第4章 凸輪機構

4.1 凸輪機構的應用和分類

未來先進制造技術發展的總趨勢是向精密化、柔性化、智能化、集成化、全球化方向發展，從動件的位移、速度、加速度要嚴格按照預期的運動規律運動，采用凸輪機構簡便且適用，故凸輪機構得到了廣泛的應用。

4.1.1 凸輪機構的組成

凸輪機構是一種常用的高副機構，主要由凸輪1、從動件2和機架3三個基本構件組成，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，可作等速轉動，也可作往復移動。從動件2是被凸輪直接推動的構件，可作往復直線運動，也可作往復擺動，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件。

4.1.2 凸輪機構的應用

圖4.1所示為內燃機配氣機構，由凸輪機構控制內燃機的進氣與排氣，完成配氣動作。當具有曲線輪廓的凸輪1以等角速度轉動時，其曲線輪廓與氣閥2的平底接觸并驅使氣閥按預期的運動規律作往復直線運動，與活塞的運動相協調，適時地啟閉閥門。

圖4.2所示為一自動車床的進刀機構，當具有曲線凹槽的圓柱凸輪1以等角速度轉動時，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自動送料的機構。移動凸輪1在外界驅動力的作用下沿垂直方向上下往復移動，驅動滾子從動推桿2在復位彈簧的作用下，沿水平方向往復移動。

圖4.4所示為紡織機械中的綜框聯動式凸輪開口機構（踏盤開口機構），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時的聯動作用。

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 凸輪機構的分類

凸輪機構種類很多，一般可按凸輪形狀、從動件結構形式、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類型，主要有盤形凸輪機構、移動凸輪機構、圓柱凸輪機構、端面凸輪機構、圓錐凸輪機構和弧面凸輪機構等。

1）盤形凸輪機構

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

2）移動凸輪機構

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

3）圓柱凸輪機構

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中的凸輪是圓柱凸輪。由圓柱凸輪構成的機構稱為圓柱凸輪機構。圓柱凸輪機構中，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。圓柱凸輪機構屬于空間凸輪機構。

4）其他類型凸輪機構

圖4.6（a）、（b）所示為端面凸輪機構，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，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。

2．按從動件結構形式分類

按從動件結構形式劃分凸輪機構類型，將凸輪機構劃分成尖頂從動件凸輪機構、曲面從動件凸輪機構、滾子從動件凸輪機構和平底從動件凸輪機構，其特點見表4.1。

3．按從動件運動方式分類

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

1）直動從動件凸輪機構

直動從動件凸輪機構中的從動件作往復直線運動，如圖4.1所示。如果從動件往復移動的導路中心線與凸輪轉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，如表4.1中尖頂從動件凸輪機構；如果從動件往復移動的導路中心線通過凸輪的轉動中心，即e=0，稱為對心直動從動件凸輪機構，如圖4.1所示。

2）擺動從動件凸輪機構

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

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，凸輪機構分為力封閉凸輪機構和幾何封閉凸輪機構。

1）力封閉凸輪機構

力封閉凸輪機構利用重力、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，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。圖4.1所示配氣機構、圖4.5所示印刷機分紙吸嘴裝置中的凸輪機構，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。

2）幾何封閉凸輪機構

幾何封閉凸輪機構利用凸輪或從動件所構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有下述幾種類型。

（1）凹槽凸輪機構

凹槽凸輪機構是在凸輪工作面上按運動規律設計槽形輪廓曲線，從動件即可實現一定要求的運動規律，如圖4.7（a）所示。這種封閉方式結構簡單、緊湊，設計方便，但增加了凸輪的尺寸和自重。

（2）等徑凸輪機構

等徑凸輪機構如圖4.7（b）所示，機構運動時，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。等徑凸輪只能在180°范圍內設計凸輪廓曲線，其余部分需按等徑原則確定。

（3）等寬凸輪機構

等寬凸輪機構如圖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內框上、下壁間的距離，并等于常數。機構運動時，凸輪1與從動推桿2的內框始終保持接觸。

（4）共軛凸輪機構

共軛凸輪機構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格的對應關系。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。