第11讲 凸轮机构
本讲目标
- 理解凸轮机构的原理，并在 Fusion 中进行设计
- 使用相切关系对凸轮进行仿真
- 理解并设计曲柄摇杆机构
课程视频
关于视频语言
以下课程视频为日语讲解。请配合本页的图文步骤一起观看。
| 视频 | 内容 |
|---|---|
| 11.1 DXF 文件的导出・凸轮 | DXF 导出（前半）、凸轮机构的设计（后半） |
| 11.2 凸轮 | 曲柄摇杆机构 |
课前准备
请下载以下 .f3d 文件，并上传到 Fusion 中。
| 文件 | 用途 |
|---|---|
| 12. 凸轮机构.f3d | 凸轮机构的模板（已备好机架、轴与手柄） |
| 13. 曲柄摇杆.f3d | 曲柄摇杆的组装练习（参考） |
| 13. 曲柄摇杆（完成版）.f3d | 曲柄摇杆的完成范例（参考） |
部件的整理
当 Fusion 浏览器面板中的部件变多时，可以用以下父部件来整理：
- 机体（筐体）：机架、侧板、顶板等
- 主动件（原动节）：手柄、轴、齿轮等传递动力的零件
- 从动件（従動節）：凸轮、从动件等接受动力的零件
关于机构的种类
除了上一讲的齿轮机构和本讲的凸轮机构之外，还有许多可以用在机关作品中的机构。
| 机构 | 特点 |
|---|---|
| 正齿轮 | 在平行轴之间传递旋转（上一讲已学） |
| 锥齿轮（伞齿轮） | 在直角相交的轴之间传递旋转 |
| 蜗轮蜗杆 | 可获得很大的减速比，并具有防逆转功能 |
| 齿条与齿轮 | 把旋转运动转换为直线运动 |
| 凸轮机构 | 把旋转转换为上下运动（本讲学习） |
| 曲柄滑块 | 把旋转转换为直线往复运动（活塞运动） |
| 曲柄摇杆 | 把旋转转换为摆动运动（本讲学习・参考） |
参考：からくりすと（Karakurist） — 可以观看各种机构的动画
1. 什么是凸轮机构
凸轮机构 是把旋转运动转换为往复运动（如上下运动）的机构。广泛用于机关人偶、八音盒等。
凸轮机构的构成
| 零件 | 作用 |
|---|---|
| 凸轮 | 旋转的零件。形状不同，运动模式也不同 |
| 从动件（Follower） | 沿凸轮表面运动的零件，输出上下运动 |
| 机架 | 支撑凸轮与从动件的结构体 |
凸轮的种类
| 凸轮形状 | 运动特点 |
|---|---|
| 圆盘凸轮（偏心凸轮） | 平滑的上下运动。最为简单 |
| 心形凸轮 | 等速上升、等速下降。节奏均匀的运动 |
| 蛋形凸轮 | 缓慢上升、快速下降（或反之） |
| 不规则凸轮 | 可以自由设计运动，适合创作 |
2. 在 Fusion 中设计凸轮机构
打开 12. 凸轮机构.f3d。文件中已经准备好了机架、轴与手柄。
凸轮的创建
- 在合适的平面上创建草图
- 画一个 圆（例：直径 22.5 mm）
- 在圆心处画出 轴孔（直径 2 mm）
- 关键点：把轴孔的位置从圆心偏移开
偏心量与上下行程的关系
轴孔从圆心 偏移多少，决定了上下运动的行程。
- 偏移距离的 2 倍 就是上下运动的行程
- 例：从圆心偏移 6.25 mm → 上下 12.5 mm 的往复运动
偏移距离越大运动幅度越大，但机构承受的负荷也越大。
- 用 草图尺寸 精确设定孔的位置（例：距圆心 6.25 mm）
- 把草图 拉伸（厚度 2.5 mm，按 MDF 计）
- 以 新建部件 的方式创建，并把名称改为「凸轮」
凸轮承接面的制作
承受凸轮推力的面需要尽量做大。
- 在新草图中画一个 正方形（例：15 × 15 mm，中心开 2 mm 的孔）
- 拉伸 2.5 mm，并设为 新建部件（名称：「凸轮面」）
