CN104485051A - 凸轮轮廓线生成仪的等加速等减速曲线组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及凸轮轮廓线生成仪的等加速等减速曲线组件，包括机架，安装于机架上的相互垂直的凸轮滑轨和下导轨；移动凸轮通过滑块与凸轮滑轨滑动配合，在移动凸轮上固定第一齿条，第一齿条与固定在机架上的第一电机上的第一齿轮啮合；移动凸轮上设有凸轮槽，凸轮槽的前端布置有第一前行程开关，后端布置有第一后行程开关，凸轮槽通过凸轮滚轮与推杆的一端连接；行程调节转盘为上、下盘结构，上、下盘之间在松开紧固件后可以相互转动；行程调节转盘的下盘与推杆的另一端连接，下盘的底部固定在下滑块上，下滑块在下导轨上滑动；行程调节转盘的上盘与上滑块固定，上滑块在上导轨上滑动；它使得凸轮等加速等减速曲线教学简单明了、方便直观，演示性强。

Description

凸轮轮廓线生成仪的等加速等减速曲线组件

技术领域

本发明涉及一种教学仪器——凸轮轮廓线生成仪，具体涉及凸轮轮廓线生成仪的等加速等减速曲线组件。

背景技术

凸轮机构在机械设计中扮演着重要的角色，凸轮只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，而且结构简单、紧凑、设计方便，因此在自动机床、轻工机械、纺织机械、印刷机械、食品机械、包装机械和机电一体化产品中得到广泛应用；凸轮机构主要作用是使从动件按照工作要求完成各种复杂的运动，包括直线运动、摆动、等速运动和不等速运动。

凸轮机构一般是由凸轮，从动件和机架三个构件组成的高副机构；凸轮通常作连续等速转动，从动件根据使用要求设计使它获得一定规律的运动.凸轮机构能实现复杂的运动要求，广泛用于各种自动化和半自动化机械装置中。

在对凸轮进行教学研究的过程中，往往会选择盘形凸轮，如图2所示，盘形凸轮的参数包括有推程角φ₁、远休止角φ₂、回程角φ₃、近休止角φ₄、行程h、基圆半径r、偏心距e和构成凸轮轮廓线的推程曲线、远休止曲线、回程曲线、近休止曲线，以及偏心圆和作用在凸轮轮廓线上的从动件，行程h为盘形凸轮旋转一周从动件运动的位移，对应为凸轮上凸轮轮廓线与凸轮基圆间的距离，偏心距为从动件运动中偏离基圆圆心的距离，运动过程中从动件的延长线始终与偏心距构成的偏心圆相切，推程曲线为凸轮轮廓线上行程h增加的那段曲线，远休止曲线为行程h保持最大且不变的那段凸轮轮廓线，回程曲线为行程h逐渐减小的那段凸轮轮廓线，近休止曲线为从动件行程h保持最小且不变的那段凸轮轮廓线，即远休止曲线和近休止曲线是圆弧曲线。

推程曲线和回程曲线会选择几种具体的特殊凸轮轮廓线的其中一种进行研究，比如，能实现凸轮从动件作匀速直线运动的凸轮轮廓线，实现凸轮从动件按简谐运动规律加减速的凸轮轮廓线，实现凸轮从动件按等加速等减速的规律运动的凸轮轮廓线，实现凸轮从动件按摆线的规律运动的凸轮轮廓线；这四种轮廓线具有从有无穷大的冲击到无冲击的过渡的性质，适用于轻载至重载等所有的工作环境，对于凸轮的教学研究来讲具有极强的代表性；在对应的曲线规律下，通过图解法或解析法，去研究凸轮的压力角、推程角、回程角、远休止角、近休止角、偏心距、基圆及行程就可以找到其中的各种关系。

在目前的教学研究中，抽象的图解法及难懂的解析法一直作为教学过程中的不二之选，不论是针对哪种曲线来讲，通过这两种方法去总结凸轮等加速等减速曲线的特性都不容易，因为对于机械学科来讲，单纯的书面表达和口头描述并无益于学习者达到很好的学习效果，所以，为了达到更好的教学效果，在对凸轮等加速等减速曲线的了解过程中，有必要增加一种更加直观、操作性好和演示性强的辅助教学仪器，以帮助学习者更加深入的了解凸轮等加速等减速曲线的特性，同时也为机械教学的传授变得更加简单明了、方便直观。

