机械设计基础凸轮机构.ppt

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1、第4章 凸轮机构,第4章 凸轮机构,4.1 概述 4.2 凸轮从动件的常用运动规律 4.3 凸轮轮廓曲线设计 4.4 凸轮机构基本参数的确定 作业：(4-3,4,10,18*),14,17,19a,4.1 概述,一、凸轮机构的构成和应用 构成 应用 特点 二、凸轮机构的分类 三、凸轮机构的基本名词术语,一、凸轮机构的构成和应用,由凸轮、从动件、机架组成的高副机构 凸轮：具有曲线状轮廓的构件 从动件：与凸轮保持接触的作往复移动或摆动的构件。 原动件连续运动而从动件间歇运动,特点 设计适当的凸轮轮廓就可实现任意预期的运动规律 (从动件精确实现预定的运动规律) 结构简单、紧凑、设计方便 点或线接触，

2、易磨损，加工较复杂,广泛用于各种机械，特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线。,凸轮机构的应用,盘形凸轮机构 在印刷机中的应用,圆柱凸轮机构 在机械加工中的应用,自动机床进刀机构,内燃机配气机构,二、凸轮机构的分类,1按凸轮的形状分类 2按从动件形状和运动形式分类 3按凸轮与从动件维持高副接触的 方式分类,1按凸轮的形状分类,盘状凸轮,移动凸轮,圆柱凸轮,2按从动件形状和运动形式分类,尖底从动件 滚子从动件 平底从动件 曲底从动件,直动从动件 摆动从动件,按从动件形状和运动形式分类,3按凸轮与从动件维持高副接触的方式分类,力封闭凸轮机构,靠弹簧力或重力等维持凸轮与从动件的高副接触。,形封闭凸

3、轮机构,等宽凸轮机构,凹槽凸轮机构,等径凸轮机构,共轭凸轮机构,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,等径凸轮机构 两滚子中心间的距离始终保持不变。,缺点： 从动件运动规律的选择受到一定的限制,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，当180范围内的凸轮廓线根据从动件运动规律确定后，其余180内的凸轮廓线必须符合等宽原则,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,一个凸轮推动从动件完成正行程运动，另一个凸轮

4、推动从动件完成反行程的运动,按凸轮与从动件维持高副接触的方式分类,反凸轮机构,摆杆为主动件，凸轮为从动件,三、凸轮机构的基本名词术语,基圆,基圆半径rb,推程,推程运动角,行程或升距h,远休止,远休止角s,回程,回程运动角,近休止,近休止角s,位移曲线,从动件的运动线图 位移曲线反映了从动件的位移s随时间t或凸轮转角变化的规律。 速度曲线反映了从动件的速度v 随时间t或凸轮转角变化的规律。 加速度曲线反映了从动件的加速度a随时间t或凸轮转角变化的规律。 凸轮轮廓曲线的形状决定了从动件的运动规律。要使从动件实现某种运动规律，就要设计出与其相应的凸轮轮廓曲线。,4.2 凸轮从动件的运动规律,一、引

5、言 二、从动件常用运动规律 三、组合运动规律 四、从动件运动规律的选择,数学方程式 位移方程s=s(),从动件运动规律的表示 运动线图,一、引言,所谓从动件运动规律，是指从动件的位移S、速度v、加速度a随时间 t 或凸轮转角变化的规律。这种变化的规律可以用线图来表示，是凸轮设计的依据。,正确选择和设计从动件的运动规律，是凸轮机构设计的重要环节。,生产中对工作构件的运动要求是多种多样的。 速度要求：例如自动机床中用来控制刀具进给运动的凸轮机构，要求刀具（从动件）在工作行程时作等速运动。 加速度要求：如内燃机配气凸轮机构，则要求凸轮具有良好的动力学性能。 位移要求：在某些控制机构中则只有简单的升距

6、要求。,人们经过长期的理论研究和生产实践，已经积累了能适应多种工作要求的从动件典型运动特性的运动曲线，即所谓“常用运动规律”。,设计凸轮机构时，通常只需根据工作要求，从常用运动规律中选择适当的运动曲线。在一般情况下，推程是工作行程，要求比较严格，需要进行仔细研究。回程一般要求较低，受力情况也比推程阶段有利。,二、从动件常用运动规律,从动件的位移曲线为多项式类运动,s c0c1 c2 2 c3 3cn n,（一）多项式运动规律,常用的有一次、二次、五次等多项式类运动规律。,1、等速运动规律,（直线运动规律） v =常数 S = v t 线性 a = 0 运动的开始和终了，从动件的加速度为无限大无

