機械原理中凸輪機構的演示教具設計

彭智婷　李克忠

【摘 要】機械原理中凸輪機構的設計過程及其輪廓線的繪制方法十分重要，為了提高老師的課堂教學效率，使學生快速掌握凸輪機構設計的基本知識。設計制作了一種便攜、直觀、教學內容全面的凸輪設計教學輔助儀器。運用反轉法原理，通過控制從動件有規律地上下運動，結合畫板的回轉運動，繪制凸輪的輪廓曲線。并且給出了五種經典從動件運動規律，模塊化凸輪的四個運動階段，區分了擺動從動件與直動從動件、偏置凸輪與對心凸輪、圓形輪與偏心輪的運動形式。重點介紹了凸輪輪廓曲線的成型過程，基圓半徑、壓力角、推程回程、偏心距等基本參數可調節、可讀取。

【關鍵詞】凸輪機構；輪廓曲線；設計輔助；反轉法

0 前言

隨著國家對于機械行業人才綜合素質要求的提高，所以對高校機械類的課程，特別是機械原理，機械設計等基礎類課程的要求也在不斷提高。就目前機械原理的實驗教學模式來看，對于理論基礎知識的講解幾乎還處在空白狀態，尤其是實驗課教具還停留在傳統的“一物一模型”階段，這已經與當代大學生的學習習慣與思維習慣脫節，也與日益增長的對機械行業人才需求量的客觀現實相矛盾[1]。我們這一款教具的設計理念始終圍繞著“趣味、直觀、深度”這三個方面展開，與時俱進。本創意來源于機械原理中反轉法繪制凸輪廓線，能讓學生更直觀的掌握凸輪輪廓曲線的設計方法， 使學生掌握凸輪機構設計的基本知識， 能根據選定的凸輪類型和推桿的運動規律設計出輪廓曲線，掌握凸輪機構基本尺寸確定的原則。

1 總體結構設計及其工作原理

圖1 反轉法原理

盤形凸輪機構的凸輪輪廓成型原理我們稱之為反轉法，所謂反轉法，是建立在相對運動不變性原理的一種方法[2]，利用反轉法原理（如圖1）設計凸輪機構成型教具。該教具為立式結構分為正反兩面，一面可根據運動規律曲線畫出凸輪輪廓線，另一面根據凸輪輪廓反畫出運動規律曲線。原動件為齒輪，從動件為齒條的運動傳動裝置，齒條與曲線板一端連接，轉動手柄，齒輪帶動連著曲線板的齒條運動，進而帶動曲線板實現左右平移運動。齒輪與齒輪軸過盈配合，齒輪軸一端與畫盤固定連接，沒有相對運動。畫盤和曲線板由筆和可滑動的頂針連接。教具正面，頂針在曲線板的曲線輪廓內運動，控制畫筆從動件有規律的上下平動，結合圓盤畫板的回轉運動，改變輪廓軌跡與圓盤回轉中心的距離從而畫出不同從動件運動規律所對應的的凸輪輪廓。教具的反面，也就是齒輪軸另一端有連接插槽，可將手柄替換成偏心圓凸輪，利用杠桿原理使從動件與偏心圓凸輪輪廓產生穩定的力鎖合，在凸輪轉動的過程中，控制畫筆有規律地擺動，結合齒輪齒條機構帶動曲線板的平移運動，可畫出擺動從動件盤形凸輪的運動規律曲線。直觀地演示了反轉法凸輪輪廓曲線形成的基本原理，基本結構如圖2-圖3所示。

1.活動上導軌；2.支架鉸鏈；3.曲線筆；4.曲線筆固定桿；5.滑軌支撐桿；6.橫梁；7.曲線筆連接桿；8.曲線筆固定桿；9.繪圖筆；10.曲線圓盤；11.齒條；12.上滑槽導軌；13.齒輪；14.凸輪；15.轉動桿套；16.豎直滑槽；17.連接筆桿；18.凸輪畫筆固定套；19.凸輪畫筆.

