槽轮机构的设计要点课件

第十章第十章 其它常用机构其它常用机构 内容提要第一节第一节 间歇运动机构间歇运动机构第二节第二节 组合机构简介组合机构简介第三节第三节 机器人机构机器人机构 第十章内容提要第一节间歇运动机构1第一节第一节间歇运歇运动机构机构一、间歇运动机构实例二、对间歇运动机构的基本要求三、棘轮机构四、槽轮机构五、凸轮式间歇运动机构第一节间歇运动机构一、间歇运动机构实例2实例实例1灌装冷霜的多工位自动机灌装冷霜的多工位自动机实例实例2电影放映机电影放映机送上空盒送上空盒送出成品送出成品盖盒盖盖盒盖贴锡纸贴锡纸灌霜灌霜一、间歇运动机构实例实例1灌装冷霜的多工位自动机实例23二、对间歇运动机构的基本要求1运动系数运动系数 从动构件的一个运动周期分为两部从动构件的一个运动周期分为两部分：分：运动时间运动时间 Td 和和停歇时间停歇时间 Tt。运动系数运动系数 :运动时间占整个运运动时间占整个运动周期的比例。动周期的比例。二、对间歇运动机构的基本要求1运动系数4 运动系数越小，工作台转位越快，可提高生产率。运动系数越小，工作台转位越快，可提高生产率。但运动系数小，则启动和停止时的加速度可能太大。但运动系数小，则启动和停止时的加速度可能太大。所以，在设计中应慎重选择这一参数。所以，在设计中应慎重选择这一参数。也有用也有用动停比动停比 k 来代替运动系数的，动停比是运动来代替运动系数的，动停比是运动时间和停歇时间的比值：时间和停歇时间的比值：显然，动停比和运动系数间有如下关系显然，动停比和运动系数间有如下关系运动系数越小，工作台转位越快，可提高生产率。显然，动停比5分度数分度数n当从动构件作间歇回转运动时，在从动构件一周内停当从动构件作间歇回转运动时，在从动构件一周内停歇的次数称为分度数。歇的次数称为分度数。它直接和工作台的工位数有关，一般是设计的给定数它直接和工作台的工位数有关，一般是设计的给定数据。据。也有一些间歇运动机构不用分度数这一概念，而只讨也有一些间歇运动机构不用分度数这一概念，而只讨论每次分度运动所转过的角度。论每次分度运动所转过的角度。分度数n6动力学性能力学性能 间歇运动机构中的从动构件在一个很短的时间内要经间歇运动机构中的从动构件在一个很短的时间内要经历启动、加速、减速、停止的过程。历启动、加速、减速、停止的过程。和凸轮从动件的运动一样，和凸轮从动件的运动一样，如果从动件运动规律不好，会如果从动件运动规律不好，会产生较大的加速度，从而带来产生较大的加速度，从而带来惯性负荷并产生冲击。惯性负荷并产生冲击。因此，要注意从动构件的运因此，要注意从动构件的运动规律。动规律。动力学性能和凸轮从动件的运动一样，如果从动件运动规律7定位精度定位精度 许多应用场合要求从动构件（工作台）有较好的定位许多应用场合要求从动构件（工作台）有较好的定位精度。精度。影响定位精度的因素影响定位精度的因素制造误差制造误差间隙间隙动态误差动态误差：减速时的惯性力常常使减速时的惯性力常常使从动构件在应该停止时发从动构件在应该停止时发生残余振动。生残余振动。保证定位精度的方法保证定位精度的方法自身就能实现较精确的定位自身就能实现较精确的定位要另外设置定位装置要另外设置定位装置定位精度影响定位精度的因素制造误差：减速时的惯性力常常使8三、棘轮机构 棘轮机构是一种应用历史很棘轮机构是一种应用历史很久的间歇运动机构。久的间歇运动机构。在第一章中牛头刨床的进给在第一章中牛头刨床的进给传动系统中，我们已见过它的传动系统中，我们已见过它的应用。