凸轮机构设计1
凸轮机构的设计和计算详解
凸轮机构的设计和计算详解1. 引言凸轮机构是一种常见的机械传动装置，通过凸轮的运动来实现对其他部件的控制和驱动。
凸轮机构广泛应用于发动机、机械加工、自动化设备等领域。
在本文中，我们将详细介绍凸轮机构的设计和计算方法。
2. 凸轮机构的基本原理凸轮机构由凸轮、从动件和控制件组成。
凸轮通过旋转或移动的方式，驱动从动件进行线性或旋转运动。
不同凸轮形状和运动方式将实现不同的功能。
3. 凸轮的设计要点凸轮的设计涉及凸轮形状、凸轮面积、凸轮运动规律等方面。
在进行凸轮设计时，需要考虑以下要点：•运动要求：根据从动件需要的运动类型（线性或旋转）、速度和加速度要求，确定凸轮的形状和运动规律。
•动态负载：凸轮在运动过程中所承受的动态负载应被考虑在内，以确保凸轮的强度和耐久性。
•材料选择：根据凸轮的工作条件和负载要求，选择适当的材料来制造凸轮，以保证其可靠性和寿命。
4. 凸轮机构的计算方法4.1 凸轮剖面的计算凸轮剖面的计算是凸轮机构设计中的重要一环。
根据凸轮的运动规律和从动件的运动要求，可以进行凸轮剖面的计算。
常用的凸轮剖面计算方法有：•凸轮剖面生成法：根据从动件的运动要求，通过几何构造和插值计算，生成凸轮剖面。
•凸轮运动分析法：通过分析凸轮的运动规律和从动件的运动要求，推导出凸轮剖面的数学表达式。
4.2 凸轮机构的运动学分析凸轮机构的运动学分析是确定凸轮机构各部件的运动规律和参数的过程。
通过运动学分析，可以计算凸轮机构的几何关系、速度和加速度等。
常用的凸轮机构运动学分析方法有：•图形法：通过绘制凸轮机构的运动示意图和运动曲线，分析凸轮机构的运动规律。
•解析法：通过建立凸轮机构的运动学方程，推导出各部件的运动参数，并进行计算。
4.3 凸轮机构的强度计算凸轮机构的强度计算是为了确定凸轮所承受的载荷是否安全，并选择适当的材料和结构来满足设计要求。
在强度计算中，需要考虑凸轮的静载荷、动载荷和疲劳载荷等。
常用的凸轮机构强度计算方法有：•静态强度计算：通过分析凸轮在静态载荷下的应力和变形情况，确定凸轮的强度和刚度。
凸轮设计
形锁合
强制凸轮
等宽凸轮
沟槽凸轮
等宽凸轮
等径凸轮
§3-1 慨 述 三.凸轮机构的工作原理
s
行程
hs
A
rb
o
B
BC
S
近休止角
D 2
S
e
C 推程运动角 远休止角 回程运动角
D
凸轮的基圆
该位置为初始位置
摆动从动件凸轮机构
从动件摆角 最大摆角
BC
B
B1 A
O1
o
最大摆角
1' 0 v
在推程的开始和终止瞬时，从动件的
s
12 3 4 56
，s h h cos
22
1 2 3 4 5 6
加推速程度运仍动有的突边变界，条故件存：在柔性冲击。
因当当此对适R用R0型于时时运中，，动、ss，低0若速h; v推场程合0、。回程均为
1
2
O1
3
12（上冲头） 4（料斗）
13
型腔
6（下冲头）
粉料压片机机构系统图
5 O3
O2 7
§3-1 慨 述
一.凸轮机构及其应用 二.凸轮机构的分类
（一）按凸轮的形状分：
移动凸轮副
滚轮凸轮 机构
移动凸轮 空间凸轮2
盘形凸轮
圆柱凸轮
二.凸轮机构的分类
（一）按凸轮的形状分： （二）按从动件上高副元素的几何形状分：
凸轮机构
§3-1 慨 述
一.凸轮机构及其应用
从动件2
机架3
滚轮凸轮 机构
1 O1
凸轮机构设计知识点
凸轮机构设计知识点凸轮机构是一种应用广泛的机械传动装置，它利用凸轮的凸起部分与随动件的运动接触，以实现特定的运动规律和功能。
在工程设计中，合理地设计凸轮机构能够优化运动性能、提高效率和可靠性。
本文将针对凸轮机构的设计知识点进行详细介绍。
一、凸轮曲线的设计凸轮机构的性能主要取决于凸轮曲线的设计，凸轮曲线的形状和参数会直接影响机构的运动规律和输出功率。
在凸轮曲线的设计中，需要考虑以下几个关键因素：1. 运动规律：根据机构的要求，确定凸轮曲线的运动规律，如简谐运动、匀加速运动等。
运动规律的选择应该符合机构的实际需求。
2. 接触应力：凸轮曲线的设计应尽量避免产生过大的接触应力，以确保传动的平稳和可靠。
需要注意的是，在高速运动和重载工况下，接触应力可能会变得更为重要。
3. 凸轮曲线的曲率半径：凸轮曲线的曲率半径对机构的运动特性有重要影响。
通常情况下，较小的曲率半径会导致更大的凸轮尺寸和更小的接触应力，但也会增加摩擦和磨损。
4. 凸轮曲线的周期：凸轮曲线的周期直接影响机构的输出频率和运动频率。
在设计中需要确定凸轮曲线的周期和相位，以满足机构工作的要求。
二、凸轮机构的配合设计凸轮机构的配合设计是指凸轮和随动件之间的配合关系，凸轮的凸起部分通常与随动件的凹槽或滚道进行配合。
在凸轮机构的配合设计中，需要考虑以下几个关键因素：1. 清凸：清凸是指在凸轮的凸起部分与随动件的配合过程中，凸轮顶部和凹槽底部的间隙。
合理的清凸设计可以保证运动的平滑和噪音的降低。
2. 凸轮与随动件的配合形式：凸轮机构的配合形式主要有滚动配合和滑动配合两种形式。
滚动配合适用于高速和高精度要求的机构，而滑动配合适用于低速和较宽容差的机构。
3. 润滑和磨损：凸轮机构在运动中会产生摩擦和磨损，因此需要进行良好的润滑设计，以减少摩擦和延长机构的使用寿命。
三、凸轮机构的动力分析凸轮机构的动力分析是指对凸轮机构进行力学和动力学的数学建模与分析，以预测和评估机构在不同工况下的运动性能和受力情况。