20.下滑軌；21.曲線板插槽；22.曲線板；23.滑軌；24.曲線板固定件；25.滑軌；26.齒輪軸；27.支撐齒條軸；28.中間支撐桿.

2 從動件運動規律曲線板模塊化設計

曲線板一共包括五條經典從動件的運動規律曲線，如圖4所示，從上至下它們分別是：余弦加速運動規律、正弦加速運動規律、五次多項式運動規律、等加速等減速運動規律、等速運動規律[3]，每條曲線的中心距相同，且最上面一條曲線的頂部距離曲線板的頂部與最下面一條曲線的底部距離曲線板的底部距離相等，從而整個鋼板經過線切割以后，可以實現任意拼接，如圖5所示，從而組合成多條不同的運動曲線。

原始的曲線板默認有五條曲線，四個運動階段。這四個運動階段分別是：推程、遠休、回程、近休[4]，經過巧妙的模塊化處理，可以自由組合凸輪機構運動循環具有的階段，如圖5所示，得到以下四種不同的運動過程：1.推程——遠休——回程——近休；2.推程——遠休——回程；3.推程——回程——近休；4.推程——回程[5]

3 最終效果及其操作說明

通過機構原理、裝配方案、所用材料的確定得出的最終效果圖如圖6所示。

下面對凸輪演示儀的功能及操作方法予以說明：

1）使用前按照需要自由選取從動件運動規律曲線，通過曲線板的模塊拼接，調整推程-遠休-回程-近休的位置，選定基圓半徑大小或偏置從動件的偏距大小，再將頂針旋入曲線槽內。

2）通過調節曲線筆固定桿，可選取所需繪制凸輪的基圓大小。繪制過程中搖動圓盤后的搖桿，可在繪制過程中停留講解，轉動一周后即形成一周凸輪輪廓。

3）通過調節曲線筆連接桿，可繪制不同偏距大小的偏置從動件偏置凸輪輪廓曲線。

4）當頂針依靠重力自動換入下一個曲線檔位時，可自動在另一基圓半徑上繪制另一種運動規律的凸輪輪廓線。

5）通過調節筆桿之間的距離可繪制出滾子從動件盤形凸輪實際輪廓曲線與理論輪廓曲線。

6）曲線繪制在設計好的極坐標刻度圓盤上，可對基圓半徑大小、壓力角大小、偏置從動件的偏置距離、推程回程距離進行直觀的讀取。

7）翻轉至背面，安裝成型凸輪，逆向演示出擺動從動件的運動原理。

4 總結

所述復合型教具從本質上克服了傳統教具的不足，體現了“一物多用”、“一物巧用”、“一物深用”的現代化教具設計思路。“一物多用”表現在一套凸輪教具幾乎囊括了有關凸輪教學過程中的所有知識點，能全面、直觀、深刻的了解從動件各種運動規律， 使從動件運動規律和反轉法成型原理不抽象。“一物巧用”表現在通過現代控制理論和富有新穎性的機構設計克服了探索型教具研制過程中的瓶頸問題，整個儀器為雙面立式結構，操作簡單，方便攜帶， 也方便觀察和學習，用于機械專業的教學、實驗、設計、學習興趣培養均可。“一物深用”體現在所述復合型教具不僅僅用于機械原理中凸輪原理及其設計教學的教學場合，對于實際生產過程與科研領域亦有相當的用武之地，提高機械生產效率，提高設計人員的工作效率。

【參考文獻】

[1]趙友紅，周知進.機械設計課程設計指導[M].長沙：中南大學出版社，2011，5.

[2]潘存云.機械原理[M].長沙：中南大學出版社，2012，12.

[3]李儉，張錦波.應用包絡面理論建立直動從動件圓錐凸輪機構凸輪廓面方程[J].成都大學學報：自然科學版，2002（9）：25，27.

[4]張春林，白士紅.打緯共軛凸輪機構的設計[J].北京理工大學學報，2000（9）：25，27.

[5]朱皞，葛正浩，蘇鵬剛，李競洋.基于ADAMS的平行分度凸輪機構的動力學仿真[J].包裝工程，2009，31（22）：221-223.

[責任編輯：楊玉潔]