机械原理中凸轮机构的演示教具设计

彭智婷　李克忠

【摘 要】机械原理中凸轮机构的设计过程及其轮廓线的绘制方法十分重要，为了提高老师的课堂教学效率，使学生快速掌握凸轮机构设计的基本知识。设计制作了一种便携、直观、教学内容全面的凸轮设计教学辅助仪器。运用反转法原理，通过控制从动件有规律地上下运动，结合画板的回转运动，绘制凸轮的轮廓曲线。并且给出了五种经典从动件运动规律，模块化凸轮的四个运动阶段，区分了摆动从动件与直动从动件、偏置凸轮与对心凸轮、圆形轮与偏心轮的运动形式。重点介绍了凸轮轮廓曲线的成型过程，基圆半径、压力角、推程回程、偏心距等基本参数可调节、可读取。

【关键词】凸轮机构；轮廓曲线；设计辅助；反转法

0 前言

随着国家对于机械行业人才综合素质要求的提高，所以对高校机械类的课程，特别是机械原理，机械设计等基础类课程的要求也在不断提高。就目前机械原理的实验教学模式来看，对于理论基础知识的讲解几乎还处在空白状态，尤其是实验课教具还停留在传统的“一物一模型”阶段，这已经与当代大学生的学习习惯与思维习惯脱节，也与日益增长的对机械行业人才需求量的客观现实相矛盾[1]。我们这一款教具的设计理念始终围绕着“趣味、直观、深度”这三个方面展开，与时俱进。本创意来源于机械原理中反转法绘制凸轮廓线，能让学生更直观的掌握凸轮轮廓曲线的设计方法， 使学生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轮廓曲线，掌握凸轮机构基本尺寸确定的原则。

1 总体结构设计及其工作原理

图1 反转法原理

盘形凸轮机构的凸轮轮廓成型原理我们称之为反转法，所谓反转法，是建立在相对运动不变性原理的一种方法[2]，利用反转法原理（如图1）设计凸轮机构成型教具。该教具为立式结构分为正反两面，一面可根据运动规律曲线画出凸轮轮廓线，另一面根据凸轮轮廓反画出运动规律曲线。原动件为齿轮，从动件为齿条的运动传动装置，齿条与曲线板一端连接，转动手柄，齿轮带动连着曲线板的齿条运动，进而带动曲线板实现左右平移运动。齿轮与齿轮轴过盈配合，齿轮轴一端与画盘固定连接，没有相对运动。画盘和曲线板由笔和可滑动的顶针连接。教具正面，顶针在曲线板的曲线轮廓内运动，控制画笔从动件有规律的上下平动，结合圆盘画板的回转运动，改变轮廓轨迹与圆盘回转中心的距离从而画出不同从动件运动规律所对应的的凸轮轮廓。教具的反面，也就是齿轮轴另一端有连接插槽，可将手柄替换成偏心圆凸轮，利用杠杆原理使从动件与偏心圆凸轮轮廓产生稳定的力锁合，在凸轮转动的过程中，控制画笔有规律地摆动，结合齿轮齿条机构带动曲线板的平移运动，可画出摆动从动件盘形凸轮的运动规律曲线。直观地演示了反转法凸轮轮廓曲线形成的基本原理，基本结构如图2-图3所示。

1.活动上导轨；2.支架铰链；3.曲线笔；4.曲线笔固定杆；5.滑轨支撑杆；6.横梁；7.曲线笔连接杆；8.曲线笔固定杆；9.绘图笔；10.曲线圆盘；11.齿条；12.上滑槽导轨；13.齿轮；14.凸轮；15.转动杆套；16.竖直滑槽；17.连接笔杆；18.凸轮画笔固定套；19.凸轮画笔.

20.下滑轨；21.曲线板插槽；22.曲线板；23.滑轨；24.曲线板固定件；25.滑轨；26.齿轮轴；27.支撑齿条轴；28.中间支撑杆.

