Hướng dẫn Thiết kế và Chế tạo Cam, Ấn bản lần thứ 2 - Robert L. Norton

• Tác giả: Robert L. Norton
• Trường học: Worcester Polytechnic Institute
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Cẩm nang thiết kế và sản xuất cam
• Loại tài liệu: Sách tham khảo
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: New York

Tóm tắt

I. Tổng quan về Cam Design and Manufacturing Handbook của Norton

Cam Design and Manufacturing Handbook là tác phẩm chuyên sâu về thiết kế và chế tạo cơ cấu cam, được biên soạn bởi Giáo sư Robert L. Norton thuộc Học viện Bách khoa Worcester. Ấn bản thứ hai do Industrial Press Inc. xuất bản năm 2009 tại New York, đánh dấu sự cập nhật toàn diện so với phiên bản đầu tiên. Cuốn sách được giới thiệu bởi nhiều chuyên gia hàng đầu trong ngành cơ khí, bao gồm cả những người từ công ty Gillette. Nội dung trải dài từ kiến thức nền tảng về động học và động lực học máy móc đến các chủ đề nâng cao như hàm spline và phân tích dao động. Tác giả nổi tiếng với khả năng kết hợp lý thuyết hàn lâm với ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp. Sách được biên soạn điện tử hoàn toàn trên máy tính Macintosh, sử dụng các phần mềm chuyên dụng như Freehand, MathType và Pagemaker. Đây là tài liệu tham khảo không thể thiếu cho cả sinh viên kỹ thuật và kỹ sư hành nghề trong lĩnh vực thiết kế máy tự động hóa.

1.1. Thông tin xuất bản và tác giả Robert L. Norton

Robert L. Norton là giáo sư tại Học viện Bách khoa Worcester, nổi tiếng với khả năng gắn kết nghiên cứu học thuật với ứng dụng công nghiệp thực tiễn. Ông duy trì mối quan hệ chặt chẽ với các kỹ sư hành nghề trong suốt sự nghiệp giảng dạy và nghiên cứu. Cuốn Cam Design and Manufacturing Handbook ấn bản thứ hai được Industrial Press Inc. xuất bản năm 2009 tại địa chỉ 989 Avenue of the Americas, New York, NY 10018. Sách có mã Cataloging-in-Publication 2009004571, bao gồm mục lục chi tiết và chỉ mục đầy đủ. Bản quyền thuộc về Industrial Press Inc., mọi hình thức sao chép đều cần có sự cho phép của nhà xuất bản.

1.2. Phạm vi nội dung và đối tượng độc giả

Cuốn sách phục vụ hai nhóm đối tượng chính: sinh viên kỹ thuật cơ khí và kỹ sư hành nghề trong ngành chế tạo máy. Nội dung bao trùm toàn bộ quy trình thiết kế cam, từ nguyên lý cơ bản đến các kỹ thuật nâng cao như hàm spline và phân tích dao động. Sách cung cấp kiến thức về động học và động lực học của cơ cấu cam, giúp người đọc hiểu rõ hành vi vận hành của hệ thống cam-trục lăn. Các chủ đề được trình bày theo trình tự logic, từ lý thuyết nền tảng đến ứng dụng thực tế. Nội dung đặc biệt hữu ích cho các kỹ sư làm việc trong lĩnh vực thiết kế máy tự động hóa tốc độ cao.

