第10章 凸轮传动解析法
凸轮机械原理ppt
凸轮、从动件和机架是凸轮机构的基本结构，其中凸轮是控制从动件运动的 关键元件。
凸轮机构的分类
根据凸轮和从动件的运动关系，凸轮机构可分为平面凸轮机构和空间凸轮机 构，以及摆动从动件凸轮机构和移动从动件凸轮机构。
凸轮机构的优化目标与方法
凸轮机构的优化目标
主要包括提高凸轮机构的传力性能、减小凸轮和从动件之间的接触应力、降低凸 轮机构的振动和噪声等方面。
凸轮机构的工作过程是凸轮转动时，从动件在凸轮轮 廓控制下沿着一定轨迹进行往复运动。
平面凸轮机构又可以分为尖顶从动件、滚子从动件和 平底从动件三种类型。
从动件的运动规律取决于凸轮的轮廓形状和从动件的 Βιβλιοθήκη 构形式。凸轮机构的运动规律
凸轮机构的运动规律取决于凸轮的轮廓形状和从动件 的结构形式。
每种运动规律都有其特点和应用范围，可以根据实际 需要选择合适的运动规律。
解决方法
为了减小冲击，可以在配合部件之间加入阻尼材料，如橡胶 、聚氨酯等，以吸收冲击能量。同时，可以调整配合间隙的 大小，提高配合部件的刚度，以减小冲击。
凸轮机构的疲劳及解决方法
总结词
凸轮机构的疲劳是由于长期承受交变载荷 的作用，使得配合部件表面出现微裂纹并 逐渐扩展，最终导致配合部件破坏。
VS
解决方法
2023
凸轮机械原理
目录
• 凸轮机构概述 • 凸轮机构的工作原理 • 凸轮机构的类型及特点 • 凸轮机构的常见问题及解决策略 • 凸轮机构的设计及优化 • 凸轮机构的应用前景与发展趋势
01
凸轮机构概述
凸轮机构的定义与特点
凸轮机构的定义
凸轮机构是一种广泛应用于各种机械中的高副机构，它由凸 轮、从动件和机架三个基本构件组成，通过凸轮的轮廓控制 从动件的位移和运动规律。
凸轮轮廓设计—解析法
s
B’ h A o δ t t δs’ δ
一、从动件的常用运动规律 名词术语： 基圆半径、 推程、 基圆、 推程运动角、 远休止角、 回程、回程运动角、 近休止角、 行程。一个循环
D δs’
δh
r0
δt
δs δh
作者：潘存云教授
ω
B
δs
C
1.等速运动规律 在推程起始点：δ =0， s=0
3)偏置直动尖顶从动件盘形凸轮 已知凸轮的基圆半径r0，角速度ω 和从动件的运动规律和偏心距e， 设计该凸轮轮廓曲线。
7’ 5’ 3’ 1’ 1 3 5 78
e -ω
ω
k12 k11 k10 k9
8’
9’ 11’ 12’ 13’ 14’ 9 11 13 15
15’ 15 14’ 14 13’ 12’
y e rr s0 r0 ω e r0 y
O
-ω δ
x=x(δ ) y= y(δ )
B0
x
n θ x
偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构
δδ
作者：潘存云教授
n
s
已知：r0、rr、e、ω、S=S(δ) 由图可知： s0＝(r02-e2)1/2
x= (s0+s)sinδ y= (s0+s)cosδ
s0
+ ecosδ - esinδ
φ4
A4
φ6
A5
φ5
2.2.2
解析法设计凸轮的轮廓
图解法的缺点？ 解析法的优点？
极坐标法求轮廓曲线的解析表达式--- 参数方程 偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构 （反转原理+极坐标） 已知条件：e、rmin、rT、S2=S2(δ1)、ω1及其方向。 理论轮廓的极坐标参数方程：
凸轮机构工作过程及从动件运动规律的教法