- 用 刚性接头 装到轴杆的端部
- 如果接头之后出现错位，可右键 → 编辑接头 微调偏移量（例：-0.75 mm）
摩擦与轴弯曲的对策
凸轮机构中，凸轮与从动件之间会产生摩擦。实际制作时可以：
- 涂抹 润滑喷雾
- 使用 亚克力板 等更顺滑的材料
- 增加凸轮的厚度（叠加 MDF）
- 加大凸轮承接面（增加接触面积）
- 缩短轴的无支撑区段（用垫片填补间隙）。轴一旦弯曲，凸轮就无法正确接触
轴（从动件）的接头设置
让从动件的杆只能上下运动：
- 用 滑块接头 连接轴与顶板
- 方向设为 上下方向（Y 轴）
- 此时还不会与凸轮联动
用相切关系仿真凸轮的运动
要让凸轮的曲面与从动件的面始终保持接触，不能用运动链接，而要用「相切关系」。
为什么不能用运动链接
齿轮可以按旋转角度的比例联动，但凸轮机构中「转多少度就移动多少毫米」并不是恒定的。由于会随凸轮形状变化，所以要用 相切关系 来设定「两个面始终保持接触」这一约束。
- 选择 装配 → 相切关系
- 点击 凸轮的外周面
- 点击 从动件的凸轮承接面
- 按 确定 后，系统会自动计算出正确的位置关系
设置完成后，拖动手柄的旋转接头进行旋转，凸轮承接面就会在始终贴合凸轮的状态下上下运动。
3. 曲柄摇杆机构（参考）
参考资料
曲柄摇杆机构会根据授课进度决定是否讲解。有时会因时间关系省略，但它也可以用在期末作品中。课堂系统中提供了完成范例文件，有兴趣的同学可以自学。
曲柄摇杆机构 是把旋转运动转换为摆动（往复旋转）运动的机构。它以与凸轮机构不同的方式实现往复运动。
组成零件
| 零件 | 作用 |
|---|---|
| 曲柄 | 朝固定方向旋转的输入零件（用手柄转动） |
| 连杆 | 连接曲柄与摇杆的连接件 |
| 摇杆 | 在一定角度范围内摆动的输出零件 |
| 机架 | 固定曲柄与摇杆的旋转轴 |
在 Fusion 中组装曲柄摇杆
打开 13. 曲柄摇杆.f3d。各个零件已经做好，但还没有设置接头。
- 固定 机架（推荐使用钉住功能）
- 用 旋转接头 把 曲柄 连接到机架上
- 用 旋转接头 把 连杆 的一端连接到曲柄上
- 用 旋转接头 把 连杆 的另一端连接到摇杆上
- 用 旋转接头 把 摇杆 连接到机架上
要点在于：所有接头都是 旋转接头。
组装完成后，试着拖动曲柄让它旋转。可以看到摇杆会在一定角度范围内摆动。
注意连杆比例
曲柄的长度、连杆的长度以及两个轴之间的距离，三者的平衡非常重要。平衡不好机构就会卡死不动。请与 13. 曲柄摇杆（完成版）.f3d 对照确认。
4. 凸轮机构与曲柄摇杆机构的比较
| 特点 | 凸轮机构 | 曲柄摇杆机构 |
|---|---|---|
| 输出的运动 | 直线往复（上下运动） | 摆动（往复旋转） |
| 运动的自由度 | 可通过凸轮形状自由设计 | 通过连杆比例调整摆动角度 |
| 零件数量 | 少（凸轮 + 从动件） | 多（曲柄 + 连杆 + 摇杆） |
| 平顺性 | 取决于凸轮形状 | 因为是连杆机构，相对平顺 |
| 制作时的注意点 | 需要做摩擦对策 | 打孔与销连接的精度很关键 |
| 在机关作品中的用途 | 人偶的上下运动、摇头 | 挥臂、踏步、打鼓 |
练习作业
- 在
12. 凸轮机构.f3d中创建凸轮，并用相切关系进行仿真 - 改变凸轮的偏心量，观察上下行程如何变化
- 自己为
13. 曲柄摇杆.f3d设置接头并完成组装 - 与
13. 曲柄摇杆（完成版）.f3d对照，确认动作是否正确 - 思考哪一种机构更适合自己的机关作品
提交物
请把完成的 .f3d 文件提交到课堂系统（Classroom）。