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    发布时间:2019-02-06 04:32

      凸轮机构_物理_自然科学_专业资料。凸轮机构 凸轮机构应用和分类 从动件常用运动规律 凸轮轮廓曲线的设计 凸轮机构基本尺寸的确定 反转法的灵活运用 1 教学内容及重难点 1凸轮机构的组成、特点及应用 2 凸轮机构的分类 3 凸轮机构

      凸轮机构 凸轮机构应用和分类 从动件常用运动规律 凸轮轮廓曲线的设计 凸轮机构基本尺寸的确定 反转法的灵活运用 1 教学内容及重难点 1凸轮机构的组成、特点及应用 2 凸轮机构的分类 3 凸轮机构的材料 2 一、凸轮机构的应用 ?实例:自动机床的进刀机构 ?实现自动进刀、退刀 3 ?内燃机配气凸轮机构 ? 控制阀门的启闭 4 2.凸轮机构的组成 ?凸轮 ?从动件 ?机架 高副机构 5 2.特点 ?优点: ?适当地设计凸轮的轮廓曲线, 可使从动件实现预期的运动规律, ?结构简单紧凑。 ?缺点: ? 凸轮廓线与从动件为点、线 接触,易于磨损。 主要用于传力不大的控制场合。 6 3.应用 1)实现无特定运动规律要求的工作行程 ?抓取物体的机械手 7 2)实现复杂的运动规律 ?实现自动进刀、退刀 ? 控制阀门的启闭 8 ?自动车床凸轮机构 ? 实现和控制送料、夹紧、车外圆与钻孔、切断的运动。 9 ?印刷机械 10 二、凸轮机构的分类 1.按凸轮形状分类 ? 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移动。 ?圆柱凸轮:属于空间凸轮机构。 11 2. 按从动件的形状分类 ?尖端从动件:基本形式 ? 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,只适用于传力不大的低速机构。 12 ? 滚子从动件 ? 凸 轮与从动件之间 为 滚动摩擦,因此摩擦磨 损较小,用于传递较大 的动力,应用较广。 ?常用于中、低速机构。 13 ? 平底从动件 ?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。 14 3. 按从动件的运动形式分类 ?直动从动件: 从动件作往复移动,其尖端的运动轨 迹为一段直线。 ?摆动从动件: 从动件作往复摆动,其尖端的运动轨迹 15 为一段圆弧。 ?直动从动件又分为:对心、偏置 ? 对心直动从动件: 尖端或滚子中心的轨迹通过凸轮的轴心。 ?偏置直动从动件: 尖端或滚子中心的轨迹不通过凸轮的轴心。 16 4.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类 ?力锁合 利用弹簧力、从动件重力或其它外力 17 ?型锁合:利用高副元素本身的几何形状 ? 槽凸轮机构: 槽两侧面的法向距离等于 滚子直径。 ?主回凸轮机构(共轭凸轮机构) 一个凸轮推动从动件完成正 行程运动,另一个凸轮推动从动 件完成反行程的运动。 18 型锁合 ? 等径凸轮机构: 两滚子中心间的距离始终 保持不变。 ?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。 19 返回 §2 从动件常用运动规律 ? 基本概念和参数 ? 从动件常用的运动规律 ? 从动件常用运动规律的选择 20 返回 一、基本概念和参数 21 ?从动件的位移线图 ? 升程:从动件上升 的最大距离h。 ?推程运动角:? K K ? ?远休止角:?s ?回程运动角:?′ ?近休止角:?s ′ ?基圆:以凸轮回转中心为圆心,以最小向径为半径的圆。 22 ?基圆半径:r0 。 二、从动件常用的运动规律 等速运动 等加等减速运动 余弦加速运动(简谐运动) 正弦加速运动(摆线 ⒈等速运动 推程运动线图 ? 推程运动方程式 S=h ? / ? v=h?/ ? a=0 s v ? ? s h ?特点 :行程始末速度有突变,加 速度理论上由零变为无穷大,从而 使从动件产生巨大的惯性力,机构 受到强烈冲击,存在刚性冲击。 a ? ? ? ? 24 ? ?适应场合:低速轻载 ⒉等加速等减速运动 推程运动线 ? 