机械原理-凸轮.ppt
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第三章凸轮机构及其设计第三章凸轮机构及其设计第一节概述第一节概述内燃机配气凸轮机构内燃机配气凸轮机构自动机床进刀凸轮机构自动机床进刀凸轮机构冲床凸轮机构冲床凸轮机构绕线机凸轮机构绕线机凸轮机构自动车床凸轮机构自动车床凸轮机构圆柱凸轮输送机圆柱凸轮输送机凸轮机构的组成凸轮、从动件和机架。
凸轮、从动件和机架。
凸轮机构的适用场合广泛用于各种机械,特别是自动机械、自动控制装置和广泛用于各种机械,特别是自动机械、自动控制装置和装配生产线。
装配生产线。
凸轮机构的优点结构简单、紧凑、工作可靠,可以使从动件准确实现结构简单、紧凑、工作可靠,可以使从动件准确实现各种预期的运动规律,还易于实现多个运动的相互协调配各种预期的运动规律,还易于实现多个运动的相互协调配合。
合。
凸轮机构的缺点凸轮轮廓与从动件之间是高副接触,易于磨损。
凸轮轮廓与从动件之间是高副接触,易于磨损。
二凸轮机构的分类二凸轮机构的分类(一一)按凸轮的形状分按凸轮的形状分盘形凸轮盘形凸轮Platecam移动凸轮移动凸轮Wedgecam圆柱凸轮圆柱凸轮Cylindricalcam(二二)按从动件运动副元素的形状分按从动件运动副元素的形状分尖顶从动件尖顶从动件Knife-edgefollower滚子从动件滚子从动件Rollerfollower平底从动件平底从动件Flat-facefollower(三三)按从动件的运动形式分按从动件的运动形式分摆动从动件摆动从动件Oscillatingfollower移动从动件移动从动件Reciprocatingfollower(四四)按凸轮与从动件维持高副接触按凸轮与从动件维持高副接触(封闭封闭)的方式分的方式分力封闭型凸轮机构力封闭型凸轮机构Force-closedcams弹簧力封闭弹簧力封闭Force-closedbypreloadedspring重力封闭重力封闭Force-closedbygravity形封闭型凸轮机构形封闭型凸轮机构Form-closedcams凹槽凸轮机构凹槽凸轮机构Plate-groovecammechanism等宽凸轮机构等宽凸轮机构Constant-breadthcammechanism形封闭型凸轮机构形封闭型凸轮机构Form-closedcammechanism等径凸轮机构等径凸轮机构Conjugateyokeradialcammechanism共轭凸轮机构共轭凸轮机构Conjugatecammechanismrb三凸轮机构的工作循环与运动学设计参数三凸轮机构的工作循环与运动学设计参数hSSSSDD0B0BsO,t360基圆基圆基圆半径基圆半径rb推程推程推程角推程角升距升距h远停远停远停角远停角s回程回程回程角回程角近停近停近停角近停角sB位移曲线位移曲线从动件的从动件的运动线图运动线图(Diagramofmotion)位移线图位移线图(Displacementdiagram)反映了从动件反映了从动件的位移的位移s随时间随时间t或或凸轮转角凸轮转角变化变化的规律。
的规律。
速度线图速度线图(Velocitydiagram)反映了从动件的速反映了从动件的速度度v随时间随时间t或或凸轮转角凸轮转角变化变化的规律。
的规律。
加速度线图加速度线图(Accelerationdiagram)反映了从动反映了从动件的加速度件的加速度a随时间随时间t或或凸轮转角凸轮转角变化变化的规律。
的规律。
跃度线图线跃度线图线(Jerkdiagram)反映了从动件的跃度反映了从动件的跃度j随时间随时间t或凸轮转角或凸轮转角变化的规律。
变化的规律。
结论凸轮轮廓曲线的形状决定了从动件的运动规律。
要使从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。
