凸轮机构的设计与应用---讨论

老腰

前言
随着中国世界工厂地位的确立，越来越多的装备被引进来，也带进来了越来越多的凸轮机构，如包装机械、印刷机械、自动机械等应用大量的凸轮机构，各大公司的机械研发部门开发了很多优良的凸轮运动曲线。可以这么说，由于凸轮机构具有独特的机械特性而不断扩散到各个行业中。在机械高度发展的今天，很多机械构件越来越模块化，您可以随手拿来就用，但凸轮机构还不能这么做，您得计算、分析再设计，这个弯您是绕不过去的。
目前我们的现状
大学的机械课程中，凸轮机构的教学及研究还停留在过去70、80年代的水平，远不能满足目前的需要，而社会上此方面的书籍资料也是凤毛麟角，各个机械论坛关于凸轮的贴子也是片言只语，纬莫如深。
讨论
有感于上述原因，我建议进行一次关于凸轮机构设计与应用的讨论，讨论的主要内容如下：
一、为什么要用凸轮机构
二、凸轮机构的设计要点
三、凸轮机构材料及图纸表达
四、凸轮机构的加工
五、凸轮机构的检测
请各位大虾踊跃发言，不管对与错，三个臭皮匠也顶个诸葛亮嘛，谢谢大家的参与。

[ 本帖最后由 老腰 于 2008-1-9 22:26 编辑 ]

老腰

我先来个抛砖引玉，就我的工作经验来谈一下凸轮机构的优缺点以及与其他运动装置的一些对比，说得不对的地方，请各位大虾指正，我在这里先谢谢大家了。
凸轮机构最大的优点是可实现高速化，结构紧凑，可靠性高；最大的缺点是不可变，不能变更动作时间（角度）。
一、关于凸轮动作与气缸动作的比较。
1、结构运动特性：  凸轮机构结构紧凑，可靠性高，可以实现高速自动化。在自动机械中，虽然也可以使用气动装置，但气动动作结束时冲击较大，当改变速度时，需要对节流阀进行调节，当生产速度提高较大时，气缸装置显然无能为力。而用凸轮机构可以获得平稳的运动，当速度改变时也可以保持同步。
气压易受压力系统影响，当同一气源的其他气缸急速动作时，气压会下降，气缸的动作也会产生变化，而凸轮始终处于稳定状态。
2、运动的时序性：  气缸的动作是一个接着一个的，必须是一个动作完成后才能进行下一个动作。凸轮的位移（角度）与时间是确定的，动作是可以叠加的，一个动作未结束时可以开始下一动作，因此可以缩短循环时间。
3、故障率：  设计良好的凸轮机构可以使用到设备的终生，气缸则无法达到此要求。
4、动作变化性：  当需要变化动作的次序与时间时，显然凸轮机构无能为力。凸轮机构一旦设计使用，基本上是不可改变的（除了有些设计成可调角度的凸轮勉强能调整一点角度外），是刚性的。气动则不然，可以通过PLC进行调整，是柔性的。
5、能耗  毫无疑问，凸轮的能耗要比气缸装置少，从能量的转换来说，气缸的能量是空气压缩机转换过来的，存在着转换损失和管道的严重泄露。此方面的介绍请看附件《压缩机能耗》，此资料来自本社区淅开线网友，在此因未征求淅开线社友同意而擅用他的资料表示道歉，以下链接可到他的博客查询。http://www.cmiw.cn/?uid-27869
二、关于凸轮动作与伺服控制系统的比较
不容置疑，伺服控制由于有强大的适应性与灵活性在当今占据着越来越重要的地位。
伺服控制可以摸拟运动曲线而获得很好的运动动力特性，很多优良的运动曲线也是应伺服需要而开发的。与凸轮机构比较，主要差异是可变性与不变性。前面说到，伺服具有强大的适应性与可变性，而凸轮机构的动作行程、同步和运动特性是不变的，无论负荷发生了多少的变化，其运动状态是不会发生变化的。伺服机构通过伺服电动机进行数字控制实现运动控制，使用同一运动曲线的凸轮机构与伺服机构产生不同的运动动力效果。比较遗憾地说，在此方面凸轮机构还略胜一筹。
此方面的比较请看附件MPG格式文件，《与伺服系统对比（左伺服右凸轮）》，需要说明的是两个机构都使用了改变正弦(MS)运动曲线。

XMLYH

盘形凸轮，圆柱凸轮和移动凸轮，在设计使用中，各有优缺点。使用用途一般是两个方面，一个是锁紧作用，一个是起到定位导向作用。在定位锁紧这方面，它明显的特点是刚性大，是优点也是缺点，容易对产品造成外表硬伤，另外它也怕震动，会造成锁紧松动。现在有用气动或液压机构来代替它的。至于凸轮的另一个作用－定位导向作用，这个可以说是凸轮最实用的价值，一般还找不到更合适更简单的机构来代替它。当然它的导向轨迹是它的硬伤，一般只限制在一个平面内的曲线或往复线段，或者限制在一个圆柱面内的起伏曲线.