II. Phân tích các vấn đề kỹ thuật trong thiết kế cam

Thiết kế cam đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng nhiều yếu tố kỹ thuật phức tạp. Một trong những thách thức lớn nhất là kiểm soát gia tốc và giật để giảm thiểu tiếng ồn và rung động trong hệ thống. Cuốn sách của Norton trình bày chi tiết các đường cong cam khác nhau, bao gồm đường cong hình thang và đường cong gia tốc hằng số. Đường cong gia tốc hình thang được xây dựng bằng cách kết hợp sóng sin với sóng vuông, tạo ra giá trị giật hữu hạn thay vì vô hạn như ở gia tốc hằng số thuần túy. Các thông số như lực, khối lượng, chiều dài và thời gian có mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Việc chuyển đổi đơn vị giữa hệ mét SI và hệ đo lường Hoa Kỳ cũng là nguồn gốc của nhiều nhầm lẫn trong tính toán kỹ thuật. Hệ SI sử dụng khối lượng, chiều dài và thời gian làm đơn vị cơ sở, trong khi hệ Hoa Kỳ chọn lực, chiều dài và thời gian. Cuốn sách giải quyết toàn diện những vấn đề này để giúp kỹ sư tránh sai sót trong thiết kế.

2.1. Đường cong cam hình thang và các biến thể

Đường cong gia tốc hình thang là một trong những dạng phổ biến nhất trong thiết kế cam. Đường cong này có đặc điểm chuyển đổi gia tốc từ giá trị tối đa xuống tối thiểu tại trung tâm khoảng dao động. Biến thể được sử dụng nhiều nhất là đường cong hình thang biến đổi, được tạo bằng cách kết hợp sóng sin với sóng vuông. Quá trình xây dựng bao gồm bốn bước chính: lấy sóng sin, tách sóng sin, lấy sóng vuông gia tốc hằng số, và kết hợp hai loại sóng. Phần sóng sin thường được chèn tại các vị trí β/8, 3β/8, 5β/8 và 7β/8 của chu kỳ. Phương pháp này do Neklutin đề xuất và được Norton giới thiệu chi tiết trong cuốn sách.

2.2. Vấn đề chuyển đổi đơn vị trong tính toán cam

Chuyển đổi đơn vị giữa hệ SI và hệ đo lường Hoa Kỳ là nguồn gốc phổ biến của sai sót trong thiết kế cam. Hệ SI chọn khối lượng, chiều dài và thời gian là đơn vị cơ sở, dẫn đến đơn vị lực là đơn vị dẫn xuất. Ngược lại, hệ Hoa Kỳ chọn lực, chiều dài và thời gian làm đơn vị cơ sở, khiến khối lượng trở thành đơn vị dẫn xuất phụ thuộc vào hằng số trọng lực địa phương. Sự khác biệt này gọi là hệ thống trọng lực, nơi giá trị khối lượng thay đổi theo vị trí địa lý. Cuốn sách của Norton giải thích rõ ràng cách xử lý chuyển đổi này để đảm bảo tính chính xác trong mọi phép tính kỹ thuật liên quan đến thiết kế và chế tạo cam.

III. Giải pháp và phương pháp thiết kế cam hiệu quả

Norton trình bày nhiều phương pháp thiết kế cam nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu các vấn đề về rung động, tiếng ồn. Phương pháp tiếp cận bao gồm việc lựa chọn đường cong cam phù hợp, tính toán động học chính xác, và phân tích động lực học toàn diện. Các hàm spline cho phép tạo đường cong mượt mà, giảm tập trung ứng suất và cải thiện tuổi thọ cơ cấu. Phân tích dao động giúp dự đoán và kiểm soát hiện tượng cộng hưởng trong hệ thống cam-trục lăn. Cuốn sách cung cấp công thức toán học chi tiết cho từng loại đường cong, bao gồm cả vị trí, vận tốc, gia tốc và giật. Thiết kế cam trong máy lắp ráp tự động đòi hỏi sự đồng bộ hóa chính xác giữa nhiều trạm làm việc. Sách minh họa điều này qua sơ đồ thời gian của máy lắp ráp tự động tại công ty Gillette, cho thấy cách cam điều khiển các cơ cấu bập bênh, tay đòn và xilanh khí nén.