应用。组成和特点类型应用设计要点三、棘轮机构棘轮机构是一种应用历史很久的间歇运动9（一）棘轮机构的组成和特点（一）棘轮机构的组成和特点组成组成摇杆摇杆 1 1 主动构件，作往复摆动运动主动构件，作往复摆动运动棘轮棘轮 3 3 单向的间歇运动单向的间歇运动驱动棘爪驱动棘爪 2 2 止动棘爪止动棘爪 4 4 弹簧弹簧 5 5（一）棘轮机构的组成和特点10（1 1）调整摇杆摆角）调整摇杆摆角 （2 2）装置遮板）装置遮板 调整棘轮每次转过角度的方法调整棘轮每次转过角度的方法：（1）调整摇杆摆角调整棘轮每次转过角度的方法：11优点优点缺缺点点冲击和噪声较大冲击和噪声较大定位精度差定位精度差只能用于速度不高、只能用于速度不高、载荷不大、精度要求载荷不大、精度要求不高的场合不高的场合结构简单结构简单制造容易制造容易步进量易于调整步进量易于调整特点特点优点12（二）棘轮机构的类型（二）棘轮机构的类型齿式棘轮机构齿式棘轮机构摩擦式棘轮机构摩擦式棘轮机构外啮合外啮合内啮合内啮合 克服了齿式棘轮机构冲击和噪声大的缺点克服了齿式棘轮机构冲击和噪声大的缺点,可实现棘轮转动角度的无级调节可实现棘轮转动角度的无级调节,运动精度较差。运动精度较差。外啮合外啮合内啮合内啮合结构紧凑，外形尺寸小结构紧凑，外形尺寸小。（二）棘轮机构的类型齿式棘轮机构外啮合克服了齿式棘轮机构冲13内啮合齿式棘轮机构内啮合齿式棘轮机构内啮合齿式棘轮机构14摩擦式棘轮机构摩擦式棘轮机构外啮合外啮合内啮合内啮合摩擦式棘轮机构外啮合内啮合15当需要使棘轮得到不同方向的转动时，棘轮的齿可当需要使棘轮得到不同方向的转动时，棘轮的齿可作成矩形，而棘爪作成可翻转的。作成矩形，而棘爪作成可翻转的。当需要使棘轮得到不同方向的转动时，棘轮的齿可作成矩形，而棘爪16（三）棘轮机构应用范围的扩展（三）棘轮机构应用范围的扩展棘轮机构除了可实现间歇送进、分度运动以外，还可棘轮机构除了可实现间歇送进、分度运动以外，还可作为制动器和超越离合器使用。作为制动器和超越离合器使用。制动器发生事故时，止动棘爪发生事故时，止动棘爪突然伸出，可防止卷筒逆突然伸出，可防止卷筒逆转。转。（三）棘轮机构应用范围的扩展制动器17单向离合器可看作是一个内接式摩擦棘轮机构。单向离合器可看作是一个内接式摩擦棘轮机构。星轮星轮 1 1 主动件主动件 套筒套筒 2 2 从动件从动件 滚柱滚柱 4 4超越离合器星轮星轮 1 1 逆时针回转时，滚逆时针回转时，滚柱柱 4 4 带动套筒一同回转。带动套筒一同回转。星轮星轮 1 1 顺时针回转时，套筒顺时针回转时，套筒停止不动。停止不动。套筒只随星轮逆时针方向回套筒只随星轮逆时针方向回转，从这个意义上说，它是转，从这个意义上说，它是一个一个单向离合器单向离合器。单向离合器可看作是一个内接式摩擦棘轮机构。18它也可以成为一个它也可以成为一个超越离合器超越离合器：当套筒从另一条传动路线得到一个更快的逆时针回当套筒从另一条传动路线得到一个更快的逆时针回转速度时，星轮相对于套筒成了顺时针回转，楔形空转速度时，星轮相对于套筒成了顺时针回转，楔形空间中的摩擦不再起作用，套筒可以超越星轮以高速转间中的摩擦不再起作用，套筒可以超越星轮以高速转动。超越离合器在机床中有所应用，它使正常切削的动。超越离合器在机床中有所应用，它使正常切削的运动链和快速运动的运动链可并行不悖地起作用。运动链和快速运动的运动链可并行不悖地起作用。