机电一体化工程毕业设计盘形凸轮轮廓曲线的设计.docx

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机电一体化工程毕业设计盘形凸轮轮廓曲线的设计

机电一体化工程毕业设计_盘形凸轮轮廓曲线的设计

湖北理工学院

本科生毕业设计（论文）

（2015届）

学生姓名

院（系）湖北理工学院独立本科段

专业机电一体化工程

学号

导师

论文题目盘形凸轮轮廓曲线的设计

第1章绪论7

1.1凸轮机构的概述7

1.2研究背景7

1.3研究内容和意义8

第2章从动件运动规律9

2.1等速运动规律9

2.2等加速等减速运动规律10

2.3余弦加速度（简谐）运动规律12

第3章盘形凸轮机构的类型分析14

3.1对凸轮的类型分析14

3.2.对从动件分析15

3.3对运动形式的分析15

第4章盘形凸轮的设计方法18

4.1盘形凸轮轮廓设计方法的确定18

4.2盘形凸轮轮廓曲线的分析18

4.3五种盘形凸轮机构的轮廓曲线22

第5章凸轮机构设计中应该注意的几个问题26

5.1滚子半径的选择26

5.2压力角的校验26

5.3基圆半径对凸轮半径的影响28

5.4凸轮机构的材料29

第6章前景展望30

致谢32

参考文献33

盘形凸轮轮廓曲线设计

【摘要】盘形凸轮是具有曲线轮廓或沟槽的构件，当它运动时，通过其上的曲线轮廓与从动件的高副接触，使从动件获得预期的运动。

它由凸轮、从动件、机架组成。

由于盘形凸轮机构结构简单、紧凑，设计方便，只需设计适当的凸轮轮廓，便可以使从动件实现预期运动规律。

因此盘形凸轮机构广泛的应用于各种机械和自动控制装置中。

本设计是为了总结出盘形凸轮机构轨迹综合的理论基础，从而指导不同类型盘形凸轮机构的轮廓曲线设计；深入研究盘形凸轮机构轮廓曲线设计，从而指导实践。

改变以往单纯手工计算、手工绘图，减少了劳动力，提高了生产效率！

而本盘形凸轮轮廓曲线的设计是为了提高盘形凸轮的运动精度，满足从动件的运动规律的情况下孕育而成的。

本文从 章盘形凸轮轮廓曲线设计方案的确定为切入点，介绍各种盘形凸轮轮廓曲线设计的具体设计步骤，最后得出结论。

【关键词】盘形凸轮设计轮廓曲线

DiscCAMProfileCurveDesign

【 Abstract 】 Disk CAM is a curve profile or groove of the member, when it movement, through its curve profile and follower of high pair of contact, make the follower to obtain the anticipated movement. It consists of CAM, follower, frame component. Due to the disc CAM mechanism with simple and compact structure, convenient design, need to design appropriate CAM profile, then can make the follower motion rule expected. So the disc CAM mechanism is widely used in all kinds of machinery and automatic control device. This design is to summarize acquired CAM mechanism path synthesis theory foundation, so as to guide different types of disk CAM mechanism of profile curve design; Indepth study of disk CAM mechanism with profile curve design, so as to guide practice. Change in the past simple manual calculation, manual drawing, reduce the labor force, improve the production efficiency. But this disc CAM profile curve is designed in order to improve the disk CAM movement accuracy and can meet the motion law of follower under the condition of inoculation and become. This paper, from ZhangPan CAM profile curve design scheme indeed as the breakthrough point, introduces all kinds of disc CAM profile curve design specific design steps, the final conclusion.

