第九章 凸轮机构及其设计
本章教学目的
◆ 了解凸轮机构的分类及应用。
◆ 了解推杆常用的运动规律及推
杆运动规律的选择原则 。
◆ 掌握凸轮机构设计的基本知识,
能根据选定的凸轮类型和推杆
的运动规律设计出凸轮的轮廓
曲线 。
◆ 掌握凸轮机构基本尺寸确定的
原则 。
本章教学内容
1,凸轮机构的应用和分类
2,推杆的运动规律
3,凸轮轮廓曲线的设计
4,凸轮机构基本尺寸的确定
本章重点
?推杆常用运动规律的特点及其选择原则
?盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的设计
?凸轮基圆半径与压力角及自锁的关系
本章难点
凸轮廓线设计中所应用的, 反转法, 原理和压力角的概
念。
§ 9-1 凸轮机构的应用和分类
一, 凸轮机构的组成及应用
1,组成,—— 高副机构
1) 凸轮 (Cam)—— 具有曲线轮廓或凹槽的构件
2) 推杆 (Follower)—— 被凸轮直接推动的构件
3) 机架 (Frame)—— 相对参照系
4) 锁合装置 —— 保证高副始终可靠接触的装置







凸轮 1,从动件 2,机架, 锁合装置 4
2,应用:
凸轮机构具有结构简单, 可以准确实现要求的运动规律等优点, 因而
在工业生产中得到广泛的应用 。
凸轮机构在机床中的应用 凸轮机构印刷机中的应用
等径凸轮的应用分度凸轮的应用
3,特点:
优点,1) 可使从动件得到各种预期的运动规律 。
3)从动件行程不宜过大,否则会使凸轮变得笨重。
2)加工比较困难。
缺点,1)高副接触,易于磨损,多用于传递力不太大的场合。
3)实现停歇运动2)结构紧凑。
升 停 降 停
自动机走刀机构 自动送料机构
二,凸轮机构的分类
1、按凸轮的形状分:
平面凸轮 (Plane Cam)
空间凸轮 (Three-Dimensional Cam)
盘形凸轮 (Plate cam)
移动凸轮 (Wedge cam)
圆柱面凸轮 (Cylindrical cam)
端面凸轮 (Cylindrical cam)
2、按从动件端部型式分:
?尖端从动件 (knife-edge follower)—— 易磨损,承载能力低,用于轻载低速
?滚子从动件 (roller follower)—— 磨损小,承载能力较大,用于中载中速
?平底从动件 (flat-faced follower)—— 受力好,润滑好,常用于高速
3、按从动件的运动方式分:
?直动从动件 (Sliding follower)
?摆动从动件 (Oscillating follower)
对心 (radial)
偏置 (offset)
机构的命名 —— ( 3) +( 2) +( 1)
对心直动尖端从动件
盘形凸轮机构
偏置直动滚子从动件
盘形凸轮机构
4、按凸轮与从动保持接触的锁合装置分:
(1)力锁合 (force closure)
利用推杆的重力, 弹簧力或
其它外力使推杆始终与凸轮
保持接触
(2)形锁合 (profile closure)
利用凸轮与推杆构成的高副
元素的特殊几何结构使凸轮
与推杆始终保持接触























?0
r0
§ 9-2 从动件常用运动规律
一, 基本概念
?
h
?01
?02
?0?
1,理论廓线 (Pitch profile)—— 与尖端从动件相接触的廓线
2,基圆 r0 (Base circle)—— 凸轮理论廓线上最小
向径为半径所作的圆
3,行程 h(?)(Displacement)—— 从动件运动的
最大位移 h(角度 ?)
4,推程 (Rise),推程运动角 ?0
?
5,回程 (Return),回程运动角 ?0?
6,远休止 (Outer dwell ),远休止角 ?01
近休止 (Inner dwell ),近休止角 ?02
7,实际廓线 (Real profile)—— 与滚子或平底从动件相接触的廓线
8,压力角 (Pressure angle)
二, 从动件常用运动规律
★ 从动件的运动规律 —— 从动件的运动(位移、速度和加速度)
与时间或凸轮转角间的关系。
从动件的运动规律既可以用 线图 表示, 也可以用数学方程式
表示 。 若从动件的 位移方程 为 s = f(?), 则
?
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?????
?????
3
3
3
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2
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dt
d
d
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dt
da
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d
sd
dt
d
d
dv
dt
dv
a
d
ds
dt
d
d
ds
dt
ds
v
速度方程
加速度方程
加速度跃动方程
类速度
类加速度
★ 从动件常用运动规律
按照从动件在一个循环中是否需要停歇及停在何处等, 可将凸
轮机构从动件的位移曲线分成如下四种类型:
( 1)升 -停 -回 -停型 ( 2)升 -回 -停型
( 3)升 -停 -回型 ( 4)升 -回型
s
O ? ?
