CN105262317B - 凸轮机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸轮机构，包括座架、主动件部分和从动件部分，该主动件部分和该从动件部分安装于该座架上，该主动件部分包括永磁凸轮，该从动件部分包括永磁体，当该永磁凸轮转动时，该永磁体受到该永磁凸轮的排斥力做往复运动并与该永磁凸轮不进行接触。本发明的凸轮机构具有非接触传动、输出精度高、无摩擦损耗、低振动、低冲击、低噪声、不需要润滑、精确的运动传递能力、可靠性高等有益效果。

Description

凸轮机构

技术领域

本发明涉及一种机电领域，具体涉及一种凸轮机构。

背景技术

在各种机械设备中，特别是自动化机械和控制装置中，广泛地应用着各种形式的凸轮机构，例如，内燃机中的配气凸轮机构，绕线机中的排线凸轮机构，在医药、食品、包装等行业中应用的分度凸轮机构，自动送料机中的凸轮机构等。

凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个主要构件组成一种高副传动机构，设计者只要根据工况要求设计出凸轮廓线，就可以使从动件实现任意给定的位移、速度、加速度等运动规律；并且由于凸轮机构具有结构简单、紧凑、故障少、维护保养方便等优点，这使得凸轮机构得到广泛的应用。

凸轮机构的特点是结构简单、紧凑、设计方便，可以实现从动件特殊或者复杂的运动；但是凸轮与从动件之间的接触属高副点或线接触，易磨损，这对凸轮机构的几何精度、传动精度有很大的影响，即使是轻微的几何改变，也可使应力分布恶化，影响其使用寿命。

提高凸轮的的可靠性与寿命是现代凸轮机构设计与制造的主要问题之一。以往的凸轮设计的重点在于强度及动力学设计，经过长期的探索和实践，对于基本理论的研究己经十分透彻，并形成了一系列成熟的设计方法。然而对于实际情况来说，据数据统计分析表明，导致凸轮机构失效的主要原因并不是零部件的断裂，而是动联接和机件的摩擦损坏，90％的工作失效是因为磨损导致的。现在机械产品都是以效率高，精度保持性好，使用可靠，寿命长为主要竞争指标，这些要求大部分与摩擦设计有关。因此，凸轮机构如果不进行机构创新，消除自身存在的磨损缺陷，在未来的发展中势必要被取代。

发明内容

本发明的目的是提供一种凸轮结构，以解决上述背景技术中存在的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种凸轮机构，包括座架、主动件部分和从动件部分，所述主动件部分和所述从动件部分安装于所述座架上，所述主动件部分包括永磁凸轮，所述从动件部分包括永磁体，当所述永磁凸轮转动时，所述永磁体在所述永磁凸轮的排斥力作用下进行往复运动并与所述永磁凸轮不接触。

较佳地，所述永磁凸轮和所述永磁体的磁极方向相反，其中所述永磁凸轮的充磁方向为径向充磁，所述永磁体的充磁方向为轴向充磁。

较佳地，所述凸轮机构还包括电磁调控部分，所述电磁调控部分包括电磁线圈、位移传感器以及控制器，所述位移传感器捕捉所述从动件的运动轨迹，并将信号反馈给控制器，所述控制器通过控制所述电磁线圈的输入电流对所述从动件的运动轨迹进行调节。

较佳地，所述电磁线圈环绕所述永磁体布置，所述永磁体的侧面包括位于两端的弧面和位于两侧的平面。

较佳地，所述从动件还包括永磁体支架和输出轴，所述永磁体安装于所述永磁体支架内，所述输出轴与所述永磁体支架固定连接，所述输出轴在所述永磁体的带动下往复运动，所述位移传感器捕捉所述输出轴的运动轨迹。

较佳地，所述位移传感器为光栅尺位移传感器，所述光栅尺位移传感器安装于所述座架的侧板上并与所述输出轴保持一定的间隙，以便于对所述输出轴的运动轨迹进行监测。

较佳地，所述间隙为0.5mm-3mm。

较佳地，所述从动件还包括导向支架、滑块和滑槽，所述滑槽安装在所述座架两侧的侧板上，所述滑块可滑动地安装于所述滑槽内，所述导向支架的两端分别与所述滑块固定连接，以及所述输出轴与所述导向支架固定连接。