发明内容

本发明的目的是提供一种凸轮轮廓线生成仪的等加速等减速曲线组件，使得凸轮等加速等减速曲线教学的传授更加简单明了、方便直观，操作性好且演示性强。

凸轮轮廓线生成仪包括等加速等减速曲线组件、摆线曲线组件、匀速曲线组件、简谐曲线组件、曲线选择组件、曲线绘制平台、控制操作系统，本发明仅涉及等加速等减速曲线组件。

本发明的技术方案：一种凸轮轮廓线生成仪的等加速等减速曲线组件，包括有第一电机、第一齿轮、第一齿条、第一后行程开关、移动凸轮、凸轮滑轨、凸轮滚轮、第一前行程开关、推杆、上滑块、行程调节转盘、下滑块、上导轨、下导轨；所述的第一电机、凸轮滑轨、下导轨固定安装在机架上，第一齿轮安装在第一电机上，第一齿条与第一齿轮啮合，第一齿条安装在移动凸轮上，在移动凸轮上开设有凸轮槽，凸轮槽的轨迹方程为： $\left\{\begin{array}{ccc}x=182-91t,& y=71-35.5t^2,& 0\&le;t\&le;1;\\ x=91t,& y=35.5t^2,& 0\&le;t\&le;1;\end{array}\right.$ (x轴平行于移动凸轮上的第一齿条移动方向，由第一后行程开关指向第一前行程开关方向为正方向；y轴垂直于移动凸轮上的第一齿条的移动方向，远离第一齿条的方向为正方向，原点在第一后行程开关上；x为移动凸轮在x轴方向上的移动距离，y为移动凸轮在y轴方向上的移动距离，t为时间，x、y的单位为mm，t的单位为s)，移动凸轮通过滑块与凸轮滑轨滑动连接，在移动凸轮上还安装有第一后行程开关、第一前行程开关，凸轮滚轮嵌入凸轮槽中与凸轮槽滚动连接，凸轮滚轮安装在推杆上；下导轨上的下滑快的滑动方向垂直于移动凸轮上的x轴，在下滑快与上滑块之间安装有行程调节转盘和推杆，行程调节转盘为上、下盘结构，下盘连接着推杆与下滑块，上盘连接着上滑块，上盘嵌在下盘中，上盘与下盘可相对转动，同时可以通过紧固件将其紧固住以防止上、下盘相对运动；所述的上导轨与曲线选择组件中的第一连接件相连接，所述的行程调节转盘用于调节从动件行程h，旋松行程调节转盘上的紧固件，转动行程调节转盘，可调节上导轨与下导轨的夹角为α，α为与从动件行程h有关的常数，当上导轨与下导轨重合时为0°，0°≤α≤45°，随即旋紧紧固件以防止行程调节转盘在工作中改变既定的角度；另外，整个等加速等减速曲线组件应具有一定的安装角度β，使得等加速等减速曲线组件中的推杆、上导轨与曲线选择组件中的等加速等减速曲线导轨在运动中始终构成一个钝角三角形，β为等加速等减速曲线组件中推杆与曲线选择组件中的等加速等减速曲线导轨所成的安装角度，为常数，0°<β≤45°。

优选地，所述等加速等减速曲线组件中的下导轨与曲线选择组件中的等加速等减速曲线导轨所成的安装角度(也就是等加速等减速曲线组件中推杆与曲线选择组件中的等加速等减速曲线导轨所成的安装角度)为45°。

简谐曲线组件中第四电机、第四后行程开关、第四前行程开关、第二直线导轨固定安装在机架上，第二曲杆与第四电机传动连接，行程调节滑块通过紧固件固定连接在第二曲杆上，第二连杆与行程调节滑块铰接，第二连杆与第二十字槽滑块滑动连接，第二十字槽滑块还在第二直线导轨上滑动；第二十字槽滑块是由两个滑槽相互垂直的普通滑快固接在一起构成的，第二十字槽滑块与曲线选择组件中的第四连接件相连接；旋松行程调节滑块上的紧固件，在第二曲杆上滑动行程调节滑块以调节第二曲杆上的行程调节滑块与第四电机轴的距离r₂，其中h为从动件行程；随即旋紧行程调节滑块上的紧固件，以防止工作中松动，第四电机带动第二曲杆转动，第四后行程开关、第四前行程开关用于控制第二曲杆的摆动行程，通过第二连杆、第二十字槽滑块带动曲线选择组件中第四连接件沿着第二直线滑轨做直线运动。