91ＯＣＣＵＰＡＴＩＯＮ2016 12P RACTICE实习实训凸轮机构工作过程及从动件运动规律的教法文／周元忠凸轮机构是常用机构的典型机构，可使从动件的位移、速度和加速度严格地按照预定规律变化。
所以，凸轮机构广泛应用于各种机械和自动控制装置中。
“凸轮机构工作过程及从动件运动规律”是机械类专业基础课的必设章节内容，如机械基础、机械设计基础等课程。
笔者在实际教学中对此部分内容的教法有些心得体会，现拿出来以供大家探讨。
本文将从凸轮机构工作过程分析和该机构从动件运动规律表述这两方面进行阐述。
一、凸轮机构工作过程分析凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。
其中，凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，主动件凸轮通常作等速转动或移动，凸轮机构是通过高副接触使从动件得到所预期的运动规律。
凸轮的分类有多种，这里只研究最常见、最基本的盘形凸轮，且该机构从动件以尖顶从动件为例进行探讨，如图1所示。
图1图1中，凸轮以逆时针方向等速转动，与凸轮接触的从动件在其带动下进行上下往复运动。
那么，需要分析的是：当凸轮如图1所示逆时针等速转动一个周期即转动一周时，从动件的动作变化情况。
这也是学生学习时需要解决的问题，即该章节内容的学习任务。
要解决这个问题即完成此项任务，首先需要对该机构中的凸轮轮廓进行正确分段。
这也正是为了弄清从动件的运动规律打下基础。
所谓凸轮轮廓进行正确分段，是指将该盘形凸轮的轮廓曲线，用尺规画图的方法以一定的方式进行分段。
具体步骤如下：步骤一，以凸轮的转动中心O 为圆心，以该凸轮的最小转动半径为半径画圆，画出的圆称之为基圆。
当基圆画出时，基圆与凸轮重合部分的轮廓（或称圆弧）需要标注好该轮廓（或称圆弧）的首尾端点，如图2所示，首尾标注分别标注D 、A 字母。
此步骤也简称为“画基圆”。
图2步骤二，以凸轮的转动中心O 为圆心，以该凸轮的最大转动半径为半径画圆弧交从动件轴线（或中心线）于点B ′。
此步可确定从动件被凸轮顶起的最大高度h （称之为行程）。
凸轮机构及其设计详解
第二节 凸轮机构的传力特性 G
传力特性分析目的 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 数据。
压力角—不计摩擦时，凸轮对
从动件作用力方向线nn与从动件上 力作用点的速度方向之间所夹的锐 角。
FR2 2
d
vl
F2R1
n
tb
B
t
1 F
n
传力特性分析
Fx 0 F sin( 1) (FR1 FR2 )cos2 0
确定凸轮的基圆半径rb。 步骤
● 确定凸轮转动轴心的位置
● 确定从动件的正确偏置方位以及偏距e
● 将[]代入前式
rb
d
s d tan[ ]
e
s
2
e2
● 确定ss()，求出dsd，代入上式求出一系列rb值，选
取其中的最大值作为凸轮的基圆半径
工程上常常借助于诺模图(Nomogram)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。
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 的配合关系，由工作循环图(Working cycle diagram)来确 定。
电阻坯件 电阻送料机构凸轮
电阻帽 送帽压帽机构凸轮
送帽压帽机构凸轮
夹紧机构凸轮
工艺过程
电阻自动压帽机传动系统图
电阻体上料
电阻体夹紧
送帽
合。
,t
⑸ 3–4–5次多项式运动规律(Law of polynomial motion)