较佳地，所述从动件还包括铜套，所述铜套安装于所述座架的顶板上，所述输出轴穿入所述铜套内并能够在所述铜套中来回滑动。

较佳地，所述导向支架的中部设有导向孔，所述输出轴穿过所述导向孔并通过两个紧定螺钉对称固定。

较佳地，所述输出轴与所述永磁体支架相连的一端成阶梯状，以便于所述导向支架定位。

较佳地，所述电磁调控部分还包括电磁线圈挡板，所述电磁线圈挡板安装于所述电磁线圈的上端。

较佳地，所述永磁体支架采用软铁制成，所述输出轴、导向支架和线圈挡板采用铝合金制成。

较佳地，所述主动件部分还包括凸轮支架、主轴、轴承、轴承盖和两块凸轮挡板；

所述凸轮支架设有偏心孔，所述主轴穿入所述偏心孔；

所述轴承安装于所述座架的侧板上，所述轴承盖安装于所述轴承的端部；

所述永磁凸轮安装于所述凸轮支架外，所述两块凸轮挡板安装于所述永磁凸轮的两端；以及

通过螺栓连接所述两块永磁凸轮挡板以及凸轮支架，从而将所述永磁凸轮固定在所述凸轮支架上。

较佳地，所述轴承通过所述主轴的轴肩与所述轴承盖进行两点定位。

较佳地，所述永磁凸轮的宽度大于所述凸轮支架的宽度。

较佳地，所述永磁凸轮的宽度与所述凸轮支架的宽度的比例为1:0.9—1:1。

较佳地，所述主轴与所述凸轮支架通过花键连接。

较佳地，所述主轴是阶梯轴。

较佳地，所述主轴为非导磁材料。

较佳地，所述凸轮挡板采用非导磁材料制成，所述凸轮支架采用导磁材料制成。

较佳地，所述凸轮挡板采用铝合金制成。

较佳地，所述凸轮机构还包括电机，所述电机安装于所述座架上，以及所述电机的转动轴与所述主轴通过联轴器连接。

较佳地，所述电机为伺服电机。

较佳地，所述座架采用非导磁材料制成。

与传统凸轮机构相比，本发明涉及的一种新型非接触的磁悬浮凸轮机构具有以下明显的优势：

1、传动效率高：由于采用非接触传动，消除了传统凸轮机构的摩擦损耗，效率可高达95％以上，比传统凸轮机构普遍提高10％。

2、输出精度高：磁悬浮凸轮采用高精度光栅尺位移传感器，其精度分辨率可达亚微米，光栅尺位移传感器捕捉从动件运动轨迹，并将位移变化量反馈给控制器，控制器根据位移量的变化通过调节电磁线圈的输入电流进行精密控制。

3、响应速度快：磁悬浮凸轮机构在输出载荷时，如果载荷发生细微变化，光栅尺传感器就会立马识别出输出运动轨迹的变化量，迅速将变化量反馈给控制器，控制器根据变化量瞬间做出反应，立即调节电磁线圈的磁场力，保证运动传递稳定。

4、实现了凸轮机构永磁和电磁结合：磁悬浮凸轮机构利用永磁铁进行宏运动，利用电磁进行微运动，实现高速、高精度的宏微操作。

5、磁悬浮凸轮机构利用磁场调制，提高磁场强度，增大了电磁调控力。

6、可靠性高，不存在机械接触造成的磨损，无需润滑。

7、无冲击，不会引起振动冲击力，延长了磁悬浮凸轮机构零件的寿命，特别是凸轮的寿命。

附图说明

图1是根据本发明凸轮机构的立体图。

图2是本发明凸轮机构的剖视图。

图3是本发明凸轮机构的另一剖视图。

图4是本发明凸轮机构的主动件部分的分解图。

图5是本发明凸轮机构的从动件部分的分解图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

本发明主要涉及一种非接触磁悬浮凸轮机构，可广泛用于机床、纺织机械、轻工机械、印刷机械、机电一体化装配等领域。

本发明的凸轮机构通常包括主动件部分和从动件部分，主动件部分包括永磁凸轮和主轴，从动件部分包括永磁体和输出轴，永磁凸轮与主轴固定连接，永磁体与输出轴固定连接，主轴与电机的转动柱连接，当永磁凸轮在电机的转动轴带动下转动并带动永磁凸轮转动时，永磁体受到永磁凸轮的排斥力做往复运动并带动输出轴做往复运动，在整个运动过程中，永磁凸轮与永磁体不进行接触。