3.1. Ứng dụng hàm spline trong thiết kế cam

Hàm spline là công cụ mạnh mẽ trong thiết kế cam, cho phép tạo ra các đường cong liên tục và mượt mà. Các hàm này đặc biệt hữu ích khi cần tối ưu hóa chuyển động của trục lăn theo dõi mà không gây ra nhảy giật gia tốc. Norton giới thiệu chi tiết cách áp dụng spline để thiết kế profile cam, đảm bảo tính liên tục đạo hàm bậc cao. Phương pháp này giúp giảm tiếng ồn và rung động hiệu quả so với các đường cong truyền thống. Spline cũng cho phép tùy chỉnh linh hoạt để đáp ứng yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng công nghiệp, từ máy đóng gói tốc độ cao đến hệ thống lắp ráp chính xác.

3.2. Phân tích dao động và kiểm soát rung động

Phân tích dao động đóng vai trò quan trọng trong thiết kế cam hiện đại, đặc biệt với xu hướng tăng tốc độ hoạt động của máy móc. Norton trình bày phương pháp phân tích rung động tự do và cưỡng bức trong hệ thống cam-trục lăn. Việc xác định tần số riêng của hệ thống giúp tránh hiện tượng cộng hưởng gây hỏng cơ cấu. Sách cung cấp các công cụ tính toán để dự đoán biên độ dao động và đề xuất giải pháp giảm chấn. Kiểm soát rung động cũng liên quan trực tiếp đến việc loại bỏ hoặc giảm thiểu nguồn tiếng ồn cơ học. Đây là yêu cầu cấp thiết trong công nghiệp chế tạo máy tự động tốc độ cao ngày nay.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của cuốn sách

Cam Design and Manufacturing Handbook của Norton là tài liệu tham khảo toàn diện nhất về thiết kế và chế tạo cam trong lĩnh vực cơ khí. Ấn bản thứ hai năm 2009 cập nhật những tiến bộ mới nhất trong công nghệ thiết kế, bao gồm phần mềm mô phỏng và kỹ thuật chế tạo tiên tiến. Cuốn sách được đánh giá cao bởi các chuyên gia trong ngành, từ học viện đến doanh nghiệp. Ứng dụng thực tế của kiến thức trong sách trải rộng trên nhiều lĩnh vực: máy lắp ráp tự động, máy đóng gói, động cơ đốt trong, và hệ thống robot công nghiệp. Sách cung cấp nền tảng vững chắc để kỹ sư có thể thiết kế cơ cấu cam hoạt động nhanh hơn và hiệu quả hơn. Với sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành, đây là nguồn tài nguyên quý giá cho bất kỳ ai làm việc trong lĩnh vực thiết kế máy móc và cơ chế tự động hóa.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp chế tạo tự động

Kiến thức từ cuốn sách được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo máy tự động hóa. Tại công ty Gillette, các kỹ sư sử dụng nguyên lý thiết kế cam để tạo ra cơ chế lắp ráp hoạt động với tốc độ cao và độ chính xác vượt trội. Sơ đồ thời gian của máy lắp ráp tự động cho thấy cách cam điều phối đồng bộ nhiều trạm làm việc, bao gồm cơ cấu bập bênh, tay đòn kết nối và xilanh khí nén. Thiết kế cam cũng được áp dụng trong động cơ đốt trong, hệ thống phân phối và máy đóng gói thực phẩm. Nhu cầu tạo ra cơ chế nhanh hơn, hiệu quả hơn và ít tiếng ồn hơn thúc đẩy nghiên cứu liên tục trong lĩnh vực này.