曲线选择组件中第一连接件、等加速等减速曲线导轨、等加速等减速曲线滑块、画笔支座、画笔滑块、画笔、笔夹、第一电磁铁、画笔导杆、推板与等加速等减速曲线组件工作相关联；第一连接件固定在等加速等减速曲线导轨的一端，等加速等减速曲线滑块、画笔支座安装在机架上，等加速等减速曲线导轨与等加速等减速曲线滑块滑动连接，第一电磁铁固定安装在等加速等减速曲线导轨的另一端，画笔导杆安装在画笔支座上，推板通过画笔滑块与画笔导杆滑动连接，笔夹安装在推板上，画笔安装在笔夹上；在推板上开设的卡孔，位于第一电磁铁的正下方；画笔通过笔夹夹紧后，由等加速等减速曲线组件输出的直线运动规律通过第一连接件使得等加速等减速曲线导轨做对应的直线运动，不同的运动规律通过第一电磁铁控制选择输出，电磁铁在控制系统的作用下，将铁芯插入至推板上的卡孔中，从而使画笔画出对应的运动轨迹；第一电磁铁为推拉式直流电磁铁。

曲线绘制平台包括有抽出层、基圆层、偏心距层、基圆滑轨、偏心距手轮、抽出滑轨、偏心距丝杆螺母机构、支撑轮、基圆丝杆螺母机构、基圆手轮、偏心距滑轨、绘图板、同步带、传动转盘、同步轮、第五电机；所述抽出层通过抽出滑轨与机架滑动连接，抽出层通过基圆滑轨与基圆层滑动连接；基圆层的滑动通过基圆丝杆螺母机构控制，基圆手轮安装在基圆丝杆螺母机构上，基圆层通过偏心距滑轨与偏心距层滑动连接；偏心距层的滑动通过偏心距丝杆螺母机构控制，偏心距手轮安装在偏心距丝杆螺母机构上；在抽出层的底部安装有支撑轮，用于支撑整个曲线绘制平台；所述抽出层用于将整个曲线绘制平台从机架中抽出来或推进去，所述的基圆层用于调节基圆半径的大小，所述的偏心距层用于调节偏心距的大小；在偏心距层上安装有第五电机，同步轮安装在第五电机上；所述传动转盘通过同步带与同步轮传动连接；所述绘图板固定安装在传动转盘上。

控制操作系统包括有显示屏、数字键盘、电源开关、启动按钮，所述显示屏、数字键盘、电源开关、启动按钮安装在控制柜上，控制柜分别与第一电机、第五电机、第一电磁铁、第一后行程开关、第一前行程开关电连接；控制操作系统为PLC控制系统，工作电压为24V。

本发明使得凸轮等加速等减速曲线教学的过程中，在利用现有的图解法和解析法进行教学传授时，同时可以通过教学仪器的实时讲义去增进学习者的积极性和创造性，摆脱了以往单一的教学方式，令凸轮等加速等减速曲线教学的传授更加简单明了、方便直观，令学习者享受到实践的乐趣，本发明可以通过对凸轮的各个参数的调节，实现绘制等加速等减速曲线的凸轮轮廓线的可能，具有操作性好、演示性强的优点。

附图说明

图1为凸轮轮廓线生成仪的结构示意图；

图2为盘形凸轮示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为本发明中行程调节转盘及相邻件的结构示意图；

图5为凸轮轮廓线生成仪中曲线选择组件的结构示意图；

图6为凸轮轮廓线生成仪中曲线绘制平台的结构示意图；

图7为凸轮轮廓线生成仪中控制操作系统的方框示意图；

图8为凸轮轮廓线生成仪中简谐曲线组件的结构示意图。

附图中的标记为：100-等加速等减速曲线组件，200-摆线曲线组件，300-匀速曲线组件，400-简谐曲线组件，500-曲线选择组件，600-曲线绘制平台，700-控制操作系统，800-盘形凸轮，900-机架；