线。
凸轮机构的运动学设计参数推程角推程角(Camangleforrise)远停角远停角(Camangleforouterdwell)S回程角回程角(Camangleforreturn)近停角近停角(Camangleforinnerdwell)S从动件的位移从动件的位移s、速度速度v、加速度加速度a、跃度跃度j凸轮机构的基本尺寸基圆基圆(Basecircle)半径半径rb移动从动件凸轮机构的移动从动件凸轮机构的偏距偏距(Offsetdistance)e摆动从动件的摆动从动件的杆长杆长(Followerarm)l中心距中心距(Centerdistance)LBdtt第二节凸轮机构的传力特性第二节凸轮机构的传力特性传力特性分析目的确定构件之间相互的作用力,为确定构件之间相互的作用力,为解决磨损及强度尺寸设计提供可靠的解决磨损及强度尺寸设计提供可靠的数据。
数据。
FR2FR1122vGF压力角压力角不计摩擦时,凸轮对不计摩擦时,凸轮对从动件作用力方向线从动件作用力方向线nn与从动件上与从动件上力作用点的速度方向之间所夹的锐力作用点的速度方向之间所夹的锐角。
角。
lbnn传力特性分析0cos)()sin(02211RRxFFFF0sin)()cos(02211RRyFFGFF0coscos)(02122bFblFMRRB211tan)sin()21()cos(lbGF载荷载荷G不变时,压力角不变时,压力角增大,增大,使上式分母变小,作用力使上式分母变小,作用力F将增大。
将增大。
压力角压力角增大到时分母为零,则增大到时分母为零,则F,机构发生自锁。
,机构发生自锁。
BdttFR2FR1122vGFlbnn凸轮机构的瞬时效率costan)sin()21()cos(211lb12tan)21(1arctanlbc机构刚好发生自锁时的压力角为临界压力角机构刚好发生自锁时的压力角为临界压力角c凸轮机构能正常工作的重要条件maxc推程移动从动件移动从动件3040;摆动从动件;摆动从动件4045。
回程7080。
第三节凸轮机构的设计过程第三节凸轮机构的设计过程凸轮机构的设计内容机构运动机构运动分配设计分配设计凸轮机构凸轮机构选型选型凸轮机构的动力凸轮机构的动力学分析与设计学分析与设计凸轮机构凸轮机构结构设计结构设计刀具中心轨刀具中心轨迹坐标计算迹坐标计算凸轮轮廓曲线设计凸轮轮廓曲线设计凸轮机构基本尺寸设计凸轮机构基本尺寸设计确定凸轮各个转角确定凸轮各个转角计算从动件位移参数计算从动件位移参数从动件运动规律设计从动件运动规律设计凸轮机构运动学凸轮机构运动学尺度设计尺度设计第四节凸轮机构运动学参数和基本第四节凸轮机构运动学参数和基本尺寸的设计尺寸的设计一、工作循环图与凸轮工作转角的确定一、工作循环图与凸轮工作转角的确定凸轮的工作转角应当根据机器中各个执行机构动作之间凸轮的工作转角应当根据机器中各个执行机构动作之间的配合关系,由的配合关系,由工作循环图工作循环图(Workingcyclediagram)来确来确定。
定。
工艺过程电阻体上料电阻体上料电阻体夹紧电阻体夹紧送帽送帽压帽压帽电阻自动压帽机传动系统图电阻自动压帽机传动系统图送帽压帽机构凸轮送帽压帽机构凸轮电阻坯件电阻坯件电阻送料机构凸轮电阻送料机构凸轮电阻帽电阻帽夹紧机构凸轮夹紧机构凸轮送帽压帽机构凸轮送帽压帽机构凸轮回程回程等待夹紧等待夹紧电阻自动压帽机工作循环图电阻自动压帽机工作循环图从动件位移曲线图凸轮轮廓图凸轮名称序号902400150送电阻体送电阻体135342025260送帽送帽压帽压帽012028545回程回程夹紧夹紧090180270360电阻体电阻体上料凸轮上料凸轮电阻体电阻体夹紧凸轮夹紧凸轮送、压帽送、压帽凸轮凸轮132回程回程等待压帽等待压帽二、从动件运动规律设计二、从动件运动规律设计从动件的从动件的运动规律运动规律(Lawofmotion),由,由凸轮轮廓曲线凸轮轮廓曲线(Camprofile)形状决定。