第八章凸轮机构及其设计1方案
最大速度值越大，则从动件系统的动量也大。若机构 在工作中遇到需要紧急停车的情况，由于从动件系统动量 过大，会出现操控失灵，造成机构损坏等安全事故。因此 希望从动件运动速度的最大值越小越好。
§9-2 推杆的运动规律
2、最大加速度
最大加速度值的大小，会直接影响从动件系统 的惯性力，从动件与凸轮廓线的接触应力，从动件 的强度等。因此希望从动件在运动过程中的加速度 最大值越小越好。
1．凸轮廓线设计的基本原理
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。
§9-3 凸轮轮廓曲线的设计
直动尖顶推杆盘形凸轮机构
（1）凸轮的轮廓曲线与推杆的相对运动关系
-ω 1
3’
2’
2
s2 1’
1
ω
2
O
s2 3
3
§9-3 凸轮轮廓曲线的设计
（2）凸轮廓线设计方法的基本原理
follower
§9-1 凸轮机构的应用和分类
移动从动件
据导路与回转中心 的相对位置
对心式 偏置式
§9-1 凸轮机构的应用和分类
(4)按凸轮与从动件维持高副接触(封闭)的方式分
力封闭型凸轮机构 Force-closed cams
从动件与凸轮保持接触的 方式，保持运动不失真。
利用从动件自身重力、回复弹簧力或其它外力，
圆柱凸轮 Cylindrical cam
空间凸轮机构,可使从动件获得大的工作行程又不 致过于庞大。
§9-1 凸轮机构的应用和分类
(2) 按推杆的形状分
尖顶从动件 Knife-edge follower
滚子从动件 Roller follower
构造简单、易磨损、用于仪表机构。
机械原理复习题1
机械原理复习题凸轮机构及其设计I.填空题1凸轮机构中的压力角是凸轮与从动件接触点处的正压力方向和从动件上力作用点处的速度方向所夹的锐角。
2凸轮机构中，使凸轮与从动件保持接触的方法有力封闭法和几何封闭法（形封闭法）两种。
3在回程过程中，对凸轮机构的压力角加以限制的原因是为减小从动件产生过大的加速度引起的冲击。
4在推程过程中，对凸轮机构的压力角加以限制的原因是提高机械效率、改善受力情况。
5在直动滚子从动件盘形凸轮机构中，凸轮的理论廓线与实际廓线间的关系是法向距离为滚子半径的等距曲线6凸轮机构中，从动件根据其端部结构型式，一般有尖顶从动件、滚子从动件、平底从动件等三种型式。
7设计滚子从动件盘形凸轮机构时，滚子中心的轨迹称为凸轮的理论廓线；与滚子相包络的凸轮廓线称为实际廓线。
8盘形凸轮的基圆半径是理论轮廓曲线上距凸轮转动中心的最小向径。
9根据图示的ϕϕ-22dd s运动线图，可判断从动件的推程运动是__(1)等加速等减速运动规律(2)从动件的回程运动是简谐运动规律。
10从动件作等速运动的凸轮机构中，其位移线图是斜直线，速度线图是平行于凸轮转角坐标轴的直线。
11当初步设计直动尖顶从动件盘形凸轮机构中发现有自锁现象时，可采用增大基圆半径、采用偏置从动件、在满足工作要求的前提下，选择不同的从动件的运动规律等办法来解决。
12在设计滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线中，若出现滚子半径大于理论廓线上的最小曲率半径时，会发生从动件运动失真现象。
此时，可采用加大凸轮基圆半径或减小滚子半径方法避免从动件的运动失真。
13用图解法设计滚子从动件盘形凸轮轮廓时，在由理论轮廓曲线求实际轮廓曲线的过程中，若实际轮廓曲线出现尖点或交叉现象，则与滚子半径的选择有关。
14在设计滚子从动件盘形凸轮机构时，选择滚子半径的条件是滚子半径小于凸轮理论轮廓曲线上的最小曲率半径。
15在偏置直动从动件盘形凸轮机构中，当凸轮逆时针方向转动时，为减小机构压力角，应使从动件导路位置偏置于凸轮回转中心的右侧。
凸轮机构基本参数的设计
凸轮机构基本参数的设计前节所先容的几何法和解析法设计凸轮轮廓曲线，其基圆半径r0、直动从动件的偏距e或摆动从动件与凸轮的中心距a、滚子半径rT等基本参数都是预先给定的。
本节将从凸轮机构的传动效率、运动是否失真、结构是否紧凑等方面讨论上述参数的确定方法。
1 凸轮机构的压力角和自锁图示为偏置尖底直动从动件盘形凸轮机构在推程的一个位置。
Q为从动件上作用的载荷（包括工作阻力、重力、弹簧力和惯性力）。
当不考虑摩擦时，凸轮作用于从动件的驱动力F是沿法线方向传递的。
此力可分解为沿从动件运动方向的有用分力F'和使从动件紧压导路的有害分力F''。
驱动力F与有用分力F'之间的夹角a（或接触点法线与从动件上力作用点速度方向所夹的锐角）称为凸轮机构在图示位置时的压力角。
显然，压力角是衡量有用分力F'与有害分力F''之比的重要参数。
压力角a愈大，有害分力F''愈大，由F''引起的导路中的摩擦阻力也愈大，故凸轮推动从动件所需的驱动力也就愈大。
当a增大到某一数值时，因F''而引起的摩擦阻力将会超过有用分力F'，这时无论凸轮给从动件的驱动力多大，都不能推动从动件，这种现象称为机构出现自锁。
机构开始出现自锁的压力角alim称为极限压力角，它的数值与支承间的跨距l2、悬臂长度l1、接触面间的摩擦系数和润滑条件等有关。
实践说明，当a增大到接近alim时，即使尚未发生自锁，也会导致驱动力急剧增大，轮廓严重磨损、效率迅速降低。