4.2. Giá trị học thuật và thực hành của cuốn sách

Cuốn sách được viết bởi tác giả có kinh nghiệm cả trong giảng dạy đại học và tư vấn công nghiệp, tạo nên sự cân bằng hoàn hảo giữa lý thuyết và thực hành. Giáo sư Norton nổi tiếng với khả năng gắn kết nghiên cứu hàn lâm với ứng dụng thực tiễn tại các công ty hàng đầu. Sách bao gồm đóng góp từ các chuyên gia như Ronald G., tăng thêm giá trị đa chiều cho nội dung. Đọc giả được tiếp cận từ kiến thức nền tảng đến phát triển công nghệ mới nhất trong lĩnh vực cam. Đây là tài liệu không thể thiếu cho thư viện kỹ thuật của bất kỳ tổ chức giáo dục hay doanh nghiệp nào liên quan đến thiết kế máy móc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Cam Design and Manufacturing, 2nd Edition Cam Design and Manufacturing Handbook Second Edition Robert L. Worcester Polytechnic Institute http://www.edu/Norton/ and Norton Associates Engineering http://www.com Industrial Press New York Copyright 2009, Industrial Press Inc., New York, NY - http://industrialpress.com Cam Design and Manufacturing, 2nd Edition Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Norton, Robert L. Cam Design and Manufacturing Handbook / Robert L. Norton—2nd edition; p. cm Includes index and contributions by Ronald G. Design and construction. Machinery, Kinematics of. Machinery, Dynamics of.8'38—dc22 2009004571 All text, drawings, and equations in this book were prepared and typeset electronically, by the author, on a Macintosh® computer using Freehand®, MathType®, and Pagemaker® desktop publishing software. The body text was set in Times Roman, and headings set in Avant Garde. Printing press plates were made directly from the author's files. Cover design by Janet Romano. Cover and title page photos courtesy of The Ferguson Company, St. Industrial Press, Inc. 989 Avenue of the Americas New York, NY 10018 Copyright © 2009 by Industrial Press Inc. Printed by Thomson Press. All rights reserved. This book, or any parts thereof, may not be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form without the permission of the publisher. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 II Copyright 2009, Industrial Press Inc., New York, NY - http://industrialpress.com Cam Design and Manufacturing, 2nd Edition This book is dedicated to the memory of: Dr. Mosier 1938-2008 A gentleman, scholar, superb mathematician, and a good friend. He will be greatly missed. III Copyright 2009, Industrial Press Inc., New York, NY - http://industrialpress.com Cam Design and Manufacturing, 2nd Edition Copyright 2009, Industrial Press Inc., New York, NY - http://industrialpress.com Cam Design and Manufacturing, 2nd Edition FOREWORD For many years, Professor Robert L. Norton has been known not only for his teaching skills, but also for his ability to tie his academic work very closely to practical applica- tions in industry. He has always made time to work in the field, building and maintain- ing strong relationships with practicing engineers throughout industry. His teachings and practice range from fundamentals to state-of-the-art developments. Professor Norton’s newest book, Cam Design and Manufacturing Handbook, is the most comprehensive work we know of on a subject that is so important to machine de- sign. From cover to cover, the book provides valuable information for both students and practicing engineers. It is a complete work, ranging from the basics of cam design and manufacture to advanced topics such as spline functions and vibration analysis. At Gillette and throughout industry, engineers are constantly challenged to create mechanisms that perform faster and more efficiently than ever before. Sources of acous- tic noise must be eliminated or minimized. Machines must run without failure and they must run for long periods of time between routine maintenance. Designing and building equipment that satisfy all of these criteria is essential to achieving high levels of produc- tivity, product quality, and competitiveness. All of these challenges can be addressed through proper attention to cam design. By working closely with Professor Norton to learn and apply the principles covered in this book, we have been able to manufacture new products with unprecedented levels of productivity, quality, and reliability. We have also been able to improve the perfor- mance of existing equipment. I am confident that students and practicing engineers alike will find this book to be an essential text and reference. Lyden Group Director, Manufacturing, Blades & Razors The Gillette Company Boston, Massachusetts V Copyright 2009, Industrial Press Inc., New York, NY - http://industrialpress.com Cam Design and Manufacturing, 2nd Edition PREFACE Cam-follower systems are an extremely important and ubiquitous component in all kinds of machinery. It is difficult to find examples of machinery that do not use one or more cams in their design. Cams are the first choice of many designers for motion control where high precision, repeatability, and long life are required.