CN104626829A - 一种凸轮轮廓线生成仪及生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于教学仪器领域，具体涉及一种凸轮轮廓线生成仪及生成方法。凸轮轮廓线生成仪包括有机架，安装于机架上的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。本发明令凸轮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，可以通过对凸轮的各个参数的调节，实现绘制任何不同参数的凸轮轮廓线的可能，具有操作性好、演示性强的优点。

Description

一种凸轮轮廓线生成仪及生成方法

技术领域

本发明属于教学仪器领域，具体涉及一种凸轮轮廓线生成仪及生成方法。

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

(1)要解决的技术问题

本发明为了克服凸轮教学过程中抽象难懂、实践性不强的缺点，提供一种凸轮轮廓线生成仪及生成方法，使得凸轮教学的传授更加简单明了、方便直观，操作性好且演示性强。

(2)技术方案

一种凸轮轮廓线生成仪，包括有机架，安装于机架上的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；

所述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： $\left\{\begin{array}{c}x=182-91t,y=71-35.5t^2,0\&le;t\&le;1;\\ x=91t,y={35.5t}^2,0\&le;t\&le;1;\end{array}\right.$ (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°；

所述摆线曲线组件包括有第二电机、导轨支座、第二后行程开关、第一十字槽滑块、第一直线导轨、第二前行程开关、第一连杆、第二齿条、第一曲柄、第二齿轮、电机移动滑块、电机移动导轨；所述导轨支座、第二齿条、电机移动导轨固接在机架上，第二电机通过电机移动滑块与电机移动导轨滑动连接，第二齿轮安装在第二电机上，第二齿轮与第二齿条啮合，在第二电机上还连接有第一曲柄，第一曲柄与第一连杆转动连接，第一连杆与第一十字槽滑块滑动连接，第一十字槽滑块还与第一直线导轨滑动连接，所述的第一十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，第一直线导轨固接在导轨支座上，在导轨支座上安装有第二前行程开关、第二后行程开关，所述的第一十字槽滑块与曲线选择组件中的第二连接件相连接；第二电机的转动通过第一齿轮、第一齿条、电机移动导轨和电机移动滑块的作用而使第二电机自身沿着电机移动导轨方向做直线运动，同时通过第一曲柄、第一连杆和第一十字槽滑块的作用，将第一十字槽滑块在第一直线导轨方向上的直线运动规律通过与第一十字槽滑块连接的曲线选择组件中的第二连接件输送至笔端；摆线运动的方程为： $\left\{\begin{array}{c}z=r_3(\mathrm{\&Omega;}-\sin \mathrm{\&Omega;})\\ u=r_3(1-\cos \mathrm{\&Omega;})\end{array}\right.$ (z轴平行于第二齿条且与之共线，u轴垂直于第二齿条，z为第一十字槽滑块沿着第一直线滑轨滑动的距离，u为第一连杆沿着第一十字槽滑块滑动的距离，r₃为第一曲柄的半径，长度单位为mm，Ω为第一曲柄相对于电机轴转过的角度，0≤Ω≤2π)；

所述匀速曲线组件包括有第三电机、第三后行程开关、行程开关支座、第三前行程开关、匀速曲线螺母、匀速曲线丝杆；所述第三电机、行程开关支座和匀速曲线丝杆安装在机架上，匀速曲线丝杆与第三电机传动连接，匀速曲线螺母与匀速曲线丝杆螺旋连接，所述的匀速曲线螺母与曲线选择组件中的第三连接件相连接，第三前行程开关、第三后行程开关安装在行程开关支座上，所述的行程开关支座与机架间开有滑槽，并通过紧固件固定，旋松紧固件，可以滑动行程开关支座以调节第三前行程开关与第三后行程开关间的距离，且第三前行程开关与第三后行程开关间的距离(即匀速曲线螺母的行程)与从动件行程相等，调节好后，固定好两行程开关支座，防止滑动；