它也可以成为一个超越离合器：19（四）棘轮机构的设计要点（四）棘轮机构的设计要点1.1.模数和齿数的确定模数和齿数的确定与齿轮相同，棘轮轮齿的有关尺寸也用模数作为计算的基本参与齿轮相同，棘轮轮齿的有关尺寸也用模数作为计算的基本参数。模数已标准化，但棘轮的标准模数按其顶圆直径来计算：数。模数已标准化，但棘轮的标准模数按其顶圆直径来计算：棘轮齿数棘轮齿数顶圆直径顶圆直径模数模数 模数的选取根据棘轮机构的使用条件和运动要求选定。模数的选取根据棘轮机构的使用条件和运动要求选定。由棘轮机构的使用条件可确定棘轮的最小转角，齿数太小则可能由棘轮机构的使用条件可确定棘轮的最小转角，齿数太小则可能保证不了最小转角的实现。保证不了最小转角的实现。模数决定了齿的大小，模数应根据齿和棘爪的强度来确定。模数决定了齿的大小，模数应根据齿和棘爪的强度来确定。（四）棘轮机构的设计要点棘轮齿数顶圆直径模数模数的选取根202.2.棘轮的齿形棘轮的齿形 棘轮单向回转棘轮单向回转非对称梯形非对称梯形 三角形三角形 (载荷较小时使用载荷较小时使用)棘轮齿形和其它尺寸的计算可参阅机械设计棘轮齿形和其它尺寸的计算可参阅机械设计的有关手册。的有关手册。棘轮双向回转：棘轮双向回转：矩形矩形2.棘轮的齿形棘轮齿形和其它尺寸的计算可参阅机械设计的有关21四、槽轮机构 棘轮机构是一种应用很棘轮机构是一种应用很广泛的间歇运动机构。广泛的间歇运动机构。组成和特点类型运动分析设计要点四、槽轮机构棘轮机构是一种应用很广泛的间歇运动机22外槽轮机构外槽轮机构分度数分度数 n4 4（一）槽轮机构的组成和特点（一）槽轮机构的组成和特点拨盘拨盘 1 1 主动构件，作连续回转运动。主动构件，作连续回转运动。圆柱销圆柱销 A A 安装于拨盘上。安装于拨盘上。槽轮槽轮 2 2 从动构件，有径向槽、锁止弧。从动构件，有径向槽、锁止弧。外槽轮机构（一）槽轮机构的组成和特点拨盘1主动23 当拨盘上的圆柱销进入径向当拨盘上的圆柱销进入径向槽之前，槽轮上的内凹锁止弧槽之前，槽轮上的内凹锁止弧锁住，槽轮静止不动。锁住，槽轮静止不动。刚开始进入槽轮上的径向槽刚开始进入槽轮上的径向槽的瞬间。锁止弧刚好被松开，的瞬间。锁止弧刚好被松开，圆柱销圆柱销A A将驱动槽轮转动。将驱动槽轮转动。槽轮在圆柱销驱动下转槽轮在圆柱销驱动下转过过 90 90 度。度。圆柱销即将脱离径向槽圆柱销即将脱离径向槽的瞬间，槽轮上的另一个的瞬间，槽轮上的另一个锁止弧又被锁住，槽轮又锁止弧又被锁住，槽轮又静止不动。静止不动。拨盘连续转动，槽轮作间歇运动，拨盘转过拨盘连续转动，槽轮作间歇运动，拨盘转过4 4周，槽轮转过周，槽轮转过1 1周。周。当拨盘上的圆柱销进入径向槽之前，槽轮上的内凹锁止弧锁住，槽24实例实例灌装冷霜的多工位自动机灌装冷霜的多工位自动机n6实例实例电影放映机电影放映机n4实例灌装冷霜的多工位自动机实例电影放映25结构简单结构简单易于制造易于制造工作可靠工作可靠机械效率较高机械效率较高同时具有分度和定位的功能同时具有分度和定位的功能（但拨盘上的锁住弧定位精（但拨盘上的锁住弧定位精度有限，当要求精确定位时，度有限，当要求精确定位时，还应设置定位销）。还应设置定位销）。设计自由度小：设计自由度小：在分度数确定以后，运动系数也在分度数确定以后，运动系数也随之确定而不能改变，这是其突出随之确定而不能改变，这是其突出缺点。缺点。