凸輪機構(gòu)的設(shè)計與應(yīng)用---討論

老腰

前言
隨著中國世界工廠地位的確立，越來越多的裝備被引進(jìn)來，也帶進(jìn)來了越來越多的凸輪機構(gòu)，如包裝機械、印刷機械、自動機械等應(yīng)用大量的凸輪機構(gòu)，各大公司的機械研發(fā)部門開發(fā)了很多優(yōu)良的凸輪運動曲線。可以這么說，由于凸輪機構(gòu)具有獨特的機械特性而不斷擴散到各個行業(yè)中。在機械高度發(fā)展的今天，很多機械構(gòu)件越來越模塊化，您可以隨手拿來就用，但凸輪機構(gòu)還不能這么做，您得計算、分析再設(shè)計，這個彎您是繞不過去的。
目前我們的現(xiàn)狀
大學(xué)的機械課程中，凸輪機構(gòu)的教學(xué)及研究還停留在過去70、80年代的水平，遠(yuǎn)不能滿足目前的需要，而社會上此方面的書籍資料也是鳳毛麟角，各個機械論壇關(guān)于凸輪的貼子也是片言只語，緯莫如深。
討論
有感于上述原因，我建議進(jìn)行一次關(guān)于凸輪機構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用的討論，討論的主要內(nèi)容如下：
一、為什么要用凸輪機構(gòu)
二、凸輪機構(gòu)的設(shè)計要點
三、凸輪機構(gòu)材料及圖紙表達(dá)
四、凸輪機構(gòu)的加工
五、凸輪機構(gòu)的檢測
請各位大蝦踴躍發(fā)言，不管對與錯，三個臭皮匠也頂個諸葛亮嘛，謝謝大家的參與。

[ 本帖最后由 老腰 于 2008-1-9 22:26 編輯 ]

老腰

我先來個拋磚引玉，就我的工作經(jīng)驗來談一下凸輪機構(gòu)的優(yōu)缺點以及與其他運動裝置的一些對比，說得不對的地方，請各位大蝦指正，我在這里先謝謝大家了。
凸輪機構(gòu)最大的優(yōu)點是可實現(xiàn)高速化，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高；最大的缺點是不可變，不能變更動作時間（角度）。
一、關(guān)于凸輪動作與氣缸動作的比較。
1、結(jié)構(gòu)運動特性：  凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，可以實現(xiàn)高速自動化。在自動機械中，雖然也可以使用氣動裝置，但氣動動作結(jié)束時沖擊較大，當(dāng)改變速度時，需要對節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)生產(chǎn)速度提高較大時，氣缸裝置顯然無能為力。而用凸輪機構(gòu)可以獲得平穩(wěn)的運動，當(dāng)速度改變時也可以保持同步。
氣壓易受壓力系統(tǒng)影響，當(dāng)同一氣源的其他氣缸急速動作時，氣壓會下降，氣缸的動作也會產(chǎn)生變化，而凸輪始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。
2、運動的時序性：  氣缸的動作是一個接著一個的，必須是一個動作完成后才能進(jìn)行下一個動作。凸輪的位移（角度）與時間是確定的，動作是可以疊加的，一個動作未結(jié)束時可以開始下一動作，因此可以縮短循環(huán)時間。
3、故障率：  設(shè)計良好的凸輪機構(gòu)可以使用到設(shè)備的終生，氣缸則無法達(dá)到此要求。
4、動作變化性：  當(dāng)需要變化動作的次序與時間時，顯然凸輪機構(gòu)無能為力。凸輪機構(gòu)一旦設(shè)計使用，基本上是不可改變的（除了有些設(shè)計成可調(diào)角度的凸輪勉強能調(diào)整一點角度外），是剛性的。氣動則不然，可以通過PLC進(jìn)行調(diào)整，是柔性的。
5、能耗  毫無疑問，凸輪的能耗要比氣缸裝置少，從能量的轉(zhuǎn)換來說，氣缸的能量是空氣壓縮機轉(zhuǎn)換過來的，存在著轉(zhuǎn)換損失和管道的嚴(yán)重泄露。此方面的介紹請看附件《壓縮機能耗》，此資料來自本社區(qū)淅開線網(wǎng)友，在此因未征求淅開線社友同意而擅用他的資料表示道歉，以下鏈接可到他的博客查詢。http://m.whclglass.com.cn/?uid-27869
二、關(guān)于凸輪動作與伺服控制系統(tǒng)的比較
不容置疑，伺服控制由于有強大的適應(yīng)性與靈活性在當(dāng)今占據(jù)著越來越重要的地位。
伺服控制可以摸擬運動曲線而獲得很好的運動動力特性，很多優(yōu)良的運動曲線也是應(yīng)伺服需要而開發(fā)的。與凸輪機構(gòu)比較，主要差異是可變性與不變性。前面說到，伺服具有強大的適應(yīng)性與可變性，而凸輪機構(gòu)的動作行程、同步和運動特性是不變的，無論負(fù)荷發(fā)生了多少的變化，其運動狀態(tài)是不會發(fā)生變化的。伺服機構(gòu)通過伺服電動機進(jìn)行數(shù)字控制實現(xiàn)運動控制，使用同一運動曲線的凸輪機構(gòu)與伺服機構(gòu)產(chǎn)生不同的運動動力效果。比較遺憾地說，在此方面凸輪機構(gòu)還略勝一籌。
此方面的比較請看附件MPG格式文件，《與伺服系統(tǒng)對比（左伺服右凸輪）》，需要說明的是兩個機構(gòu)都使用了改變正弦(MS)運動曲線。

