圆柱分度凸轮机构的分析与设计

姜春雨　孙晓亮　郭荣贵

【摘 要】如何分析圆柱分度机构。

【关键词】分度盘；圆柱凸轮

根据机构运动分配图所确定的原始数据，分别设计各组独立的执行机构。进行凸轮机构尺寸设计时，通常需完成以下过程。

1.凸轮机构选型

在设计计算凸轮几何参数前，要先确定采用何种形式的凸轮机构，其中包括凸轮的几何形状、从动件的几何形状、从动件的运动方式、从动件和凸轮轮廓维持接触的方式等。选型设计的灵活性很强，同一工作要求可以由多种不同的凸轮机构类型来实现：

（1）从动件的运动方式可以与执行机构的运动方式相同，也可以不同。他们之间可通过适当的传动机构进行变换，即移动变为摆动，或者摆动变为移动。

（2）凸轮的几何形状（平面的或空间的）选择要考虑到它在机床中的安装位置，目的是尽量简化由从动件至执行机构之间的传动机构。

（3）平面凸轮机构可用各种形式的从动件，即尖底、滚子或平底的，而空间凸轮机构中通常只能采用滚子从动件。

2.计算从动件的主要运动参数

根据执行构件的运动要求计算出凸轮机构的从动件行程（最大位移量或最大旋转角度）。对于执行构件与凸轮机构的从动件固定连接的情况，运动要求是一致的。对于执行构件与凸轮机构的从动件两者之间还具有运动传递机构的情况，则需要采用机构位置分析方法进行计算。如果执行机构件在运动过程中有一个或数个驻点位置需要保证与其它执行构件的运动协调关系，则也需计算出与这些驻点对应的从动件位置参数。

3.确定从动件的运动规律

从动件在整个运动范围内的运动特性，诸如位移、转角、速度等（有驻点要求时还包括通过驻点位置时的运动特性），是与执行构件工作特性密切相关的，也与所选定的凸轮机构的类型之间存在一定制约因素。因此，在确定从动件的运动规律时需要分析各种有关的影响因素。

4.凸轮机构的基本尺寸设计

凸轮机构的基本尺寸主要受两种矛盾因素的制约。如果基本尺寸较大，则相应的机构总体尺寸较大，造成原材料和加工工时的浪费、机器尺寸过大；而基本尺寸太小，会造成运动失真、机构自锁、强度不足等不良后果。机构的基本尺寸设计是要寻求合理的机构尺寸，使之能够兼顾矛盾的两个方面。

5.凸轮机构的凸轮轮廓设计

基于凸轮机构的基本尺寸和从动件的运动规律，即可求的凸轮的轮廓曲线坐标。当凸轮机构运动速度较高或凸轮机构中构件刚性较小时，构件的弹性变形将对从动件的实际运动特性产生明显的影响。对于此类情况，必须对所设计的凸轮机构按高速凸轮机构的特性进行分析和设计。

圆柱分度凸轮机构的设计如图1所示。图2中给出圆柱分度凸轮机构的设计的展开图。分度盘的分度运动和静止都是由圆柱分度凸轮上的凸缘两个工作侧面控制：分度运动时凸缘控制主滚子2和后续滚子3，当分度运动结束时，主滚子2到达前导滚子1的位置，而后续滚子3则到达主滚子1的位置；静止时主滚子2和前导滚子1受y值不变的凸缘工作侧面控制，使分度盘固定不动。为了确保分度盘从静止向分度运动平稳过渡，在凸缘的左端设置一段休止期轮廓的延伸量，使休止期结束前工作滚子平稳的从主滚子2和前导滚子1过渡为主滚子2和后续滚子3。

为了控制理论计算误差，凸轮机构的中心距可设置为：

a=L（1+cosψ） （1）

凸轮的展开轮廓曲线坐标可按主滚子2和后续滚子3进行计算。

主滚子2：

分度运动理论坐标为：

式中，φ∈[0，?]，ψ=ψ（φ）根据选定的分度运算规律计算确定。

分度运动实际轮廓坐标为：

式中，R是分度盘滚子半径，a2是机构的压力角，由图2可得

由于P点是凸轮与分度盘的速度瞬心，因此得：

式中，R为凸轮分度圆柱面半径，dψdφ=dψdφ（φ）为分度盘的类角速度。

后续滚子3：

分度运动理论轮廓坐标为：

分度运动实际轮廓坐标为：

式中，Rr是分度盘滚子半径，a是机构的压力角，由图2可得。

由于速度瞬心P点位置不变，因此得：

凸轮基圆半径按许用压力角条件选用。由于机构不存在回程期，dψdφ恒为正值，由式（4）、（5）得条件式。

分度盘静止区段所对应的凸轮轮廓是环状的圆弧段，展开轮廓坐标可按前导滚子1和主滚子2的位置确定。

前导滚子1：

理论轮廓坐标为：

实际轮廓坐标为：

如上所述，为了使分度盘平稳地从静止过渡到分度运动，在凸缘的左边即分度运动的始端需要延伸一段休止期轮廓。该段延伸的休止期轮廓所占的凸轮回转角约为（0.2-0.3）?s，所对应的轮廓坐标可按主滚子2和后续滚子3计算。

主滚子2：

理论轮廓坐标为：

实际轮廓坐标为：

理论轮廓坐标为：

实际轮廓坐标为：

为了使主滚子2和后续滚子3顺利滑入延伸段凸缘，宜将凸缘的端部适当修薄。

凸缘式圆柱凸轮机构动静比可根据工作要求确定，不受机构自身特点的限制，而且控制分度运动的凸轮轮廓曲线可根据运动特性要求设计，实现高速运转条件下地起步和停步。

【参考文献】

[1]凸轮机构设计与应用创新.机械工业出版社.

[2]机械设计通用手册——机械工业出版社.

[3]重型机床设计与计算——北京工业大学出版社.

[4]新编机械设计实用手册——学苑出版社.