101-第一电机，102-第一齿轮，103-第一齿条，104-第一后行程开关，105-凸轮槽，106-移动凸轮，107-凸轮滚轮,108-第一前行程开关，109-推杆，110-凸轮滑轨，111-上滑块，112-行程调节转盘，113-下滑块，114-上导轨，115-下导轨；

401-第四电机，402-第四后行程开关，403-第二曲杆，404-第四前行程开关，405-第二直线导轨，406-第二连杆，407-第二十字槽滑块，408-行程调节滑块；

501-第四连接件，502-简谐曲线导轨，507-第一连接件，508-等加速等减速曲线导轨，509-等加速等减速曲线滑块，512-简谐曲线滑块，513-画笔支座，514-画笔滑块，515-第四电磁铁，517-画笔，518-笔夹，520-第一电磁铁，521-画笔导杆，522-推板；

601-基圆滑轨，602-偏心距手轮，603-抽出滑轨，604-偏心距丝杆螺母机构，605-支撑轮，606-基圆层，607-基圆丝杆螺母机构，608-基圆手轮，609-抽出层，610-偏心距滑轨，611-偏心距层，612-绘图板，613-同步带，614-传动转盘，615-同步轮，616-第五电机；

701-控制柜，702-显示屏，703-数字键盘，704-电源开关，705-启动按钮；

801-推程角，802-远休止角，803-回程角，804-偏心圆，805-近休止角，806-偏心距，807-基圆半径，808-推程曲线，809-远休止曲线，810-从动件，811-回程曲线，812-近休止曲线，813-行程，814-基圆。

具体实施方式

如附图所示，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

首先，确定好从动件行程h、基圆半径r、偏心距e、推程角φ₁、远休止角φ₂、回程角φ₃、近休止角φ₄；通过基圆丝杆螺母机构调节凸轮的基圆半径，偏心距丝杆螺母机构调节偏心距，行程由行程调节转盘调节，通过显示屏的提示，由数字键盘依次键入推程角φ₁、远休止角φ₂、回程角φ₃、近休止角φ₄，按“*”键确认输入，按“#”键取消当前操作，键盘上的A对应等加速等减速曲线，此时显示屏会先后提示输入推程曲线和回程曲线，先后选择对应的曲线键入即可，最后，将画笔利用笔夹夹持并压紧在绘图板上，一切准备就绪后，按启动按钮启动。

等加速等减速曲线组件在控制系统的作用下进行复位，当推程曲线所对应的曲线组件作用在前行程开关上，回程曲线所对应的曲线组件作用在后行程开关上时，复位完成，然后控制操作系统通过控制第五电机使绘图板快速地转动一圈，画出基圆，此时，选中的推程曲线所对应的等加速等减速曲线组件运转，第一电磁铁也同时快速地将铁芯推出并插入对应的推板卡孔中，带动推板向右直线运动，此时，画笔在推板的直线运动和绘图板的圆周运动的组合作用下，绘制出推程曲线；当等加速等减速曲线组件作用在后行程开关上时，曲线组件停止运转，推程曲线绘制完成，此时，绘图板继续转动，第一电磁铁继续通电至远休止角结束，远休止曲线绘制完成，当远休止角曲线绘制完成时，回程曲线所对应的曲线组件运转，同时推程曲线所对应的电磁铁断电弹回并脱离对应的推板卡孔，回程曲线所对应的电磁铁通电推出铁芯并插入对应的推板卡孔中，带动推板向左直线运动，此时，画笔在推板的直线运动和绘图板的圆周运动的组合作用下，绘制出回程曲线；当对应的曲线组件作用在前行程开关上时，曲线组件停止运转，回程曲线绘制完成，此时，绘图板继续转动，对应的电磁铁继续通电至近休止角结束，近休止曲线绘制完成，停止工作，凸轮轮廓线绘制完成。

