第4章 凸轮机构

4.1 凸轮机构的应用和分类

未来先进制造技术发展的总趋势是向精密化、柔性化、智能化、集成化、全球化方向发展，从动件的位移、速度、加速度要严格按照预期的运动规律运动，采用凸轮机构简便且适用，故凸轮机构得到了广泛的应用。

4.1.1 凸轮机构的组成

凸轮机构是一种常用的高副机构，主要由凸轮1、从动件2和机架3三个基本构件组成，如图4.1所示。凸轮1是具有一定曲线轮廓的盘状体或具有凹槽的柱状体。通常凸轮是原动件，可作等速转动，也可作往复移动。从动件2是被凸轮直接推动的构件，可作往复直线运动，也可作往复摆动，并通过重力、弹簧力或凹槽始终保持与凸轮接触。机架3是支承凸轮和从动件的固定构件。

4.1.2 凸轮机构的应用

图4.1所示为内燃机配气机构，由凸轮机构控制内燃机的进气与排气，完成配气动作。当具有曲线轮廓的凸轮1以等角速度转动时，其曲线轮廓与气阀2的平底接触并驱使气阀按预期的运动规律作往复直线运动，与活塞的运动相协调，适时地启闭阀门。

图4.2所示为一自动车床的进刀机构，当具有曲线凹槽的圆柱凸轮1以等角速度转动时，嵌入凹槽中的滚子3推动从动件2绕固定轴O作往复摆动，从而控制刀架的进刀和退刀运动。进刀和退刀的运动规律取决于圆柱凸轮1上凹槽曲线的形状。

图4.3所示为利用移动凸轮实现自动送料的机构。移动凸轮1在外界驱动力的作用下沿垂直方向上下往复移动，驱动滚子从动推杆2在复位弹簧的作用下，沿水平方向往复移动。

图4.4所示为纺织机械中的综框联动式凸轮开口机构（踏盘开口机构），由提综装置、回综装置和综框（综丝）升降的控制装置组成。凸轮开口机构由凸轮1和2、心轴3、第一页综框4、吊综辘轳5、第二页综框6、踏综杆7和8、摆轴9、滚子10和11、吊综皮带12等组成。综框的下降靠凸轮1、2的作用，综框的上升靠吊综辘轳回转时的联动作用。

图4.5所示为印刷机的分纸吸嘴装置，其目的是实现纸张的分离，即将单张纸从纸堆上分离出来。纸张的分离过程由分纸器轴上的凸轮机构控制，通过凸轮1、滚子2、弹簧3、活塞式分纸吸嘴4，把纸张从给纸堆5上分离出来。

4.1.3 凸轮机构的分类

凸轮机构种类很多，一般可按凸轮形状、从动件结构形式、从动件运动方式、从动件与凸轮的锁合方式进行分类。

1．按凸轮形状分类

按凸轮形状划分凸轮机构类型，主要有盘形凸轮机构、移动凸轮机构、圆柱凸轮机构、端面凸轮机构、圆锥凸轮机构和弧面凸轮机构等。

1）盘形凸轮机构

盘形凸轮是一个绕固定轴转动且具有变化向径的盘形零件。图4.1所示的配气机构的凸轮1、图4.4中纺织机开口机构凸轮1、图4.5中印刷机分纸吸嘴装置中凸轮1，均为盘形凸轮。若机构中的凸轮为盘形凸轮，则称为盘形凸轮机构。凸轮与从动件在同一个平面内运动，或者在相互平行的平面内运动，这种类型的机构属于平面凸轮机构。凸轮绕其转轴旋转，推动从动件作往复直线运动或绕固定轴摆动。盘形凸轮是凸轮最基本的形式，结构简单，应用最为广泛。

2）移动凸轮机构

移动凸轮沿其导路中心线往复移动，推动从动件在同一个平面内作往复直线移动或绕固定轴摆动，图4.3所示自动送料机构中的凸轮1为移动凸轮。机构中的凸轮若为移动凸轮，则称为移动凸轮机构，其属于平面凸轮机构。