【 key words 】  Disk CAMDesignContour Curve

前言

凸轮一般只能近似地实现给定运动规律，而且设计较为复杂。

当从动件的位移、速度和加速度必须严格地按照预定规律变化，尤其当原动件作连续运动而从动件必须作间歇运动时，则以采用凸轮机构最为简便。

凸轮机构由凸轮、从动件或从动件系统和机架组成，凸轮通过直接接触将预定的运动传给从动件。

凸轮机构具有结构简单，可以准确实现要求的运动规律等优点。

只要适当地设计凸轮的轮廓曲线，

就可以使推杆得到各种预期的运动规律。

在各种机械，特别是自动机械和自动控制装置中，广泛地应用着各种形式的凸轮机构。

任何生产机械控制系统的设计，都包括两个基本方面：

一个是满足生产机械和工艺的各种控制要求，另一个是满足机械控制系统本身的制造、使用以及维修的需要。

因此，机械控制系统设计包括原理设计和工艺设计两个方面。

前者决定一台设备使用效能和自动化程度，即决定着生产机械设备的先进性、合理性，而后者决定着控制设备生产可行性、经济性、外观和维修等方面的性能。

以往由于计算、绘图带来的误差，使得盘形凸轮机构不能准确的描述从动件的运动规律。

当今社会工业自动化已逐步形成，传统设备已渐渐被替代。

所以本文运用盘形凸轮轮廓曲线设计的理论知识完成设计任务。

机械是人类祖先在长期的生活和生产劳动探索中逐渐产生的。

机械是人类的生产劳动工具，是人类社会生产力发展的重要标志，是人类文明的产物。

机械是人类用以转换能量和借以减轻体力劳动、提高生产率的主要工具。

十八世纪蒸汽机的发明促进了欧洲机械工业的发展，原动机的出现标志着机械工业的质的飞跃。

各门力学学科的发展为机械的设计制作打下了科学基础，是机械工业迅猛发展。

机械的主要意义就在于减轻人类的体力和脑力劳动，提高劳动生产率。

机械工业是国民经济的支柱工业之一。

机械工业是社会生产力发展水平的重要标志。

当今社会高度的物质文明是以近代机械工业的飞速发展为基础建立起来的，人类生活的不断改善也与机械工业的发展紧密相连。

五千年前已经开始使用简单的防止机械，晋朝时在连机椎和水碾中应用了凸轮远离，稀罕时应用轮系传动原理制成了指南车。

东汉张衡发明的候风地动仪是世界上第一台地震仪。

目前许多机械中仍在采用的青铜轴瓦和金属人字圆柱齿轮，在无过东汉年代的文物都可以找到它们的原始形态。

十八世纪初以蒸汽机的出现为代表生产了第一次产业革命，人们开始设计制造各种各样的机械，例如纺织机、火车、汽轮船。

十九世纪到二十世纪初的第二次产业革命，随着内燃机的出现，促进了汽车飞机等运输工具的出现和发展。

20世纪中后期，以机电一体化技术为代表，在机器人航空航天，海洋舰船等领域开发出了众多高新机械产品，如火箭、卫星、宇宙飞船、空间站、航空母舰、深海探测器等。

21世纪，智能机械、微型机构、仿生机构的蓬勃发展，将促进材料、信息、计算机技术、自动化等领域的交叉与融合，进一步丰富和发展机械基础科学知识。

机械科学与技术发展或许是我们限定思维所难以展望的，但人们在机械创新的漫漫征程中所积累的机械设计基础知识为我们提供了认识和改造客观世界的基础。

机械的三个特征：

是他是人为的实物组合不是天然形成的；个运动单元具有确定的相对运动；能够代替人的劳动完成能量的转换及物流、信息的传递。

在产品设计和开发过程中最关键、最难的便是功能原理的创新。

凸轮机构之所以能在各种自动机械中获得广泛的应用，是因为它兼有传动、导引及控制机构的各种功能。

当凸轮机构用于传动机构时，可以产生复杂的运动规律，包括变速范围较大的非等速运动，以及暂时停留或各种步进运动；凸轮机构也适宜于用作导引机构，使工作部件产生复杂的轨迹或平面运动；当凸轮机构用作控制机构时，可以控制执行机构的自动工作循环。