所述简谐曲线组件包括有第四电机、第四后行程开关、第二曲杆、第四前行程开关、行程调节滑块、第二直线导轨、第二连杆、第二十字槽滑块；所述第四电机、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，所述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，所述的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，所述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；

所述曲线选择组件包括有第四连接件、简谐曲线导轨、第三连接件、匀速曲线导轨、第二连接件、摆线曲线导轨、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、摆线曲线滑块、匀速曲线滑块、简谐曲线滑块、画笔支座、画笔滑块、第四电磁铁、第三电磁铁、画笔、笔夹、第二电磁铁、第一电磁铁、画笔导杆、推板；所述第一连接件、第二连接件、第三连接件、第四连接件分别固定在等加速等减速曲线导轨、摆线曲线导轨、匀速曲线导轨、简谐曲线导轨的一端，等加速等减速曲线滑块、摆线曲线滑块、匀速曲线滑块、简谐曲线滑块、画笔支座安装在机架上，等加速等减速曲线导轨、摆线曲线导轨、匀速曲线导轨、简谐曲线导轨分别与等加速等减速曲线滑块、摆线曲线滑块、匀速曲线滑块、简谐曲线滑块滑动连接，第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁、第四电磁铁分别固定安装在等加速等减速曲线导轨、摆线曲线导轨、匀速曲线导轨、简谐曲线导轨的另一端，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；在推板上还开设有四个卡孔，四个卡孔分别位于第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁、第四电磁铁的正下方；画笔通过笔夹夹紧后，由等加速等减速曲线组件、摆线曲线组件、匀速曲线组件、简谐曲线组件输出的直线运动规律分别通过第一连接件、第二连接件、第三连接件、第四连接件使得等加速等减速曲线导轨、摆线曲线导轨、匀速曲线导轨、简谐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、第二电磁铁、第三电磁铁、第四电磁铁控制选择输出，对应的电磁铁在控制系统的作用下，将铁芯插入至推板上对应的卡孔中，从而使画笔画出对应的运动轨迹；

所述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；

所述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、第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁、第四电磁铁、第一后行程开关、第一前行程开关、第二前行程开关、第二后行程开关、第三前行程开关、第三后行程开关、第四前行程开关、第四后行程开关电连接；

所述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、控制操作系统安装在机架上，曲线绘制平台上方设置有曲线选择组件，曲线选择组件中的等加速等减速曲线导轨通过第一连接件与等加速等减速曲线组件中的上导轨传动连接，曲线选择组件中的摆线曲线导轨通过第二连接件与摆线曲线组件中的第一十字槽滑块传动连接，曲线选择组件中的匀速曲线导轨通过第三连接件与匀速曲线组件中的匀速曲线螺母传动连接，曲线选择组件中的简谐曲线导轨通过第四连接件与简谐曲线组件中的第二十字槽滑块传动连接，所述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、曲线选择组件和曲线绘制平台分别与所述控制操作系统连接。

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°。

优选地，所述控制操作系统为PLC控制系统，工作电压为24V。

优选地，所述第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁、第四电磁铁为推拉式直流电磁铁。

一种基于凸轮轮廓线生成仪生成凸轮轮廓线的方法，包括以下步骤：

a.抽出曲线绘制平台，准备好一张圆形直径为400mm的白纸，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，通过偏心距手轮转动偏心距丝杆至所需的偏心距；

b.选择好推程曲线，通过调节行程调节转盘、行程调节滑块、第三前、后行程开关间距离至对应的行程；选择好回程曲线，通过调节行程调节转盘、行程调节滑块、第三前、后行程开关间距离至对应的行程；

c.接入电源，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，显示屏会依次提示输入推程角、远休止角、回程角、近休止角、推程曲线和回程曲线，角度由数字键输入，按“*”键确认输入，按“#”键取消当前操作，推程曲线及回程曲线按A、B、C、D输入，按“*”键确认输入，按“#”键取消当前操作；

d.调节笔夹，使画笔压紧在白纸及绘图板上；

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；

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曲线组件运转，对应的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；