3）圆柱凸轮机构

圆柱凸轮的轮廓曲线在圆柱体上，图4.2所示的自动车床的进刀机构中的凸轮是圆柱凸轮。由圆柱凸轮构成的机构称为圆柱凸轮机构。圆柱凸轮机构中，凸轮的运动与从动件的运动不在同一个平面，两者之间的相对运动为空间运动。圆柱凸轮机构属于空间凸轮机构。

4）其他类型凸轮机构

图4.6（a）、（b）所示为端面凸轮机构，其工作轮廓是凸轮体的端面。图4.6（c）所示为圆锥凸轮机构，凸轮的轮廓曲线分布在圆锥体上。图4.6（d）所示为弧面凸轮机构。

2．按从动件结构形式分类

按从动件结构形式划分凸轮机构类型，将凸轮机构划分成尖顶从动件凸轮机构、曲面从动件凸轮机构、滚子从动件凸轮机构和平底从动件凸轮机构，其特点见表4.1。

3．按从动件运动方式分类

平面凸轮机构中，从动件的运动方式有两种：往复直线运动和绕固定轴摆动。因此凸轮机构又可划分成两种类型：直动从动件凸轮机构和摆动从动件凸轮机构。

1）直动从动件凸轮机构

直动从动件凸轮机构中的从动件作往复直线运动，如图4.1所示。如果从动件往复移动的导路中心线与凸轮转动中心之间存在偏距e≠0，则称为偏置直动从动件凸轮机构，如表4.1中尖顶从动件凸轮机构；如果从动件往复移动的导路中心线通过凸轮的转动中心，即e=0，称为对心直动从动件凸轮机构，如图4.1所示。

2）摆动从动件凸轮机构

摆动从动件凸轮机构中的从动件绕固定轴往复摆动，如图4.5中印刷机分纸吸嘴装置中的凸轮机构。

4．按从动件与凸轮的锁合方式分类

按从动件与凸轮的锁合方式，凸轮机构分为力封闭凸轮机构和几何封闭凸轮机构。

1）力封闭凸轮机构

力封闭凸轮机构利用重力、弹簧力或者其他外力使从动件与凸轮保持接触，如图4.6（a）和（b）所示端面凸轮机构，靠从动件的重力，使从动件与凸轮保持接触，属于重力锁合凸轮机构。图4.1所示配气机构、图4.5所示印刷机分纸吸嘴装置中的凸轮机构，则是利用弹簧的弹力，迫使从动件与凸轮保持接触，属于弹簧力锁合凸轮机构。

2）几何封闭凸轮机构

几何封闭凸轮机构利用凸轮或从动件所构成高副的特殊几何形状，使其彼此始终保持接触。常用的几何封闭凸轮机构有下述几种类型。

（1）凹槽凸轮机构

凹槽凸轮机构是在凸轮工作面上按运动规律设计槽形轮廓曲线，从动件即可实现一定要求的运动规律，如图4.7（a）所示。这种封闭方式结构简单、紧凑，设计方便，但增加了凸轮的尺寸和自重。

（2）等径凸轮机构

等径凸轮机构如图4.7（b）所示，机构运动时，从动件上装有的两个滚子始终与凸轮保持接触，其中心线通过凸轮轴心，两个滚子的中心距保持不变，即D=常数。等径凸轮只能在180°范围内设计凸轮廓曲线，其余部分需按等径原则确定。

（3）等宽凸轮机构

等宽凸轮机构如图4.7（c）所示，从动件做成框架形状，凸轮1轮廓曲线上任意两条平行切线间的距离保持相等，并且等于从动推杆2内框上、下壁间的距离，并等于常数。机构运动时，凸轮1与从动推杆2的内框始终保持接触。

（4）共轭凸轮机构

共轭凸轮机构由两个刚性连接在一起的凸轮分别控制一个具有两个滚子的从动件，即控制从动件运动规律中的推程和回程，如图4.7（d）所示。其中，刚性连接的两个凸轮称为共轭凸轮，且两个凸轮廓曲线之间存在严格的对应关系。在共轭凸轮中，控制推程运动的凸轮称为主凸轮，控制回程运动的凸轮称为回凸轮。