因此凸轮机构的设计和制造方法对现代制造业具有重要的意义。

第1章绪论

1.1凸轮机构的概述

凸轮机构由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定复移动或摆动的机构。

凸轮具有曲线轮廓或凹槽，有形凸轮、圆柱凸轮和移凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而于空间凸轮。

从动件与凸轮作点接触或线接触，有滚从动件、平底从动件和尖端从动件等。

尖端从动件能任意复杂的凸轮轮廓保持接触，可实现任意运动，但端容易磨损，适用于传力较小的低速机构中。

凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。

凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。

与凸轮轮廓接触，并传递动力和实现预定的运动规律的构件，一般做往复直线运动或摆动，称为从动件。

凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。

因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。

凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。

凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。

1.2研究背景

在各种机械，特别是自动机和自动控制装置中，广泛采用着各种形式的凸轮机构，凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，凸轮的最大优点是只要适当的设计出凸轮的轮廓曲线，就可以是推杆得到各种预期的运动规律，而且响应快速，机构简单紧凑，凸轮机构不可能被数控、电控等装置完全代替。

凸轮机构兼有传动、导向及控制机构的各种功能。

凸轮机构用作传动机构时，可以产生复杂的运动规律，包括变速范围较大的非等速运动，乃至暂时停留或各种步进运动。

凸轮机构也适用于导向机构，使工作机构产生复杂的运动轨迹。

当凸轮机构用作控制机构时，可以控制执行机构的自动工作循环或作为函数发生器。

凸轮机构作为机械式运动

传递与信息储存的基本元件时，具有构件数少和空间体积小等固有特点。

由于以上功能，以凸轮为核心，已发展出成千上万种高效、小型、精密、价廉的机械，例如内燃机配气系统、自动包装机、自动成型机、自动装配机、自动机床、纺织机械、农业机械、印刷机械、自动办公设备、自动售货机、电子元件的自动加工机械、服装加工机械。

现代机械日益向高速发展，凸轮机构的运动速度也愈来愈高，因此，高速凸轮的设计及其动力学问题的研究已引起普遍重视，并已提出了许多适于在高速条件下采用的运动规律以及一些新型的凸轮机构。

另一方面，随着计算机的发展，凸轮机构的计算机辅助设计和制造已获得普遍的应用，从而提高了设计和加工的速度和质量，这也为凸轮机构的更广泛应用创造了条件。

1.3研究内容和意义

低副机构一般只能近似地实现给定运动规律，而且设计较为复杂。

当从动件的位移、速度和加速度必须严格地按照预定规律变化，尤其当原动件作连续运动而从动件必须作间歇运动时，则以采用凸轮机构最为简便。

凸轮机构由凸轮、从动件或从动件系统和机架组成，凸轮通过直接接触将预定的运动传给从动件。

凸轮机构具有结构简单，可以准确实现要求的运动规律等优点。

只要适当地设计凸轮的轮廓曲线，

就可以使推杆得到各种预期的运动规律。

在各种机械，特别是自动机械和自动控制装置中，广泛地应用着各种形式的凸轮机构。

凸轮机构之所以能在各种自动机械中获得广泛的应用，是因为它兼有传动、导引及控制机构的各种功能。

当凸轮机构用于传动机构时，可以产生复杂的运动规律，包括变速范围较大的非等速运动，以及暂时停留或各种步进运动；凸轮机构也适宜于用作导引机构，使工作部件产生复杂的轨迹或平面运动；当凸轮机构用作控制机构时，可以控制执行机构的自动工作循环。

