カム機構は、左図のようにカムと呼ばれる原動節と、フォロワーと呼ばれる従動節で構成されています。
カム機構の特徴は、カムの直進または回転運動を、従動節の任意の直進または回転運動に変えることです。

このようにカム機構では、カムを特殊な形状にすることで、従動節に目標とする運動をさせることができます。

従動節に目標とする運動をさせるためには、カムの回転角と回転角に対する従動節の位置関係を知る必要があります。
カムの回転角と従動節の位置関係を表した左図のグラフをカム線図といいます。
横軸がカムの回転角、縦軸が従動節の移動量を表しています。

これを式で表すと、
r(θ)-r₀=h(θ)
となります。

ここで、各変数の説明を以下に示します。
r(θ) ・・・円の中心点から従動節とカムの接点との距離
r₀ ・・・ 点線で描かれた円の半径
h(θ) ・・・ 半径r_0の円と従動節とカムの接点との距離

平面カムには、板カム、直動カム、正面カムなどがあります。
板カム・・・特殊な形状の板を回転させて、従動節に上下の往復運動をさせる
直動カム・・・特殊な形状のカムを左右に往復運動させて、従動節に上下の往復運動をさせる
正面カム・・・板の側面に溝を作り、従動節の先端を接触させて運動を伝える

立体カムには、円筒カム、球面カムなどがあります。
円筒カム・・・円筒の側面に溝を作り、従動節の先端を接触させて運動を伝える
球面カム・・・球面に溝を作り、従動節の先端を接触させて運動を伝える

左のパーツを使い、設置されている従動節(５・ビーム)を5回上下運動させるためにはどうすればよいでしょうか？

《設置されているビーム部分の作り方》
1.固定ペグとコネクタを左図の上のように組み合わせて下さい。
2.その組み合わせを２つ作り、先端の固定ペグをビームと組み合わせると左図の下のようになります。

正解は左図のようにパーツを組み合わせます。
この問題のポイントは、カムを使い回転運動を上下運動に変えることです。

5・ビームに上下運動を5回させるためには、カムを5回転させる必要があります。

左のパーツを使い、2つの従動節(３・ビーム)を異なる速さで上下運動させるためにはどうすればよいでしょうか？

正解は左図のようにパーツを組み合わせます。
この問題のポイントは、カムの取り付け位置を変えることです。

手前のカムは【問題1】と同じ取り付け位置で、奥のカムは取り付け位置を変えています。

【問題2】は、カムの取り付け位置を変えることにより、カム線図のところで登場した h(θ),r(θ),r₀ の値が異なることがわかります。
これにより、異なる速さで従動節を上下に動かすことができます。

実際に動かした様子はこちら
設置されたビームが、異なる速さで上下運動していることを確認してみよう。

このテーマでは、カムの種類とその特性について説明しました。カムの形により従動節の運動が変わることが分かりました。

円形の歯車の直径を無限に大きくしていくと直線に近づきます。
その直線状の歯車をラックと呼びます。
また、ラックと噛み合う小歯車をピニオンと呼びます。

左図は、二本のラックでピニオンを挟んだ仕組みです。
ピニオンを駆動側とし回転させると、二本のラックは相反する運動を行います。

左図は、鍔（つば）付きの丸棒に歯を刻んだ丸棒ラックとピニオンを噛み合わせた仕組みです。
一般的な仕組みと同じ動きをする他に、丸棒ラックを矢印の方向に回転することで上下運動を行えます。

この機構は、自動車のステアリングや三脚などに使用されています。
レゴの部品では左図の部品を指します。

ラックといくつかの歯車を使って、歯車を４回転させるとラックが端から端まで直線運動するにはどのようにすればよいでしょうか？
(穴の関係上、ラックを支える土台を左図のように取り付けてください)

正解は左図のように歯車を置きます。
上からから8・ギア、24・ギア、16ギア、8・ギア、ラックとつなげていきます。

この問題のポイントは歯車の歯数です。
歯車の歯数は、歯車の回転数と関係しているためです。

歯車の回転数の概略図は左図のようになります。

Aでは8・ギアが1回転すると24・ギアは約1/3回転します。

次に同軸に24・ギアと16・ギアが取り付けられている部分があります。同軸に取り付けられているため、Aで求めた24・ギアと同じ回転数分16・ギアも回転します。

Bでは16・ギアが1/3回転すると8・ギアは2/3回転します。

ラックアンドピニオンとスライダクランク機構を用いて回転運動を往復直線運動に変換し、往復回転運動に変換するにはどのようにすればよいでしょうか？
(穴の関係上、ラックを支える土台を左図のように取り付けてください)

正解は左図のように置きます。

スライダクランク機構のスライダ部をラックに変更します。
スライダクランク機構は、回転運動を往復直線運動に変える機構でした。これによって歯車を回転させるとラックが往復直線運動を行います。

次に、ラックは直線運動をピニオンの回転運動に変えます。そのためラックが往復直線運動をするとピニオンが往復回転運動を行います。

この2つの機構を組み合わせることで、スライダクランク機構によって回転運動を往復直線運動に変え、ラックが往復直線運動することによってピニオンが往復回転運動を行います。