凸轮机构教学课件

凸轮机构原理及设计凸轮机构的定义和组成定义凸轮机构是一种由凸轮、从动件和机架组成的机构，它通过凸轮的旋转或摆动来改变从动件的运动轨迹，实现直线或曲线运动的转换。凸轮机构的运动形式多样，应用广泛。组成凸轮机构通常由凸轮、从动件、机架和弹簧等组成，其中凸轮是机构的主动件，通过自身的旋转或摆动来控制从动件的运动，从动件则是被凸轮控制的被动件，其运动方式和轨迹由凸轮的形状和运动规律决定。凸轮机构的工作原理凸轮旋转凸轮绕其轴线旋转，其轮廓曲线与从动件的接触点发生相对运动。轮廓曲线作用凸轮轮廓曲线引导从动件沿预定的轨迹运动，实现所需的运动规律。从动件运动从动件受到凸轮轮廓曲线的约束，并根据凸轮的旋转运动产生相应的运动，例如直线运动或摇摆运动。凸轮曲线的分类基本型曲线常用基本型曲线：等速曲线、正弦曲线、余弦曲线、抛物线等。组合型曲线由基本型曲线组合而成，例如双抛物线曲线、多段连续曲线。特殊型曲线根据特定功能需求设计，例如圆弧曲线、斜坡曲线、齿形曲线等。凸轮曲线的几何特性基圆凸轮轮廓与从动件接触点轨迹的最小距离圆压力角凸轮轮廓上的法线与从动件速度方向之间的夹角升程从动件在凸轮转动一个周期内运动的总距离回程从动件在凸轮转动一个周期内运动的总距离偏距凸轮中心与从动件中心之间的距离凸轮曲线的数学表达函数方程凸轮轮廓曲线可由函数方程表示，例如多项式方程或三角函数方程。参数方程参数方程是使用一个参数来描述曲线，可以更方便地描述复杂形状的凸轮曲线。设计标准化凸轮曲线1标准化凸轮曲线标准化凸轮曲线具有以下特点:易于设计和制造便于分析和计算具有较好的运动特性2常见标准化凸轮曲线常见标准化凸轮曲线包括:正弦曲线抛物线圆弧曲线3设计方法设计标准化凸轮曲线需要考虑以下因素:运动规律尺寸精度加工工艺常见标准化凸轮曲线1正弦曲线平滑过渡，运动平稳，但速度变化较快。2多项式曲线可实现复杂运动，但设计较为复杂。3圆弧曲线结构简单，易于加工，但运动不平稳。非标准化凸轮曲线设计1定制需求根据特定应用需求定制曲线形状2曲线方程使用数学函数描述曲线形状3数值模拟利用计算机软件进行模拟和优化凸轮位移图的绘制1确定坐标系建立以凸轮旋转角度为横坐标，从动件位移为纵坐标的坐标系。2绘制运动规律根据凸轮机构的运动规律，绘制从动件位移随时间变化的曲线。3标注关键点标注从动件位移曲线上的关键点，例如最大位移、最小位移、拐点等。绘制凸轮位移图是设计凸轮机构的重要步骤，它直观地反映了从动件的运动规律，便于分析和计算凸轮机构的运动特性。凸轮机构的动力学分析1速度计算凸轮机构中各构件的速度。2加速度分析凸轮机构中各构件的加速度。3力计算凸轮机构中各构件的受力情况。4功分析凸轮机构的能量转化和功的传递。凸轮机构的速度分析1速度图凸轮机构的运动特性可以通过绘制速度图来分析。2速度关系速度图反映了从动件的速度变化趋势，有助于理解凸轮机构的运动规律。3速度计算利用微积分方法可以精确计算凸轮机构在不同位置的速度。凸轮机构的加速度分析加速度分析方法切向加速度由速度变化率决定法向加速度由运动轨迹的曲率半径决定合成加速度切向加速度和法向加速度的矢量和凸轮机构的力与功分析力分析凸轮机构中，运动副产生的约束力，以及凸轮轮廓的几何形状，决定着机构的运动规律。分析力的作用，了解力的传递和平衡，可有效控制机构运动。功分析研究凸轮机构的功，可以计算不同运动状态下的能量消耗，优化机构设计，提高效率，减少能量损失。凸轮机构的应力分析应力类型影响因素分析方法弯曲应力凸轮轮廓形状、载荷大小有限元分析接触应力接触面的材料特性、载荷方向赫兹接触理论疲劳应力重复载荷、材料疲劳强度S-N曲线法凸轮机构的制造工艺材料选择选择合适的材料，如钢、铸铁、铝合金等，要考虑耐磨性、强度、刚度等因素。加工方法常用的加工方法包括铣削、车削、磨削、电火花加工等，需根据凸轮形状和精度要求选择合适的加工方法。