彭智婷　李克忠

【摘 要】機(jī)械原理中凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)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(xué)效率，使學(xué)生快速掌握凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本知識(shí)。設(shè)計(jì)制作了一種便攜、直觀、教學(xué)內(nèi)容全面的凸輪設(shè)計(jì)教學(xué)輔助儀器。運(yùn)用反轉(zhuǎn)法原理，通過(guò)控制從動(dòng)件有規(guī)律地上下運(yùn)動(dòng)，結(jié)合畫板的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，繪制凸輪的輪廓曲線。并且給出了五種經(jīng)典從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，模塊化凸輪的四個(gè)運(yùn)動(dòng)階段，區(qū)分了擺動(dòng)從動(dòng)件與直動(dòng)從動(dòng)件、偏置凸輪與對(duì)心凸輪、圓形輪與偏心輪的運(yùn)動(dòng)形式。重點(diǎn)介紹了凸輪輪廓曲線的成型過(guò)程，基圓半徑、壓力角、推程回程、偏心距等基本參數(shù)可調(diào)節(jié)、可讀取。

【關(guān)鍵詞】凸輪機(jī)構(gòu)；輪廓曲線；設(shè)計(jì)輔助；反轉(zhuǎn)法

0 前言

隨著國(guó)家對(duì)于機(jī)械行業(yè)人才綜合素質(zhì)要求的提高，所以對(duì)高校機(jī)械類的課程，特別是機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)類課程的要求也在不斷提高。就目前機(jī)械原理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式來(lái)看，對(duì)于理論基礎(chǔ)知識(shí)的講解幾乎還處在空白狀態(tài)，尤其是實(shí)驗(yàn)課教具還停留在傳統(tǒng)的“一物一模型”階段，這已經(jīng)與當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣與思維習(xí)慣脫節(jié)，也與日益增長(zhǎng)的對(duì)機(jī)械行業(yè)人才需求量的客觀現(xiàn)實(shí)相矛盾[1]。我們這一款教具的設(shè)計(jì)理念始終圍繞著“趣味、直觀、深度”這三個(gè)方面展開(kāi)，與時(shí)俱進(jìn)。本創(chuàng)意來(lái)源于機(jī)械原理中反轉(zhuǎn)法繪制凸輪廓線，能讓學(xué)生更直觀的掌握凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)方法， 使學(xué)生掌握凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本知識(shí)， 能根據(jù)選定的凸輪類型和推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)出輪廓曲線，掌握凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸確定的原則。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其工作原理

圖1 反轉(zhuǎn)法原理

盤形凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪輪廓成型原理我們稱之為反轉(zhuǎn)法，所謂反轉(zhuǎn)法，是建立在相對(duì)運(yùn)動(dòng)不變性原理的一種方法[2]，利用反轉(zhuǎn)法原理（如圖1）設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)成型教具。該教具為立式結(jié)構(gòu)分為正反兩面，一面可根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線畫出凸輪輪廓線，另一面根據(jù)凸輪輪廓反畫出運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。原動(dòng)件為齒輪，從動(dòng)件為齒條的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置，齒條與曲線板一端連接，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，齒輪帶動(dòng)連著曲線板的齒條運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)曲線板實(shí)現(xiàn)左右平移運(yùn)動(dòng)。齒輪與齒輪軸過(guò)盈配合，齒輪軸一端與畫盤固定連接，沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。畫盤和曲線板由筆和可滑動(dòng)的頂針連接。教具正面，頂針在曲線板的曲線輪廓內(nèi)運(yùn)動(dòng)，控制畫筆從動(dòng)件有規(guī)律的上下平動(dòng)，結(jié)合圓盤畫板的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，改變輪廓軌跡與圓盤回轉(zhuǎn)中心的距離從而畫出不同從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律所對(duì)應(yīng)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(dòng)件與偏心圓凸輪輪廓產(chǎn)生穩(wěn)定的力鎖合，在凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，控制畫筆有規(guī)律地?cái)[動(dòng)，結(jié)合齒輪齒條機(jī)構(gòu)帶動(dòng)曲線板的平移運(yùn)動(dòng)，可畫出擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。直觀地演示了反轉(zhuǎn)法凸輪輪廓曲線形成的基本原理，基本結(jié)構(gòu)如圖2-圖3所示。

1.活動(dòng)上導(dǎo)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(dǎo)軌；13.齒輪；14.凸輪；15.轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線板模塊化設(shè)計(jì)