本发明的凸轮机构通常还可以包括电磁调控部分，该电磁调控部分包括电磁线圈、位移传感器以及控制器，电磁线圈环绕永磁体布置，位移传感器捕捉输出轴的运动轨迹，并将信号反馈给控制器，控制器通过控制电磁线圈的输入电流来控制永磁体的运动从而精确控制输出轴的运动轨迹。

本发明的工作原理是：永磁凸轮采用径向充磁，永磁体采用轴向充磁，并利用永磁凸轮与永磁体的相互排斥实现在永磁凸轮转动时，永磁体与永磁凸轮无接触往复传动。

下面结合图1-5对本发明凸轮机构的一种实施方式进行详细说明。

图1是根据本发明凸轮机构的立体图，图2是本发明凸轮机构的剖视图，图3是本发明凸轮机构的另一剖视图，图4是本发明凸轮机构的主动件部分的分解图，图5是本发明凸轮机构的从动件部分的分解图。

如图1-3所示，凸轮机构100整体上包括座架10、主动件部分20、从动件部分30、电磁调控部分40以及电机50。其中，主动件部分20、从动件部分30、电磁调控部分40以及电机50都安装于座架10上。较佳地，电机50为伺服电机，座架10采用非导磁材料制成。

如图2-4所示，主动件部分20包括主轴21、永磁凸轮22、凸轮支架23、凸轮挡板24、轴承25以及轴承盖26。凸轮支架23呈圆柱状，并设有偏心孔231以及螺柱孔232，偏心孔231与主轴21配合。主轴21为阶梯轴，其优选由非导磁材料(诸如铝合金)制成，以增加永磁凸轮22产生的磁场。在主体21的中部设有定位轴肩211，当主轴21安装到凸轮支架23时，主轴21的中部容纳于偏心孔231中，优选地，主轴21与凸轮支架23通过花键连接，以保证传动平稳。

永磁凸轮22为圆筒状，其优选由导磁材料制成，以增其产生的磁场。永磁凸轮22的宽度宽于凸轮支架23的宽度，永磁凸轮22的内径与凸轮支架23的外径匹配，以使得永磁凸轮22能够安装于凸轮支架23上。较佳地，永磁凸轮22的宽度与凸轮支架23的宽度的比例为1:0.9—1:1。

作为一种优选方式，凸轮挡板24采用非导磁材料(诸如铝合金)制成，凸轮支架23采用导磁材料制成，从而增强所述永磁凸轮的磁场。

如图2所示，组装好后，凸轮支架23套装在主轴21上，轴承25安装于座架10的侧板11上，主轴21的两端分别伸入轴承25内，轴承盖26安装在轴承25的端部，优选地，通过轴肩211和轴承盖26对轴承25进行定位，以及轴承25与主轴21和座架10进行过盈装配。

主轴21的一端安装于座架10的侧板11上，另一端通过联轴器52与电机50的转动轴51进行连接，从而当电机50运行时，转动轴51通过联轴器52带动主轴21旋转。

如图2-3和图5所示，从动件部分30包括电磁线圈31、永磁体32、永磁体支架33、线圈挡板34、输出轴35、导向支架36、滑块37以及滑槽38。

永磁体支架33为中空结构，永磁体32安装于永磁体支架33中，电磁线圈31环绕永磁体支架33布置，线圈档板34安装于永磁体支架33的上端。在具体制造工程中，电磁线圈31缠绕在永磁体支架33上，且其两端都由线圈挡板34固定，当电磁线圈34缠绕完成并涂胶烤干后，去掉底端的线圈挡板，以使电磁线圈31更好的发挥作用。其中，优选地，永磁体32的侧面包括两端的弧面和两侧的平面，即永磁体32的外形曲线采用跑道曲线，从而有利于提高磁场排斥力，并且方便电磁线圈31环绕。

永磁体支架33与输出轴35通过两个紧定螺钉固定，通过调节紧定螺钉使输出轴35保持在中心位置。其中输出轴35与永磁铁支架21相连的一端成阶梯状，以便于导向支架36在输出轴35上定位。