01 ?02??
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s
O ? ?
02??
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s
O ? ?
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s
O ? ??
2?
?
◆ 多项式运动规律
★ 一次多项式运动规律 —— 等速运动
★ 二次多项式运动规律 —— 等加速等减速运动
★ 五次多项式运动规律
◆ 三角函数运动规律
★ 余弦加速度运动规律 —— 简谐运动规律
★ 正弦加速度运动 —— 摆线运动规律
◆ 组合运动规律
说明,凸轮一般为等速运动,有 ?=? t 推杆运动规律常表示
为推杆运动参数随凸轮转角 ?变化的规律。
重点:
掌握各种
运动规律
的特性
1,多项式运动规律 s = C0+ C1 ?+ C2? 2+…+ Cn? n
1.1 n=1
运动方程式一般表达式:
?
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?
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0
1
10
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cdtdsv
ccs
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?推程运动方程:
等速运动规律
等速运动规律 (Constant velocity)
边界条件
运动始点,?=0,s=0
运动终点, ? = ? 0,s=h
c0=0
c1=h/?0
推程运动方程式:
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,0
0
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0
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ωhv
hs
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s
?O
v
?O ?0
(h/?0)?
v
?O
?0
+?
-?
从动件在起始和终止点速度有突变,
使瞬时加速度趋于无穷大, 从而产
生无限值惯性力, 并由此对凸轮产
生冲击 —— 刚性冲击 (Rigid impulse)
? ?
0
0
0
,0
0
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hs
?回程运动方程
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0
1
10
dtdva
cdtdsv
ccs
?
?
边界条件
运动始点,?=0,s=h
运动终点, ? = ? 0?,s=0
c0=h
c1=h/??0
★ 等速运动规律运动特性
?从动件在运动起始和终止点存在 刚性冲击
?适用于 低速轻载 场合
1.2 n=2
运动方程式一般表达式:
s = C0+ C1 ?+ C2? 2
v = ds/dt = C1? +2C2 ??
a = dv/dt = 2C2 ? 2 等加速运动规律
等加速等减速运动规律
(Constant acceleration & deceleration)
等加速等减速运动规律亦称为 抛物线运动规律 (Parabolic acceleration)
★ 注意:
为保证凸轮机构运动平稳性, 常使推杆在一个行程 h中的
前半段作等加速运动, 后半段作等减速运动, 且加速度和
减速度的绝对值相等 。
例如:将推程 [0,? 0]划分为两个区段:
加速段 [0,? 0/2]
减速段 [? 0/2, ? 0]
?推程运动方程
推程等加速段边界条件:
s = C0+ C1 ?+ C2? 2
v = ds/dt = C1? +2C2 ??
a = dv/dt = 2C2 ? 2
运动始点,?=0,s=0,v=0
运动终点,? = ? 0/2,s=h/2
C0= C1= 0
C2=2h/ ? 02
加速段运动方程式为:
?
?
?
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0
2
0
2
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2
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2
,0
4
2
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h
a
h
v
h
s
推程等减速段边界条件:
运动始点,? = ? 0/2,s=h/2
运动终点,?= ? 0,s=h, v=0
C0= ?h,C1= 4h/ ? 0
C2= ? 2h/ ? 02
减速段运动方程式为:
?
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???
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0
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0
0
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0
2
02
0
4
,
2
)(
4
)(
2
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???
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h
a
h
v
h
hs
作推程运动线图
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h
a
h
v
h
s
s 1 2 3 4
? 1 4 9 16
s
?O
h
?0?0/2
h/2
作位移曲线
v
?O ?0?0/2
2h?/?0
a
?O ?0/2
4h?2/?02
?0
?4h?2/?02
作速度曲线 作加速度曲线
h
s
?O ?0?0/2
h/2
v
?O ?0?0/2
2h?/?0
a
?O ?0/2
4h?2/?02
?0
?4h?2/?02
从动件在起点, 中点和终点,
因加速度有有限值突变而引起
推杆惯性力的有限值突变, 并
由此对凸轮产生有限值冲击
—— 柔性冲击 (Soft impulse)
★ 等加速等减速运动规律运动
特性:
?从动件在运动起始、中点
和终止点存在 柔性冲击
?适用于 中速轻载 场合
同理可得回程运动方程:
回程加速段运动方程式:
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h
a
h
v
h
hs
回程减速段运动方程式:
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h
a
h
v
h
s
1.3 n=5 五次多项式运动规律
★ 五次多项式的一般表达式为
??