从动件不同的运动规律,要求凸轮形状决定。
从动件不同的运动规律,要求凸轮具有不同形状的轮廓曲线。
具有不同形状的轮廓曲线。
正确选择和设计从动件的运动规律,是凸轮机构设计的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。
重要环节。
常用运动规律工程实际中经常用到的运动规律。
常用运动规律工程实际中经常用到的运动规律。
333222ddddddddddddddddddddddddstatajstvtvaststsv数学方程式数学方程式位移方程位移方程s=f()从动件运动规律的表示运动线图运动线图从动件的常用运动规律(一一)基本运动规律基本运动规律基本运动规律基本运动规律(Fundamentallaw)包括包括多项式类运动规多项式类运动规律律(Lawofpolynomialmotion)和三角函数类运动规律。
和三角函数类运动规律。
1.多项式类运动规律多项式类运动规律基本运动规律中,基本运动规律中,n3。
2.三角函数类运动规律三角函数类运动规律(Lawoftrigonometricfunction)主要有主要有余弦加速度运动规律余弦加速度运动规律(Lawofcosineaccelerationmotion)和和正弦正弦加速度运动规律加速度运动规律(Lawofsineaccelerationmotion)sc0c1c22c33cnn余弦加速度运动规律余弦加速度运动规律正弦正弦加速度运动规律加速度运动规律)2cos(1tTca)cos(1ca或或)2sin(1tTca)2sin(1ca或或3.几种常用运动规律的特点几种常用运动规律的特点等速运动规律等速运动规律(Lawofconstantvelocity)0ahvhs推程速度曲线不连续,机速度曲线不连续,机构将产生构将产生刚性冲击刚性冲击(Rigidimpulse)。
等速运动规律适。
等速运动规律适用于低速轻载场合。
用于低速轻载场合。
s,tv,ta,th位移线图位移线图加速度线图加速度线图速度线图速度线图h2h2等加速等减速运动规律等加速等减速运动规律(Lawofconstantaccelerationanddeceleration)加速度曲线不连续,机构将产加速度曲线不连续,机构将产生生柔性冲击柔性冲击(Softimpulse)。
等加。
等加速等减速运动规律适用于中速轻载速等减速运动规律适用于中速轻载场合。
场合。
ta,ts4h22,tv2h推程22222442hahvhs222224)(4)(2hahvhhs后半程前半程余弦加速度运动规余弦加速度运动规律律,ts,ta,tvvmax1.57h推程cos2sin2cos12222hahvhs加速度曲线不连续,存在加速度曲线不连续,存在柔性冲击。
余弦加速度运动柔性冲击。
余弦加速度运动规律适用于中速中载场合。
规律适用于中速中载场合。
hamax4.93h22正弦加速度运动规律正弦加速度运动规律速度曲线和加速度曲速度曲线和加速度曲线连续,无刚性冲击和柔线连续,无刚性冲击和柔性冲击。
正弦加速度运动性冲击。
正弦加速度运动规律适用于高速轻载场规律适用于高速轻载场合。
合。
s,t,ta,tvhvmax2hamax6.28h22推程2sin22cos12sin2122hahvhs345次多项式运动规律次多项式运动规律(Lawofpolynomialmotion)32224325431201806030603061510hahvhs推程,tsvah速度曲线和加速度曲线连续,无刚性冲击和柔性冲击。
速度曲线和加速度曲线连续,无刚性冲击和柔性冲击。
3-4-5次运动规律适用于高速中载场合。
次运动规律适用于高速中载场合。