曲線板一共包括五條經(jīng)典從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，如圖4所示，從上至下它們分別是：余弦加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、正弦加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律、等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、等速運(yùn)動(dòng)規(guī)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(gè)鋼板經(jīng)過(guò)線切割以后，可以實(shí)現(xiàn)任意拼接，如圖5所示，從而組合成多條不同的運(yùn)動(dòng)曲線。

原始的曲線板默認(rèn)有五條曲線，四個(gè)運(yùn)動(dòng)階段。這四個(gè)運(yùn)動(dòng)階段分別是：推程、遠(yuǎn)休、回程、近休[4]，經(jīng)過(guò)巧妙的模塊化處理，可以自由組合凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)具有的階段，如圖5所示，得到以下四種不同的運(yùn)動(dòng)過(guò)程：1.推程——遠(yuǎn)休——回程——近休；2.推程——遠(yuǎn)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(shuō)明

通過(guò)機(jī)構(gòu)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(duì)凸輪演示儀的功能及操作方法予以說(shuō)明：

1）使用前按照需要自由選取從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，通過(guò)曲線板的模塊拼接，調(diào)整推程-遠(yuǎn)休-回程-近休的位置，選定基圓半徑大小或偏置從動(dòng)件的偏距大小，再將頂針旋入曲線槽內(nèi)。

2）通過(guò)調(diào)節(jié)曲線筆固定桿，可選取所需繪制凸輪的基圓大小。繪制過(guò)程中搖動(dòng)圓盤后的搖桿，可在繪制過(guò)程中停留講解，轉(zhuǎn)動(dòng)一周后即形成一周凸輪輪廓。

3）通過(guò)調(diào)節(jié)曲線筆連接桿，可繪制不同偏距大小的偏置從動(dòng)件偏置凸輪輪廓曲線。

4）當(dāng)頂針依靠重力自動(dòng)換入下一個(gè)曲線檔位時(shí)，可自動(dòng)在另一基圓半徑上繪制另一種運(yùn)動(dòng)規(guī)律的凸輪輪廓線。

5）通過(guò)調(diào)節(jié)筆桿之間的距離可繪制出滾子從動(dòng)件盤形凸輪實(shí)際輪廓曲線與理論輪廓曲線。

6）曲線繪制在設(shè)計(jì)好的極坐標(biāo)刻度圓盤上，可對(duì)基圓半徑大小、壓力角大小、偏置從動(dòng)件的偏置距離、推程回程距離進(jìn)行直觀的讀取。

7）翻轉(zhuǎn)至背面，安裝成型凸輪，逆向演示出擺動(dòng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)原理。

4 總結(jié)

所述復(fù)合型教具從本質(zhì)上克服了傳統(tǒng)教具的不足，體現(xiàn)了“一物多用”、“一物巧用”、“一物深用”的現(xiàn)代化教具設(shè)計(jì)思路?！耙晃锒嘤谩北憩F(xiàn)在一套凸輪教具幾乎囊括了有關(guān)凸輪教學(xué)過(guò)程中的所有知識(shí)點(diǎn)，能全面、直觀、深刻的了解從動(dòng)件各種運(yùn)動(dòng)規(guī)律， 使從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律和反轉(zhuǎn)法成型原理不抽象。“一物巧用”表現(xiàn)在通過(guò)現(xiàn)代控制理論和富有新穎性的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)克服了探索型教具研制過(guò)程中的瓶頸問(wèn)題，整個(gè)儀器為雙面立式結(jié)構(gòu)，操作簡(jiǎn)單，方便攜帶， 也方便觀察和學(xué)習(xí)，用于機(jī)械專業(yè)的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)興趣培養(yǎng)均可?！耙晃锷钣谩斌w現(xiàn)在所述復(fù)合型教具不僅僅用于機(jī)械原理中凸輪原理及其設(shè)計(jì)教學(xué)的教學(xué)場(chǎng)合，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程與科研領(lǐng)域亦有相當(dāng)?shù)挠梦渲?，提高機(jī)械生產(chǎn)效率，提高設(shè)計(jì)人員的工作效率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙友紅，周知進(jìn).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2011，5.

[2]潘存云.機(jī)械原理[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2012，12.

[3]李儉，張錦波.應(yīng)用包絡(luò)面理論建立直動(dòng)從動(dòng)件圓錐凸輪機(jī)構(gòu)凸輪廓面方程[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002（9）：25，27.

[4]張春林，白士紅.打緯共軛凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（9）：25，27.

[5]朱皞，葛正浩，蘇鵬剛，李競(jìng)洋.基于ADAMS的平行分度凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真[J].包裝工程，2009，31（22）：221-223.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]