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1、南京理工大学机械原理chapter5cammechanismppt课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望Chapter1 IntroductionChapter2 Structural Analysis of Planar MechanismsChapter3 Kinematic Analysis of MechanismsChapter4 Planar Linkage MechanismsChapter 5 Cam MechanismsChapte
2、r 6 Gear MechanismsChapter 7 Gear TrainsChapter 8 Other Mechanisms in Common UseChapter 9 Balancing of MachineryChapter 10 Motion of Mechanical Systems and Its RegulationChapter 11 Efficiency of MachineChapter 5Cam mechanisms本章重点本章重点：凸凸轮轮机机构构分分析析:包包括括用用反反转转法法确确定定从从动动件件的的运动规律和机构压力角。运动规律和机构压力角。凸凸轮轮机机构
3、构设设计计：包包括括常常用用运运动动规规律律的的特特点点及及选选择择，盘盘状状凸凸轮轮轮轮廓廓设设计计，以以及及凸凸轮轮机机构构基基本本尺尺寸的确定。寸的确定。本章难点本章难点：反转法思想的建立和应用。反转法思想的建立和应用。5.1Characteristics and Classification of Cam Mechanisms5.2 Follower Motion Curves5.3 plate Cam with Translating Roller(or knife-edge)5.4 Plate Cam with Oscillating Roller Follower5.5 Plat
4、e Cam with Translating Flat-faced Follower5.6 Plate Cam with Oscillating Flat-faced FollowerChapter 5 Attentions1.Classification of cam2.Follower motion curves3.How to design the pitch curve and cam contour4.Pressure Angle,the Radius of base circle,Radius of Curvature 5.1Characteristics and Classifi
5、cation of Cam MechanismsApplications(Used for)transmitting complicated and precise motion Dwell(停歇)for a short time during a cycle 凸轮机构凸轮机构从动件的加速度，速度，位移严格按从动件的加速度，速度，位移严格按预定规律变化，原动件连续运动，从动件间歇运动预定规律变化，原动件连续运动，从动件间歇运动5.1.1 Characteristics of Cam Mechanisms组成组成 cam driver(具有曲线轮廓或凹槽的构件具有曲线轮廓或凹槽的构件)a fol
6、lower the driven element the frame Characteristics：1.the cost for cutting cam contour is high.2.it cant transmit heavy load,used for control mechanisms.5.1.2 Classifications of cam Mechanisms1 By the cam shape (a)plate cam(or disc cam)(b)Translating cam(c)three dimensional cam2.By the motion type of
7、 the follower(a)Translating follower(b)Oscillating follower 3.By the shape of the follower end(a).knife-edge follower 能与任意复杂的凸轮轮廓接能与任意复杂的凸轮轮廓接触，凸轮轮廓易磨损，传力触，凸轮轮廓易磨损，传力不大，低速。不大，低速。(b).roller follower 可承受较大载荷，最常用。可承受较大载荷，最常用。(c).flat-faced follower 简单，低廉，易形成润滑油膜，高速。简单，低廉，易形成润滑油膜，高速。4 By the manner of k
8、eeping the cam and the follower in contact (a).force-closed cam mechanisms(力锁和力锁和)配气机构配气机构进刀机构进刀机构(b).form-closed cam mechanisms5、Requirements(要求要求)分析从动件的运动规律分析从动件的运动规律按照运动规律设计凸轮轮廓按照运动规律设计凸轮轮廓5.2 Follower Motion Curves(从动件运动规律从动件运动规律)Steps of design cam:确定从动件运动规律确定从动件运动规律 ，然后确定凸轮轮廓。，然后确定凸轮轮廓。1 1.概念概