XMLYH

盤形凸輪，圓柱凸輪和移動凸輪，在設(shè)計使用中，各有優(yōu)缺點。使用用途一般是兩個方面，一個是鎖緊作用，一個是起到定位導(dǎo)向作用。在定位鎖緊這方面，它明顯的特點是剛性大，是優(yōu)點也是缺點，容易對產(chǎn)品造成外表硬傷，另外它也怕震動，會造成鎖緊松動。現(xiàn)在有用氣動或液壓機構(gòu)來代替它的。至于凸輪的另一個作用－定位導(dǎo)向作用，這個可以說是凸輪最實用的價值，一般還找不到更合適更簡單的機構(gòu)來代替它。當(dāng)然它的導(dǎo)向軌跡是它的硬傷，一般只限制在一個平面內(nèi)的曲線或往復(fù)線段，或者限制在一個圓柱面內(nèi)的起伏曲線.

老腰

原帖由 XMLYH 于 2008-1-10 07:26 發(fā)表
盤形凸輪，圓柱凸輪和移動凸輪，在設(shè)計使用中，各有優(yōu)缺點。使用用途一般是兩個方面，一個是鎖緊作用，一個是起到定位導(dǎo)向作用。在定位鎖緊這方面，它明顯的特點是剛性大，是優(yōu)點也是缺點，容易對產(chǎn)品造成外表硬傷， ...

2樓的Yours大俠，請具體談?wù)勍馆喌逆i緊作用與定位導(dǎo)向作用。謝謝！

湘里狼

支持老腰大俠的建議，歐美及日本等發(fā)達(dá)國家，在機器上大量的采用了凸輪機構(gòu)，穩(wěn)定性非常高。希望各位熟悉凸輪的大俠來討論，謝謝！

湘里狼

原帖由 XMLYH 于 2008-1-10 07:26 發(fā)表
盤形凸輪，圓柱凸輪和移動凸輪，在設(shè)計使用中，各有優(yōu)缺點。使用用途一般是兩個方面，一個是鎖緊作用，一個是起到定位導(dǎo)向作用。在定位鎖緊這方面，它明顯的特點是剛性大，是優(yōu)點也是缺點，容易對產(chǎn)品造成外表硬傷， ...

朋友，雖然我不精通凸輪機構(gòu)，您說的凸輪機構(gòu)剛性大，會把產(chǎn)品表面弄傷；那么，氣缸的剛性就小嗎？氣缸就不會把產(chǎn)品表面弄傷嗎？如果是想用凸輪機構(gòu)來夾緊產(chǎn)品的話，在前面加一個彈簧裝置不就OK了嗎？我們公司的自動機，從日本買過來的，全部是凸輪機構(gòu)的，非常的穩(wěn)定，想比之下，氣缸機構(gòu)的機器，是經(jīng)常要維修，今天更換電磁閥、明天更換感應(yīng)開關(guān)。

老腰

原帖由 湘里狼 于 2008-1-10 22:15 發(fā)表

朋友，雖然我不精通凸輪機構(gòu)，您說的凸輪機構(gòu)剛性大，會把產(chǎn)品表面弄傷；那么，氣缸的剛性就小嗎？氣缸就不會把產(chǎn)品表面弄傷嗎？如果是想用凸輪機構(gòu)來夾緊產(chǎn)品的話，在前面加一個彈簧裝置不就OK了嗎？我們公司的自 ...