推程
s
h10
3
15
4
6
5
机械基础凸轮机构教案
机械基础凸轮机构教案第一章：凸轮机构概述1.1 凸轮机构的定义凸轮机构是由凸轮、从动件和机架组成的机械传动机构。
凸轮是具有曲线轮廓或凹槽的旋转构件，用于转换转动运动为线性或其他形式的运动。
1.2 凸轮的分类按形状分类：盘形凸轮、移动凸轮、圆柱凸轮等。
按工作原理分类：正凸轮、逆凸轮、复合凸轮等。
1.3 凸轮机构的特点和应用特点：简单、紧凑、易于控制和调节。
应用：印刷机械、包装机械、机床、汽车等。
第二章：凸轮的轮廓设计2.1 凸轮轮廓的基本参数基圆半径：凸轮与从动件接触点的圆的半径。
顶圆半径：凸轮最高点或最低点的圆的半径。
工作圆半径：凸轮轮廓的最小圆的半径。
2.2 凸轮轮廓的计算按运动规律计算：正弦、余弦、直线等运动规律。
按压力角计算：凸轮轮廓的压力角与基圆压力角的关系。
2.3 凸轮轮廓的设计方法按运动要求设计：确定凸轮的升程、降程和回程。
按力学要求设计：计算凸轮的强度和刚度。
按加工要求设计：选择合适的加工方法和刀具。
第三章：凸轮机构的从动件设计3.1 从动件的分类和特点按形状分类：摆动从动件、直线从动件、滚子从动件等。
按驱动方式分类：曲柄摇杆机构、摆线机构、蜗轮蜗杆机构等。
3.2 从动件的设计要点确定从动件的运动规律和运动要求。
选择合适的从动件形状和尺寸，满足力学和运动要求。
考虑从动件与凸轮的接触条件和磨损情况。
3.3 从动件的设计实例以摆动从动件为例，介绍其设计步骤和注意事项。
分析不同形状和尺寸的从动件对凸轮机构性能的影响。
第四章：凸轮机构的动力特性4.1 凸轮机构的压力角和啮合角压力角：凸轮和从动件接触点处的压力角。
啮合角：凸轮和从动件啮合点处的啮合角。
4.2 凸轮机构的动态特性冲击和振动：凸轮和从动件的接触冲击和振动。
传动误差：凸轮和从动件的啮合误差。
4.3 凸轮机构的动力分析和优化分析凸轮机构的动力特性对整个机械系统的影响。
优化凸轮的形状和参数，减小冲击和振动，提高传动效率。
第五章：凸轮机构的应用实例5.1 印刷机械中的凸轮机构介绍印刷机械中凸轮机构的作用和应用。
机械基础凸轮机构教案
机械基础凸轮机构教案第一章：凸轮机构概述教学目标：1. 了解凸轮机构的定义、分类和应用。
2. 掌握凸轮的形状、尺寸和运动特性的基本知识。
教学内容：1. 凸轮机构的定义和分类。
2. 凸轮的形状和尺寸。
3. 凸轮的运动特性和曲线。
4. 凸轮机构在实际应用中的例子。
教学方法：1. 采用多媒体课件进行讲解。
2. 展示凸轮机构的实物模型或图片。
3. 分析凸轮的运动特性和曲线。
教学活动：1. 引入凸轮机构的定义和分类。
2. 展示凸轮的形状和尺寸的图片。
3. 分析凸轮的运动特性和曲线。
4. 举例说明凸轮机构在实际应用中的例子。
作业与练习：1. 复习凸轮机构的定义和分类。
2. 练习分析凸轮的形状和尺寸。
3. 练习分析凸轮的运动特性和曲线。
第二章：凸轮的设计与制造教学目标：1. 掌握凸轮的设计原则和方法。
2. 了解凸轮制造的工艺和设备。
教学内容：1. 凸轮的设计原则和方法。
2. 凸轮制造的工艺和设备。
教学方法：1. 采用多媒体课件进行讲解。
2. 展示凸轮设计的实例。
3. 分析凸轮制造的工艺和设备。
教学活动：1. 介绍凸轮的设计原则和方法。
2. 展示凸轮设计的实例。
3. 分析凸轮制造的工艺和设备。
作业与练习：1. 复习凸轮的设计原则和方法。
2. 练习分析凸轮制造的工艺和设备。
第三章：凸轮机构的工作原理与分析教学目标：1. 掌握凸轮机构的工作原理。
