第4章 凸輪機構(gòu)

4.1 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用和分類

未來先進制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢是向精密化、柔性化、智能化、集成化、全球化方向發(fā)展，從動件的位移、速度、加速度要嚴(yán)格按照預(yù)期的運動規(guī)律運動，采用凸輪機構(gòu)簡便且適用，故凸輪機構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。

4.1.1 凸輪機構(gòu)的組成

凸輪機構(gòu)是一種常用的高副機構(gòu)，主要由凸輪1、從動件2和機架3三個基本構(gòu)件組成，如圖4.1所示。凸輪1是具有一定曲線輪廓的盤狀體或具有凹槽的柱狀體。通常凸輪是原動件，可作等速轉(zhuǎn)動，也可作往復(fù)移動。從動件2是被凸輪直接推動的構(gòu)件，可作往復(fù)直線運動，也可作往復(fù)擺動，并通過重力、彈簧力或凹槽始終保持與凸輪接觸。機架3是支承凸輪和從動件的固定構(gòu)件。

4.1.2 凸輪機構(gòu)的應(yīng)用

圖4.1所示為內(nèi)燃機配氣機構(gòu)，由凸輪機構(gòu)控制內(nèi)燃機的進氣與排氣，完成配氣動作。當(dāng)具有曲線輪廓的凸輪1以等角速度轉(zhuǎn)動時，其曲線輪廓與氣閥2的平底接觸并驅(qū)使氣閥按預(yù)期的運動規(guī)律作往復(fù)直線運動，與活塞的運動相協(xié)調(diào)，適時地啟閉閥門。

圖4.2所示為一自動車床的進刀機構(gòu)，當(dāng)具有曲線凹槽的圓柱凸輪1以等角速度轉(zhuǎn)動時，嵌入凹槽中的滾子3推動從動件2繞固定軸O作往復(fù)擺動，從而控制刀架的進刀和退刀運動。進刀和退刀的運動規(guī)律取決于圓柱凸輪1上凹槽曲線的形狀。

圖4.3所示為利用移動凸輪實現(xiàn)自動送料的機構(gòu)。移動凸輪1在外界驅(qū)動力的作用下沿垂直方向上下往復(fù)移動，驅(qū)動滾子從動推桿2在復(fù)位彈簧的作用下，沿水平方向往復(fù)移動。

圖4.4所示為紡織機械中的綜框聯(lián)動式凸輪開口機構(gòu)（踏盤開口機構(gòu)），由提綜裝置、回綜裝置和綜框（綜絲）升降的控制裝置組成。凸輪開口機構(gòu)由凸輪1和2、心軸3、第一頁綜框4、吊綜轆轤5、第二頁綜框6、踏綜桿7和8、擺軸9、滾子10和11、吊綜皮帶12等組成。綜框的下降靠凸輪1、2的作用，綜框的上升靠吊綜轆轤回轉(zhuǎn)時的聯(lián)動作用。

圖4.5所示為印刷機的分紙吸嘴裝置，其目的是實現(xiàn)紙張的分離，即將單張紙從紙堆上分離出來。紙張的分離過程由分紙器軸上的凸輪機構(gòu)控制，通過凸輪1、滾子2、彈簧3、活塞式分紙吸嘴4，把紙張從給紙堆5上分離出來。

4.1.3 凸輪機構(gòu)的分類

凸輪機構(gòu)種類很多，一般可按凸輪形狀、從動件結(jié)構(gòu)形式、從動件運動方式、從動件與凸輪的鎖合方式進行分類。

1．按凸輪形狀分類

按凸輪形狀劃分凸輪機構(gòu)類型，主要有盤形凸輪機構(gòu)、移動凸輪機構(gòu)、圓柱凸輪機構(gòu)、端面凸輪機構(gòu)、圓錐凸輪機構(gòu)和弧面凸輪機構(gòu)等。

1）盤形凸輪機構(gòu)

盤形凸輪是一個繞固定軸轉(zhuǎn)動且具有變化向徑的盤形零件。圖4.1所示的配氣機構(gòu)的凸輪1、圖4.4中紡織機開口機構(gòu)凸輪1、圖4.5中印刷機分紙吸嘴裝置中凸輪1，均為盤形凸輪。若機構(gòu)中的凸輪為盤形凸輪，則稱為盤形凸輪機構(gòu)。凸輪與從動件在同一個平面內(nèi)運動，或者在相互平行的平面內(nèi)運動，這種類型的機構(gòu)屬于平面凸輪機構(gòu)。凸輪繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，推動從動件作往復(fù)直線運動或繞固定軸擺動。盤形凸輪是凸輪最基本的形式，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用最為廣泛。

2）移動凸輪機構(gòu)

移動凸輪沿其導(dǎo)路中心線往復(fù)移動，推動從動件在同一個平面內(nèi)作往復(fù)直線移動或繞固定軸擺動，圖4.3所示自動送料機構(gòu)中的凸輪1為移動凸輪。機構(gòu)中的凸輪若為移動凸輪，則稱為移動凸輪機構(gòu)，其屬于平面凸輪機構(gòu)。

3）圓柱凸輪機構(gòu)