* All automotive engines depend on cams for their proper valve function. Most automated production machinery uses cams extensively. The design and manufacture of cams has changed dramatically in recent years. The development and proliferation of computers in engineering design and of numerical con- trol in manufacturing have completely changed the process of cam design and manufac- turing, and very much for the better. Until about the late 1960’s cams were designed only by manual graphical layout techniques, manufactured in low quantities by manually con- trolled machining methods and in high quantities by analog duplication of a hand-dressed master cam. The subtleties of the effects of higher derivatives of the cam’s chosen math- ematical function were often ignored, due either to ignorance of their importance, or the inability to accurately determine their effects given the lack of computational facilities available at the time. Currently, it is virtually universal and also very economical to use computer-aided engineering and design techniques to create cam geometry, including proper consider- ation of the effects of higher derivatives, and also to make the cam with high precision using continuous numerically controlled milling, grinding, or electrical discharge ma- chining (EDM) equipment. A significant number of fundamental research results on the subject of cam design and manufacture have been published in recent years. This book is intended to provide a definitive reference for the design and manufacturing of cam- follower systems by bringing up-to-date cam design technology and cam research to- gether between a single set of covers for the benefit of the design and manufacturing engineering community. The book takes the subject from an introductory level through advanced topics need- ed to properly design, model, analyze, specify, and manufacture cam-follower systems. Beginning with a description of "how not to design a cam" in order to point out pitfalls that may not be obvious to the beginner, the proper way to design a cam for multiple and single-dwell situations is developed in detail. All the acceptable (and some unaccept- able) classical cam functions are described and their mathematics defined for the com- mon double-dwell application. Polynomial functions are introduced and used for both double- and single-dwell examples. Problems with polynomial cams are defined in de- * Some machines use tail and ways to design around these problems are discussed. Spline functions are intro- pneumatic devices for duced as a class of cam motion functions that can solve the most difficult cam design motion control rather than problems. Many examples are developed to show how splines, especially B-splines, can cams. The former have poor dynamics and solve otherwise intractable cam design problems. accuracy compared to cam- The issues of cam pressure angle and radius of curvature are fully addressed for driven machines. various types of cams and followers: radial, barrel, globoidal, translating, and oscillat- VI Copyright 2009, Industrial Press Inc., New York, NY - http://industrialpress.com Cam Design and Manufacturing, 2nd Edition ing, roller and flat-faced. The dynamics of the cam-follower system are introduced along with techniques for modeling the follower system as lumped parameters. Both the in- verse dynamic (kinetostatic) and forward dynamic solutions are developed for a multi- plicity of models of various degrees of freedom. The extensive literature on these topics is referenced in the bibliography. Residual vibrations in the follower train are addressed along with a number of cam functions that can reduce the level of vibration. Polydyne and splinedyne cams are defined and methods for their calculation described. Calculations for the cam contour of radial, barrel, and globoidal cams with oscillat- ing or translating roller or flat followers are defined. Cutter compensation algorithms and cam surface generation are defined for all common cam-follower configurations. Conjugate cam calculation is defined as well. Cam materials and manufacturing tech- niques are described and recommendations made. Stress analysis of the cam-follower joint is presented in detail along with