(二二)组合运动规律组合运动规律为了克服单一运动规律的某为了克服单一运动规律的某些缺陷,获得更好的运动和动力些缺陷,获得更好的运动和动力特性,可以把几种运动规律拼接特性,可以把几种运动规律拼接起来,构成起来,构成组合运动规律组合运动规律(Lawofcombinedmotion)。
组合原则位移曲线、速度曲线必须连位移曲线、速度曲线必须连续,高速凸轮机构加速度曲线也续,高速凸轮机构加速度曲线也必须连续。
必须连续。
各段运动规律的位移、速度各段运动规律的位移、速度和加速度曲线在连接点处其值应和加速度曲线在连接点处其值应分别相等。
分别相等。
vsa,t,t,thOOOvsa,t,t,thOOO正弦加速度曲线与直线组合正弦加速度曲线与直线组合(三三)选择或选择或设计从动件运动规律时应考虑的问题设计从动件运动规律时应考虑的问题当机器的工作过程对从动件的运动规律有特殊要当机器的工作过程对从动件的运动规律有特殊要求,而凸轮的转速不太高时,应首先从满足工作需要出发来求,而凸轮的转速不太高时,应首先从满足工作需要出发来选择或设计从动件的运动规律,其次考虑动力特性和便于加选择或设计从动件的运动规律,其次考虑动力特性和便于加工。
工。
h刀架进给凸轮机构工件工件当机器的工作过程只要求从动件实现一定的工作行当机器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,对于低速凸轮机构,主程,而对其运动规律无特殊要求时,对于低速凸轮机构,主要考虑便于加工;对于高速凸轮机构,首先考虑动力特性。
要考虑便于加工;对于高速凸轮机构,首先考虑动力特性。
夹紧凸轮机构工件工件当机器对从动件的运动特性有特殊要求,而凸轮的当机器对从动件的运动特性有特殊要求,而凸轮的转速又较高,并且只用一种基本运动规律又难于满足这些要转速又较高,并且只用一种基本运动规律又难于满足这些要求时,可以考虑采用满足要求的组合运动规律。
求时,可以考虑采用满足要求的组合运动规律。
在设计从动件运动规律时,除了要考虑其冲击特性在设计从动件运动规律时,除了要考虑其冲击特性之外,还要考虑从动件的最大速度之外,还要考虑从动件的最大速度vmax、最大加速度、最大加速度amax以以及最大跃度及最大跃度jmax,这一点对于高速凸轮机构尤其重要。
,这一点对于高速凸轮机构尤其重要。
Cnn22bddtanersesOBes0sDrbdsd三、盘形凸轮机构基本尺寸的三、盘形凸轮机构基本尺寸的设计设计(一一)移动从动件盘形凸轮机移动从动件盘形凸轮机构基本尺寸的设计构基本尺寸的设计1.压力角与凸轮基圆的关系压力角与凸轮基圆的关系压力角对凸轮机构的受力状况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,它主要取决于凸轮机构的基本结构尺寸。
构尺寸。
P为相对瞬心为相对瞬心dd/dd/ddsttsvOP由由BCP得得22b0ersvvP对心移动从动件盘形凸轮机构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移动从动件盘形凸轮机构的压力角与基圆半径与基圆半径rb、从动件偏置方位和偏距从动件偏置方位和偏距e有关。
有关。
2.偏置方位和偏距偏置方位和偏距e的确定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偏置方位的选择应有利于减小凸轮机构推程时的压力角。
角。
应当使从动件偏置在推程时瞬心应当使从动件偏置在推程时瞬心P的位置的同一侧的位置的同一侧正确偏置OBnnPe错误偏置需要注意的是,若推程压力角减小,则回程压力角将增需要注意的是,若推程压力角减小,则回程压力角将增大。
大。
确定确定e可用图解法或解析法。
可用图解法或解析法。
