行凸轮廓线设计之前，需要先确定,r,0,而在定,r,0,时，应考虑,结构条件,（不能太小）、,压力角,、工作轮廓是否,失真,等因素。在条件允许时，应取较大的导轨长度,L,和较小的悬臂尺寸,b,。,对滚子推杆，应恰当选取,r,r,，,对平底推杆，应确定合适的平底长度,l,。,还要满足强度和工艺性要求。,填空题：,（,1,）在凸轮机构几种基本的从动件运动规律中，,运动规律产生刚性冲击，,运动规律产生柔性冲击，,运动规律则没有冲击。,（,2,）设计滚子推杆盘形凸轮机构的廓线时，若发现凸轮廓线有变尖现象，则在尺寸参数的改变上应采取的措施是,或,。,（,3,）滚子从动杆盘形凸轮，它的实际廓线是理论廓线的,曲线。,（,4,）维持凸轮与从动杆高副接触封闭的方法有,、,。,（,5,）凸轮机构中的压力角是,和,所夹的锐角。,练一练,图示凸轮机构中,凸轮廓线为圆形,几何中心在,B,点,.,请标出,:1,）凸轮的理论廓线；,2,）凸轮的基圆；,3,）凸轮机构的偏距圆；,4,）凸轮与从动件在,D,点接触时的压力角；,5,）凸轮与从动件从在,C,接触到在,D,点接触,时凸轮转过的角度。,理论廓线,基圆,偏距圆,压力角,凸轮与从动件在,D,点接触时的压力角为,:,凸轮与从动件从在,C,接触到在,D,点接触时凸轮转过的角度为,:,进 入 下,一章学习,回本章首页,该下课了！,