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；

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；

所述数字键盘上的A、B、C、D按键分别对应等加速等减速曲线、摆线曲线、匀速曲线、简谐曲线。

(3)有益效果：本发明使得凸轮教学的过程中，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，实现绘制任何不同参数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为本发明的结构示意图；

图2为盘形凸轮示意图；

图3为本发明等加速等减速曲线组件的结构示意图；

图4为本发明等加速等减速曲线组件中行程调节转盘及相邻件的结构示意图；

图5为本发明摆线曲线组件的结构示意图；

图6为本发明匀速曲线组件的结构示意图；

图7为本发明简谐曲线组件的结构示意图；

图8为本发明曲线选择组件的结构示意图；

图9为本发明曲线绘制平台的结构示意图；

图10为本发明控制操作系统的方框示意图；

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；

201-第二电机，202-导轨支座，203-第二后行程开关，204-第一十字槽滑块，205-第一直线导轨，206-第二前行程开关，207-第一连杆，208-第二齿条，209-第一曲柄，210-第二齿轮，211-电机移动滑块，212-电机移动导轨；

301-第三电机，302-第三后行程开关，303-行程开关支座，304-第三前行程开关，305-匀速曲线螺母，306-匀速曲线丝杆；

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，503-第三连接件，504-匀速曲线导轨，505-第二连接件，506-摆线曲线导轨，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，510-摆线曲线滑块，511-匀速曲线滑块，512-简谐曲线滑块，513-画笔支座，514-画笔滑块，515-第四电磁铁，516-第三电磁铁，517-画笔，518-笔夹，519-第二电磁铁，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，确定好要演示的凸轮所需的轮廓线、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、行程开关支座、行程调节滑块调节，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、B、C、D分别对应等加速等减速曲线、摆线曲线、匀速曲线、简谐曲线，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。

被选中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曲线组件运转，对应的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，当对应的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，对应的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： $\left\{\begin{array}{c}x=182-91t,y=71-35.5t^2,0\&le;t\&le;1;\\ x=91t,y={35.5t}^2,0\&le;t\&le;1;\end{array}\right.$ (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 $\left\{\begin{array}{c}{y}_1=71-35.5t^2,0\&le;t\&le;1;\\ y_1={35.5t}^2,0\&le;t\&le;1;\end{array}\right.$ (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 $\left\{\begin{array}{c}{z}_1=(71-35.5t^2)\&times;\cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\&times;\cos (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}),0\&le;t\&le;1;\\ z_1={35.5t}^2\&times;\cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\&times;\cos (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;}),0\&le;t\&le;1;\end{array}\right.$ (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。

摆线曲线组件是利用圆周上某一点沿着一条直线滚动留下的轨迹即是摆线轨迹的原理设计的，其中第二齿轮的转动对应的是摆线曲线生成过程中的圆，第一曲柄与第一连杆相交的部分即是摆线曲线生成过程中的点，在运动的过程中第一连杆始终与第二齿条保持垂直关系，在第一连杆的作用下，第一十字槽滑块始终沿着第一直线导轨平行于第二齿条的方向作直线滑动，根据摆线运动的方程 $\left\{\begin{array}{c}z=r_3(\mathrm{\&Omega;}-\sin \mathrm{\&Omega;})\\ u=r_3(1-\cos \mathrm{\&Omega;})\end{array}\right.$ (z轴平行于第二齿条且与之共线，u轴垂直于第二齿条，z为第一十字槽滑块沿着第一直线滑轨滑动的距离，u为第一连杆沿着第一十字槽滑块滑动的距离，r₃为第一曲柄的半径，Ω为第一曲柄相对于电机轴转过的角度，0≤Ω≤2π)；可验证得平行于第二齿条方向上的轨迹为z＝r₃(Ω-sinΩ)，从第一十字槽滑块将摆线曲线规律通过曲线选择组件中的第二连接件输送至摆线曲线导轨并由画笔绘至出来，从而绘制出相应的摆线曲线轮廓线。