因此，实际设计中规定了压力角的许用值[a]。
对摆动从动件，通常取[a]=40～50；对直动从动件通常取[a]=30～40。
滚子接触、润滑良好和支承有较好刚性时取数据的上限；否则取下限。
对于力锁合式凸轮机构，其从动件的回程是由弹簧等外力驱动的，而不是由凸轮驱动的，所以不会出现自锁。
因此，力锁合式凸轮机构的回程压力角可以很大，其许用值可取[a]=70～80。
机械原理-凸轮机构及其设计
第六讲凸轮机构及其设计（一）凸轮机构的应用和分类一、凸轮机构1．组成：凸轮，推杆，机架。
2．优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且机构简单紧凑。
缺点：凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，所以凸轮机构多用在传力不大的场合。
二、凸轮机构的分类1．按凸轮的形状分：盘形凸轮圆柱凸轮2．按推杆的形状分尖顶推杆：结构简单，能与复杂的凸轮轮廓保持接触，实现任意预期运动。
易遭磨损，只适用于作用力不大和速度较低的场合滚子推杆：滚动摩擦力小，承载力大，可用于传递较大的动力。
不能与凹槽的凸轮轮廓时时处处保持接触。
平底推杆：不考虑摩擦时，凸轮对推杆的作用力与从动件平底垂直，受力平稳；易形成油膜，润滑好；效率高。
不能与凹槽的凸轮轮廓时时处处保持接触。
3．按从动件的运动形式分（1）往复直线运动：直动推杆，又有对心和偏心式两种。
（2）往复摆动运动：摆动推杆，也有对心和偏心式两种。
4．根据凸轮与推杆接触方法不同分：（1）力封闭的凸轮机构：通过其它外力（如重力，弹性力）使推杆始终与凸轮保持接触，（2）几何形状封闭的凸轮机构：利用凸轮或推杆的特殊几何结构使凸轮与推杆始终保持接触。
①等宽凸轮机构② 等径凸轮机构③共轭凸轮（二）推杆的运动规律一、基本名词：以凸轮的回转轴心O 为圆心，以凸轮的最小半径r0为半径所作的圆称为凸轮的基圆，r0 称为基圆半径。
推程：当凸轮以角速度转动时，推杆被推到距凸轮转动中心最远的位置的过程称为推程。
推杆上升的最大距离称为推杆的行程，相应的凸轮转角称为推程运动角。
回程：推杆由最远位置回到起始位置的过程称为回程，对应的凸轮转角称为回程运动角。
休止：推杆处于静止不动的阶段。
推杆在最远处静止不动，对应的凸轮转角称为远休止角；推杆在最近处静止不动，对应的凸轮转角称为近休止角二、推杆常用的运动规律1．刚性冲击：推杆在运动开始和终止时，速度突变，加速度在理论上将出现瞬时的无穷大值，致使推杆产生非常大的惯性力，因而使凸轮受到极大冲击，这种冲击叫刚性冲击。
机械原理课程设计凸轮机构设计说明书
全面探究凸轮机构设计原理及方法凸轮机构是一种常用的机械传动装置，通过凸轮和摆杆的配合组成，具有可逆性、可编程性和高精度的特点。
本文将从设计原理、设计方法和优化策略三个方面探究凸轮机构设计的要点。
一、设计原理
凸轮机构的设计原理是在摆杆与凸轮配合时，摆杆可以沿凸轮轮廓实现规定的运动规律，如直线运动、往返运动和旋转运动等。
凸轮可以根据运动轨迹、运动频率和运动速度等要求，通过凸轮轮廓的设计来完成。
凸轮轮廓的设计包括了初步设计、动力学分析、运动规划等步骤。
二、设计方法
凸轮机构的设计方法包括手工绘图及设计软件辅助。
手工绘图是传统的凸轮轮廓设计方法，适用于简单的凸轮机构，如往复式转动机构、转动转动机构等；而对于复杂的凸轮机构，可以利用计算机辅助设计软件，如ProEngineer、CATIA、AutoCAD等，进行三维建模、运动模拟和优化设计。
此外，对于凸轮机构的设计还需要考虑到强度计算、可靠性分析等相关问题。
三、优化策略
凸轮机构的设计优化策略主要包括凸轮轮廓的形状优化、摆杆的长度优化和机构传动效率的优化等。
凸轮轮廓的形状优化通常是通过
Cycloid、Involute、Bezier等曲线的拟合来实现；摆杆的长度优化可以通过数学模型来建立，利用遗传算法、粒子群算法等优化算法进行
求解；传动效率的优化可以通过轮廓优化、材料优化、润滑优化等途
径来进行。
凸轮机构的设计是机械工业中非常重要的一环，它涉及到运动学、动力学、力学等多个学科的知识，需要学习者在多方面进行深入研究
和实践。
通过对凸轮机构的深入探究，我们可以更好地理解机械原理
的精髓，提高机械设计的水平和能力。
机械设计-凸轮机构的运动规律分析
s
h
2h p
A
0
5v
1 6
2 7
3 8
a
φ
4φ
φ
φ
φ
φ
小结
1.运动过程分析
运动循环和运动参数
2.从动件的运动规 律
运动规律 等速运动规律 等加速等减速运动 余弦加速度运动规律 正弦加速度运动规律
运动特性
有刚性冲击
柔性冲击 柔性冲击 无冲击
适用场合
低速、轻载
中速、 轻载 中速、中载
✓ 等加速等减速运动规律（线运动规律（正弦加速度运动律）
1.等速运动规律
定义 从动件在推程或回程作等速运动。
启动瞬间: 速度由0→v0，a 由0→∞ 终止瞬间: 速度由v0→0，a 由0→－∞
冲击特性：始点、末点刚性冲击(F=ma) 适用场合：低速轻载
s h
O
v
O
a
∞
O
v0
φ φ
φ φ
φ φ
－∞
2.等加速等减速运动规律 定义 从动件在推程或回程的前半行程作等加速 运动，后半行程作等减速运动。
运动线图 从动件位移方程
抛物线