旋松等加速等减速曲线组件行程调节转盘上的紧固件，转动行程调节转盘，可调节上导轨与推杆间的夹角α(也就是上导轨与下导轨夹角),α为与从动件行程h有关的常数， 当上导轨与下导轨重合时为0°，0°≤α≤45°，调整好角度后，旋紧紧固件，移动凸轮在第一电机的作用下，沿着凸轮滑轨作直线运动，此时凸轮滚轮在移动凸轮上的凸轮槽的作用下，推动推杆沿着下导轨做直线运动，凸轮滚轮将凸轮槽设定好的等加速等减速曲线规律输出至推杆，等加速等减速曲线组件中的推杆、上导轨与曲线选择组件中的等加速等减速曲线导轨在运动中始终构成一个钝角三角形，在运动中的任一时刻三者构成的三角形都与前一时刻所构成的三角形保持相似的关系，根据三角形相似比例缩放的原理，根据凸轮槽的轨迹方程为： $\left\{\begin{array}{ccc}x=182-91t,& y=71-35.5t^2,& 0\&le;t\&le;1;\\ x=91t,& y=35.5t^2,& 0\&le;t\&le;1;\end{array}\right.$ (x轴平行于移动凸轮上的第一齿条移动方向，由第一后行程开关指向第一前行程开关方向为正方向；y轴垂直于移动凸轮上的第一齿条的移动方向，远离第一齿条的方向为正方向，原点在第一后行程开关上；x为移动凸轮在x轴方向上的移动距离，y为移动凸轮在y轴方向上的移动距离，t为时间，x、y的单位为mm，t的单位为s)，可得移动凸轮所带动的推杆输出的等加速等减速曲线的规律为 $\left\{\begin{array}{ccc}& y_1=71-35.5t^2,& 0\&le;t\&le;1;\\ & y_1=35.5t^2,& 0\&le;t\&le;1;\end{array}\right.$ (y₁轴在下导轨上，由垂直于第一齿条的方向指向第一前行程开关为正方向，原点在第一连接件上，y₁为下滑块移动的距离，t为时间，y₁的单位为mm，t的单位为s)，则可验证所得到的等加速等减速曲线导轨的规律为 $\left\{\begin{array}{ccc}& z_1=(71-35.5t^2)\&times;\cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\&times;\cos (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}),& 0\&le;t\&le;1;\\ & z_1=35.5t^2\&times;\cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\&times;\cos (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}),& 0\&le;t\&le;1;\end{array}\right.$ (z₁等加速等减速曲线导轨的移动距离，单位：mm，α为与从动件行程h有关的常数，β为等加速等减速曲线组件中所述推杆与曲线选择组件中的等加速等减速曲线导轨所成的安装角度，这里为45°，为常数)，此规律即为对应的从动件行程h的所需的等加速等减速曲线规律，两者为比例缩放的关系，然后再由曲线选择组件将此规律传至画笔从而绘制出等加速等减速曲线。

以下是等加速等减速曲线生成过程：

设定基圆半径r为100mm，偏心距e为30mm，从动件行程h为50mm，推程角φ₁为120°，远休止角φ₂为60°，回程角φ₃为150°，近休止角φ₄为30°，推程曲线A，回程曲线D；

a.抽出曲线绘制平台，准备好一张直径为400mm的圆形白纸，使纸面平整的夹持在绘图板上；通过基圆手轮转动基圆丝杆至所需的基圆半径r100mm，通过偏心距手轮转动偏心距丝杆至所需的偏心距e 30mm；

b.选择等加速等加速曲线作为推程曲线，将从动件行程h＝50mm代入式 中得α为44.76°，通过转动行程调节转盘，使得上导轨与下导轨的夹角为α＝44.76°，选择简谐曲线作为回程曲线，旋松行程调节滑块上的紧固件，在第二曲杆上滑动行程调节滑块以调节第二曲杆上的行程调节滑块与第四电机轴的距离从动件行程h＝50mm，r₂＝25mm，旋紧紧固件；

c.接通电源，打开电源开关，按照控制柜上的显示屏的提示通过数字键盘输入凸轮对应的参数，按显示屏提示依次输入推程角φ₁120°、远休止角φ₂60°、回程角φ₃150°、近休止角φ₄30°、推程曲线A和回程曲线D，角度由数字键输入，按“*”键确认输入，推程曲线及回程曲线按A、D输入，按“*”键确认输入；