滑动行程开关支座以调节第三前行程开关与第三后行程开关间的距离，第三前行程开关与第三后行程开关间的距离(即匀速曲线螺母的行程)与从动件行程相等，调节好后，固定好两行程开关支座，匀速曲线组件的第三电机匀速转动带动匀速曲线丝杆匀速转动，通过匀速曲线螺母输出匀速曲线规律，与匀速曲线螺母相连的第三连接件带动匀速曲线导轨运动并将规律由画笔绘出，从而输出对应的匀速运动曲线。

旋松紧固件，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，(h为从动件行程)，随即旋紧行程调节滑块上的紧固件，第二曲杆做匀速圆周运动，假设第二曲杆与第二连杆相交的点的线速度为v，当第二曲杆转过角度Ω₂时，则可验证得在垂直于第二连杆的方向上的速度为V＝v*cosΩ₂，与第二连杆连接的第二十字槽滑块在第二连杆的作用下，通过第二直线导轨沿着垂直于第二连杆的方向上做直线滑动，第二十字槽滑块通过第四连接件与曲线选择组件中的简谐曲线导轨连接，简谐曲线导轨通过曲线选择组件将简谐曲线规律传至画笔上。

曲线绘制平台的作用是提供绘制轮廓线是所需的角速度w，同时控制输入所需的基圆半径及偏心距；为了整体机构的紧凑性，在底部设置了抽出层，同时加上支撑轮用于支撑绘制平台，通过转动基圆手轮可以调节所需的基圆大小，通过调节偏心距手轮可以调节所需的偏心距；第五电机的转动带动同步轮转动，同步轮通过同步带的作用带动传动转盘转动，从而带动绘图板转动。

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 (6)

1.一种凸轮轮廓线生成仪，其特征是：包括有机架，安装于机架上的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；

所述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；

所述摆线曲线组件包括机架，固定于机架上的电机移动导轨、第二齿条、导轨支座；第二电机安装在电机移动滑块上，电机移动滑块与电机移动导轨滑动配合，第二电机的轴上安装有第二齿轮和第一曲柄，第二齿轮与第二齿条啮合，第一曲柄和第一连杆的一端转动副连接；在导轨支座上设置有第一直线导轨，导轨支座的两端分别固定有第二前行程开关、第二后行程开关；第一十字槽滑块上的下滑槽与第一直线导轨滑动配合，上滑槽与第一连杆的另一端滑动配合，上滑槽与下滑槽相互垂直；第一十字槽滑块与曲线选择组件中的第二连接件相连接；摆线运动的方程为： $\left\{\begin{array}{c}z=r_3(\mathrm{\&Omega;}-\sin \mathrm{\&Omega;})\\ u=r_3(1-\cos \mathrm{\&Omega;})\end{array}\right.,$ 其中z为第一十字槽滑块沿着第一直线滑轨滑动的距离，u为第一连杆沿着第一十字槽滑块滑动的距离，r₃为第一曲柄的半径，长度单位为mm，Ω为第一曲柄相对于电机轴转过的角度，0≤Ω≤2π，z轴平行于第二齿条且与之共线，u轴垂直于第二齿条；

所述匀速曲线组件包括机架，安装在机架上的第三电机、匀速曲线丝杆，匀速曲线丝杆由第三电机驱动，匀速曲线丝杆上配有匀速曲线螺母，在匀速曲线丝杆的两端分别设置有第三前行程开关、第三后行程开关，且第三前行程开关与第三后行程开关间的距离、匀速曲线螺母的行程及从动件行程三者相等，匀速曲线螺母与曲线选择组件中的第三连接件相连接；

所述简谐曲线组件包括机架，固定于机架上第四电机、第二直线导轨，在第四电机的轴上连接有第二曲杆，第二曲杆的另一端与行程调节滑块连接，在松开紧固件后第二曲杆可以在行程调节滑块上滑动，行程调节滑块与第四电机轴的距离为r₂，应满足其中h为从动件行程；在第二曲杆摆动行程的两端分别布置有第四前行程开关、第四后行程开关；在行程调节滑块的另一端铰接有第二连杆，第二连杆的另一端与第二十字槽滑块的上滑槽滑动配合，第二十字槽滑块的下滑槽与第二直线导轨滑动配合，第二十字槽滑块的上滑槽与下滑槽相互垂直；第二十字槽滑块与曲线选择组件中的第四连接件相连接；