滑槽38安装于座架10的侧板上，滑块37可滑动地安装于滑槽38中。导向支架36的中部设有安装孔361，输出轴35伸入安装孔361中，并通过两个紧定螺钉将导向支架36与输出轴35对称固定，导向支架36的两端分别与两侧的滑块37固定连接，从而当输出轴35往复运动时，所述导向支架36能够随滑块37在滑槽38中来回滑动。

在另一个实施例中，从动件部分30还包括筒套39，铜套39安装于座架10的顶板12上，输出轴35穿入铜套39中，并能够在铜套39中来回滑动。通过铜套39一方面可以进一步对输出轴35进行定位，另一方面又可以减少输出轴所受到的摩擦力。

在另一个实施例中，凸轮机构100还包括弹簧53，弹簧53的一端固定连接到座架10的顶板12上，另一端固定连接到导向支架36，从而可以通过弹簧53对导向支架36和输出轴35施加弹力，在凸轮机构横放时，使输出轴可以向永磁凸轮22的方向运动。

电磁调控部分40包括电磁线圈31、位移传感器41以及控制器42。其中，电磁线圈31即属于从动件部分，同时又属于电磁调控部分。位移传感器41与控制器42电连接，控制器42与电磁线圈31电连接，位移传感器41捕捉输出轴35的运动轨迹，并将信号反馈给控制器42，控制器42通过控制电磁线圈31的输入电流来控制永磁体32的运动轨迹进而对输出轴35的运动轨迹进行精密调节。

运行时，电机50启动，转动轴21通过联轴器52带动主轴21旋转，凸轮支架23随着主轴21一起旋转并带动永磁凸轮22转动，永磁铁32在永磁凸轮22的磁力作用下，与永磁凸轮22保持一定的距离，并随永磁凸轮22的旋转做往复运动，输出轴35在永磁凸轮22的带动下进行上下往复运动，导向支架36和滑块37与输出轴一起做往复运动，由于导向支架36的两端分别于滑块37固定连接，滑块37安装与滑槽38中，滑槽38固定于侧板11上，因此，导向支架36对输出轴35进行径向限位，使得输出轴35保持在直线上做往复运动，铜套39进一步对输出轴35进行径向限位。位移传感器41捕捉输出轴35的运动轨迹，并将该运动轨迹反馈给控制器42，控制器42根据永磁凸轮的运动轨迹判断从动件输出轴16的运动轨迹是否与设定轨迹吻合，根据运动轨迹偏差量输出相应的电流控制电磁线圈31产生磁场力，从而对永磁体31的运动轨迹进行精密调节，使输出轴35的运动轨迹与设定轨迹保持一致。

凸轮机构100在输出载荷时，如果载荷发生细微变化，位移传感器41就会立马识别出输出运动轨迹的变化量，迅速将变化量反馈给控制器42，控制器42根据变化量瞬间做出反应，立即调节电磁线圈31的磁场力，保证运动传递稳定。

在本实施例中，位移传感器41为光栅尺位移传感器，该光栅尺位移传感器41安装于座架10的侧板11上并与输出轴35保持一定的间隙，从而对输出轴35的运动轨迹进行有效监测，较佳地，该间隙为0.5mm-3mm。

在本实施例中，永磁凸轮22和永磁体32的磁极方向相反，其中永磁凸轮22的充磁方向为径向充磁，永磁体32的充磁方向为轴向充磁。作为一种优选方式，永磁体支架33采用软铁制成，输出轴35、导向支架和线圈挡板采用铝合金制成。

虽然在本实施例中，凸轮机构100包括主动件部分、从动件部分以及电磁调控部分，但是，本领域的技术人员可以理解，凸轮机构100也可以只包括主动件部分和从动件部分，此时，在一定程度上也能实现本发明的目的。

本发明的凸轮机构具有很多优点，诸如其为非接触传动、输出精度高、无摩擦损耗、低振动、低冲击、低噪声、不需要润滑、精确的运动传递能力、可靠性高等。

与传统凸轮机构相比，其优点主要包括以下方面：

1、传动效率高：由于采用非接触传动，消除了传统凸轮机构的摩擦损耗，效率可高达95％以上，比传统凸轮机构普遍提高10％。

2、输出精度高：磁悬浮凸轮采用高精度光栅尺位移传感器，其精度分辨率可达亚微米，光栅尺位移传感器捕捉从动件运动轨迹，并将位移变化量反馈给控制器，控制器根据位移量的变化通过调节电磁线圈的输入电流进行精密控制。