不适用于高速：不适用于高速：虽然振动和噪声比棘轮机构小，虽然振动和噪声比棘轮机构小，但槽轮在启动和停止的瞬间加速度但槽轮在启动和停止的瞬间加速度大，有冲击。大，有冲击。优优点点缺缺点点一般取分度数一般取分度数 n 4 48 8。设计自由度小：优点26（二）槽轮机构的类型（二）槽轮机构的类型平面槽轮机构平面槽轮机构:传递平行轴间运动传递平行轴间运动外槽轮机构外槽轮机构应用最广应用最广内槽轮机构内槽轮机构停歇时间短，运动时间长，因此停歇时间短，运动时间长，因此传动更平稳传动更平稳所占的空间小所占的空间小（二）槽轮机构的类型平面槽轮机构:传递平行轴间运动外槽轮机27曲线槽的槽轮机构曲线槽的槽轮机构不等臂长的多销槽轮机构不等臂长的多销槽轮机构可以改变分度过程的运动可以改变分度过程的运动规律，使之更为平稳规律，使之更为平稳槽轮一周中可实现几个运动和槽轮一周中可实现几个运动和停歇时间均不相同的运动要求。停歇时间均不相同的运动要求。径向槽的径向槽的尺寸不同尺寸不同拨盘上圆销拨盘上圆销分布不均匀分布不均匀曲线槽的槽轮机构不等臂长的多销槽轮机构可以改变分28空间槽轮机构空间槽轮机构:传递相交轴间的运动传递相交轴间的运动 空间槽轮机构:传递相交轴间的运动29（三）外槽轮机构的运动分析（三）外槽轮机构的运动分析1.1.运动系数运动系数和运动周期是与拨盘的转角和进入径向进入径向槽的瞬间槽的瞬间脱离径向脱离径向槽的瞬间槽的瞬间圆柱销的线速度应沿着径向槽的中心线方向圆柱销的线速度应沿着径向槽的中心线方向vv避免发生刚性冲击避免发生刚性冲击（三）外槽轮机构的运动分析和运动周期是与拨盘的转角和进入径向30因为拨盘是等速回转因为拨盘是等速回转运动时间运动时间Td 对应对应21运动周期运动周期T对应对应2运动系数运动系数AO1O2槽轮径向槽数槽轮径向槽数因为拨盘是等速回转AO1O2槽轮径向槽数31运动系数运动系数故故运动系数运动系数由此得出结论：由此得出结论：，即最少为槽，即最少为槽若需要使若需要使，可在拨盘上均匀地放置个圆销，可在拨盘上均匀地放置个圆销例如，例如，运动系数故运动系数由此得出结论：，即最少为槽若32.运动分析运动分析进入区进入区为负为负离开区离开区为正为正x x解出解出几何关系几何关系输出角位移表达式输出角位移表达式.运动分析进入区为负离开区为正x33输出角位移表达式输出角位移表达式输出角速度的无因次表达式输出角速度的无因次表达式输出角加速度的无因次表达式输出角加速度的无因次表达式求一阶导数求一阶导数求二阶导数求二阶导数输出构件的角速度和角加速度是槽数和位置的函数输出构件的角速度和角加速度是槽数和位置的函数输出构件的特性与什么有关？输出构件的特性与什么有关？输出角位移表达式输出角速度的无因次表达式输出角加速度的无因次34外槽轮机构外槽轮机构内槽轮机构内槽轮机构在圆销进入和脱离的瞬间，角加速度存在突变，因此，在这两在圆销进入和脱离的瞬间，角加速度存在突变，因此，在这两个瞬间存在柔性冲击。个瞬间存在柔性冲击。当径向槽数减少时，速度和加速度峰值急剧增加；所以，一般当径向槽数减少时，速度和加速度峰值急剧增加；所以，一般不推荐使用不推荐使用z z3 3的情况。的情况。内槽轮机构的动力学性能比外槽轮机构要好得多。内槽轮机构的动力学性能比外槽轮机构要好得多。外槽轮机构内槽轮机构在圆销进入和脱离的瞬间，角加速度存在突35（四）槽轮机构的设计要点（四）槽轮机构的设计要点（1 1）槽数和圆销数的确定）槽数和圆销数的确定 根据使用场合所要求的分度数确根据使用场合所要求的分度数确定槽轮的槽数定槽轮的槽数z z，根据对运动系数的要求确定圆销数根据对运动系数的要求确定圆销数m。