凸轮机构原理与应用教材

1、机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构第第3 3章章 凸轮机构凸轮机构 凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型 从动件运动规律设计从动件运动规律设计 凸轮轮廓的设计凸轮轮廓的设计 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定 凸轮机构的计算机辅助设计凸轮机构的计算机辅助设计机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构3.1 3.1 凸轮机构的组成与类型凸轮机构的组成与类型3.1.1 3.1.1 凸轮机构的组成凸轮机构的组成 1 1 凸轮凸轮 2 2 从动件从动件 3 3 机架机架 高副机构机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构3.1.2 3.1.2 凸轮机构的类型凸轮机构的类型1. 1. 按凸轮的形状分类按凸轮的形

2、状分类盘形凸轮盘形凸轮：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 移动凸轮 圆柱凸轮机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构2. 2. 按从动件的形状分类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。机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构 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，

3、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。机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构3. 3. 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 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

4、圆弧。机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构4.4.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(1) (1) 力锁合力锁合弹簧力、从动件重力或其它外力弹簧力、从动件重力或其它外力(2) (2) 型锁合型锁合利用高副元素本身的几何形状利用高副元素本身的几何形状机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构槽凸轮机构槽凸轮机构 槽两侧面的距离槽两侧面的距离等于滚子直径。等于滚子直径。优点优点：锁和方式结构简单：锁和方式结构简单缺点缺点：加大了凸轮的尺寸和重量：加大了凸轮的尺寸和重量机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构等宽凸轮机构等宽凸轮机构 凸轮廓线上任意两条凸轮廓线上任意两条平行切线间的距

5、离都等于平行切线间的距离都等于框架内侧的宽度。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机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构等径凸轮机构等径凸轮机构 两滚子中心间的两滚子中心间的距离始终保持不变。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机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构主回凸轮机构主回凸轮机构( (共轭凸轮机构共轭

6、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机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构5. 5. 反凸轮机构反凸轮机构摆杆为主动件，凸轮为从动件摆杆为主动件，凸轮为从动件机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构3.1.3 3.1.3 凸轮机构的应用凸轮机构的应用例例1 1：实现变速操纵：实现变速操纵机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构例例2 2：实现自动进刀、退刀：实现自动进刀、退刀机械原理机械

7、原理凸轮机构凸轮机构例例3 3：控制阀门的启闭：控制阀门的启闭机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构例例4 4：印刷机的吸纸吸头：印刷机的吸纸吸头机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构3.2 3.2 从动件运动规律设计从动件运动规律设计3.2.1 3.2.1 凸轮机构的工作情况凸轮机构的工作情况机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构 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（从动件位移线图）从动件运动规律（从动件位移线图） 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 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 h 推程运动角推程运动角0 0 远休止角远休止

8、角s s0s机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构3.2.2 3.2.2 从动件常用运动规律从动件常用运动规律1.1.等速运动等速运动特点：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：低速轻载低速轻载机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构2.2.等加速等减速等加速等减速( (抛物线抛物线) )运动运动特点：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

9、击适应场合：适应场合：中速轻载中速轻载机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构3.3.简谐运动简谐运动( (余弦加速度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)机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构4.4.摆线运动摆线运动( (简介简介) ) 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：适于高速机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构5. 3-4-55. 3-4-5多项式运动多项式运动( (简介简

10、介) ) 54361510hs特点：无刚性冲击、柔性冲击适用场合：高速、中载机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构3.2.3 3.2.3 从动件运动规律的选择从动件运动规律的选择1. 1. 常用运动规律性能比较常用运动规律性能比较机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构2.2.从动件运动规律的选择原则从动件运动规律的选择原则考虑因素：考虑因素：对运动规律的要求对运动规律的要求凸轮的转速（动力特性和便于加工）凸轮的转速（动力特性和便于加工）3.2.4 3.2.4 从动件运动规律的组合从动件运动规律的组合1.1.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；2.2.为避免刚性冲击，位移曲线和速度曲

11、线必须连续；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。而为避免柔性冲击，加速度曲线也必须连续。3. 3. 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。机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构3.3 3.3 凸轮轮廓的设计凸轮轮廓的设计3.3.1 3.3.1 基本原理（反转法）基本原理（反转法）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。机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构3.3.2 3.3.2 图解法设计凸轮轮廓图解法设计凸轮轮廓1. 1. 移动从动件盘形凸轮移动从动件盘形凸轮(1)(1)尖底从动件尖底从动件旋旋转转。逆逆时时针针，

12、等等角角速速度度偏偏距距为为置置于于凸凸轮轮轴轴心心右右侧侧，曲曲线线，从从动动件件偏偏，已已知知：基基圆圆半半径径)(e-srb 机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构（2 2）滚子从动件）滚子从动件曲曲线线。，滚滚子子半半径径，已已知知： -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。反转法反转法机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构 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。机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构（3 3）平底从动件）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

13、端。机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构包络线包络线 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。机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构2. 2. 摆动从动件盘形凸轮摆动从动件盘形凸轮机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构3.3.3 3.3.3 解析法解析法( (略略) )3.4 3.4 凸轮机构基本尺寸的确定凸轮机构基本尺寸的确定3.4.1 3.4.1 移动滚子从动件盘形凸轮移动滚子从动件盘形凸轮机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构(1) 压力角与许用值压力角与许用值sincos FFFFF1max1 ftgfFF即：自锁80)(45)(30回程：摆动，移动推程：机械原理机械原理凸

14、轮机构凸轮机构(2) 凸凸轮基圆半径的确定轮基圆半径的确定 基圆半径越大，压基圆半径越大，压力角越小，但结构尺寸力角越小，但结构尺寸较大较大22berseddstg 机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构(3) 从从动件偏置方向的选择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，从动件左偏置机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构(4)凸轮轮廓形状与滚子半径的关系凸轮轮廓形状与滚子半径的关系 外凸凸轮廓线外凸凸轮廓线0rr0minmin0min 机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构 0rr0minmin0min实际廓线出现尖点机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构 0rr0m

15、inmin0min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机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构 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轮廓。机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构 运动失真运动失真原因：原因：避免方法：避免方法： 滚子半径的选择滚子半径的选择考虑结构、强度与运动规律等因素考虑结构、强度与运动规律等因素rmin0min0min0大大)8 . 0(减小滚子半径brrr机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构3.4.2 3.4.2 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，从动件无法完全实现预期的运动规律。原因？机械原理机械原理凸轮机构凸轮机构减小升程h增大基圆rb增大