9、念(key concepts)以尖底偏置直动从动件盘形以尖底偏置直动从动件盘形凸轮机构为例凸轮机构为例行程行程htotal follower travel,the lift 偏距偏距eoffset 偏距圆偏距圆offset circle.基圆半径基圆半径r0：凸轮轮廓上对：凸轮轮廓上对O点的最短向径；点的最短向径；基圆：以基圆：以O为圆心，为圆心，r0为半径的圆；为半径的圆；Base circle,prime circle二、分析从动件的运动二、分析从动件的运动推程推程 推杆从最低位置推杆从最低位置A上升到最高位置上升到最高位置 B，尖底与凸轮接触点：，尖底与凸轮接触点：AB。远休远休 推杆远
10、停不动，尖底与凸轮接触点：推杆远停不动，尖底与凸轮接触点：BC。回程回程 推杆由最高位置推杆由最高位置B下降到最低位置下降到最低位置 A，尖底与凸轮接触点：尖底与凸轮接触点：CD。近休近休推杆近停不动；尖底与凸轮接触点：推杆近停不动；尖底与凸轮接触点：DA。升升 停停 降降 停停行程行程htotal follower travel,the lift-最大位移最大位移Cam angle for rise推推 程程 运运 动动 角角：=BOB=AOB1Cam angle for outer dwell远休止角：远休止角：S=BOC=B1OC1Cam angle for return回程运动角：回程
11、运动角：=C1OD Cam angle for inner dwell近休止角：近休止角：S=AODdisplacement curve位移曲线位移曲线求导得速度，加速度图求导得速度，加速度图 动态演示前述各概念动态演示前述各概念5.2.1 Constant velocity Motion Curve 匀速运动规律匀速运动规律（推程段）（推程段）a=lim(惯性力（惯性力（inertia force）F=-ma rigid impulse刚性冲击刚性冲击：由于加速度发生无穷大突变而引由于加速度发生无穷大突变而引起的冲击称为刚性冲击。起的冲击称为刚性冲击。5.2.2 Constant Accel
12、eration and Deceleration Motion Curve(等加速等减速运动规律等加速等减速运动规律)first half of the riseacceleration second half of the risedeceleration soft impulse柔性冲击柔性冲击：加速度发生有限值的突变加速度发生有限值的突变 Used for low and intermediate speed cams.5.2.3 Cosine Acceleration Motion Curve 余弦加速度运余弦加速度运动规动规律律（simple harmonic(简谐)motion c
13、urve）soft impulse 若远、近休止角为零，无柔性冲击；若远、近休止角为零，无柔性冲击；若远、近休止角不为零，有柔性冲击。若远、近休止角不为零，有柔性冲击。5.2.4 Sine Acceleration Motion curve 正弦加速度运正弦加速度运动规动规律律(cycloid（摆线摆线）Motion curve)No rigid and soft impulse high-speed cams5.2.5 3-4-5 Polynomail Motion Curve 5次多次多项项式式（略）（略）5.2.6 Combined Motion Curve （略）（略）5.3 plat
14、e Cam with Translating Roller (or knife-edge)Methods graphical Design:principle of inversion（反（反转转法）法）Analytical:principle of inversion（反转法）（反转法）5.3.1plate Cam with Translating knife-edge follower直动从动件盘形凸轮机构直动从动件盘形凸轮机构Given:Clock-wiseDeign the pitch curve(理论廓线)of the cam尖底从动件凸轮轮廓的设计动画尖底从动件凸轮轮廓的设计动画1
15、、画出基圆、偏距圆，尖底、画出基圆、偏距圆，尖底从动件的起始位置从动件的起始位置C0(B0)。2、将、将S运动图做等分。运动图做等分。(推程运动角和回程运动角推程运动角和回程运动角)3、沿、沿方向，按从动件运方向，按从动件运动规律等分基圆角度，得到动规律等分基圆角度，得到C1、C2C9各点各点。4、过、过C1点作偏距圆的切线，点作偏距圆的切线，量取量取11B1C1，得到，得到B1。5、将得到的、将得到的B0、B1、B2B9各点连成光滑曲线。各点连成光滑曲线。The process(步骤步骤)to design the pitch curve is:Note：1、The pitch curve
16、can not be drawn in the direction of .注意反转方向，分点一定沿注意反转方向，分点一定沿w方向分。方向分。2、分段数不宜过小，实际设计中，常取、分段数不宜过小，实际设计中，常取5一个间隔。一个间隔。3、The centerline of the follower must always be tangent to the offset circle.过基圆上的点可作偏距圆的过基圆上的点可作偏距圆的2条切线，应根据条切线，应根据 偏置方式和反转方向偏置方式和反转方向w w正确作出其中的一条切线。正确作出其中的一条切线。4、位移线图与凸轮轮廓线图的比例尺应一致。
17、、位移线图与凸轮轮廓线图的比例尺应一致。5.3.2 Graphical Synthesis of Plate Cam with Translating Roller follower.The roller is always tangent to the cam contour(廓线廓线)at all times.Roller centerreference point.设计滚子从动件凸轮机构时，设计滚子从动件凸轮机构时，凸轮的基圆半径是指理论轮廓凸轮的基圆半径是指理论轮廓曲线的基圆半径。曲线的基圆半径。滚子从动件凸轮轮廓的设计动画滚子从动件凸轮轮廓的设计动画画小滚子，做包络线画小滚子，做包络