2 从动件运动规律曲线板模块化设计

曲线板一共包括五条经典从动件的运动规律曲线，如图4所示，从上至下它们分别是：余弦加速运动规律、正弦加速运动规律、五次多项式运动规律、等加速等减速运动规律、等速运动规律[3]，每条曲线的中心距相同，且最上面一条曲线的顶部距离曲线板的顶部与最下面一条曲线的底部距离曲线板的底部距离相等，从而整个钢板经过线切割以后，可以实现任意拼接，如图5所示，从而组合成多条不同的运动曲线。

原始的曲线板默认有五条曲线，四个运动阶段。这四个运动阶段分别是：推程、远休、回程、近休[4]，经过巧妙的模块化处理，可以自由组合凸轮机构运动循环具有的阶段，如图5所示，得到以下四种不同的运动过程：1.推程——远休——回程——近休；2.推程——远休——回程；3.推程——回程——近休；4.推程——回程[5]

3 最终效果及其操作说明

通过机构原理、装配方案、所用材料的确定得出的最终效果图如图6所示。

下面对凸轮演示仪的功能及操作方法予以说明：

1）使用前按照需要自由选取从动件运动规律曲线，通过曲线板的模块拼接，调整推程-远休-回程-近休的位置，选定基圆半径大小或偏置从动件的偏距大小，再将顶针旋入曲线槽内。

2）通过调节曲线笔固定杆，可选取所需绘制凸轮的基圆大小。绘制过程中摇动圆盘后的摇杆，可在绘制过程中停留讲解，转动一周后即形成一周凸轮轮廓。

3）通过调节曲线笔连接杆，可绘制不同偏距大小的偏置从动件偏置凸轮轮廓曲线。

4）当顶针依靠重力自动换入下一个曲线档位时，可自动在另一基圆半径上绘制另一种运动规律的凸轮轮廓线。

5）通过调节笔杆之间的距离可绘制出滚子从动件盘形凸轮实际轮廓曲线与理论轮廓曲线。

6）曲线绘制在设计好的极坐标刻度圆盘上，可对基圆半径大小、压力角大小、偏置从动件的偏置距离、推程回程距离进行直观的读取。

7）翻转至背面，安装成型凸轮，逆向演示出摆动从动件的运动原理。

4 总结

所述复合型教具从本质上克服了传统教具的不足，体现了“一物多用”、“一物巧用”、“一物深用”的现代化教具设计思路。“一物多用”表现在一套凸轮教具几乎囊括了有关凸轮教学过程中的所有知识点，能全面、直观、深刻的了解从动件各种运动规律， 使从动件运动规律和反转法成型原理不抽象。“一物巧用”表现在通过现代控制理论和富有新颖性的机构设计克服了探索型教具研制过程中的瓶颈问题，整个仪器为双面立式结构，操作简单，方便携带， 也方便观察和学习，用于机械专业的教学、实验、设计、学习兴趣培养均可。“一物深用”体现在所述复合型教具不仅仅用于机械原理中凸轮原理及其设计教学的教学场合，对于实际生产过程与科研领域亦有相当的用武之地，提高机械生产效率，提高设计人员的工作效率。

【参考文献】

[1]赵友红，周知进.机械设计课程设计指导[M].长沙：中南大学出版社，2011，5.

[2]潘存云.机械原理[M].长沙：中南大学出版社，2012，12.

[3]李俭，张锦波.应用包络面理论建立直动从动件圆锥凸轮机构凸轮廓面方程[J].成都大学学报：自然科学版，2002（9）：25，27.

[4]张春林，白士红.打纬共轭凸轮机构的设计[J].北京理工大学学报，2000（9）：25，27.

[5]朱皞，葛正浩，苏鹏刚，李竞洋.基于ADAMS的平行分度凸轮机构的动力学仿真[J].包装工程，2009，31（22）：221-223.

[责任编辑：杨玉洁]