动力特性 加速度在运动的起始、中间和终止 位置有突变。
存在柔性冲击 (F=ma)
适用场合 中速轻载。
A
B
3.简谐（余弦加速度）运动规律
近休止：从动件在初始位置静止不动。 近休止角 ：凸轮转过角度 Φs´ 凸轮与从动件的关系： 从动件的运动规律取决于凸轮的轮廓曲
二、从动件的运动规律
从动件的运动规律：从动件的位移（s）、速度（v）和加速 度（a）随时间（t）或凸轮转角（φ）的变 化规律。
凸轮机构设计范文
凸轮机构设计范文凸轮机构是一种常见的机械传动装置，广泛应用于机械制造领域。
它基本由凸轮、从动件和机构底座三部分组成，通过凸轮的旋转运动，驱动从动件做直线或旋转运动。
凸轮机构设计的目标是实现特定的运动要求，如提供特定的变速比、产生特定的曲线轨迹等。
以下将对凸轮机构设计进行详细介绍。
凸轮机构设计的第一步是确定凸轮的类型和工作范围。
常见的凸轮类型有圆柱凸轮、曲线凸轮和槽状凸轮等。
在选择凸轮类型时，需要考虑从动件的运动轨迹以及工作空间的限制。
例如，如果需要产生复杂的曲线轨迹，可选择曲线凸轮。
而如果从动件需要做直线运动，则圆柱凸轮是一个较好的选择。
确定凸轮的工作范围时，需要考虑从动件的运动要求和凸轮的尺寸限制。
从动件的运动要求包括速度、加速度和位置等，凸轮的尺寸限制包括凸轮的直径和凸轮轴的位置。
通过综合考虑这些因素，可以确定合适的凸轮尺寸和工作范围。
凸轮机构设计的第二步是确定从动件的类型和布置。
常见的从动件类型有滑块、摇杆、连杆等。
在选择从动件类型时，需要考虑从动件的运动要求和工作空间的限制。
例如，如果需要产生复杂的曲线轨迹，可选择滑块作为从动件。
而如果从动件需要做旋转运动，则摇杆是一个较好的选择。
确定从动件的布置时，需要考虑从动件与凸轮的配合方式和从动件之间的连接方式。
从动件与凸轮的配合方式包括摆线配合和圆轴配合等。
摆线配合适用于产生复杂的曲线轨迹，圆轴配合适用于产生简单的直线或旋转运动。
从动件之间的连接方式包括固连和滑动连接等。
固连适用于产生直线或旋转运动，滑动连接适用于产生复杂的曲线轨迹。
凸轮机构设计的第三步是进行凸轮轮廓设计。
凸轮轮廓设计是根据从动件的运动要求和凸轮的工作范围，确定凸轮轮廓的形状。
常见的凸轮轮廓形状有圆弧形、直线形和指数曲线形等。
圆弧形适用于产生简单的直线或旋转运动，直线形适用于产生复杂的曲线轨迹，指数曲线形适用于平滑的运动。
凸轮机构设计的第四步是进行从动件和凸轮的配合关系设计。
从动件和凸轮的配合关系设计是通过确定从动件和凸轮的运动规律，实现从动件的要求运动。
凸轮机构设计
随着现代制造技术的不断进步，凸轮机构正向着高精度、高效率、高可靠性、 低噪音等方向发展。同时，为了满足不同领域的需求，凸轮机构的类型也在不 断增加和完善。
02
凸轮机构设计基础
设计目标与要求
实现预期的运动规律
01
根据工作要求，设计凸轮轮廓以实现从动件预期的运动规律，
如匀速、匀加速、简谐运动等。
结构优化方法探讨
优化设计理论
运用优化设计理论和方法，对凸轮机构的结构参数进行优化设计 ，提高机构的性能。
有限元分析
利用有限元分析技术对凸轮机构进行应力、应变和疲劳寿命分析， 为结构优化提供依据。
试验验证
通过试验验证优化设计的有效性，对优化前后的凸轮机构性能进行 对比分析，确保优化设计的可行性。
06
装配与调试
将加工完成的凸轮机 构各部件进行装配， 并进行调试以确保机 构运转顺畅。
关键工艺参数控制
热处理温度和时间
严格控制淬火、回火等热处理 的温度和时间，确保材料达到
所需的机械性能。
切削用量和切削速度
合理选择切削用量和切削速度 ，以保证加工效率和加工质量 。
磨削参数
根据凸轮机构的材质和精度要 求，选择合适的磨削参数，如 砂轮类型、磨削深度等。
速度分析
通过求导得到从动件的速 度表达式，进而分析速度 的变化规律。
加速度分析
对速度表达式进行求导， 得到从动件的加速度表达 式，用于分析加速度的变 化规律。
动力学建模与求解
建立动力学模型
根据凸轮机构的结构特点和工作 原理，建立相应的动力学模型， 包括质量、刚度、阻尼等参数。
求解动力学方程
采用数值计算方法（如龙格-库 塔法、欧拉法等）对动力学方程 进行求解，得到从动件在任意时
机械设计凸轮机构设计
2）滚子从动件：从动件的端部装有滚子。 特点： 从动件与凸轮之间可形成滚动摩擦，所以磨损显著减 少，能承受较大载荷，应用较广。但端部重量较大， 又不易润滑，故仍不宜用于高速。
3）平底从动件：从动件端部为一平底。 特点： 若不计摩擦，凸轮对从动件的作用力始终垂直于 平底，传力性能良好，且凸轮与平底接触面间易 形成润滑油膜，摩擦磨损小、效率高，故可用于 高速，缺点是不能用于凸轮轮廓有内凹的情况。
一、凸轮机构的基本术语
以尖顶从动件为对象予以介绍
基圆—以凸轮理论轮廓最小向
径r0为半径所作的圆。
基圆半径—r0 推程—从动件从距离凸轮回 转中心最近位置到距离凸轮 回转中心最远位置的过程， 称为推程。 推程运动角δt —从动件推程 过程，对应凸轮转角称为推
r0 对心式尖顶从动 件盘形凸轮机构
ω
δt
送料机构
内燃机气门机构
应用实例：
盘形凸轮机构
等径凸轮机构
在印刷机中的应用
在机械加工中的应用
利用分度凸轮 机构实现转位
圆柱凸轮机构在机 械加工中的应用
三、凸轮机构的分类 1、按凸轮的形状分类