BOnnPe3.凸轮基圆半径的确定凸轮基圆半径的确定限制基圆半径的条件凸轮的基圆半径凸轮的基圆半径rb应大于凸轮轴的半径应大于凸轮轴的半径rS;最大压力角最大压力角max许用压力角许用压力角;凸轮轮廓曲线的最小曲率半径凸轮轮廓曲线的最小曲率半径min0。
当要求机构具有紧凑的尺寸时,应当按许用压力角当要求机构具有紧凑的尺寸时,应当按许用压力角来确定凸轮的基圆半径来确定凸轮的基圆半径rb。
步骤确定凸轮转动轴心的位置确定凸轮转动轴心的位置确定确定从动件的正确偏置方位以及偏距从动件的正确偏置方位以及偏距e将将代入前式代入前式22tanddesesrb确定确定ss(),求出,求出dsd,代入上式,代入上式求出一系列求出一系列rb值,选取其中的最大值作为凸轮的基圆半径值,选取其中的最大值作为凸轮的基圆半径工程上常常借助于工程上常常借助于诺模图诺模图(Nomogram)来确来确定凸轮的最小基圆半径。
借助于诺模图既可以近似确定凸定凸轮的最小基圆半径。
借助于诺模图既可以近似确定凸轮的最大压力角,也可以根据所选择的基圆半径来校核最轮的最大压力角,也可以根据所选择的基圆半径来校核最大压力角。
大压力角。
hrb等速运动等速运动0.010.10.20.30.40.50.60.81.02.03.06.0hrb等加速等减速运动等加速等减速运动0.010.10.20.30.40.61.02.05.0凸轮转角凸轮转角5101525303540205060708090100200300350最大压力角最大压力角max510152520354555657585403050607080hrb余弦加速度运动余弦加速度运动0.010.10.20.40.61.02.05.0510152520354555657585403050607080最大压力角最大压力角max5101525303540205060708090100200300350凸轮转角凸轮转角hrb正弦加速度运动正弦加速度运动0.010.10.20.40.61.02.05.0例例一对心移动从动件盘形凸轮机构,一对心移动从动件盘形凸轮机构,45,h19mm,推程时从动件,推程时从动件以正弦加速度规律规律运动,推程压力角推程压力角30,确定凸轮基圆半径,确定凸轮基圆半径rb。
作图得作图得hrb0.26,rb190.2673.08mmhrb正弦加速度运动正弦加速度运动确定凸轮基圆半径的通常做法根据结构和强度的需要,按经验公式根据结构和强度的需要,按经验公式rb(1.62)rS初步初步选定凸轮基圆半径选定凸轮基圆半径rb,然后校核压力角,以满足,然后校核压力角,以满足max的的条件条件。
注意凸轮机构的效率不仅与压力角有关,还与从动件支承的凸轮机构的效率不仅与压力角有关,还与从动件支承的悬臂长悬臂长b及两支承的距离及两支承的距离l有关,在设计时要注意选择。
有关,在设计时要注意选择。
压力角还与压力角还与dsd有关,在有关,在工作升距工作升距(Lift)h确定后,确定后,dsd则与推程角则与推程角有关。
若推程角没有因多个运动协调关有关。
若推程角没有因多个运动协调关系而受到严格限制,也可以通过适当增大系而受到严格限制,也可以通过适当增大来获得较好的动来获得较好的动力特性。
力特性。
nnQ0(二二)摆动从动件盘形凸轮机构基本尺寸的设计摆动从动件盘形凸轮机构基本尺寸的设计)tan
(1)sin()dd1(tan00Ll凸轮逆时针转动取“凸轮逆时针转动取“”号”号;顺时针转动取“;顺时针转动取“”号。
”号。
摆杆初始摆角摆杆初始摆角0为为LlrlL2)arccos(2b220LrbBO1O2Plv设计步骤按具体结构所允许的条件,选定基圆半径按具体结构所允许的条件,选定基圆半径rb和中心距和中心距L设摆杆在起始位置时与基圆半径垂直设摆杆在起始位置时与基圆半径垂直选定运动规律,计算选定运动规律,计算凸轮廓线上各点压力角凸轮廓线上各点压力角,校核,校核max如果如果max,调整,调整l值,重新计算;若值,重新计算;若l超超过某一规定值,则增大过某一规定值,则增大rb,重新计算,重新计算l和和0,直至满足要求为止。