老腰

原帖由 XMLYH 于 2008-1-10 07:26 发表
盘形凸轮，圆柱凸轮和移动凸轮，在设计使用中，各有优缺点。使用用途一般是两个方面，一个是锁紧作用，一个是起到定位导向作用。在定位锁紧这方面，它明显的特点是刚性大，是优点也是缺点，容易对产品造成外表硬伤， ...

2楼的Yours大侠，请具体谈谈凸轮的锁紧作用与定位导向作用。谢谢！

湘里狼

支持老腰大侠的建议，欧美及日本等发达国家，在机器上大量的采用了凸轮机构，稳定性非常高。希望各位熟悉凸轮的大侠来讨论，谢谢！

湘里狼

原帖由 XMLYH 于 2008-1-10 07:26 发表
盘形凸轮，圆柱凸轮和移动凸轮，在设计使用中，各有优缺点。使用用途一般是两个方面，一个是锁紧作用，一个是起到定位导向作用。在定位锁紧这方面，它明显的特点是刚性大，是优点也是缺点，容易对产品造成外表硬伤， ...

朋友，虽然我不精通凸轮机构，您说的凸轮机构刚性大，会把产品表面弄伤；那么，气缸的刚性就小吗？气缸就不会把产品表面弄伤吗？如果是想用凸轮机构来夹紧产品的话，在前面加一个弹簧装置不就OK了吗？我们公司的自动机，从日本买过来的，全部是凸轮机构的，非常的稳定，想比之下，气缸机构的机器，是经常要维修，今天更换电磁阀、明天更换感应开关。

老腰

原帖由 湘里狼 于 2008-1-10 22:15 发表

朋友，虽然我不精通凸轮机构，您说的凸轮机构刚性大，会把产品表面弄伤；那么，气缸的刚性就小吗？气缸就不会把产品表面弄伤吗？如果是想用凸轮机构来夹紧产品的话，在前面加一个弹簧装置不就OK了吗？我们公司的自 ...

湘里狼小兄弟，你好。
我想凸轮机构与伺服机构、气动机构相比，最主要的区别在于可变与不可变。
可以变的是伺服与气动机构，通过PLC进行动作变化，设计及改造的周期短，很快能适应生产，大量应用在短销售寿命产品的机器上，如消耗性的电子产品等。
反观凸轮机构则不可变，其设计、制造的周期相对较长，适用在稳定长销售寿命产品的机器上。

syw开门造车

老腰友好！

你的发言：凸轮机构最大的优点是：可实现高速化，结构紧凑，可靠性高；
1、可实现高速化-----------指频率。
2、结构紧凑-----------------指体积。
3、可靠性高-----------------指各动作步骤协调。
.
好象少归纳了一个优点，既：精度。

我们网站以前讨论“印刷机械给纸机设计”那个帖中有过这方面的讨论。
帮你做个链接。

syw   080111---00.35

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印刷机械给纸机设计（多家对比）
http://bbs.cmiw.cn/viewthread.php?tid=24530&page=1

老腰

总工，你好。
1、高速化----高速度，换言之是高效率。
2、结构紧凑----体积小。
3、可靠性高----稳定，故障率低。
凸轮机构的精度高是没错，但只是与气动比较，与伺服控制相比就优势不大，而且伺服控制有取代凸轮之势。
我是多次看了印刷机械栏目关于凸轮的讨论，腊月的黄牛网友上传的凸轮图也收藏了，他们的讨论也很到位，深入到行业的具体问题了，但我觉得还不够广泛。

syw开门造车

老腰友好！

伺服控制有取代凸轮之势！

我非常认同。在我们网站，我曾发过一个帖：<与我有关的机电一体化的故事>
在那个帖中谈到的项目技术要求是：

一个直径45毫米，长300毫米，重约500克的物体，让其频繁的高速启动、停止。
一个工作循环是：启动----轴圆周旋转45度停止----轴向后退10毫米停止----轴圆周
高速旋转1395度（总计4圈）停止-----轴向前进10毫米复位停止。
技术要求是：每分钟完成120个工作循环，旋转定位精度==0度。轴向定位精度0毫米。
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在我之前，我国该行业普遍用的是“马尔他 机构”，噪音特大，维护难。

1992年时，该行业的工程师发明过“伺服气缸结构”，没有成功。

2002年，该行业的工程师发明成功了“电磁离合器+凸轮+电磁磨擦片刹车”结构，
存在的问题有两个：
1、是控制不准（采用的控制技术不当）。
2、是工作一段时间，径向定位不准，时常需要调整。
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现在用的是我的方案：单片机+步进电机+齿轮转动+闭环检测
最后达到的指标是：每分钟完成134个工作循环。角度定位精度==0度，轴向定位精度==0毫米，
而且噪声非常低，功耗非常的低，重量非常的轻。

所以我认同你的观点：伺服控制有取代凸轮之势！

syw   080111---01.53

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与我有关的机电一体化的故事
http://bbs.cmiw.cn/viewthread.php?tid=41917

[ 本帖最后由 syw开门造车 于 2008-1-11 02:12 编辑 ]