等减速段 s 2h S ? h ? ( ? ? ?) 2 ?2 4h? v ? 2 ( ? ? ?) ? 4h? 2 a?? 2 ? h/2 h ? v ? 4h?2 a ? ?2 a ?/2 ? ?特点:行程始末和中点,加速度 突变,存在柔性冲击。 ? 25 ?适应场合:用于中速轻载。 位移曲线画法 推程等减速段 推程等减速段 2h 2 S ? ? 2 ? 2h S ? h ? (? ? ?)2 2 ? 9 3 3 2 4 5 1 4 h 4 1 2 1 1 ? 26 ⒊简谐运动 (余弦加速度运动) ?简谐运动: 质点沿圆周运动时,其在 直径上的投影点形成的运动。 h ? s ? [1 ? cos( ?)] 2 ? ?h? ? v? sin( ?) 2? ? ? 2h?2 ? a ? cos( ?) ? 2? 2 s S ? ? ?特点:有柔性冲击。 ?适应场合:用于中、低速轻载。 当从动件作无停歇连续运动时, 可用于高速。 ? ? 27 推程位移曲线画法 h ? s ? [1 ? cos( ?)] 2 ? ?h? ? v ? sin( ?) s 2? ? 6 ? 2h?2 ? 5 a ? cos( ?) 2 4 ? 2? 3 5 4 3 2 6 h 2 1 1 O 1 2 3 ? 4 5 6 ? 28 ⒋摆线运动(正弦加速度运动) s ? 摆线运动: 滚圆在纵轴上作匀 速纯滚动时,其上一点在纵轴 上的投影点形成的运动,即为 摆线? s ? h[ ? sin( ? )] ? 2? ? h? 2? v? [ 1 ? cos( ? )] ? ? 2? h? 2 2? a ? sin( ?) 2 ? ? ? ? ? ?特点:无刚、柔性冲击,用于高 速。 返回平底 29 三、从动件常用运动规律的选择 1. 常用运动规律性能比较 30 2.从动件运动规律的选择原则 ?当机械的工作过程只要求从动件实现一定的工作行程, 而对其运动规律无特殊要求时,应考虑所选择的运动 规律使凸轮机构具有较好的动力特性和便于加工。 ?当对从动件的运动规律有特殊要求,而凸轮转速又不 太高时,应首先从满足工作需要出发来选择从动件的运 动规律,其次考虑其动力特性和便于加工;但凸轮转速 又较高时,应兼顾两者来设计从动件的运动规律。 ?在选择或设计从动件的运动规律时,除了要考虑其冲击 特性外,还应考虑其最大速度、最大加速度和最大跃度, 因为它们会从不同角度影响凸轮机构的工作性能。 31 返回 §⒊平面凸轮轮廓曲线的设计 ?凸轮廓线设计的基本原理 ?用图解法设计凸轮廓线 ?用解析法设计凸轮廓线 返回 一、凸轮廓线设计的基本原理 ? 在图示的凸轮机构中,当凸轮 以等角速度 ?转动时,推动从 动件在导路中移动。 ?为了在图纸上绘制出凸轮的 轮廓曲线,希望凸轮相对于 纸面保持静止不动,为此,采 用“反转法”。 33 ?反转法原理 设想给整个机构绕凸轮 转动中心O加上一个与 凸轮的角速度大小相等、 方向相反的公共角速度 (-?)。 ? 此时凸轮静止不动; 从动件 随机架反转(-?) 又相对机架移动 作复合运动 ?从动件在复合运动中,其尖端的运动轨迹就是凸轮廓线 返摆杆 设计凸轮廓线时, ?设想凸轮固定不动, ?使从动件随机架反转, 同时又相对机架作预期运动, 作出从动件在复合运动中的 一系列位置, ?从动件尖端的轨迹就是所 要求的凸轮廓线 二、用图解法设计凸轮廓线 直动从动件盘形凸轮机构 摆动从动件盘形凸轮机构 36 (一)直动从动件盘形凸轮廓线的设计 ? ? ? ? 偏置尖端直动从动件凸轮机构 对心尖端直动从动件凸轮机构 偏置滚子直动从动件凸轮机构 平底直动从动件凸轮机构 37 ⒈偏置直动尖端从动件盘形凸轮机构 例:已知 从动件的运动规律,从动件位于凸轮的上方, 从动件的导路偏于凸轮轴心的左侧,偏距为e ,凸轮 的基圆半径r0,凸轮以等角速度? (顺时针)旋转。要求 设计凸轮廓线 ?分析:机构“反转”时各构件间相对运动的几何关系。 ? 反转时,从动件的位置线 始终与偏距圆相切,且与 凸轮轴心的相对位置关系 保持不变。 Bi C0 ? 转角 ?i=∠C0OCi, 点 Ci 为从动件的位置线 与基圆的交点(从动件只随 机架反转时占据的位置)。 ?从动件位移 Si=CiBi,i=1,2,3… Ci ?i 39 活用 ? 转角 ?i=∠C0OCi, 点 Ci 为从动件的位置线与基圆的交点(从动件只随 机架反转时占据的位置)。 ?从动件位移 Si=CiBi,i=1,2,3… 设计思路: 在基圆上 分度?i 在基圆上 得Ci Si=CiBi 凸轮廓线 (尖端轨迹) 尖端在复 合运动位 置Bi 返摆杆 Bi C0 Ci ?i 40 ?作图步骤: ⑴选取适当的 比例尺?l 和?? ,作出从动件的位移线图 s-?,并将推程运动角?和回程运动角?′作若干等分。 ?? :1mm图长代 表的凸轮转角。 单位? /mm 41 ⑵ 按同样的长度比例尺 ? l ,画出偏距圆和基圆, 确定从动件尖端在推程 的起始位置B0(C0) 即:导路线 ⑶确定从动件在反转中占据的各位置(只随机架反转)。 ? 在基圆上,自OC0开始 沿(-?)方向依次取推 程运动角?、远休止角 ?s、回程运动角?′和 近休止角?s′。 ? 然后将?和?′分成与 位移线图中对应的等分, 在基圆上得C1 、 C2 、 C3… 诸点 。 43 ⑶确定从动件在反转中占据的各位置(只随机架反转)。 ? 过点 C1 、 C2 、 C3…… 作 偏距圆的一系列切线。 即为反转时从动件依次 占据的位置线。 ? 在反转时,从动件与凸 轮轴心的相对方位应保 持不变。 44 ⑷确定从动件尖端在 复合运动中依次占 据的位置。 ?沿以上各切线自基圆向外 量取从动件相应的位移量, 即作:C1B1=11′, C2B2=22′…. , 得诸点B1、B2、 …. 。 B1 B2 B10 B9 B3 B4 B5 B8 45 B6 B7 B1 B2 B10 B9 B3 B8 B4 B5 ⑸将点B0、、B1 、 B2 …连成一条光 滑曲线,即得凸轮 的轮廓曲线间均为圆 弧) B6 B7 46 ⒉对心尖端直动从动件凸轮机构 ? 其设计方法基本 与偏置从动件凸 轮机构相同; ? 不同之处在于, 反转时,从动件 的位置线始终通 过凸轮轴心O。 ? (因为e=0,从动件 件的位置线通过 凸轮的轴心), 47 例:已知:从动件的运动规律,从动件位于凸轮的上方, 凸轮的基圆半径r0,凸轮以等角速度? (顺时针)旋转。 要求设计凸轮廓线 对心尖端直动从动件凸轮机构 B1 B2 B10 B3 B4 B4 B5 B6 49 B9 B8 ⒊偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构 ?分析:反转法原理 ?在反转中,滚子中心 将描绘出一条与凸轮 廓线法向等距的曲线 ?(凸轮的理论廓线)。 ?滚子中心是从动件 与滚子的铰接点,其 运动规律就是从动件 的运动规律。 ?凸轮的实际廓线是理论廓线上滚子圆族的包络线 滚子圆族所有圆相切的曲线) 。 ?分析:机构“反转”时各构件间相对运动的几何关系 ?转角 ?i=∠C0OCi, 点 Ci为从动件的位置线 与基圆的交点。 ? 从动件位移 Si= Ci Bi , i=1,2,3… Bi Ci ?i ?基圆:以凸轮回转中心 O为圆心,以理论廓线的 最小向径为半径的圆。 51 ?作图步骤: ⑴将滚子中心B假想为尖端从动件的尖端,按前述方法作 出凸轮的理论廓线 注意:凸轮的基圆半径r0是 理论廓线 ⑵以理论廓线上各点为 圆心,按同样的长度 比例尺 ?l ,根据滚子 半径 rT 作一系列滚子 圆 ( 图 上 半 径 为 rT/?l )。 B7 53 B6 B0 B11 ⑶然后,作出滚子圆族 的内包络线(与该滚 子圆族所有圆相切的 曲线) 即为凸轮的实际廓线) 凸轮的实际廓线只能用 包络线法来求取。 因滚子中心的运动规律 是从动件的运动规律。 2)作出凸轮的理论廓线上 滚子圆族的包络线才能 得到凸轮的实际廓线 指的是凸轮的理论廓线 ⒋对心直动平底从动件盘形凸轮机构 设计方法的基本思路与滚子从动件盘形凸轮机构相似, 不同的是取从动件平底与导路中心线的交点为参考点, 将其视作尖端从动件的尖端。 设计思路: 作出参考点在反转过程 中占据的一系列位置 作出平底在反转过程中相 应地占据的一系列位置 凸轮的实际廓线(平底直线 例:已知从动件的运动规律,从动件位于凸轮的上方, 凸轮的基圆半径r0,凸轮以等角速度?