湘里狼小兄弟，你好。
我想凸輪機構(gòu)與伺服機構(gòu)、氣動機構(gòu)相比，最主要的區(qū)別在于可變與不可變。
可以變的是伺服與氣動機構(gòu)，通過PLC進(jìn)行動作變化，設(shè)計及改造的周期短，很快能適應(yīng)生產(chǎn)，大量應(yīng)用在短銷售壽命產(chǎn)品的機器上，如消耗性的電子產(chǎn)品等。
反觀凸輪機構(gòu)則不可變，其設(shè)計、制造的周期相對較長，適用在穩(wěn)定長銷售壽命產(chǎn)品的機器上。

syw開門造車

老腰友好！

你的發(fā)言：凸輪機構(gòu)最大的優(yōu)點是：可實現(xiàn)高速化，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高；
1、可實現(xiàn)高速化-----------指頻率。
2、結(jié)構(gòu)緊湊-----------------指體積。
3、可靠性高-----------------指各動作步驟協(xié)調(diào)。
.
好象少歸納了一個優(yōu)點，既：精度。

我們網(wǎng)站以前討論“印刷機械給紙機設(shè)計”那個帖中有過這方面的討論。
幫你做個鏈接。

syw   080111---00.35

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印刷機械給紙機設(shè)計（多家對比）
http://bbs.cmiw.cn/viewthread.php?tid=24530&page=1

老腰

總工，你好。
1、高速化----高速度，換言之是高效率。
2、結(jié)構(gòu)緊湊----體積小。
3、可靠性高----穩(wěn)定，故障率低。
凸輪機構(gòu)的精度高是沒錯，但只是與氣動比較，與伺服控制相比就優(yōu)勢不大，而且伺服控制有取代凸輪之勢。
我是多次看了印刷機械欄目關(guān)于凸輪的討論，臘月的黃牛網(wǎng)友上傳的凸輪圖也收藏了，他們的討論也很到位，深入到行業(yè)的具體問題了，但我覺得還不夠廣泛。

syw開門造車

老腰友好！

伺服控制有取代凸輪之勢！

我非常認(rèn)同。在我們網(wǎng)站，我曾發(fā)過一個帖：<與我有關(guān)的機電一體化的故事>
在那個帖中談到的項目技術(shù)要求是：

一個直徑45毫米，長300毫米，重約500克的物體，讓其頻繁的高速啟動、停止。
一個工作循環(huán)是：啟動----軸圓周旋轉(zhuǎn)45度停止----軸向后退10毫米停止----軸圓周
高速旋轉(zhuǎn)1395度（總計4圈）停止-----軸向前進(jìn)10毫米復(fù)位停止。
技術(shù)要求是：每分鐘完成120個工作循環(huán)，旋轉(zhuǎn)定位精度==0度。軸向定位精度0毫米。
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在我之前，我國該行業(yè)普遍用的是“馬爾他 機構(gòu)”，噪音特大，維護難。

1992年時，該行業(yè)的工程師發(fā)明過“伺服氣缸結(jié)構(gòu)”，沒有成功。

2002年，該行業(yè)的工程師發(fā)明成功了“電磁離合器+凸輪+電磁磨擦片剎車”結(jié)構(gòu)，
存在的問題有兩個：
1、是控制不準(zhǔn)（采用的控制技術(shù)不當(dāng)）。
2、是工作一段時間，徑向定位不準(zhǔn)，時常需要調(diào)整。
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現(xiàn)在用的是我的方案：單片機+步進(jìn)電機+齒輪轉(zhuǎn)動+閉環(huán)檢測
最后達(dá)到的指標(biāo)是：每分鐘完成134個工作循環(huán)。角度定位精度==0度，軸向定位精度==0毫米，
而且噪聲非常低，功耗非常的低，重量非常的輕。

所以我認(rèn)同你的觀點：伺服控制有取代凸輪之勢！

syw   080111---01.53

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與我有關(guān)的機電一體化的故事
http://bbs.cmiw.cn/viewthread.php?tid=41917

[ 本帖最后由 syw開門造車 于 2008-1-11 02:12 編輯 ]