7、限大的惯性力刚性冲击 用于低速 不宜单独使用,实际上，由于构件材料有弹性，加速度和惯性力不至于达到无穷大，但仍将造成强烈冲击。当加速度为正时，它将增大凸轮压力，使凸轮轮廓严重磨损；加速度为负时，可能会造成用力封闭的从动件与凸轮轮廓瞬时脱离接触，并加大力封闭弹簧的负荷。因此这种运动规律只适用于低速，如自动机床刀具进给机构以及在低速下工作的一些凸轮控制机构。,2、等加速等减速运动规律,（抛物线运动规律） a = 常数 起、中、终点加速度有限突变，有限惯性力引起柔性冲击 v = a t 两段斜直线,两段抛物线 用于低中速,两段抛物线 t=1:2:3:4 S=1:4:9:16 任一斜线 OO，以任意间

8、距截取分点,5次多项式运动规律的加速度对凸轮转角的变化是连续曲线，因而没有惯性力引起的冲击现象，运动平稳性好，可用于高速凸轮机构。,3. 3-4-5多项式运动规律 (五次多项式运动规律),位移方程式中5次多项式剩余项的次数为、，所以又称为3-4-5多项式运动规律，无刚性冲击，也无柔性冲击。,（二）三角函数类基本运动规律,1.余弦加速度运动规律 （简谐运动规律）,该运动规律在推程的开始和终止瞬时，从动件的加速度仍有突变，故存在柔性冲击。因此适用于中、低速场合。,，,从动件的加速度按余弦规律变化,2.正弦加速度运动规律 （摆线运动规律）,从动杆的加速度按正弦规律变化,速度及加速度曲线都是连续的，没

9、有任何突变， 既没有刚冲击、又没有柔性冲击， 可适用于高速凸轮机构。,基本运动规律的数学表达式简单，便于分析，而且按此设计出的凸轮，加工方便简单，曾被广泛采用。 但随着工业及科学技术的不断发展，对凸轮机构的要求愈来愈高，工作要求也更加多样复杂。 为了提高凸轮机构工作的可靠性和寿命，减小中、高速凸轮机构的振动噪音，适应中、高速重载的要求及满足机器对从动件运动特性的某些特殊要求，只用某种基本运动规律往往难以满足。 为此，提出了改进型运动规律。通过把基本运动规律合理地加以组合得到所要求的运动规律。,凸轮机构的要求愈来愈高，工作要求也更加多样复杂。单一的运动规律不能满足运动要求时，可以把基本运动规律合

10、理地加以组合得到所要求的运动规律。 组合后的从动件运动规律应满足： 1）工作对从动件特殊的运动要求； 2）能避免刚性冲击、柔性冲击； 3）使最大速度和最大加速度尽可能小。,改进型等速运动规律,正弦加速度运动规律,等速运动规律,消除了刚性冲击。,修正梯形组合运动规律,等加速等减速运动规律,正弦加速度运动规律,修正梯形组合运动规律,改进型梯形加速度运动规律 等加速等减速运动规律，在加速度突变处以正弦加速度曲线过渡而组成，这样，既具有等加速等减速运动其理论最大加速度最小的优点，有消除了柔形冲击。,这些因素又往往是互相制约的。因此，在选择或设计从动件运动规律时，必须根据使用场合、工作条件等分清主次综合

11、考虑，确定选择或设计运动规律的主要根据。,在选择或设计从动件运动规律时，应考虑：,a.是否满足机械的具体工作要求？,b.凸轮机构是否具有良好的动力特性？,c.所设计的凸轮廓线是否便于加工？,从动件运动规律的选择,一、凸轮轮廓曲线设计的基本原理 二、凸轮轮廓曲线的图解法 三、凸轮轮廓曲线的解析法（自学）,4.3 凸轮轮廓曲线的设计,无论是采用作图法还是解析法设计凸轮廓线，所依据的基本原理都是反转法原理。,一、凸轮轮廓曲线设计的基本原理,凸轮以角速度转动，从动件以要求的运动规律作上下往复运动 反转原理： 给整个机构加 -运动 凸轮不动， 机架反转， 推杆作复合运动,随机架绕以-反转相对机架以给定的

12、运动规律运动。 从动件的尖顶画出一条曲线凸轮的轮廓曲线。,二、凸轮轮廓曲线的图解法 1.对心直动尖顶从动件盘形凸轮廓线设计,已知凸轮的基圆半径，凸轮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，作位移曲线和基圆，确定从动件尖顶的初始位置 将位移曲线S-和基圆的推、回程各运动角作相同的若干等分 (基圆反向等分) 从基圆圆周沿以上导路截取对应的位移量 用光滑曲线将各点联接起来，即得到所求凸轮的轮廓曲线,对心直动尖顶从动件盘形凸轮廓线的设计,已知凸轮的基圆半径rb，凸轮角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,注意： 位移曲线纵坐标比例尺与基圆比例尺一致； 位移曲线横坐标

13、与基圆等分数相等，且排序号码一一对应。,偏置尖顶直动从动件移动中心线不通过凸轮轴心，反转后各移动中心线均与偏距圆相切，即偏距圆的切线就是反转各位置的方向线。,2.偏置直动尖顶从动件盘形凸轮廓线的设计,偏置直动尖顶从动件盘形凸轮廓线的设计,偏置尖顶直动从动件移动中心线不通过凸轮轴心，反转后各移动中心线均与偏距圆相切，即偏距圆的切线就是反转各位置的方向线。 从动件位移沿着这些切线从基圆开始向外量取。,凸轮的轮廓曲线与推杆的相对运动关系 凸轮廓线设计的基本原理,偏置直动尖顶从动件盘形凸轮廓线的设计,已知凸轮的基圆半径rb，角速度和从动件的运动规律及偏心距e，设计该凸轮轮廓曲线。, 选比例尺l，作位移