热处理对凸轮进行热处理，提高其硬度和耐磨性，延长使用寿命。表面处理对凸轮表面进行硬化处理，提高其耐磨性，如镀铬、氮化等。凸轮机构的装配与调试1正确安装按照设计图纸，将凸轮、从动件、轴承等部件安装到位。2调整间隙确保凸轮与从动件之间有合适的间隙，避免磨损和卡死。3润滑系统根据需要添加润滑油或脂，以减少摩擦和磨损。4性能测试在不同负载下运行凸轮机构，检查其运动轨迹、速度和加速度是否符合设计要求。凸轮机构的维护与保养定期检查确保凸轮、从动件和轴承处于良好状态，及时发现磨损或故障。润滑定期给凸轮机构的运动部件进行润滑，减小摩擦，延长使用寿命。清洁保持凸轮机构的清洁，防止灰尘和杂物进入，影响正常工作。凸轮机构设计实例1此实例展示了一个用于控制发动机气门开闭的凸轮机构设计，该设计需考虑气门升程、开启时间和关闭时间等因素，以及凸轮机构的尺寸和材料选择。通过实例分析，可以帮助学生更好地理解凸轮机构的设计原理和方法，并学习如何根据具体应用需求进行设计。凸轮机构设计实例2该凸轮机构用于高速精密加工设备，需要保证运动精度和快速响应。设计要点包括：采用高精度凸轮轮廓设计优化凸轮机构的运动轨迹选择合适的材料和制造工艺凸轮机构设计实例3凸轮机构可以用于实现各种复杂的运动轨迹，例如汽车发动机的气门机构、自动售货机中的取货机构等。在设计凸轮机构时，需要考虑运动精度、速度、加速度、力和功等因素，并选择合适的凸轮曲线类型和制造工艺。例如，在一个自动化生产线上，需要将一个工件从一个位置移动到另一个位置，并进行旋转。可以使用一个凸轮机构来实现这个运动，其中凸轮的轮廓根据工件的运动轨迹进行设计。在设计时，需要考虑工件的重量、运动速度、加速度以及所需的旋转角度等因素，并选择合适的凸轮曲线和制造工艺。凸轮机构设计实例4机械臂控制系统凸轮机构可以用于控制机械臂的运动轨迹，实现精确的定位和抓取动作。自动包装机凸轮机构可以用于控制包装机的送料、封口、切断等动作，提高生产效率和包装质量。凸轮机构设计图纸设计图纸应包含凸轮廓线、从动件尺寸、运动规律等关键信息，并符合相关标准和规范。凸轮机构设计实例5凸轮机构广泛应用于机械设计领域，在自动化生产线中更是不可或缺的部件。这里我们将探讨一个具体的凸轮机构设计实例，以展示其设计过程及关键要素。该实例将重点介绍一个用于包装盒封口的凸轮机构设计，其要求实现快速准确的封口动作，并能适应不同尺寸的包装盒。凸轮机构应用领域自动化设备例如，包装机械，印刷机械，纺织机械，食品加工机械等。机床例如，数控机床，加工中心，车床，铣床等。汽车行业例如，发动机配气机构，转向机构，刹车系统等。凸轮机构设计的注意事项轮廓设计凸轮轮廓应避免尖角和急剧变化，确保平滑过渡，以减小冲击和磨损。材料选择选择耐磨、抗疲劳的材料，并根据工作条件考虑材料的硬度和韧性。加工精度凸轮轮廓的加工精度直接影响机构的运动精度，应根据设计要求进行控制。润滑与冷却应合理选择润滑油，并确保足够的润滑，防止摩擦生热和磨损。凸轮机构常见故障及解决1磨损凸轮和从动件的磨损会导致运动精度下降，甚至造成机构卡死。2冲击当凸轮机构运行过程中产生较大的冲击，会导致机构损坏甚至造成安全事故。3振动凸轮机构运行过程中产生的振动会降低机构的使用寿命，影响机构的稳定性。凸轮机构未来发展趋势智能化：结合人工智能技术，实现凸轮机构的智能控制和自适应优化。精密化：提升加工精度和制造工艺，满足更高性能和精度要求。数字化：利用虚拟现实技术，进行凸轮机构的仿真设计和性能预测。凸轮机构教学重点总结凸轮机构定义与组成凸轮机构的定义、组成以及工作原理，了解基本概念。凸轮曲线分类掌握凸轮曲线的分类、几何特性和数学表达，以及标准化凸轮曲线的特点。凸轮机构动力学分析理解凸轮机构的速度、加速度、力和功分析方法，进行动力学仿真和优化。凸轮机构教学课程总结知识回顾