所述曲线选择组件包括机架，安装在机架上的等加速等减速曲线滑块、摆线曲线滑块、匀速曲线滑块、简谐曲线滑块和画笔支座；在等加速等减速曲线滑块、摆线曲线滑块、匀速曲线滑块、简谐曲线滑块上对应滑动配合有等加速等减速曲线导轨、摆线曲线导轨、匀速曲线导轨、简谐曲线导轨；在等加速等减速曲线导轨、摆线曲线导轨、匀速曲线导轨、简谐曲线导轨的一端分别连接有第一连接件、第二连接件、第三连接件、第四连接件，另一端对应安装有第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁、第四电磁铁；在电磁铁的下方布置有一推板，推板上开设有四个卡孔，四个卡孔分别位于第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁、第四电磁铁的正下方，推板上安装有笔夹；推板通过画笔滑块与画笔导杆滑动配合，画笔导杆固定在画笔支座上；

所述曲线绘制平台包括机架，在机架上从下至上依次布置有抽出层、基圆层、偏心距层和绘图板；抽出层通过抽出滑轨与机架滑动配合，底部设置有支撑轮；在抽出层上布置有基圆丝杆螺母机构，基圆丝杆螺母机构中的螺母与基圆层连接，丝杆上设有基圆手轮，抽出层与基圆层间设置有基圆滑轨；在基圆层上布置有偏心距丝杆螺母机构，偏心距丝杆螺母机构中的螺母与偏心距层连接，丝杆上设有偏心距手轮，基圆层与偏心距层设置有偏心距滑轨，偏心距滑轨与基圆滑轨的布置方向相互垂直；绘图板固定在传动转盘上，传动转盘通过同步带由同步轮带动，同步轮由第五电机驱动，第五电机和传动转盘安装在偏心距层上；

所述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、第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁、第四电磁铁、第一后行程开关、第一前行程开关、第二前行程开关、第二后行程开关、第三前行程开关、第三后行程开关、第四前行程开关、第四后行程开关电连接。

2.根据权利要求1所述的一种凸轮轮廓线生成仪，其特征是：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°。

3.根据权利要求1所述的一种凸轮轮廓线生成仪，其特征是：所述控制操作系统为PLC控制系统，工作电压为24V。

4.根据权利要求1所述的一种凸轮轮廓线生成仪，其特征是：所述第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁、第四电磁铁为推拉式直流电磁铁。

5.一种基于权利要求1所述的凸轮轮廓线生成仪生成凸轮轮廓线的方法，包括以下步骤：

a.抽出曲线绘制平台，准备好一张圆形直径为400mm的白纸，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，通过偏心距手轮转动偏心距丝杆至所需的偏心距；

b.选择好推程曲线，通过调节行程调节转盘、行程调节滑块、第三前、后行程开关间距离至对应的行程；选择好回程曲线，通过调节行程调节转盘、行程调节滑块、第三前、后行程开关间距离至对应的行程；

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，显示屏会依次提示输入推程角、远休止角、回程角、近休止角、推程曲线和回程曲线，角度由数字键输入，按“*”键确认输入，按“#”键取消当前操作，推程曲线及回程曲线按A、B、C、D输入，按“*”键确认输入，按“#”键取消当前操作；

d.调节笔夹，使画笔压紧在白纸及绘图板上；

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；

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曲线组件运转，对应的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；

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；

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；

所述数字键盘上的A、B、C、D按键分别对应等加速等减速曲线、摆线曲线、匀速曲线、简谐曲线。

6.根据权利要求5所述的凸轮轮廓线生成仪生成等加速等减速曲线的方法，其特征是：包括以下步骤：

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。