14、曲线、基圆rb和偏距圆e。,设计步骤, 等分位移曲线及反向等分各运动角，确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。, 确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。, 将各尖顶点连接成一条光滑曲线。,思考：尖顶-滚子,3. 偏置直动滚子从动件盘形凸轮廓线的设计,对心直动滚子从动件盘形凸轮廓线的设计,对心直动滚子从动件盘形凸轮廓线的设计,已知凸轮的基圆半径rb，滚子半径rr、凸轮角速度和从动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。,以滚子中心作为从动件尖顶，作理论轮廓曲线。,设计步骤,以理论轮廓曲线上各点为圆心，作滚子圆族及滚子圆族的内包络线，得实际轮廓曲线。,理论轮廓曲线,实际轮廓曲线,实际轮廓凸轮与从动

15、件直接接触的廓线，为凸轮的工作廓线。 理论轮廓对于滚子从动件，把滚子圆心看作从动件的尖点，该点的运动轨迹称为凸轮的理论廓线。,实际廓线与理论廓线是法向等距曲线。 基圆以凸轮理论轮廓曲线上的最小半径为半径所画的圆。 对于尖顶从动件来说，凸轮的理论轮廓和实际轮廓重合。,4. 对心直动平底从动件盘形凸轮廓线的设计,凸轮实际轮廓为 直线族的包络线,5.摆动尖顶从动件盘形凸轮机构,与直动尖顶从动件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推杆的角位移 将直动从动件的 位移s 改为角位移 行程h 改为角行程max 摆动尖顶从动件盘形凸轮 摆动滚子从动件盘形凸轮,作图法的

16、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。,4.4 凸轮机构基本参数的确定,1、凸轮机构的压力角 2、基圆半径的设计 3、滚子半径的设计,、凸轮机构的压力角,不计摩擦时，凸轮对从动件作用力方向线nn与从动件上力作用点的速度方向之间所夹的锐角。 压力角有效分力F需驱动力 磨损效率 F ，无论凸轮驱动力多大，都无法使从动件产生运动自锁,压力角 ,注意：凸轮的基圆半径、压力角定义在理论轮廓曲线上。,压力角的取值,设计基本

17、尺寸时务必使,max,许用压力角的推荐值：,非工作行程：可在7080之间选取,凸轮机构的压力角是凸轮设计的重要参数。 运动过程中，压力角的大小是变化的。,dsd,2、 基圆半径的设计 1）凸轮基圆与压力角的关系 压力角对凸轮机构的受力状况有直接影响，在运动规律选定之后，它主要取决于凸轮机构的基本结构尺寸。,P为相对瞬心:,由BCP得,对心移动从动件盘形凸轮机构e0。 结论移动从动件盘形凸轮机构的压力角与基圆半径rb、从动件偏置方位和偏距e有关。,2） 偏置方位的确定 偏置方位的选择应有利于减小凸轮机构推程时的压力角 应当使从动件偏置在推程时瞬心P的位置的同一侧,正确偏置,错误偏置,需要注意的是

18、，若推程压力角减小，则回程压力角将增大,3） 基圆半径的确定,压力角和基圆半径的表达式为：,分析结果： 基圆半径越大，压力角越小。从传力的角度来看，基圆半径越大越好；从机构紧凑的角度来看，基圆半径越小越好。 在设计时，应在满足许用压力角要求的前提下，选取最小的基圆半径。,dsd,基圆半径的设计 压力角对凸轮机构的受力状况有直接影响，在运动规律选定之后，它主要取决于凸轮机构的基本结构尺寸。 移动从动件盘形凸轮机构的压力角与基圆半径、从动件偏置方位和偏距有关。,基圆半径越大，压力角越小。 从传力的角度来看，基圆半径越大越好；从机构紧凑的角度来看，基圆半径越小越好。 在设计时，应在满足许用压力角要求的前提下，选取最小的基圆半径。,3、滚子半径的设计,rr,arr0,结论对于外凸轮廓，要保证凸轮正常工作，应使min rr。,轮廓失真,a rr,rr,arr0,轮廓正常,轮廓变尖,rr,arr,轮廓正常,外凸轮廓,理论轮廓曲线,实际轮廓曲线,1.了解凸轮机构的组成、特点、类型及应用； 2.掌握从动件常用运动规律及其特点； 刚性冲击、柔性冲击 3.理解凸轮设计反转原理，掌握常用盘形凸轮轮廓曲线的设计； 4.学会确定凸轮机构的压力角、基圆半径和滚子半径等基本尺寸。,本章基本要求,