2. 学会分析凸轮机构的运动特性和性能。
教学内容：1. 凸轮机构的工作原理。
2. 凸轮机构的运动特性和性能分析。
教学方法：1. 采用多媒体课件进行讲解。
2. 演示凸轮机构的运动。
3. 分析凸轮机构的运动特性和性能。
教学活动：1. 介绍凸轮机构的工作原理。
2. 演示凸轮机构的运动。
3. 分析凸轮机构的运动特性和性能。
作业与练习：1. 复习凸轮机构的工作原理。
2. 练习分析凸轮机构的运动特性和性能。
第四章：凸轮机构的应用与实例教学目标：1. 了解凸轮机构在实际应用中的例子。
2. 学会分析凸轮机构的优缺点和适用场合。
凸轮机构的运动分析与设计 ppt课件
41
（2）、对心直动滚子推杆盘形凸轮机构
s
h
已知：rb ，推杆运动规律，滚
子半径rk, 凸轮逆时针方向转动
设计：凸轮廓线
0
求解步骤：
120 600
① 定比例尺
② 初始位置及推杆位移曲线（注：两
条廓线，理论／实际廓线）
③ 实际廓线基圆rmin ④ 理论廓线基圆rb ⑤ 确定推杆反转运动占据的各位置；
适用于分度、转位等步进机构
ppt课件
63
（二）、槽轮机构的类型 1、 外槽轮机构
ppt课件
64
2、 内槽轮机构
ppt课件
65
3、 空间槽轮机构
ppt课件
66
三、不完全齿轮机构
ppt课件
67
一、工作原理
由普通齿轮机构演化而来，不同之处在于轮齿不布满整个 圆周。主动轮转一周，从动轮转1/4周。从动轮停歇时，主动 轮上的锁住弧与从动轮上的锁住弧互相配合锁住，以保证从动 轮停歇在预定位置上。
23
③ 圆柱凸轮——凸轮是一个具有曲 线凹槽或端面曲线轮廓的圆柱，可 以看成是把移动凸轮卷成圆柱体演 化而成。
自动送料机构
ppt课件
圆柱凸轮实物
24
2、按从动件形状及运动类型分：
①尖顶从动件 ②滚子从动件 ③平底从动件 ④直动从动件 ⑤摆动从动件
ppt课件
25
三、凸轮机构的应用举例
1、自动送料机构
二、特点和应用
从动轮每转一周的停歇时间、运动时间及每次转动的角度
变化范围都较大，设计较灵活；但加工工艺复杂，从动轮在运
动开始，终了时冲击较大，故一般用于低速、轻载场合。
ppt课件
68
机械设计基础教程(凸轮传动)讲解
1、尖底对心直动从动件盘形凸轮机构设计
已知：凸轮的基圆半径r0， 角速度ω 和从动件的运
动规律，设计该凸轮轮
廓曲线。
8’ 7’ 5’ 3’ 1’
1 3 5 78
9’ 11’ 12’
13’ 14’
9 11 13 15
设计步骤：
-ω ω
1、选取位移比尺S 和角位移比尺 作位移线图；
2、选取长度比尺 l S ，以r0为半径作圆；
等距曲线－－公法线方向两
曲线的距离相等。其作法为：
以理论廓线为圆心作一些列
浙的江大滚学专用子,再作滚子的包络线。
理论轮廓 实际轮廓
第十章 凸轮传动
3、平底直动从动件盘形凸轮机构设计
已知：凸轮的基圆半径r0，角速度ω 和从 动件的运动规律，设计该凸轮轮廓曲线。
反转原理：
给整个凸轮机构施以-ω 时，不影 响各构件之间的相对运动，此时， 凸轮将静止，而从动件尖顶复合运
动的轨迹即凸轮的轮廓曲线。
根据这个原理可以用几何作图的 方法设计凸轮的轮廓曲线，例如：
尖顶凸轮绘制动画 滚子凸轮绘制动画
-ω ω
二、按给定运动规律用图解法设计凸轮轮廓曲线
浙江大学专用
第十章 凸轮传动
t，C2＝-2h/δ
2 t
减速段推程运动方程为：
6 5
4
3 2 1
1 23 4 5
δt
v 2hω /δ t
h/2
h/2 6δ
δ
a
4hω 2/δ
2 t
δ
S＝h-2h(δ
t
-δ
)2/δ
2 t