因此凸轮机构的设计和制造方法对现代制造业具有重要的意义。

第2章从动件运动规律

从动件随主动件的运动变化规律叫从动件的运动规律。

现以图2.1（a）所示的尖底直动从动件盘形凸轮机构为例进行凸轮机构的运动分析。

以凸轮回转中心到其轮廓的最小向径为半径所绘制出的圆称为基圆，半径用r0表示。

当尖底与凸轮廓在线的A点（在基圆上）接触时，从动件处于上升的起始位置。

当凸轮以等角速度ω沿逆时针方向转动时，从动件在凸轮的推动下以一定的运动规律到达最远位置B，这个过程叫推程。

此时从动件所走过的距离叫升程，用h表示，相应凸轮所转过的角度Φ0叫推程运动角（Φ0

）。

当凸轮继续回转Φs角时，从动件与凸轮廓线BC段接触，BC是以O为圆心的一段圆弧，因此从动件静止不动，这其间从动件呈休止状态，对应的Φs角叫远休止角（Φs

）。

凸轮继续回转Φ0′时，从动件与凸轮廓线CD段接触，又回到起始位置，这个过程为回程，其回程量仍为h，对应的凸轮转角Φ0′叫回程运动角（Φ0′

）。

当凸轮继续回转Φs′时，从动件与凸轮基圆的DA段接触，从动件在最低的位置停留不动，对应的Φs′角叫近休止角。

当凸轮继续回转时，从动件的运动又重复上述过程。

从动件位移曲线如图2.1（b）所示，其横坐标代表凸轮转角

（因通常凸轮等角速度转动，故横坐标也代表时间t），纵坐标代表从动件位移

，表明从动件位移

与凸轮转角

或时间t的关系曲线称为从动件的位移曲线。

以上分析可知，从动件的位移线图取决于凸轮轮廓线的形状。

也就是说，从动件的不同运动规律要求凸轮具有不同的轮廓曲线。

下面介绍几种从动件常用运动规律：

2.1等速运动规律

从动件在一个推程或一个回程中加速度始终为零，即从动件作等速运动。

从动件在推程、回程时的位移、速度和加速度方程分别为

（2.1）

和

（2.2）

与式（2.1-2.2）相应的从动件

曲线、

曲线和

曲线如图2.1.1所示。

由上可知：

采用这种运动规律，从动件在运动开始和运动终止时，速度有突变，因而加速度在理论上由零变为无穷大，致使从动件产生无限大惯性力，使凸轮机构受到极大冲击，称这种冲击为刚性冲击。

故等速运动规律适用于低速凸轮机构。

（a）尖底从动件盘形凸轮（b）从动件位移曲线

图2.1等速运动规律

2.2等加速等减速运动规律

从动件在一个推程或一个回程中作等加速等减速运动。

以推程为例，设从动件在前半个推程作等加速运动，后半个推程作等减速运动，两段加速度的绝对值相等，则推程前半段位移方程为

（2.3）

当

时，

，

即

则

（2.4）

将式（2.4）代入式（2.3），得

，

（2.5）

推程后半段的位移方程可由运动线图的对称性求得。

故推程前、后半段的位移、速度和加速度方程为式（2.6）。

与式（2.6）相应的

曲线、

曲线和

曲线，如图2.2.1所示。

与

（2.6）

用同样方法可推导出回程段位移、速度和加速度方程为

与

（2.7）

由位移方程可知，位移曲线为抛物线，当

取1，2，3，…个单位时，对应

为1，4，9，…个单位，由此可作出从动件在此期间的位移线图，如图2.13中的

曲线所示,其作图方法如下：

在横坐标轴上将长度为

的线段分成若干等分（图中为3等分），得1，2，3各点，过这些点做横轴的垂线；再过O点作任一斜线OO′，在其上以任意间距截取9个等分点，连接直线9-3″,并作其并行线4-2″和1-1″，最后由1″，2″，3″分别向过1，2，3点的垂线投影，得到1′，2′，3′点，将这些点连成光滑曲线便得到前半段等加速运动的位移曲线。

如图所示，用同样方法可求得等减速段的位移曲线。

由上可知，这种运动规律在始、末点及正、负加速度接点处，加速度产生有限值突变，致使惯性力发生有限值突变，使凸轮机构受到有限的冲击，称这种冲击为柔性冲击，故等加速等减速运动规律适用于中速凸轮机构。