1）盘形凸轮：凸轮为一绕固定轴线转动且有变化向 径的盘形构件。
盘形凸轮机构简单， 应用广泛，但限于凸 轮径向尺寸不能变化 太大，故从动件的行 程较短。
对于高速凸轮机构，宜选择 amax值较小的运动规律。
若干种从动件运动规律特性比较
运动规律 等速
( hw / δ t )
1.00
vmax
a max
( hw 2 / δ t )
2
冲 击 刚性 柔性 柔性
应用场合 低速轻负荷
∞
等加速等减速 余弦加速度
正弦加速度 3-4-5多项式 改进型等速 改进型正弦加速度 改进型梯形加速度
凸轮机构的设计和计算
凸轮机构的设计和计算凸轮机构是一种常见的运动机构，由凸轮和从动件组成，通过凸轮的形状和运动来驱动从动件进行指定的运动。
凸轮机构广泛应用于各种机械设备和工业生产中，如发动机、机械传动系统、自动化生产线等。
本文将介绍凸轮机构的设计和计算方法，具体内容如下：一、凸轮机构的设计：1.确定从动件的运动要求：根据机械装置的功能和要求，确定从动件的运动方式，如直线运动、往复运动、旋转运动等。
2.选择凸轮的类型：根据从动件的运动要求和机械结构的特点，选择合适的凸轮类型，如往复凸轮、圆柱凸轮等。
3.设计凸轮曲线：根据从动件的运动要求和凸轮的类型，设计凸轮曲线，使得从动件的运动符合需求。
4.确定凸轮轴的位置和方向：根据凸轮曲线和从动件的位置关系，确定凸轮轴所在的位置和方向。
5.合理布局机构：根据机械装置的空间限制和结构特点，合理布局凸轮机构的各个组成部分。
二、凸轮机构的计算：1.凸轮曲线参数计算：根据从动件的运动要求和机械结构的特点，计算凸轮曲线的参数，如内凸高度、内凸角度、外凸高度、外凸角度等。
2.凸轮轴的定位计算：根据凸轮曲线和从动件的位置关系，计算凸轮轴所在的位置和方向，以确保从动件能够完整地运动。
3.从动件的运动轨迹计算：根据凸轮曲线和凸轮轴的位置，计算从动件在运动轨迹上的坐标点，以确保从动件的运动符合需求。
4.从动件的运动速度和加速度计算：根据从动件的运动轨迹和凸轮轴的角速度、角加速度，计算从动件的运动速度和加速度，以确保运动过程的稳定性和安全性。
三、凸轮机构的优化：1.优化凸轮曲线形状：通过调整凸轮曲线的形状，使得从动件的运动更加平稳、稳定和高效。
2.优化凸轮轴的位置和方向：通过调整凸轮轴的位置和方向，使得整个凸轮机构的布局更加紧凑、简洁，并且符合实际使用要求。
3.优化从动件的设计：通过改进从动件的结构和材料，减小惯性负载和摩擦损失，提高机械装置的性能和使用寿命。
4.优化机构的传动方式：通过改变凸轮机构的传动方式，如采用齿轮传动或者链条传动，来提高传动效率和可靠性。
自动化机构设计——凸轮机构
自动化机构设计——凸轮机构自动化机构设计是现代工程学的重要内容之一，它关注的是如何设计一种能够实现特定功能的机械系统。
凸轮机构是自动化机构中最简单且常见的一种，其设计理念是通过凸轮的运动来推动相应的机构部件实现特定的运动轨迹或动作。
凸轮机构设计的核心目标是实现机构部件的运动要求，包括速度、加速度、位置等参数的控制。
凸轮机构的设计过程包括凸轮的形状和尺寸的确定，凸轮轴的定位和支撑结构的设计，以及凸轮与驱动系统的传动设计。
在凸轮机构设计过程中，需要考虑的主要因素包括机构的运行速度、负荷、寿命和精度要求等。
首先需要确定机构所需的运动轨迹，这将直接影响到凸轮的形状和尺寸。
一般来说，凸轮的形状可以分为三种基本类型：圆弧形凸轮、直线形凸轮和复合形凸轮。
不同形状的凸轮将产生不同的运动轨迹，在确定凸轮形状时需要综合考虑机构的运动要求与制造成本之间的平衡。
凸轮的尺寸设计是凸轮机构设计的另一个重要环节。
凸轮尺寸的设计将直接影响到机构的运行速度和加速度。
一般来说，凸轮的直径和高度应根据机构的负荷、运行速度和加速度要求来确定。
较大的凸轮直径和高度可以提高机构的承载能力和运行稳定性，但同时也会增加机构的质量和制造成本。
凸轮轴的定位和支撑结构的设计是凸轮机构设计中的关键环节。
凸轮轴的定位和支撑结构的设计将直接影响到机构的精度和寿命。
凸轮轴的定位应尽可能减少凸轮与机构部件之间的摩擦和磨损，以确保机构的运行精度和寿命。
支撑结构的设计应具有足够的刚度和稳定性，以保证凸轮的运动不会引起机构的振动和变形。
凸轮与驱动系统的传动设计是凸轮机构设计的最后一步。
传动系统的设计应考虑到凸轮的运转速度和力矩要求，以选择适合的传动方式和传动比。
常用的传动方式包括齿轮传动、皮带传动和链传动等。
传动比的选择应使得凸轮的运动轨迹与机构部件的运动轨迹相匹配，以确保机构的运行精度和稳定性。
总之，凸轮机构设计是自动化机构设计中最基础和常见的一种，它的设计理念是通过凸轮的运动来推动相应的机构部件实现特定的运动轨迹或动作。
机械原理课程设计凸轮机构
Part Three
机械原理课程设计 凸轮机构方案
设计目的和要求
设计目的：掌握凸轮机构的基本原 理和设计方法
设计内容：包括凸轮机构的设计、 制造、装配和调试
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
设计要求：满足凸轮机构的运动要 求，如速度、加速度、行程等
设计步骤：明确设计任务、选择设 计方案、进行设计计算、绘制设计 图纸、制作模型、进行实验验证等
凸轮轮廓曲线的设计方法包括解析法、图 解法和计算机辅助设计等。