直至满足要求为止。
2b2rLllr/tanb0及及nnQ0LrbBO1O2Plv第五节平面凸轮轮廓曲线的设计第五节平面凸轮轮廓曲线的设计一、凸轮轮廓曲线设计的基本原理一、凸轮轮廓曲线设计的基本原理(一一)凸轮轮廓曲线的设计方法凸轮轮廓曲线的设计方法作图法作图法解析法解析法基本原理反转法原理反转法原理凸轮轮廓曲线设计方法的基本原理凸轮轮廓曲线设计方法的基本原理rbOs13578601209090601201290A9091113151357891113121410二、二、用作图法设计凸轮廓线用作图法设计凸轮廓线1.对心尖顶移动从动件盘形凸轮廓线的设计对心尖顶移动从动件盘形凸轮廓线的设计已知凸轮的基圆半径已知凸轮的基圆半径rb,凸轮角,凸轮角速度速度和从动件的运动规律,设计该和从动件的运动规律,设计该凸轮轮廓曲线凸轮轮廓曲线。
选比例尺选比例尺l,作位移曲线作位移曲线和基圆和基圆rb。
等分位移曲线及反向等分各运动角,确定反转后对应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。
于各等分点的从动件的位置。
34567818765432101191213141413121110915确定反转后从动件尖顶在确定反转后从动件尖顶在各等分点占据的位置。
各等分点占据的位置。
设计步骤将各尖顶点连接成一条光滑曲线。
将各尖顶点连接成一条光滑曲线。
rbOA2.对心滚子移动从动件盘形凸轮廓线的设计对心滚子移动从动件盘形凸轮廓线的设计已知凸轮的基圆半径已知凸轮的基圆半径rb,滚子半径,滚子半径rr、凸轮角速、凸轮角速度度和从动件的运动规律,和从动件的运动规律,设计该凸轮轮廓曲线。
设计该凸轮轮廓曲线。
选比例尺选比例尺l,作位移曲线和作位移曲线和基圆基圆rb。
等分位移曲线及反向等分各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运动角,确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。
的从动件的位置。
理论轮廓曲线理论轮廓曲线实际轮廓曲线实际轮廓曲线s13578601209090911131513578911131214106012012909034567818765432101191213141413121110915确定反转后从动件滚子中心确定反转后从动件滚子中心在各等分点占据的位置。
在各等分点占据的位置。
将各点连接成一条光滑曲线。
将各点连接成一条光滑曲线。
作滚子圆族及滚子圆族的内作滚子圆族及滚子圆族的内(外外)包络线。
包络线。
设计步骤rbOA3.对心平底移动从动件盘形凸轮廓线的设计对心平底移动从动件盘形凸轮廓线的设计已知凸轮的基圆半径已知凸轮的基圆半径rb,角速度,角速度和和从动件的运动规律,设计该凸轮轮廓曲线从动件的运动规律,设计该凸轮轮廓曲线。
选比例尺选比例尺l,作位移曲线作位移曲线和基圆和基圆rb。
设计步骤等分位移曲线及反向等分各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运动角,确定反转后对应于各等分点的从动件的位置。
点的从动件的位置。
s13578601209090911131513578911131214106012012909034567818765432101191213141413121110915确定反转后平底与导路中心确定反转后平底与导路中心线的交点线的交点A在各等分
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- 机械 原理 凸轮