2.2等加速等减速运动规律

2.3余弦加速度（简谐）运动规律

质点在圆周上作匀速运动时，它在这个圆周直径上的投影所构成的运动称为简谐运动，其位移线图作法如下：

以从动件的行程h为直径画半圆，将此半圆分成若干等分（图2.3），得1″，2″，3″，…点。

再把凸轮推程角也分成相应等分，并作垂线11′，22′，33′，…，然后将圆周上的等分点投影到相应的垂直线上得1′，2′，3′，…点。

用光滑曲线连接这些点，即得到从动件的位移线图，其方程为

图中

及

，由此可导出从动件在推程时的位移、速度和加速度方程为

（2.8）

用同样方法可导出从动件在回程时运动方程为

（2.9）

由上可知，简谐运动的加速度为余弦，故又称其为余弦加速度运动规律。

这种运动规律加速度曲线在运动开始和终止时也有突变，故也有柔性冲击，因此也只使用于中速凸轮机构。

但当从动件在整个运动没有休止状态时，加速度曲线保持连续，因而避免冲击，此时可用于高速凸轮机构（如图中虚线所示）。

图2.3余弦加速度运动规律

除上述几种运动规律外，工程上还应用正弦加速度等运动规律，由于这种运动规律加速度曲线保持连续，因此可避免任何冲击。

从动件位移s随凸轮转角的变化情况如图4所示，图中横坐标代表凸轮转角，纵坐标代表从动件位移s、速度v和加速度a随凸轮转角的变化规律称为从动件运动规律。

从动件运动规律又可分为基本运动规律，基本运动规律有以下几种：

等速运动规律：

从动件在运动过程中速度为常数，而在运动的始、末点处速度产生突变，理论上加速度为无穷大，产生无穷大的惯性力，机构将产生极大的冲击，称为刚性冲击，次类运动规律只使用于低速运动的场合。

等加速等减速运动规律：

从动件在运动过程中加速度为常数，而在运动的始、末点处加速度有突变，产生较大的加速度和惯性力，由此而引起的冲击称为柔性冲击，这种运动规律只适用与中速运动的场合。

余弦加速度运动规律：

又名简谐运动规律。

从动件在整个运动过程中速度皆连续，但在运动的始、末点处加速度有突变，产生柔性冲击，因而也只适用中速运动场合。

正弦加速度运动规律：

又名摆线运动规律。

从动件在整个运动过程中速度和加速度皆连续无突变，避免了刚性冲击和柔性冲击，可以用于高速运动的场合。

在工程实际中，为使凸轮机构获得更好的工作性能，经常采用以某种基本运动规律为基础，辅之以其他运动规律与其组合，从而获得组合运动规律。

当采用不用的运动规律组合成改进型运动规律时，它们在连接点处的位移、速度和加速度应分别相等；这就是两运动规律组合时必须满足的边界条件。

常用的组合运动规律有：

改进性等速运动规律，改进性正弦加速度运动规律和改进性梯形加速度运动规律。

第3章盘形凸轮机构的类型分析

3.1对凸轮的类型分析

3.1.1盘形凸轮

盘形凸轮是绕固定轴转动且具有变化向径的盘形构件，它是凸轮的基本形式，盘形凸轮机构的从动件在垂直于凸轮轴的平面内运动，盘形凸轮机构的结构较于简单，且应用也比较广泛，但推杆的行程不能太大，否则凸轮的径向尺寸变化过大造成凸轮机构的动力学特性变差。

图3.1

图3.1盘形凸轮

3.1.2移动凸轮

它是看作轴心在无穷远处的盘形凸轮的一部分，它是一个具有曲线轮廓的作往直线的构件，当移动凸轮作直线往复运动时可推杆在同一运动，有时也常将此种凸轮固定而使推杆连同其支架相对于此凸轮运动。