3、响应速度快：磁悬浮凸轮机构在输出载荷时，如果载荷发生细微变化，光栅尺传感器就会立马识别出输出运动轨迹的变化量，迅速将变化量反馈给控制器，控制器根据变化量瞬间做出反应，立即调节电磁线圈的磁场力，保证运动传递稳定。

4、实现了凸轮机构永磁和电磁结合：磁悬浮凸轮机构利用永磁铁进行宏运动，利用电磁进行微运动，实现高速、高精度的宏微操作。

5、磁悬浮凸轮机构利用磁场调制，提高磁场强度，增大了电磁调控力。

6、可靠性高，不存在机械接触造成的磨损，无需润滑。

7、无冲击，不会引起振动冲击力，延长了磁悬浮凸轮机构零件的寿命，特别是凸轮的寿命。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种凸轮机构，包括座架、主动件部分和从动件部分，所述主动件部分和所述从动件部分安装于所述座架上，其特征在于，所述主动件部分包括永磁凸轮，所述从动件部分包括永磁体，当所述永磁凸轮转动时，所述永磁体在所述永磁凸轮的排斥力作用下进行往复运动并与所述永磁凸轮不接触，其中所述凸轮机构还包括电磁调控部分，所述电磁调控部分包括电磁线圈、位移传感器以及控制器，所述位移传感器捕捉所述从动件的运动轨迹，并将信号反馈给控制器，所述控制器通过控制所述电磁线圈的输入电流对所述从动件的运动轨迹进行调节。

2.根据权利要求1所述的凸轮机构，其特征在于，所述永磁凸轮和所述永磁体的磁极方向相反，其中所述永磁凸轮的充磁方向为径向充磁，所述永磁体的充磁方向为轴向充磁。

3.根据权利要求1所述的凸轮机构，其特征在于，所述电磁线圈环绕所述永磁体布置，所述永磁体的侧面包括位于两端的弧面和位于两侧的平面。

4.根据权利要求1所述的凸轮机构，其特征在于，所述从动件还包括永磁体支架和输出轴，所述永磁体安装于所述永磁体支架内，所述输出轴与所述永磁体支架固定连接，所述输出轴在所述永磁体的带动下往复运动，所述位移传感器捕捉所述输出轴的运动轨迹。

5.根据权利要求4所述的凸轮机构，其特征在于，所述位移传感器为光栅尺位移传感器，所述光栅尺位移传感器安装于所述座架的侧板上并与所述输出轴保持一定的间隙，以便于对所述输出轴的运动轨迹进行监测。

6.根据权利要求4所述的凸轮机构，其特征在于，所述从动件还包括导向支架、滑块和滑槽，所述滑槽安装在所述座架两侧的侧板上，所述滑块可滑动地安装于所述滑槽内，所述导向支架的两端分别与所述滑块固定连接，以及所述输出轴与所述导向支架固定连接。

7.根据权利要求4所述的凸轮机构，其特征在于，所述从动件还包括铜套，所述铜套安装于所述座架的顶板上，所述输出轴穿入所述铜套内并能够在所述铜套中来回滑动。

8.根据权利要求1-7任一项所述的凸轮机构，其特征在于，所述主动件部分还包括凸轮支架、主轴、轴承、轴承盖和两块凸轮挡板；

所述凸轮支架设有偏心孔，所述主轴穿入所述偏心孔；

所述轴承安装于所述座架的侧板上，所述轴承盖安装于所述轴承的端部；

所述永磁凸轮安装于所述凸轮支架外，所述两块凸轮挡板安装于所述永磁凸轮的两端；以及

通过螺栓连接所述两块永磁凸轮挡板以及凸轮支架，从而将所述永磁凸轮固定在所述凸轮支架上。

9.根据权利要求8所述的凸轮机构，其特征在于，所述凸轮机构还包括电机，所述电机安装于所述座架上，以及所述电机的转动轴与所述主轴通过联轴器连接。