凸轮曲线设计

凸轮曲线设计

当根据使用要求确定了凸轮机构的类型、基本参数以及从动件运动规律后，即可进行凸轮轮廓曲线的设计。设计方法有几何法和解析法，两者所依据的设计原理基本相同。几何法简便、直观，但作图误差较大，难以获得凸轮轮廓曲线上各点的精确坐标，所以按几何法所得轮廓数据加工的凸轮只能应用于低速或不重要的场合。对于高速凸轮或精确度要求较高的凸轮，必须建立凸轮理论轮廓曲线、实际轮廓曲线以及加工刀具中心轨迹的坐标方程，并精确地计算出凸轮轮廓曲线或刀具运动轨迹上各点的坐标值，以适合在数控机床上加工。

圆柱凸轮的廓线虽属空间曲线，但由于圆柱面可展成平面，所以也可以借用平面盘形凸轮轮廓曲线的设计方法设计圆柱凸轮的展开轮廓。本节分别介绍用几何法和解析法设计凸轮轮廓曲线的原理和步骤。

1 几何法

反转法设计原理：

以尖底偏置直动从动件盘形凸轮机构为例：

凸轮机构工作时，凸轮和从动件都在运动。为了在图纸上画出凸轮轮廓曲线，应当使凸轮与图纸平面相对静止，为此，可采用如下的反转法：使整个机构以角速度(-w)绕O转动，其结果是从动件与凸轮的相对运动并不改变，但凸轮固定不动，机架和从动件一方面以角速度(-w)绕O转动，同时从动件又以原有运动规律相对机架往复运动。根据这种关系，不难求出一系列从动件尖底的位置。由于尖底始终与凸轮轮廓接触，所以反转后尖底的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线。

1). 直动从动件盘形凸轮机构

尖底偏置直动从动件盘形凸轮机构：

已知从动件位移线图，凸轮以等角速w顺时针回转，其基圆半径为r0，从动件导路偏距为e，要求绘出此凸轮的轮廓曲线。

运用反转法绘制尖底直动从动件盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的方法和步骤如下：

1) 以r0为半径作基圆，以e为半径作偏距圆，点K为从动件导路线与偏距圆的切点，导路线与基圆的交点B0(C0)便是从动件尖底的初始位置。

2) 将位移线图s-f的推程运动角和回程运动角分别作若干等分（图中各为四等分）。

3) 自OC0开始，沿w的相反方向取推程运动角(1800)、远休止角(300)、回程运动角(1900)、近休止角(600)，在基圆上得C4、C5、C9诸点。将推程运动角和回程运动角分成与从动件位移线图对应的等分，得C1、C2、C3

和C6、C7、C8诸点。

4) 过C1、C2、C3、...作偏距圆的一系列切线，它们便是反转后从动件导路的一系列位置。

5) 沿以上各切线自基圆开始量取从动件相应的位移量，即取线段C1B1=11' 、C2B2=22'、...，得反转后尖底的一系列位置B1、B2、...。

6) 将B0、B1、B2、...连成光滑曲线（B4和B5之间以及B9和B0之间均为以O为圆心的圆弧），便得到所求的凸轮轮廓曲线。

滚子直动从动件盘形凸轮机构：

首先取滚子中心为参考点，把该点当作尖底从动件的尖底，按照上述方法求出一条轮廓曲线h。再以h上各点为中心画一系列滚子，最后作这些滚子的内包络线h'（对于凹槽凸轮还应作外包络线h''）。它便是滚子从动件盘形凸轮机构凸轮的实际轮廓曲线，或称为工作轮廓曲线，而h称为此凸轮的理论轮廓曲线。由作图过程可知，在滚子从动件凸轮机构设计中，r0是指理论轮廓曲线的基圆半径。

在以上两例中，当e=0时，即得对心直动从动件凸轮机构。这时，偏距圆的切线化为过点O的径向射线，其设计方法与上述相同。

平底从动件盘形凸轮机构：

凸轮实际轮廓曲线的求法也与上述相仿。首先取平底与导路的交点B0为参考点，将它看作尖底，运用尖底从动件凸轮的设计方法求出参考点反转后的一系列位置B1、B2、B3...；其次，过这些点画出一系列平底，得一直线族；最后作此直线族的包络线，便可得到凸轮实际轮廓曲线。由于平底上与实际轮廓曲线相切的点是随机构位置变化的，为了保证在所有位置平底都能与轮廓曲线相切，平底左右两侧的宽度必须分别大于导路至左右最远切点的距离b'和b''。

从作图过程不难看出，对于平底直动从动件，只要不改变导路的方向，无论导路对心或偏置，无论取哪一点为参考点，所得出的直线族和凸轮实际轮廓曲线都是一样的。

2). 摆动从动件盘形凸轮机构

以尖底摆动从动件盘形凸轮机构为例。

已知凸轮以等角速w顺时针回转，凸轮基圆半径为r0，凸轮与摆动从动件的中心距为a，从动件长度l，从动件最大摆角ymax，以及从动件的运动规律（位移线图y-f），求作此凸轮的轮廓曲线。

当运用反转法给整个机构以(-w)绕O转动后，凸轮不动，一方面机架上的支承A将以(-w)绕点O转动，另一方面从动件仍按原有规律相对机架摆动。因此，这种凸轮轮廓曲线的设计可按下述步骤进行：

1) 将y-f线图的推程运动角和回程运动角分为若干等分（图中各为四等分）。

2) 根据给定的a定出O、A0的位置。以r0为半径作基圆，与以A0为中心及l为半径所作的圆弧交于点

B0(C0)（如要求从动件推程逆时针摆动，B0在OA0右方；反之，则在左方），它便是从动件尖底的起始位置。

3) 以O为中心及OA0为半径画圆。沿(-w)方向顺次取1800、300、900、600。再将推程运动角和回程运动角各分为与图b对应的等分，得A1、A2、A3、…。它们便是反转后从动件回转轴心的一系列位置。

4) 以A1、A2、A3、…为中心及l为半径作一系列圆弧，分别与基圆交于C1、C2、C3、…。自A1C1、A2C2、A3C3、…开始，向外量取与位移线图对应的从动件摆角y1、y2、y3、…，得从动件相对于凸轮的一系列位置A1B1、A2B2、A3B3、…。

5) 将点B1、B2、B3、…连成光滑曲线，便得到尖底摆动从动件盘形凸轮机构的凸轮轮廓曲线。由图可见，此轮廓曲线与直线AB在某些位置（如A3B3等）已经相交，故在考虑具体结构时，应将从动件做成弯杆以避免干涉。

同前所述，如采用滚子或平底从动件，那么上述B1、B2、B3、…等点即为参考点的运动轨迹。过这些点作一系列滚子或平底，最后作其包络线便可得到实际轮廓曲线。