图3.2

图3.2移动凸轮

3.1.3圆柱凸轮

凸轮的轮廓曲线位于圆柱面上，它可视为将移动凸轮卷成圆柱体而得，在圆柱凸轮机构中，凸轮固定轴转动而从动件的从动件的运动平面与凸轮轴平行。

图3.3

图3.3圆柱凸轮

3.2.对从动件分析

3.2.1尖顶从动件概念分析

从动件端部以尖顶与凸轮轮廓接触，这种从动件结构简单，尖顶能与复杂的凸轮轮廓保持接触，因此理论上可以实现任意预期的运动规律。

尖顶从动件是研究其他类型从动件凸轮机构的基础。

由于尖顶与凸轮是点接触，易磨损，故仅适用于低速轻载的凸轮机构中。

3.2.2滚子从动件概念分析

该从动件端部有可以自由回转的滚子，以减少摩擦和磨损能传递较大的磨损，它是一种常用的类型，但结构较复杂，端部重量较大，故不宜用于高速的场合。

3.2.3平底从动件概念分析

不计摩擦时凸轮对从动件的作用始终垂直于擦平底，因此有效推力较大，平底与凸轮接触形成油膜的条件较好，传动效率高，故常用与高速的场合，但平底不能与内凹或直线轮廓相配。

3.3对运动形式的分析

3.3.1直动从动件

直动从动件运动过程中可作直线往复移动的构件。

图3.4直动从动件

3.3.2对心直动从动件

在直动从动件中如果轨迹通过凸轴心的构件且该从动件运动简单易制作。

图3.6对心直动从动件

3.3.3偏置直动从动件

在直动从动件中如果轨迹不能通过凸轮轴心的构件且存在偏置量e的构件，同时该构件比较简单、制造、安装精度高。

图3.7偏执直动从动件

3.3.4摆动从动件

摆动从动件运动过程中可绕定轴摆动的构件。

如图3.8所示

图3.8摆动从动件

第4章盘形凸轮的设计方法

4.1盘形凸轮轮廓设计方法的确定

确定从动件的运动规律，选定凸轮的转动方向、基圆半径等之后，就可以进行凸轮轮廓进行设计。

凸轮轮廓的设计方法有图解法和解析法。

图解法简便易行、直观，但精度较低，可用于设计一般精度要求的凸轮机构。

解析法精度高，多用于设计精度要求较高的凸轮机构。

由于设计任务中明确提到应该用反转法原理进行设计，固此篇论文中我将严格利用反转法原理设计对心直动尖顶从动件盘形凸轮、偏置直动尖顶从动件盘形凸轮、对心直动滚子从动件盘形凸轮、偏置直动滚子从动件盘形凸轮、对心直动平底从动

件盘形凸轮的轮廓曲线。

反转法：

凸轮机构工作时，主动凸轮以等角速度

转动。

用图解法设计盘形凸轮轮廓时，给整个凸轮机构加上一个公共的角速度-

。

根据相对运动原理，凸轮静止不动；从动件一方面导路以角速度-

绕轴O转动，另一方面又在导路中按预期的运动规律做往复移动。

此时，凸轮机构中各构件间的相对运动并没有改变。

由于从动件尖顶始终与凸轮轮廓相接触，从动件在这种往复运动中，其尖顶的运动轨迹即是凸轮轮廓曲线。

这种利用与凸轮相反的方法逐点按位移曲线绘制出凸轮轮廓曲线的方法称为反转法。

如图4.1所示。

反转法的本质就是改变参考系,是许多机构的构型设计及机构运动学和动力学分析的一种基本方法。

其中,在凸轮机构中的应用最典型。

图4.1反转法的原理

4.2盘形凸轮轮廓曲线的分析

盘形凸轮机构设计的主要任务，就是根据给定从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线。

设计方法分图解法和解析法。

图解法作图误差较大，适用于精度要求较低的凸轮设计中；但图解法清晰、直观，据其能进一步理解凸轮轮廓设计原理及一些基本概念

根据指导老师所给的任务书上的已知条件可以确定凸轮的基圆半径rｏ，然后绘制凸轮的轮廓。

4.2.1尖顶对心直动从动件盘形凸轮

图4.2所示，一对心直动尖端推杆盘形凸轮机构。

已知凸轮的基圆半径

=15mm