圓柱凸輪的輪廓曲線在圓柱體上，圖4.2所示的自動車床的進刀機構(gòu)中的凸輪是圓柱凸輪。由圓柱凸輪構(gòu)成的機構(gòu)稱為圓柱凸輪機構(gòu)。圓柱凸輪機構(gòu)中，凸輪的運動與從動件的運動不在同一個平面，兩者之間的相對運動為空間運動。圓柱凸輪機構(gòu)屬于空間凸輪機構(gòu)。

4）其他類型凸輪機構(gòu)

圖4.6（a）、（b）所示為端面凸輪機構(gòu)，其工作輪廓是凸輪體的端面。圖4.6（c）所示為圓錐凸輪機構(gòu)，凸輪的輪廓曲線分布在圓錐體上。圖4.6（d）所示為弧面凸輪機構(gòu)。

2．按從動件結(jié)構(gòu)形式分類

按從動件結(jié)構(gòu)形式劃分凸輪機構(gòu)類型，將凸輪機構(gòu)劃分成尖頂從動件凸輪機構(gòu)、曲面從動件凸輪機構(gòu)、滾子從動件凸輪機構(gòu)和平底從動件凸輪機構(gòu)，其特點見表4.1。

3．按從動件運動方式分類

平面凸輪機構(gòu)中，從動件的運動方式有兩種：往復(fù)直線運動和繞固定軸擺動。因此凸輪機構(gòu)又可劃分成兩種類型：直動從動件凸輪機構(gòu)和擺動從動件凸輪機構(gòu)。

1）直動從動件凸輪機構(gòu)

直動從動件凸輪機構(gòu)中的從動件作往復(fù)直線運動，如圖4.1所示。如果從動件往復(fù)移動的導(dǎo)路中心線與凸輪轉(zhuǎn)動中心之間存在偏距e≠0，則稱為偏置直動從動件凸輪機構(gòu)，如表4.1中尖頂從動件凸輪機構(gòu)；如果從動件往復(fù)移動的導(dǎo)路中心線通過凸輪的轉(zhuǎn)動中心，即e=0，稱為對心直動從動件凸輪機構(gòu)，如圖4.1所示。

2）擺動從動件凸輪機構(gòu)

擺動從動件凸輪機構(gòu)中的從動件繞固定軸往復(fù)擺動，如圖4.5中印刷機分紙吸嘴裝置中的凸輪機構(gòu)。

4．按從動件與凸輪的鎖合方式分類

按從動件與凸輪的鎖合方式，凸輪機構(gòu)分為力封閉凸輪機構(gòu)和幾何封閉凸輪機構(gòu)。

1）力封閉凸輪機構(gòu)

力封閉凸輪機構(gòu)利用重力、彈簧力或者其他外力使從動件與凸輪保持接觸，如圖4.6（a）和（b）所示端面凸輪機構(gòu)，靠從動件的重力，使從動件與凸輪保持接觸，屬于重力鎖合凸輪機構(gòu)。圖4.1所示配氣機構(gòu)、圖4.5所示印刷機分紙吸嘴裝置中的凸輪機構(gòu)，則是利用彈簧的彈力，迫使從動件與凸輪保持接觸，屬于彈簧力鎖合凸輪機構(gòu)。

2）幾何封閉凸輪機構(gòu)

幾何封閉凸輪機構(gòu)利用凸輪或從動件所構(gòu)成高副的特殊幾何形狀，使其彼此始終保持接觸。常用的幾何封閉凸輪機構(gòu)有下述幾種類型。

（1）凹槽凸輪機構(gòu)

凹槽凸輪機構(gòu)是在凸輪工作面上按運動規(guī)律設(shè)計槽形輪廓曲線，從動件即可實現(xiàn)一定要求的運動規(guī)律，如圖4.7（a）所示。這種封閉方式結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，設(shè)計方便，但增加了凸輪的尺寸和自重。

（2）等徑凸輪機構(gòu)

等徑凸輪機構(gòu)如圖4.7（b）所示，機構(gòu)運動時，從動件上裝有的兩個滾子始終與凸輪保持接觸，其中心線通過凸輪軸心，兩個滾子的中心距保持不變，即D=常數(shù)。等徑凸輪只能在180°范圍內(nèi)設(shè)計凸輪廓曲線，其余部分需按等徑原則確定。

（3）等寬凸輪機構(gòu)

等寬凸輪機構(gòu)如圖4.7（c）所示，從動件做成框架形狀，凸輪1輪廓曲線上任意兩條平行切線間的距離保持相等，并且等于從動推桿2內(nèi)框上、下壁間的距離，并等于常數(shù)。機構(gòu)運動時，凸輪1與從動推桿2的內(nèi)框始終保持接觸。

（4）共軛凸輪機構(gòu)

共軛凸輪機構(gòu)由兩個剛性連接在一起的凸輪分別控制一個具有兩個滾子的從動件，即控制從動件運動規(guī)律中的推程和回程，如圖4.7（d）所示。其中，剛性連接的兩個凸輪稱為共軛凸輪，且兩個凸輪廓曲線之間存在嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。在共軛凸輪中，控制推程運動的凸輪稱為主凸輪，控制回程運動的凸輪稱為回凸輪。