d.调节笔夹，使画笔压紧在绘图板上；

e.按启动按钮启动，进入复位准备阶段，当推程曲线所对应的等加速等减速曲线组件中的推杆作用在第一前行程开关上，回程曲线所对应的简谐曲线组件中的第二曲杆作用在第四后行程开关上时，复位完成；

f.复位准备阶段结束后，进入基圆绘制阶段，绘图板在第五电机的作用下，旋转一圈，基圆绘制完成；

g.基圆绘制完成后，进入到推程曲线绘制阶段，选中的推程曲线所对应的等加速等减速曲线组件运转，对应的第一电磁铁也同时快速地将铁芯推出并插入对应的推板卡孔中，带动推板向右直线运动，此时，画笔在推板的直线运动和绘图板的圆周运动的组合作用下，绘制出推程曲线，当推程曲线对应的等加速等减速曲线组件中的推杆作用在第一后行程开关上时，等加速等减速曲线组件停止运转，推程曲线绘制完成；

h.推程曲线绘制完成后，进入远休止曲线绘制阶段，绘图板继续转动，推程曲线所对应的第一电磁铁继续通电至远休止角结束，远休止曲线绘制完成；

i.远休止曲线绘制完成后，进入回程曲线绘制阶段，回程曲线所对应的简谐曲线组件运转，同时推程曲线所对应的第一电磁铁断电弹回并脱离对应的推板卡孔，回程曲线所对应的第四电磁铁通电推出并插入对应的推板卡孔中，带动推板向左直线运动，此时，画笔在推板的直线运动和绘图板的圆周运动的组合作用下，绘制出回程曲线，当回程曲线所对应的简谐曲线组件作用在第四前行程开关上时，简谐曲线组件停止运转，回程曲线绘制完成；

j.回程曲线绘制完成后，进入到近休止曲线绘制阶段，绘图板继续转动，回程曲线所对应的第四电磁铁继续通电至近休止角结束，近休止曲线绘制完成，停止工作，凸轮轮廓线绘制完成。

Claims (2)

1.一种凸轮轮廓线生成仪的等加速等减速曲线组件，其特征是：包括机架，安装于机架上的相互垂直的凸轮滑轨和下导轨；移动凸轮通过滑块与凸轮滑轨滑动配合，在移动凸轮上固定有第一齿条，第一齿条与固定在机架上的第一电机上的第一齿轮啮合；移动凸轮上设置有凸轮槽，凸轮槽的前端布置有第一前行程开关，后端布置有第一后行程开关，凸轮槽通过凸轮滚轮与推杆的一端连接；凸轮槽的轨迹方程为： $\left\{\begin{array}{ccc}x=182-91t,& y=71-{35.5t}^2,& 0\&le;t\&le;1;\\ x=91t,& y={35.5t}^2,& 0\&le;t\&le;1;\end{array}\right.,$ 其中x为移动凸轮在x轴方向上的移动距离，单位为mm，y为移动凸轮在y轴方向上的移动距离，单位为mm，t为时间，t的单位为s，x轴平行于移动凸轮上的第一齿条移动方向，由第一后行程开关指向第一前行程开关方向为正方向，y轴垂直于移动凸轮上的第一齿条的移动方向，远离第一齿条的方向为正方向，原点在第一后行程开关上；行程调节转盘为上、下盘结构，上、下盘之间在松开紧固件后可以相互转动；行程调节转盘的下盘与推杆的另一端连接，下盘的底部固定在下滑块上，下滑块在下导轨上滑动；行程调节转盘的上盘与上滑块固定，上滑块在上导轨上滑动；且上导轨与下导轨的夹角为α满足 其中0°≤α≤45°，h为从动件行程；上导轨与曲线选择组件中的第一连接件相连接；推杆与曲线选择组件中的等加速等减速曲线导轨所成的安装夹角β满足：0°<β≤45°，β为常数。

2.根据权利要求1所述的一种凸轮轮廓线生成仪的等加速等减速曲线组件，其特征是：推杆与曲线选择组件中的等加速等减速曲线导轨所成的安装角度为45°。