18、线 envelope of the family of the roller circles 实际廓线实际廓线cam contour The locus of the roller center relative to the cam is called the pitch curve理论廓线理论廓线of the cam.Are there any other methods to find the cam contour?可否将理论廓线的各可否将理论廓线的各点向径点向径OBOB减去滚子半减去滚子半径径r rr r，得实际廓线，得实际廓线?The pitch curve should be d
19、esigned first.The pitch curve and the cam contour are two parallel curve.The pitch curve and the cam contour are two parallel curve.BT is a common normal(公法线)to the pitch curve and the cam contour.d is not a point on the cam contour.a is not a point on the cam contour,either.5.3.3 Analytical Synthes
20、is of the Pitch Curve5.3.4 Analytical Synthesis of the Cam Contour5.3.5 Locus of Centres of Milling Cutter.example 5-1 (study after class)5.3.6 Pressure Angle plate cam with translating roller follower F凸轮作用于从动件的驱动力方向凸轮作用于从动件的驱动力方向,Along common normal pressure angle压力角：接触点法压力角：接触点法线与从动件上作用点速度方向所夹的线与
21、从动件上作用点速度方向所夹的锐角。锐角。F F=Fcos 有用分力有用分力 F=Fsin 有害分力有害分力 摩擦摩擦，jam(卡住)过过大，机构自大，机构自锁锁（allowable pressure angle ）F F=Fcos 有用分力有用分力 F=Fsin 有害分力有害分力 摩擦摩擦，jam(卡住)Pressure angle changes during motion so it is necessary to control the value of the maximum pressure angle MAX.1、压力角、压力角 凸凸轮轮和和从从动动件件之之间间的的推推力力作作用用
22、线线与与从从动动件件上上力作用点的速度方向力作用点的速度方向线所夹的锐角。线所夹的锐角。1、直动尖顶从动件盘状凸轮机构、直动尖顶从动件盘状凸轮机构2、直动滚子从动件盘状凸轮机构、直动滚子从动件盘状凸轮机构首先要作出理论廓线！首先要作出理论廓线！3、摆动滚子从动件盘状凸轮机构、摆动滚子从动件盘状凸轮机构首先要作出理论廓线和反转圆！首先要作出理论廓线和反转圆！2、从动件受力分析从动件受力分析与自锁与自锁Q 载荷载荷F 凸轮作用于从动件的驱动力凸轮作用于从动件的驱动力F有用分力有用分力有害分力有害分力机构传动不利！机构传动不利！当当大于某一数值，此时无论凸轮给从动件的驱动力多大大于某一数值，此时无论
23、凸轮给从动件的驱动力多大，都不能推动从动件。，都不能推动从动件。自锁自锁 出现自锁的压力角出现自锁的压力角lim 极限压力角极限压力角 当当接近接近lim，此时虽未自锁，但驱动力急剧增大，轮廓会，此时虽未自锁，但驱动力急剧增大，轮廓会严重磨损，所以规定严重磨损，所以规定。许用压力角许用压力角 (lim)3、凸轮基圆半径的确定凸轮基圆半径的确定 点点P为为凸凸轮轮与与推推杆杆之之间间的的速速度度瞬瞬心心，根据瞬心法得到：根据瞬心法得到：转向系数转向系数从动件偏置从动件偏置 方向系数方向系数 顺顺-1 逆逆 导路偏于左导路偏于左-1 导路偏于右导路偏于右 对心对心回程回程:ds/d 0,S 推程推
24、程:ds/d 0,e 0,S 1,正配置正配置-1,负配置负配置0,推程为正推程为正0,回程为负回程为负=凸轮机构按正配置凸轮机构按正配置:凸轮机构按负配置凸轮机构按负配置:回程回程:ds/d 0,e 0,e 0,S1、2、,e,S()一定时：一定时：r0r0 越小越小,机构越紧凑机构越紧凑,所以在保证所以在保证maxrr，则，则r ra a0，实际廓线可求；实际廓线可求；若若r r=rr，则，则r ra a=0，实际廓线出现尖点；实际廓线出现尖点；极易磨损，不宜使用。极易磨损，不宜使用。若若r r rr，则，则r ra a00，实际廓线交叉实际廓线交叉；加工时交叉部分被切去，出现运动失真现象
25、。加工时交叉部分被切去，出现运动失真现象。实际设计时：初选实际设计时：初选rr=(0.10.5)r0。综上所述：滚子半径必须小于理论轮廓曲线外凸部分的综上所述：滚子半径必须小于理论轮廓曲线外凸部分的最小曲率半径：最小曲率半径：建议：建议：5.4Plate Cam with Oscillating Roller Follower 摆动从动件盘形凸轮机构Given：转向，转向，r0，a，l，max，-Design the cam contour.一、一、摆动从动件盘状凸轮摆动从动件盘状凸轮已知：已知：转向，转向，r r0 0，a，l，maxmax，-将将S运动图做等分运动图做等分1、作基圆、反转、