沿顺时针方向旋 转。要求设计该凸轮机构的凸轮廓线。 S ? ? ?′ ?s′ r0 57 -? B1 B0 B8 B7 B2 O ?作图步骤: ⑴将从动件平底与导路中 心线的交点B作为参考 点(视作尖端从动件的 B6 尖端)。 ? 作出该交点B在反转过 程中占据的一系列位置 B1 、B2 、 …. 。 58 r0 B3 B5 B4 B1 B0 B8 B7 B2 r0 ⑵过点B1 、B2 、 ….画出一系列代表平底 的直线(与导路线垂直 ),得一直线族。 ⑶作该平底直线族的包 络线,即得到凸轮的实 际廓线 运动 (二)、摆动从动件盘形凸轮机构 ? 从动件相对机架作 往复摆动, 其尖端的运动轨迹为 一段圆弧。 60 反转原理 已知:从动件运动规律,LOA、 LAB、r0,要求设计 凸轮廓线 ?机构“反转”时各构件间相对运动的几何关系 。 ?反转过程中,从动件转轴A的运动轨迹是以凸轮轴心O为 圆心,中心距LOA为半径的圆(转轴圆)。 ?反转时的转角 ?i=∠A0OAi, ?从动件的角位移(摆角) ?i= ∠Ci AiBi , Ai ?i Bi Ci ?i r0 i=1,2,3… O 点 Ci 为尖端的轨迹圆弧与 基圆的交点。 转轴圆 直动推杆 62 已知:从动件运动规律, LOA、 LAB、r0。 A0 ?? :1mm图长代表 的从动件的角位移。 单位? /mm B0 O ?作图步骤: ⑴选取适当的比例尺,作 出从动件的位移线图,并 将?和?′作若干等分。 ⑵确定摆动从动件的尖端在推 63 程的起始位置B0(C0), r0 ?B1A1C1? ? 1???11? (3)确定反转过程中 从动件转轴A所依次占 据的位置。 (4)确定从动件 尖端在反转过程 中依次占据的位 置B1、B2 …. 。 B2 B1 C2 B3 C3 O C1 B9 C4 C8 C5 B4 C6 C7 B8 B5 B6 B7 64 A4 ?B1A1C1? ? 1???11? B2 B1 C2 B3 C3 O C1 B9 C4 C8 C5 B4 C6 C7 B8 B5 B6 B7 (5)将点B0、B1 、 B2 …连成一条 光滑曲线, ? 即得凸轮的轮廓 曲线 小结 ?反转法的关键: 明确凸轮和从动件的 相对位置和相对运动关系。 ?反转法的两个主要步骤: ? 先反转机架和从动件, Ai Bi B 0 Ci ?i r0 ?确定从动件尖端(或参考点) 在反转过程中占据的一系列位 置,再根据从动件端部的形状, 画出凸轮的实际廓线。 Bi ?i Ci ?i r0 转轴圆 返回 66 §⒋凸轮机构基本尺寸的确定 凸轮机构的压力角 凸轮基圆半径的确定 滚子半径的选择 67 一、凸轮机构的压力角 1.压力角的定义 n ? R n 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 用点的速度方向之间所 夹的锐角。 68 ?压力角为机构位置的函数 69 ?压力角与作用力的关系 ? R ? = Rcosα R→? ?R ?? = Rsinα 有效分力 有害分力 ? 自锁: n R R Y ? R 当压力角α增加到某一数值 时,有害分力所引起的摩擦 阻力将大于有效分力,这时 无论凸轮给从动件的作用力 多大,都不能推动从动件运 动,即机构将发生自锁。 X n ?从减小推力,避免自锁,使机 构具有良好的受力状况来看,压 力角α应越小越好。 70 2.压力角的计算 在⊿ BCP中, tgα ? L OP ? e S ? S0 因P为凸轮与从动件的相对瞬心 n R R ? R ds L OP ? ? ? d? v 则: S0 S D C tgα ? ds ? e d? S ? r 2 P n 0 ? e2 71 ?从动件偏置方向对?的影响 ds ? e ? d? S ? r 2 tgα ? 0 ? e2 式中: “—”,推程瞬心与导路位于凸轮轴心的同侧。 72 “+”,推程瞬心与导路位于凸轮轴心的异侧。 tgα ? ds ? e d? S ? r 2 0 ? e2 ?基圆半径r0与?的关系: 在其它条件不变时, r0越小, ?越大。 ? 从使机构结构紧凑的观点来看, 压力角越大越好。 73 ? 