凸轮轮廓曲线的设计需要满足凸轮机构 的运动规律、负载、速度、加速度等要 求，同时需要考虑到凸轮的制造工艺和 成本等因素。
凸轮机构压力角计算
压力角定义：凸轮与从动件接触点 处法线与凸轮轮廓线之间的夹角
压力角影响因素：凸轮轮廓线形状、 从动件形状、凸轮半径、从动件半 径
凸轮机构工作原理
凸轮机构通过凸轮与从动件 的接触，实现从动件的位移 和运动
凸轮机构由凸轮、从动件和 机架组成
凸轮机构的工作原理是利用 凸轮的轮廓曲线，使从动件
产生预定的运动
凸轮机构的应用广泛，如汽 车、机床、机器人等领域
凸轮机构分类
按照凸轮运动规律分类：等 速运动凸轮、等加速运动凸 轮、等减速运动凸轮等
Part Six
凸轮机构运动仿真 与优化
运动仿真模型的建立
确定凸轮机构的类型和参数 建立凸轮机构的三维模型 设定运动仿真的初始条件和边界条件 设定运动仿真的时间步长和仿真时间 设定运动仿真的输出变量和观察点 运行运动仿真，观察仿真结果，并进行优化
运动仿真结果分析
凸轮机构运动仿 真结果：包括位 移、速度、加速 度等参数
凸轮从动件的类 型：滚子从动件、 滑块从动件、圆 柱从动件等
凸轮机构设计(图文)
凸轮机构设计（图文）一、凸轮机构概述凸轮机构是一种常见的机械传动装置，主要由凸轮、从动件和机架组成。
它通过凸轮的轮廓曲线，使从动件实现预期的运动规律。
凸轮机构具有结构简单、运动可靠、传动精度高等优点，广泛应用于各种自动化设备和机械中。
二、凸轮机构设计要点1. 确定从动件的运动规律在设计凸轮机构之前，要明确从动件的运动规律，包括位移、速度和加速度等。
这将为后续的凸轮轮廓设计提供依据。
2. 选择合适的凸轮类型根据从动件的运动规律和实际应用需求，选择合适的凸轮类型，如平面凸轮、圆柱凸轮、摆动凸轮等。
3. 设计凸轮轮廓曲线凸轮轮廓曲线是凸轮机构设计的核心部分。
设计时，要确保凸轮与从动件之间的运动协调，避免干涉和冲击。
三、凸轮机构设计步骤1. 分析运动需求在设计之初，我们需要深入了解设备的工作原理和从动件的运动需求。
这包括从动件的运动轨迹、速度、加速度以及所需的力和行程。
这些信息将帮助我们确定凸轮的基本尺寸和形状。
2. 初步确定凸轮尺寸基于运动需求分析，我们可以初步确定凸轮的直径、基圆半径和宽度等关键尺寸。
这些尺寸将直接影响凸轮的强度、刚度和运动性能。
3. 设计凸轮轮廓确保从动件的运动平稳，避免突变和冲击。
考虑凸轮与从动件之间的间隙，防止运动干涉。
优化轮廓曲线，减少加工难度和提高耐磨性。
四、凸轮机构材料选择考虑耐磨性：凸轮在连续工作中会与从动件接触，因此应选择耐磨材料，如钢、铸铁或耐磨塑料。
考虑重量和成本：在满足性能要求的前提下，可以选择重量轻、成本较低的材料。
考虑环境因素：如果凸轮机构将工作在特殊环境中，如高温或腐蚀性环境，需要选择相应的耐高温或耐腐蚀材料。
五、凸轮机构的加工与装配精确加工：凸轮的轮廓必须严格按照设计图纸加工，以确保运动的精确性。
间隙调整：在装配时，需要适当调整凸轮与从动件之间的间隙，以确保运动的顺畅。
校验运动：装配完成后，应对凸轮机构进行运动校验，确保从动件的运动符合预期。
六、凸轮机构动态分析与优化在设计过程中，动态分析是不可或缺的一环。
一种凸轮平移行走机构设计
一种凸轮平移行走机构设计1. 引言凸轮平移行走机构是一种常见的机械传动装置，常用于制造机械设备，如自动化生产线、运输车辆等。
本文将介绍一种新的凸轮平移行走机构的设计。
2. 设计原理该凸轮平移行走机构采用凸轮和推杆的组合，通过凸轮的旋转驱动推杆的运动，实现行走功能。
其工作原理如下： - 凸轮：凸轮是固定在机构上的轴的一种特殊轮廓。
在凸轮的边缘上刻有一定的凸起，这些凸起与推杆接触时，会产生推力。
凸轮的旋转速度和方向决定了推杆的运动轨迹。
- 推杆：推杆是与凸轮相接触的构件，通过凸轮的推力，在机构内部移动。
推杆的运动方向和速度与凸轮旋转一致。
3. 设计步骤3.1 确定凸轮的形状在设计凸轮时，需要考虑推杆的运动轨迹和速度要求。
通常情况下，可以选择心形、椭圆形或其他特殊形状的凸轮。
根据具体需求，确定凸轮的形状参数，并进行模拟和验证。
3.2 确定推杆的结构推杆的结构需要满足与凸轮配合的要求。
在设计推杆时，除了考虑凸轮的形状，还需要考虑推杆的长度、材料等因素，并进行强度分析。
通过模拟和验证，确定推杆的结构参数。
3.3 设计传动系统凸轮平移行走机构的传动系统通常由电动机、减速器、凸轮和推杆组成。
在设计传动系统时，需要考虑凸轮的旋转速度和推杆的运动速度的匹配，选择适当的减速比，确保机构的正常运行。
3.4 其他辅助部件设计除了凸轮、推杆和传动系统，还需要设计其他辅助部件，如支撑结构、轨道等，来保证机构的稳定性和可靠性。
这些部件的设计要考虑到负载、工作环境等因素。
4. 实例应用该凸轮平移行走机构可以应用于多个领域，如工业自动化生产线、物流运输设备等。
在工业生产中，可以用该机构来实现物料的搬运、定位等操作；在物流运输中，可以将该机构用于自动导航车辆等。
5. 结论通过设计一个新的凸轮平移行走机构，可以实现自动化生产和运输过程中的行走功能。
该机构的设计原理清晰，可以根据具体需求进行调整和优化。
这种凸轮平移行走机构在多个领域都有广泛的应用前景，有助于提高生产效率和工作效益。