26、作基圆、反转圆和摆杆的初始位圆和摆杆的初始位置置C0(B0)。2、在反转圆上从、在反转圆上从OA起等分角度，起等分角度，得到得到 A1、A2A9。它们为反转后从它们为反转后从动件回转轴心的动件回转轴心的位置。位置。3、以分点、以分点Ai为圆心，为圆心，l 为半径，与基圆为半径，与基圆交于交于C1、C2、C9；从；从AiCi向外量取向外量取从动件摆角从动件摆角1、2，得到，得到B1、B2、B9。4、将、将B0、B1、B2B9各点连成光各点连成光滑曲线。滑曲线。滚子从动件滚子从动件：若在上述摆杆的尖底若在上述摆杆的尖底B处要加一个半径为处要加一个半径为rr的滚子，的滚子，则上述所得的凸轮廓线就是滚
27、子从动件盘状凸轮的理则上述所得的凸轮廓线就是滚子从动件盘状凸轮的理论廓线。然后，以理论廓线上的点为圆心，滚子半径论廓线。然后，以理论廓线上的点为圆心，滚子半径rr为半径，作出一系列的滚子圆，再作这些滚子圆簇的为半径，作出一系列的滚子圆，再作这些滚子圆簇的包络线，即得凸轮的实际廓线。包络线，即得凸轮的实际廓线。5.5Plate Cam with Translating Flat-faced Follower 直动平底从动件盘形凸轮机构5.5.1 Graphical Synthesis（3）过）过B1、B2点作出一点作出一系列平底，得到一直线族，系列平底，得到一直线族，作出直线族的包络线，便得作出
28、直线族的包络线，便得到凸轮实际轮廓曲线。到凸轮实际轮廓曲线。（1）取平底与导路的交点）取平底与导路的交点B0为参考点为参考点（2）把）把B0看作尖底，运用上看作尖底，运用上述方法找到述方法找到B1、B2注意注意：平底宽度要保证在所有位置都能与轮廓曲线相切。：平底宽度要保证在所有位置都能与轮廓曲线相切。只要导路方向不变，无论对心或偏置，凸轮实际廓线一样。只要导路方向不变，无论对心或偏置，凸轮实际廓线一样。5.5.2 Analytical SynthesisPressure Angle Chapter 5 Attentions1.Classification of cam2.Follower mo
29、tion curves3.How to design the pitch curve and cam contour4.Pressure Angle,the Radius of base circle,Radius of Curvature For the plate cam with tanslating offset roller follower as shown in Fig.R=30mm,lOA=10mm,e=15mm,rR=5mmE and F are two contact points.1)Construct the pitch curve and 2)indicate rad
30、ius of prime cirde rP.2)Find the rotation angle of the cam during the follower contacts with the cam form point E to F.3)Find the pressure angle when the follower contacts with the cam at point F.4)Find the displacement of the follower during it contacts with the cam form point E to F.5)Location the
31、 position where the pressure angle reaches the maximum and Mark the out.Homework复习思考题1、连杆机构和凸轮机构在组成方面有何不同，各有什么优缺点？2、凸轮机构中，刚性冲击是指什么？举出一种存在刚性冲击的运动规律。3、凸轮机构中，柔性冲击是指什么？举出一个具有柔性冲击的从动件常用运动规律。4、何谓凸轮的理论轮廓与实际轮廓？5、凸轮机构中的力锁合与几何锁合各有什么优缺点？6、为什么不能为了机构紧凑，而任意减小盘形凸轮的基圆半径？7、设计滚子从动件盘形凸轮机构时，如实际轮廓上出现尖点，将可能出现什么后果？面对这一实际结
32、果，设计上应如何加以处理？习题1、图（a）和图（b）分别为滚子对心直动从动件盘形凸轮机构和滚子偏置直动从动件盘形凸轮机构，已知：R=100mm，OA=20mm，e=10mm，rT=10mm，试用图解法确定；当凸轮自图示位置（从动件最低位置）顺时针方向回转90时两机构的压力角及从动件的位移值。(a)(b)2、设计一偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构，凸轮回转方向及从动件初始位置如图所示。已知偏距e=10mm，基圆半径r0=40mm，滚子半径rT=10mm，从动件运动规律如下：=150，S=30，=120，S=60，从动件在推程以简谐运动规律上升，行程h=20mm；回程以等加速等减速运动规律返回原处，
33、试绘出从动件位移线图及凸轮轮廓曲线。3、设计一平底直动从动件盘形凸轮机构，凸轮回转方向及从动件初始位置如图所示。已知基圆半径r0=60mm，行程h=20mm，=150，S=30，=120，S=60，从动件在推程以简谐运动规律上升，回程以等加速等减速运动规律返回原处，试绘出该机构凸轮轮廓曲线并决定从动件底面应有的长度。4、设计一平底摆动从动件盘形凸轮机构，凸轮回转方向和从动件初始位置如图所示。已知lOA=75，r0=30mm，从动件运动规律如下：=180，S=0，=180，S=0，从动件推程以简谐运动规律顺时针摆动，max=15；回程以等加速等减速运动规律返回原处。试绘出凸轮轮廓曲线并确定从动件的长度。