从减小推力,避免自锁,使机构具有良好的受力状况 来看,压力角α应越小越好。 ? 从使机构结构紧凑的观点来看,压力角越大越好。 3.许用压力角 推程: 移动从动件,[α]=30° 摆动从动件,[α]=45° 回程:[α]=70°~80° ? 设计机构时,满足?max?[?]。 74 4.从动件偏置方向的选择 tgα ? ? tgα ds ds ? e ? d? ? d S ? ? S r r 2 2 0 0 2 ? e 在设计机构时,可通过选取从 动件适当的偏置方向来获得较小的 推程压力角。 凸轮逆时针回转时,从动件的 导路偏于凸轮轴心的右侧; 凸轮顺时针回转时,从动件的 导路偏于凸轮轴心的左侧; 75 二、凸轮基圆半径的确定 ? 设计原则: 在满足?max?[?]的条件下,取尽可能小的基圆半径。 1.预值校正法 ?首先预估r0 ,一般取 r0= rs +rT +(3~4) mm 式中: rs 凸轮轴半径 滚子半径 rT ?初选r0 之后,再检查从动件推程时是否满足?max?[?], 若不满足,增加r0 或使从动件导路偏置,来减小压力角。 76 工程上绘制的表示最大压 力角与基园半径的对应关 系的图形 ? 图示为用于对心直动滚子从动件凸轮机构的诺模图 2.根据诺模图确定r0 ? ?max 77 例:欲设计一对心直动滚子从动件盘形凸轮机构; 已知:从动件运动规律 推程: ?=45°,摆线mm, ?max= [α]=30° ? 解:?=45°,?max=30°, 将两点相连,交正弦加速 度运动规律的水平标尺 0.26处, h/r0=0.26 ?max r0=13/0.26=50 mm 78 三、滚子半径的选择 1.凸轮实际廓线与滚子半径的关系 ? 内凹的凸轮廓线 ?理论廓线的最小曲率半径: ?cmin 实际廓线的曲率半径:? ?=?cmin+rT ?cmin ? 实际廓线 ?无论滚子半径多大,总能由 理论轮廓求出实际轮廓。 79 ?外凸的凸轮廓线 ?当 ρcmin ? rT ρ ? ρcmin ?r T ? ρcmin ? rT ρ ? ρcmin ?r T ? 0 ?实际廓线 ? ?cmin 实际廓线 ?外凸的凸轮廓线 ?当 ρcmin ? rT ρ ? ρcmin ?r T ? ρcmin ? rT ρ ? ρcmin ?r T ? 0 ?cmin ?实际廓线出现尖点。 ?在设计中应避免。 81 实际廓线 ?外凸的凸轮廓线 ?当 ρcmin ? rT ρcmin ? rT ρ ? ρcmin ?r T ? 0 ρ ? ρcmin ?r T ? 0 ?实际廓线出现交叉。 ?cmin ?运动失真:产生过度切割的 凸轮廓线使从动件不能准确的 实现预期的运动规律的现象。 82 实际廓线 ?在设计时,为防止运动失真应保证: ρcmin ? rT ρ ? ρcmin ?r T ? 0 ? 为保证凸轮有足够的接触强度和抗磨损能力,一般 应使: ρcmin ? rT ρ ? 1 ~ 5mm ? ?cmin 83 实际廓线.避免运动失线 演示 ?为了避免运动失真,可从两方面着手: (1) 减小滚子半径rT; (2) 通过增大r0来加大理论廓线.滚子半径的选择 考虑运动规律与结构、e娱乐城强度等因素。 保证从动件运动不 r ≤0.8? T cmin 失真,并有足够的 接触强度 考虑滚子的结构及 rT≥(2~3)rS 滚子轴的强度 rS:滚子轴的半径 考虑凸轮机构结构 rT≤0.4 r0 的合理性 86 返回 反转法的灵活运用 ?已知凸轮廓线,用反转法求出凸轮的?、?′。 ?已知凸轮廓线,用反转法求出凸轮转过一给定角度时, 从动件走过的位移及凸轮机构的压力角 。 87 ?已知凸轮廓线,用反转法求出凸轮的?、?′ ? B C ?′ 88 返回 反转 ?已知凸轮廓线,用反转法求出凸轮从图示位置转过60?时 ,凸轮机构的压力角及从动件走过的位移。 —? B S ? 60? C ? B S=BC=AB 89 返回 反转 本章重点 ? 从动件常用运动规律及特性 ? 用图解法设计平面凸轮的廓线 ? 凸轮机构基本参数的确定 90 返回

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