凸轮机构1
37 机械基础部分 从动件行程: 在推程或回程中从动件的最大位移，用
h表示。
38 机械基础部分 按照从动件在一个循环中是否需要停歇及停在何 处等，可将凸轮机构从动件的位移曲线分成如下四 种类型： s
2
s
2
O
S
S
O
S
（1）升-停-回-停型（RDRD型） （2）升-回-停型（RRD型） s s
尖顶从动件 滚子从动件 平底从动件 移动从动件 对心移动从动件 偏置移动从动件
二）按从动件上高副元 素的几何形状分：
三）按从动件的运动分
摆动从动件
（四）按凸轮与从动件维持接 触（锁合）的方式分： 力锁合
形锁合
机械基础部分 不同类型的凸轮与从动件组合：
尖顶直动从动件对心盘状凸轮机构 （最基本类型）
滚子直动从动件偏置盘状凸轮机构等
滚子从动件
机械基础部分
23
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。
平底从动件
机械基础部分 3、按从动件的运动方式分：
移动从动件(Sliding follower) 摆动从动件(Oscillating follower)
凹槽凸轮机构 Plate-groove cam mechanism 利用凸轮与从动件的特 殊几何形状和尺寸 等宽凸轮机构 Constant-breadth cam mechanism
28
W
机械基础部分
29
机械基础部分
30
分类小结 ：
凸 轮 机 构 的 分 类
一）按凸轮的形状分：
盘形凸轮 移动凸轮 圆柱凸轮
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特点:无刚性冲击,柔性冲击 适用场合:高速,中载
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4.2.3 从动件运动规律的选择
1. 常用运动规律性能比较
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2.从动件运动规律的选择原则
考虑因素: 考虑因素: 对运动规律的要求 凸轮的转速(动力特性和便于加工) 凸轮的转速(动力特性和便于加工)
rc ηc rT η η
'
η
( r c- r T )
( r T- r c )
rc rT ηc η'
rc > r
rc < r
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4.5 凸轮机构基本尺寸的确定
4.5.1 凸轮机构的压力角及其许用值
1,压力角:从动件与凸轮 压力角: 在接触点处的受力方向与其 在该点绝对速度方向之间所 夹的锐角
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第4章 凸轮机构及其设计
2010年 2010年7月29日 29日
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第4章 凸轮机构及其设计
凸轮机构的应用及分类 从动件常用运动规律 图解法设计平面凸轮轮廓曲线 解析法设计平面凸轮轮廓曲线 凸轮机构基本尺寸的确定 圆柱凸轮机构
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4.1 凸轮机构的应用及分类
y e
B0
ω
η ''
n B M K N B'
s0 rb OnBiblioteka η ' B'
β
x
x = ( s 0 + s ) sin + e cos y = ( s 0 + s ) cos e sin
ω
s0
=
H
r 2 e 2 0
s
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平面凸轮廓线设计
2.实际廓线方程: 2.实际廓线方程: 实际廓线方程
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1,改进型正弦运动规律
该曲线在运动起始的段和终 止的段, 止的段,采用周期相同的正 弦函数; 弦函数;在两段中间的段则 采用一段周期较长的简谐函 数.
2,改进型等加速等减速运 动规律
用几段简谐函数使加速度成为 连续曲线. 连续曲线.加速段和减速段的 加速度曲线是对称的. 加速度曲线是对称的.
平底从动件
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3. 按从动件的运动形式分类
移动从动件
摆动从动件
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4.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类 4.按凸轮与从动件维持高副接触的方法分类
(1) 力封闭—依靠从动件的重力,弹簧力或其他外 力使从动件与凸轮轮廓始终保持高副接触.
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2. 按从动件的形状分类
尖端能以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,只适用于低速场合.