浙江大学专V用＝-4hω (δ
t
-δ
)/δ
2 t
凸轮ppt
凸轮机构在轻工领域的应用
纺织机械
凸轮机构广泛应用于纺织机械中，控制织布机的经纱和纬纱的运动，保证织 布的精度和质量。
印刷机械
凸轮机构也用于印刷机械中，控制印刷机的版面和印刷质量，保证印刷品的 质量和效果。
THANKS
感谢观看
变速器
凸轮机构也用于汽车的变速器中，通过改变齿轮的大小和转速，实现汽车的变速 和换挡功能。
凸轮机构在航空领域的应用
舵机
凸轮机构在航空领域被广泛应用于舵机中，控制飞机的升降 舵和方向舵，保证飞机的安全飞行。
喷气发动机
凸轮机构还可以用于航空领域的喷气发动机中，控制燃料的 喷射和空气的吸入，保证发动机的正常运转。
仿真流程
建立凸轮机构的仿真模型，输入初始参数，进行仿真实验，并分析仿真结果。
凸轮机构的动力学优化
优化方法
采用遗传算法、粒子群算法等优化方法，对凸轮机构的动力 学参数进行优化设计。
优化流程
确定优化目标函数，选择合适的优化算法，进行优化计算， 并分析优化结果。
05
凸轮机构的应用案例
凸轮机构在机器人领域的应用
04
凸轮机构的动力学分析
凸轮机构的动力学模型
牛顿第二定律
构建凸轮机构动力学模型，应用牛顿第二定律，分析凸轮机构受到的力和运 动状态。
刚体动力学模型
将凸轮机构简化为刚体动力学模型，分析凸轮机构的加速度、速度和位移等 运动参数。
凸轮机构的动力学仿真
仿真软件
使用MATLAB/Simulink等仿真软件，模拟凸轮机构的运动规律，分析其动力学 性能。
凸轮的特点
凸轮的形状可以多种多样，包括盘形、圆柱形、圆锥形等，可以根据实际需要设 计。
凸轮的运动学性能对于从动件的运动规律有着重要影响。
《凸轮轮廓解析法》课件
坐标系的建立
确定凸轮轴心位置
选择凸轮轴心作为坐标系原点，并确定其位置。
确定坐标轴方向
根据凸轮的工作要求，确定X、Y、Z三个坐标轴的方向。
建立凸轮轮廓坐标系
以凸轮轴心为原点，以凸轮的旋转轴线为Z轴，建立凸轮轮廓的坐 标系。
凸轮轮廓方程的推导
1 2
确定凸轮轮廓上各点的坐标
根据凸轮的几何形状和尺寸，确定凸轮轮廓上各 点的坐标。
绘制凸轮轮廓图
将求解得到的点绘制成凸轮轮廓图，以便于后续设计和加工。
03
凸轮轮廓解析法的实现方 法
基于几何的方法
几何解析法
通过几何学原理，利用凸轮的几何形 状和参数，建立数学模型，求解凸轮 轮廓。
解析几何法
利用解析几何的基本原理，将凸轮轮 廓表示为参数方程或极坐标方程，通 过代数运算求解。
基于数值的方法
有限差分法
将凸轮轮廓离散化为一系列小的差分，通过迭代计算求解每个点的坐标。
有限元法
将凸轮轮廓划分为一系列小的单元，对每个单元进行近似求解，最终得到凸轮 轮廓的近似解。
基于计算机图形学的方法
光线追踪法
利用光线追踪技术，模拟光线在凸轮轮廓上的反射和折射，通过计算光线的路径得到凸轮轮廓。
参数化建模法
利用计算机图形学的参数化建模技术，建立凸轮轮廓的参数化模型，通过调整参数得到不同的凸轮轮 廓。
建立凸轮轮廓方程
根据凸轮轮廓上各点的坐标，建立凸轮轮廓的数 学方程。
3
验证方程的正确性
通过将方程代入已知点坐标进行验证，确保方程 的正确性。
凸轮轮廓方程的求解
解方程求解凸轮轮廓上的点
通过解方程求解出凸轮轮廓上的各个点。
判断解的合理性
根据实际情况判断解的合理性，如不符合要求 则需重新推导方程或调整参数。
凸轮ppt
CAD/CAM技术
利用CAD/CAM技术进行凸轮的精 确建模和仿真，实现优化设计。
有限元分析
通过有限元分析，对凸轮机构进行 应力、应变和振动等分析，优化其 结构性能。