methods to determine the failure modes of typical cam/follower materials in surface contact un- der time-varying loads. Lubrication and wear of the cam and follower is also addressed. Methods for the experimental measurement of acceleration, velocity and displace- ment of cam-follower systems are described, and examples of such measurements taken on operating machinery are shown. Case studies from automotive and automated man- ufacturing machinery are presented. The second edition adds treatment of globoidal cams, updates the topics of torque-com- pensation cams, and adds development of multi-degree-of-freedom models of cam-follower systems including follower impact, all based on work done by the author's graduate students and colleagues in industry since the first edition appeared. The author would like to express his sincere appreciation to Dr. Mosier who wrote Chapter 5 on spline functions and checked many of the equations in other chapters. Also, Dennis Klipp of Klipp Engineering, Waterville, ME, Paul Hollis of Tyco Electronics Corporation, Harrisburg, PA, R. Alan Jordan of Delta Engineering, Muncie IN, and Dr. Dresner, Mountain View, CA provided welcome and helpful comments on the book during its development. Many other people reviewed sections of the book or supplied data, illustrations, and information used in the book. I would like to especially thank Gregory Aviza, Arthur Borgeson, Al Duchemin, Charles Gillis, Robert Gordon, Joel Karsberg, Donald Loughlin, Thomas Lyden, Corey Maynard, Edwin Ryan, Edward Swanson, and John Wash- ington, all now or formerly with P&G Gillette, Boston, MA. Finally, the author thanks his editors at Industrial Press, John Carleo and Janet Romano, for making this the most pleasant and productive book development process yet experienced. Every effort has been made to ensure that the material in this book is technically correct. All known errors in the first edition have been corrected in this edition. If any er- rors remain, the author takes full responsibility, and will greatly appreciate their being pointed out to him. Please send an email to norton@ designofmachinery.com or [e-mail] or if you discover any errors in the text or in the programs. Information on book errata as discovered and demonstration versions of the comput- Robert L. Norton er programs mentioned throughout the text, along with files to run the examples, are down- Mattapoisett, Mass. loadable from the author's website at http://www. August, 2008 VII Copyright 2009, Industrial Press Inc., New York, NY - http://industrialpress.com Cam Design and Manufacturing, 2nd Edition Contents Chapter 1 Introduction .0 Cam-Follower Systems . 4 Type of Follower Motion . 4 Type of Joint Closure . 4 Type of Follower . 5 Type of Cam . 6 Type of Motion Constraints . 8 Type of Motion Program .5 Cam Design Software . 16 Chapter 2 Unacceptable Cam Curves .2 Double-Dwell Cam Design—Choosing S V A J Functions .3 The Fundamental Law of Cam Design .4 Simple Harmonic Motion (SHM) . 26 Chapter 3 Double-Dwell Cam Curves .1 Cycloidal Displacement for Double dwells .2 Combined Functions for Double dwells .3 The SCCA Family of Double-Dwell Functions .5 Fourier Series Functions . 56 Chapter 4 Single-Dwell Cam Curves .1 Single-Dwell Cam Design—Choosing S V A J Functions .2 Single-Dwell Applications of Polynomials . 61 Effect of Asymmetry on the Rise-Fall Polynomial Solution . 68 VIII Copyright 2009, Industrial Press Inc., New York, NY - http://industrialpress.com Cam Design and Manufacturing, 2nd Edition Chapter 5 Spline Functions .2 General Polynomial Splines .5 Shape Preserving Splines . 99 Shumaker Quadratic Splines .8 Splines Other Than Polynomial Splines . 122 Chapter 6 Critical Path Motion Cam Curves .1 Constant Velocity Motion . 125 Polynomials Used for Critical Path Motion . 126 Half-Period Harmonic Family Functions .2 Combined Displacement and Velocity Constraints . 148 Chapter 7 Cam Size Determination .1 Pressure Angle—Radial cam with Translating Roller Follower . 151 Choosing a Prime Circle Radius .2 Pressure Angle—Barrel Cam With Translating Roller Follower .3 Pressure Angle—Barrel Cam With Oscillating Roller Follower .4 Overturning Moment—Radial Cam With Translating Flat-Faced Follower .5 Pressure Angle—Radial Cam With Oscillating Roller Follower .6 Pressure Angle—Globoidal Cam With Oscillating Roller Follower .7 Radius of Curvature—Radial Cam With Translating Roller Follower .8 Radius of Curvature—Radial Cam With Translating Flat-Faced Follower .9 Radius of Curvature—Barrel Cam With Translating Roller Follower .10 Radius of Curvature—Barrel Cam With Oscillating Roller Follower .