（2 2）中心距的确定）中心距的确定 它是决定槽轮机构所占空间大小的关键它是决定槽轮机构所占空间大小的关键尺寸。中心距偏大受到空间布局的制约。若中心距太小，拨盘尺寸。中心距偏大受到空间布局的制约。若中心距太小，拨盘的关键尺寸的关键尺寸R R也小；因而圆销直径和各部分的其它尺寸都不得也小；因而圆销直径和各部分的其它尺寸都不得不受到限制。尺寸不受到限制。尺寸R R小，圆销和槽的受力就更大。所以，中心距小，圆销和槽的受力就更大。所以，中心距偏小受到强度的制约。偏小受到强度的制约。槽轮机构的其它结构尺寸的确定可参阅机械设计的有关手册。槽轮机构的其它结构尺寸的确定可参阅机械设计的有关手册。（四）槽轮机构的设计要点36凸轮式间歇运动机构凸轮式间歇运动机构也称为也称为分度凸轮机构分度凸轮机构它是上个世纪中叶以后才发它是上个世纪中叶以后才发展起来的新型间歇运动机构。展起来的新型间歇运动机构。五、凸轮式间歇运动机构组成和工作原理类型特点和应用凸轮式间歇运动机构也称为分度凸轮机构五、凸轮式间歇运动机构37（一）凸轮式间歇运动机构的组成和工作原理（一）凸轮式间歇运动机构的组成和工作原理蜗杆分度凸轮机构蜗杆分度凸轮机构（应用最多）（应用最多）主动凸轮主动凸轮从动盘从动盘机架机架机架机架凸脊凸脊轴线相互垂直交错轴线相互垂直交错滚子滚子（一）凸轮式间歇运动机构的组成和工作原理蜗杆分度凸轮机构（38l凸轮上有一条凸脊，如果凸脊凸轮上有一条凸脊，如果凸脊沿一条螺旋线布置，就像一个蜗杆，沿一条螺旋线布置，就像一个蜗杆，那么凸轮连续转动时就带动从动盘那么凸轮连续转动时就带动从动盘像蜗轮那样连续转动。像蜗轮那样连续转动。l但凸轮上的凸脊经过这样的设但凸轮上的凸脊经过这样的设计：当凸轮在连续回转时，使从动计：当凸轮在连续回转时，使从动盘作间歇运动。盘作间歇运动。l从动盘上的滚子可以绕其自身轴线转动，可减小凸从动盘上的滚子可以绕其自身轴线转动，可减小凸轮面和滚子之间的滑动摩擦。轮面和滚子之间的滑动摩擦。l两轴间的中心距可作微量调整，以消除凸轮轮廓面两轴间的中心距可作微量调整，以消除凸轮轮廓面和滚子之间的间隙，实现和滚子之间的间隙，实现“预紧预紧”，不但可减小间隙带，不但可减小间隙带来的冲击，而且在从动盘停歇时可得到精确的定位。来的冲击，而且在从动盘停歇时可得到精确的定位。凸轮上有一条凸脊，如果凸脊沿一条螺旋线布置，就像一个蜗杆，39（二）凸轮式间歇运动机构的类型（二）凸轮式间歇运动机构的类型蜗杆分度凸轮机构蜗杆分度凸轮机构圆柱分度凸轮机构圆柱分度凸轮机构在从动盘上可以布置较在从动盘上可以布置较多的滚子，能实现较大的多的滚子，能实现较大的分度数。分度数。难以实现预紧。难以实现预紧。从动盘从动盘主动凸轮主动凸轮滚子分布在从滚子分布在从动盘的端面上动盘的端面上（二）凸轮式间歇运动机构的类型在从动盘上可以布置较多的滚子40平行分度凸轮机构平行分度凸轮机构 从动盘从动盘主动凸轮主动凸轮均匀分布的三组滚子均匀分布的三组滚子片共軛平面凸轮片共軛平面凸轮凸轮的突起部分的曲线凸轮的突起部分的曲线可推动从动盘转动。可推动从动盘转动。凸轮的圆弧部分卡在两凸轮的圆弧部分卡在两个滚子之间，实现停歇时个滚子之间，实现停歇时的定位。的定位。平行分度凸轮机构从动盘主动凸轮均匀分布的三41平行分度凸轮可实现平行分度凸轮可实现“一分度一分度”，即凸轮转过一周，即凸轮转过一周，从动盘也转过一周，并停歇一段时间。