尖端从动件
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凸轮与从动件之间为滚动摩 擦,因此摩擦磨损较小,可 用于传递较大的动力. 滚子从动件
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.
回程运动角 Φ '0 近休止角 Φ 's 从动件运动规律(从动件位移线图) 从动件运动规律 从动件位移线图) 从动件位移线图
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4.2.2 从动件常用运动规律
1.等速运动 1.等速运动
特点: 速度有突变, 特点 : 速度有突变 , 加速度理 论上由零至无穷大, 论上由零至无穷大 , 从而使从 动件产生巨大的惯性力, 动件产生巨大的惯性力 , 机构 受到强烈冲击——刚性冲击 受到强烈冲击 刚性冲击 适应场合: 适应场合:低速轻载
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4.2 从动件常用运动规律
4.2.1 凸轮机构的运动学设计参数
s
B' B C D Φ Φ Φs Φ' Φ s' A
h
ω D
e Φ s' r b O Φs A A
3 60 °
rK
K
C
B
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基圆 — 以凸 轮轮 廓的 最小 向径r 向径rb所作的圆 升程 — 从动 件上 升的 最大 距离h 距离h 推程运动角Φ0 推程运动角Φ 远休止角Φ 远休止角Φs
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等径凸轮机构:
两滚子中心间的距 离始终保持不变. 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
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共轭凸轮机构:
一个凸轮推动从动 件完成正行程运动, 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
优点:克服了等宽,等径凸轮的缺点 克服了等宽, 缺点:结构复杂,制造精度要求高 结构复杂,
4.2.4 从动件运动规律的组合
1.满足工作对运动规律的特殊要求; 满足工作对运动规律的特殊要求; 为避免刚性冲击, 位移曲线和速度曲线必须连续; 2. 为避免刚性冲击 , 位移曲线和速度曲线必须连续 ; 而为避免柔性冲击,加速度曲线也必须连续. 而为避免柔性冲击,加速度曲线也必须连续. 尽量减小速度和加速度的最大值. 3. 尽量减小速度和加速度的最大值.
ds/d m e r0 ≥ ( s) 2 + e 2 tg[α ]
为保证凸轮机构在整个运动周期中均 能满足 α max ≤ [α ] ,应选取计算结果 中的最大值作为凸轮的基圆半径. 中的最大值作为凸轮的基圆半径.
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2.借助诺模图
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3.许用压力角[α]及从动件的运动规律
(2) 型封闭—依靠凸轮与从动件的特殊几何结构来保 持两者始终接触
沟槽凸轮 :
通过其沟槽两侧的廓线 始终保持与从动件接触. 优点:封闭方式结构简单 :
缺点:加大了凸轮的尺寸和重量
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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, 缺点 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
h
ω
1 1' 2' 2 0 1 4 5 4' 3' 3
5 ' 6' 4' 3' l' 2' 2 3 4 5 6
7'
8' 9' 10 ' 3 60 ° l2 (0)
rb
9 10 11
O
l
7 8 9 10 l1
O
ω
5 4 3 2
η'' η'
5'
η
7'
6'
凸轮的理论廓线: 凸轮的理论廓线:根据滚子中心的运动轨迹设计出的廓线 η 凸轮的实际廓线: 凸轮的实际廓线:与滚子直接接触的廓线过程中的一系列位置 η ′ 注意: 注意:基圆是指凸轮理论廓线上由最小半径所作的圆
ds/d m e PD tan α = = = s0 + s BD r02 e 2 + s OP m e
ω O n F v α F'
F '' B
D P
e
s0
n
rb
s
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2,许用压力角
许用压力角:为改善凸轮机构的受力情况, 许用压力角:为改善凸轮机构的受力情况,提高 机械效率, 机械效率,规定了允许采用的最大压力角 [α ] .
1-圆柱凸轮 2-摆杆 3-滚子
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绕线机凸轮机构
这种凸轮在运动中能 推动摆动从动件2实 现均匀缠绕线绳的运 动学要求.
绕线机凸轮机构 1-凸轮 2-摆动从动件 3-线轴
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4.1.2 凸轮机构的分类
1. 按凸轮的形状分类
盘形凸轮
移动凸轮
圆柱凸轮
盘形凸轮:最基本的形式,结构简单,应用最为广泛 盘形凸轮:最基本的形式,结构简单, 移动凸轮:凸轮相对机架做直线运动 圆柱凸轮:空间凸轮机构
s
Bmax v D2 K d 2' d 2' d1 δ1 D1 B0 O ω d2 d 1' d 1'
90 °[ α 2 ] 90 °[ α 2 ] 90 ° α2 ] -[ -[ 90 ° α 2 ]
O
a a0 O
Φ/2
Φ
Φ/2
Φ
j
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3.简谐运动(余弦加速度运动) 3.简谐运动(余弦加速度运动) 简谐运动
当质点在圆周上作匀速运动 时,它在该圆直径上的投影所构 成的运动规律—简谐运动
h π s = 1 cos φ 2 Φ
特点:有柔性冲击 适用场合:中速轻载(当从动件 作连续运动时,可用于高速)
x ′ = x m r cos θ y ′ = y m r sin θ
tan θ = dx dx = dy d (
B′( x′, y′)
dy sin θ )= d cosθ
dx/d = (ds/d e) sin + ( s 0 + s ) cos dy/d = (ds/d e) cos ( s 0 + s ) sin
4.1.1 凸轮机构的组成
1 —凸轮 —从动件 2 —从动件 3 —机架 —机架
}
高副机构
内燃机配气凸轮机构
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自动机床进刀凸轮机构
当圆柱凸轮绕其轴线 转动时,通过其沟槽 与摆杆一端的滚子接 触,并推动摆杆绕固 定轴按特定的规律作 往复摆动,同时通过 摆杆另一端的扇形齿 轮驱动刀架实现进刀 或退刀运动.