凸輪機構的設計與應用---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來，也帶進來了越來越多的凸輪機構，如包裝機械、印刷機械、自動機械等應用大量的凸輪機構，各大公司的機械研發部門開發了很多優良的凸輪運動曲線。可以這么說，由于凸輪機構具有獨特的機械特性而不斷擴散到各個行業中。在機械高度發展的今天，很多機械構件越來越模塊化，您可以隨手拿來就用，但凸輪機構還不能這么做，您得計算、分析再設計，這個彎您是繞不過去的。
目前我們的現狀
大學的機械課程中，凸輪機構的教學及研究還停留在過去70、80年代的水平，遠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，我建議進行一次關于凸輪機構設計與應用的討論，討論的主要內容如下：
一、為什么要用凸輪機構
二、凸輪機構的設計要點
三、凸輪機構材料及圖紙表達
四、凸輪機構的加工
五、凸輪機構的檢測
請各位大蝦踴躍發言，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，就我的工作經驗來談一下凸輪機構的優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。
凸輪機構最大的優點是可實現高速化，結構緊湊，可靠性高；最大的缺點是不可變，不能變更動作時間（角度）。
一、關于凸輪動作與氣缸動作的比較。
1、結構運動特性：  凸輪機構結構緊湊，可靠性高，可以實現高速自動化。在自動機械中，雖然也可以使用氣動裝置，但氣動動作結束時沖擊較大，當改變速度時，需要對節流閥進行調節，當生產速度提高較大時，氣缸裝置顯然無能為力。而用凸輪機構可以獲得平穩的運動，當速度改變時也可以保持同步。
氣壓易受壓力系統影響，當同一氣源的其他氣缸急速動作時，氣壓會下降，氣缸的動作也會產生變化，而凸輪始終處于穩定狀態。
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，一個動作未結束時可以開始下一動作，因此可以縮短循環時間。
3、故障率：  設計良好的凸輪機構可以使用到設備的終生，氣缸則無法達到此要求。
4、動作變化性：  當需要變化動作的次序與時間時，顯然凸輪機構無能為力。凸輪機構一旦設計使用，基本上是不可改變的（除了有些設計成可調角度的凸輪勉強能調整一點角度外），是剛性的。氣動則不然，可以通過PLC進行調整，是柔性的。
5、能耗  毫無疑問，凸輪的能耗要比氣缸裝置少，從能量的轉換來說，氣缸的能量是空氣壓縮機轉換過來的，存在著轉換損失和管道的嚴重泄露。此方面的介紹請看附件《壓縮機能耗》，此資料來自本社區淅開線網友，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://www.odgf.cn/?uid-27869
二、關于凸輪動作與伺服控制系統的比較
不容置疑，伺服控制由于有強大的適應性與靈活性在當今占據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，很多優良的運動曲線也是應伺服需要而開發的。與凸輪機構比較，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性與可變性，而凸輪機構的動作行程、同步和運動特性是不變的，無論負荷發生了多少的變化，其運動狀態是不會發生變化的。伺服機構通過伺服電動機進行數字控制實現運動控制，使用同一運動曲線的凸輪機構與伺服機構產生不同的運動動力效果。比較遺憾地說，在此方面凸輪機構還略勝一籌。
此方面的比較請看附件MPG格式文件，《與伺服系統對比（左伺服右凸輪）》，需要說明的是兩個機構都使用了改變正弦(MS)運動曲線。

XMLYH

盤形凸輪，圓柱凸輪和移動凸輪，在設計使用中，各有優缺點。使用用途一般是兩個方面，一個是鎖緊作用，一個是起到定位導向作用。在定位鎖緊這方面，它明顯的特點是剛性大，是優點也是缺點，容易對產品造成外表硬傷，另外它也怕震動，會造成鎖緊松動。現在有用氣動或液壓機構來代替它的。至于凸輪的另一個作用－定位導向作用，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來代替它。當然它的導向軌跡是它的硬傷，一般只限制在一個平面內的曲線或往復線段，或者限制在一個圓柱面內的起伏曲線.

老腰

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

2樓的Yours大俠，請具體談談凸輪的鎖緊作用與定位導向作用。謝謝！

湘里狼

支持老腰大俠的建議，歐美及日本等發達國家，在機器上大量的采用了凸輪機構，穩定性非常高。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 發表
盤形凸輪，圓柱凸輪和移動凸輪，在設計使用中，各有優缺點。使用用途一般是兩個方面，一個是鎖緊作用，一個是起到定位導向作用。在定位鎖緊這方面，它明顯的特點是剛性大，是優點也是缺點，容易對產品造成外表硬傷， ...

朋友，雖然我不精通凸輪機構，您說的凸輪機構剛性大，會把產品表面弄傷；那么，氣缸的剛性就小嗎？氣缸就不會把產品表面弄傷嗎？如果是想用凸輪機構來夾緊產品的話，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，全部是凸輪機構的，非常的穩定，想比之下，氣缸機構的機器，是經常要維修，今天更換電磁閥、明天更換感應開關。

老腰

原帖由 湘里狼 于 2008-1-10 22:15 發表

朋友，雖然我不精通凸輪機構，您說的凸輪機構剛性大，會把產品表面弄傷；那么，氣缸的剛性就小嗎？氣缸就不會把產品表面弄傷嗎？如果是想用凸輪機構來夾緊產品的話，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。
我想凸輪機構與伺服機構、氣動機構相比，最主要的區別在于可變與不可變。
可以變的是伺服與氣動機構，通過PLC進行動作變化，設計及改造的周期短，很快能適應生產，大量應用在短銷售壽命產品的機器上，如消耗性的電子產品等。
反觀凸輪機構則不可變，其設計、制造的周期相對較長，適用在穩定長銷售壽命產品的機器上。

syw開門造車

老腰友好！

你的發言：凸輪機構最大的優點是：可實現高速化，結構緊湊，可靠性高；
1、可實現高速化-----------指頻率。
2、結構緊湊-----------------指體積。
3、可靠性高-----------------指各動作步驟協調。
.
好象少歸納了一個優點，既：精度。

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

syw   080111---00.35

//*****************************************************
印刷機械給紙機設計（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、結構緊湊----體積小。
3、可靠性高----穩定，故障率低。
凸輪機構的精度高是沒錯，但只是與氣動比較，與伺服控制相比就優勢不大，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于凸輪的討論，臘月的黃牛網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！

我非常認同。在我們網站，我曾發過一個帖：<與我有關的機電一體化的故事>
在那個帖中談到的項目技術要求是：

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。
一個工作循環是：啟動----軸圓周旋轉45度停止----軸向后退10毫米停止----軸圓周
高速旋轉1395度（總計4圈）停止-----軸向前進10毫米復位停止。
技術要求是：每分鐘完成120個工作循環，旋轉定位精度==0度。軸向定位精度0毫米。
//*****************************************************
在我之前，我國該行業普遍用的是“馬爾他 機構”，噪音特大，維護難。

1992年時，該行業的工程師發明過“伺服氣缸結構”，沒有成功。

2002年，該行業的工程師發明成功了“電磁離合器+凸輪+電磁磨擦片剎車”結構，
存在的問題有兩個：
1、是控制不準（采用的控制技術不當）。
2、是工作一段時間，徑向定位不準，時常需要調整。
//*******************************************************************
現在用的是我的方案：單片機+步進電機+齒輪轉動+閉環檢測
最后達到的指標是：每分鐘完成134個工作循環。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。

所以我認同你的觀點：伺服控制有取代凸輪之勢！

syw   080111---01.53

//**********************************************************
與我有關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 ]