从动盘也转过一周，并停歇一段时间。模切机送进系统模切机送进系统（压制纸盒）（压制纸盒）输入：连续转动输入：连续转动模切区模切区冲模冲模分度凸轮机构分度凸轮机构联轴器联轴器链轮链轮牙排（夹持纸板）牙排（夹持纸板）链条链条链轮：间歇转动链轮：间歇转动链条：步进运动链条：步进运动平行分度凸轮可实现“一分度”，即凸轮转过一周，从动盘也转过一42（三）凸轮式间歇运动机构的特点和应用（三）凸轮式间歇运动机构的特点和应用和棘轮机构槽轮机构相比，突出的优点：和棘轮机构槽轮机构相比，突出的优点：1 1）运转可靠，转位准确；）运转可靠，转位准确；2 2）无需另加定位装置，而且定位可靠；）无需另加定位装置，而且定位可靠；3 3）设计自由度大：分度凸轮机构的分度数决定了滚子）设计自由度大：分度凸轮机构的分度数决定了滚子数目，而动停比则取决于凸轮廓线设计，二者之间没有数目，而动停比则取决于凸轮廓线设计，二者之间没有确定的关系，因此设计者有较大的设计自由度；确定的关系，因此设计者有较大的设计自由度；4 4）通过从动盘运动规律的合理设计，可减小动载荷和）通过从动盘运动规律的合理设计，可减小动载荷和冲击，因此它的运转速度可以比棘轮机构和槽轮机构高冲击，因此它的运转速度可以比棘轮机构和槽轮机构高得多，蜗杆式分度凸轮的转速已达得多，蜗杆式分度凸轮的转速已达3000 r/min3000 r/min。（三）凸轮式间歇运动机构的特点和应用43 分度凸轮机构被公认为当前分度凸轮机构被公认为当前最理想的高速、高精度最理想的高速、高精度的间歇运动机构的间歇运动机构。它在许多场合正逐渐取代棘轮机构和槽轮机构，已它在许多场合正逐渐取代棘轮机构和槽轮机构，已在高速冲床、加工中心、模切机、多色印刷机、包装在高速冲床、加工中心、模切机、多色印刷机、包装机和许多轻工自动机械中得到应用，而且机和许多轻工自动机械中得到应用，而且会得到越来会得到越来越广泛的应用越广泛的应用。我国从我国从8080年代开始研制、生产这类机构。年代开始研制、生产这类机构。一些分度凸轮机构已经实现设计的系列化，并像齿轮减速器那一些分度凸轮机构已经实现设计的系列化，并像齿轮减速器那样作为单独的部件在专门的工厂生产。机器的设计者只要根据分样作为单独的部件在专门的工厂生产。机器的设计者只要根据分度数、动停比和其它要求选用或订货即可。度数、动停比和其它要求选用或订货即可。天津大学在分度凸轮方面的研究在国内占有重要地位。天津大学在分度凸轮方面的研究在国内占有重要地位。分度凸轮机构被公认为当前最理想的高速、高精度的间歇运动机44表10-1 各种分度凸轮机构特性比较机构类型平行分度凸轮机构圆柱分度凸轮机构蜗杆分度凸轮机构轴线相对位置平行平行垂直交错垂直交错垂直交错垂直交错分度数一般一般1 18 8最大不超过最大不超过1616一般一般6 62424也有用到也有用到6464一般一般3 31212最大可达最大可达4848凸轮最高转速 r/min最大最大 1000 1000最大最大 300 300一般不超过一般不超过10001000，制造精良的最大可制造精良的最大可达达 3000 3000预紧情况易于作到易于作到不易作到不易作到易于作到易于作到分度精度刚性一般一般一般一般高高适用场合中、高速，轻中、高速，轻载载中、低速，中、中、低速，中、轻载轻载高速，中、重载，高速，中、重载，高精度高精度表10-1各种分度凸轮机构特性比较机构类型平行分度圆柱分45