凸轮机构的优化实例
高速列车受电弓的优化
01
通过优化受电弓凸轮机构，实现了提高受电弓性能、减小运动
失真和降低噪声的目标。
汽车刮水器的优化
精密控制
凸轮机构可以实现高精度的位置和速度控制，使得机械手可以准确地完成装 配、焊接等精密操作。
凸轮机构在汽车门窗中的应用
驱动机构
凸轮机构可以用于驱动汽车门窗的升降，通过调节凸轮的形状和运动轨迹，可以 实现车窗的平稳升降和准确控制。
防暴装置
凸轮机构还可以用于汽车防暴装置中，当车门受到外力袭击时，凸轮机构可以迅 速作出反应，提高车门的安全性能。
02
03
04
05
确定凸轮机构 的类型和布局
根据机器或系统的要求， 选择合适的凸轮机构类型 和布局。
确定从动件的 运动规律
根据机器或系统的要求， 选择合适的从动件运动规 律。
设计凸轮轮廓 曲线
根据从动件的运动规律， 设计凸轮的轮廓曲线。
确定机构的尺 寸参数
根据凸轮轮廓曲线和从动 件的运动规律，确定机构 的尺寸参数。
凸轮机构的精度直接影响机器或系 统的精度，因此必须满足精度要求 。
足够的强度和刚度
凸轮机构在运转过程中受到各种力 的作用，必须保证足够的强度和刚 度，以防止变形和损坏。
良好的润滑和散热
凸轮机构的润滑和散热性能对机构 的运转和使用寿命有很大影响，必 须采取有效的润滑和散热措施。
凸轮机构的设计步骤
01
1 2
盘形凸轮
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θ
n (x’,y’)
2 对心直动平底推杆盘形凸轮 建立坐标系如图：反转δ后，推杆移动距离为s， P点为相对瞬心， OP = ds/dδ x= (r0+s)sinδ +(ds/dδ)cosδ y= (r0+s)cosδ -(ds来自dδ)sinδy -ω
δ
B0 s0
ω
r0 O
B P s0
x
δ
ds/dδ s
B
y A0 φ0 φ
φ0
δ -ω
A
δ ω
O
a
x
浙江大学专用
解析法设计凸轮的轮廓曲线 原理：反转法。设计结果：轮廓的参数方程。 1 偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构 由图可知：s0＝(r0 s0 x= (s0+s)sinδ + ecosδ r0 (1) y= (s0+s)cosδ - esinδ 实际轮廓线为理论轮廓的等距线。 e ω 曲线任意点切线与法线斜率互为负倒数： tgθ = -dx/dy = (dx/dδ)/(- dy/dδ) = sinθ/cosθ (1)求导得：dx/dδ = (ds/dδ -e)sinδ +(s0+s)cosδ dy/dδ = (ds/dδ -e)cosδ -(s0+s)sinδ
浙江大学专用
3 摆动滚子推杆盘形凸轮机构 理论廓线方程： x= asinδ - lsin(δ +ϕ +ϕ0) y= acosδ - lcos(δ +ϕ +ϕ0) 式中：a－中心距， l－摆杆长度 实际轮廓方程的求法同前。 对应点B’ 的坐标为： x’=x rrcosθ y’=y rrsinθ
B0 r0 l
2-e2)1/2
y
e
-ω
δ
rr
r0 δ
B0
n
θ
x
n s0 s
(x’,y’) n rr θ (x, y)
可得： sinθ = (dx/dδ) / (dx/dδ)2+(dy/dδ)2 cosθ = -(dy/dδ) / (dx/dδ)2+(dy/dδ)2 实际轮廓为’点的坐标： x’= x - rrcosθ y’= y - rrsinθ 式中 “－”对应于内等距线，“＋”对应于外等距线。 浙江大学专用