?
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?????
??????
??????
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5
22
4
2
3
2
2
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5
3
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2
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5
5
4
4
3
3
2
210
201262/
5432/
???????
?????????
?????
CCCCdtdva
CCCCCdtdsv
CCCCCCs
★ 推程边界条件
在始点处,?1=0,s1=0,v1=0,a1=0;
在终点处,?2= ?0,s2=h,v2=0,a2=0;
★ 解得待定系数为
505404303210 /6,/15,/10,0,0,0 ??? hChChCCCC ???????
★ 位移方程式为
5
5
0
4
4
0
3
3
0
61510 ?
?????
hhhs ???
★ 五次多项式运动规律的运动线图
★ 五次多项式运动规律的运动特性
?即无刚性冲击也无柔性冲击
?适用于高速中载场合
a
v
s
a
v
s
?
2,三角函数运动规律
2.1 余弦加速度运动规律 (半周期 )( Simple hamonic motion 简谐运动)
升程加速度为 1/2周期余弦波,故设:
a=C1 cos(?t/t0)= C1 cos(??/?0)
则:
?
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t
边界条件:
起点,?=0,s=0,v=0
终点,?= ?0,s=h
0;0 2322
2
01 ???? CCC
??
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2
01
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0;2;2 2
2
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13 ???
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???? ChChC
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升程运动规律:
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同理,得 回程运动规律:
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作推程运动线图
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推程运动线图
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? ?, ?0 =?, ?
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?????? ???????? ??? 0co s12hs )co s1(2 ??? hs
位移线图
速度线图
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v
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?O ?
0?0/2
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-?2?2 h /2?02
余弦加速度运动规律的运动特性:
?从动件加速度在 起点 和 终点 存在
有限值突变, 故有 柔性冲击
?若从动件作无停歇的 升-降-升
连续往复运动, 加速度曲线变为
连续曲线, 可以避免柔性冲击
?适用于 中速中载 场合
2.2 正弦加速度运动规律 (1周期 )( Cycloidal motion 摆线运动)
?
?
?
vmax=2hω/?
? ?0
amax=6.28hω2 /? 2
R=h/2π
推程段的运动线图
推程运动方程:
? ?
0
0
2
0
2
00
00
,0
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2
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回程运动方程:
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h
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h
v
hs
正弦加速度运动规律运动特性:
? 从动件加速度没有突变,因而将不产生任何冲击
? 适用于高速轻载场合

















等加速等减速运动规律









正弦加速度运动规律
3,组合运动规律
★ 采用组合运动规律的目的:
避免有些运动规律引起的冲击,改善推杆其运动特性。
★ 构造组合运动规律的原则:
?根据工作要求选择主体运动规律,然后用其它运动规律组
合;
?保证各段运动规律在衔接点上的运动参数是连续的;
?在运动始点和终点处,运动参数要满足边界条件。
★ 组合运动规律示例
例 1:改进梯形加速度运动规律
主运动,等加等减运动规律
组合运动,在加速度突变处以正弦
加速度曲线过渡。
组合运动规律示例 2:
组合方式:
主运动,等速运动规律
组合运动,等速运动的行程两
端与正弦加速度运
动规律组合起来 。
三, 从动件运动规律的选择
1,选择推杆运动规律的基本要求
?满足机器的工作要求;
?使凸轮机构具有良好的动力特性;
?使所设计的凸轮便于加工。
2,根据工作条件确定推杆运动规律几种常见情况
A,当机器的工作过程只要求从动件具有一定的工作行程,
而对其运动规律无特殊要求时, 应从便于加工和动力特
性来考虑 。
? 低速轻载凸轮机构,采用圆弧, 直线等易于加工的曲线作为
凸轮轮廓曲线 。
? 高速凸轮机构,首先考虑动力特性, 以避免产生过大的冲击 。
B,当机器对从动件的运动特性有特殊要求, 而只用一种基本
运动规律又难于满足这些要求时, 可以考虑采用满足要求
的组合运动规律 。
C,为避免刚性冲击, 位移曲线和速度曲线必须连续;而为避
免柔性冲击, 加速度曲线也必须连续 。
D,尽量减小速度和加速度的最大值 。
小结
运动规律 运动特性 适用场合
等速运动规律
等加速等减速运动规律
五次多项式运动规律
余弦加速度运动规律
正弦加速度运动规律
刚性冲击
柔性冲击
无冲击
柔性冲击
无冲击
低速轻载
中速轻载
高速中载
中低速中载
中高速轻载