第5章 间歇运动机构

第5章 间歇运动机构在许多机械中，有时需要将原动件的等速连续转动变为从动件的周期性停歇间隔单向运动（又称步进运动）或者是时停时动的间歇运动，如自动机床中的刀架转位和进给，成品输送及自动化生产线中的运输机构等的运动都是间歇性的。能够将主动件的连续运动转换为从动件有规律的间歇运动的机构，称为间歇运动机构。实现间歇运动的机构很多，最常见的有棘轮机构、槽轮机构、凸轮机构、不完全齿轮机构和恰当设计的连杆机构等。本章将简要介绍这几种间歇运动机构的组成和运动特点。5.1 棘轮机构图5-1 棘轮机构工作原理5.1.1 棘轮机构的工作原理和基本类型 1.棘轮机构的工作原理 （1）.组成棘轮机构主要由棘轮、主动棘爪、止回棘爪和机架组成。 （2）。工作原理如图5-1所示，当主动摆杆逆时针摆动时，摆杆上铰接的主动棘爪插入棘轮的齿内，推动棘轮同向转动一定角度。当主动摆杆顺时针摆动时，此时主动棘爪在棘轮的齿背上滑回原位，止回棘爪阻止棘轮反向转动，棘轮静止不动。此机构将主动件的往复摆动转换为从动棘轮的单向间歇转动。利用弹簧使止回棘爪紧压齿面，保证止回棘爪工作可靠。 2.常用棘轮机构的分类 （1）.按结构分 齿式棘轮机构（如图5-2所示）： 这种棘轮机构靠棘爪和棘轮啮合传动。棘轮的转角可在一定范围内调节，但棘爪在棘轮齿背上滑行时容易产生噪音、冲击和磨损，适用于低速、轻载和转角精度要求不高的场合。 图5 - 2 齿式棘轮机构 摩擦式棘轮机构（如图5-3所示）：这种棘轮机构靠棘爪和棘轮之间的摩擦力传动。棘轮转角可作无级调节， 传动平稳、噪音小，但由于靠摩擦力传动，会出现打滑现象，一方面可起到过载保护，另一方面也使传动精度降低。适用于低速、轻载的场合。 图 5 - 3 摩擦式棘轮机构 （2）.按啮合方式分外啮合式：外啮合式棘轮机构的棘爪或楔块安装在棘轮的外部，应用较广，其缺点是占用空间较大。如图5 - 4所示为外啮合式棘轮机构。 图5 - 4 外啮合式棘轮机构内啮合式：内啮合式棘轮机构的棘爪或楔块安装在棘轮的内部，其特点是结构紧凑，外形尺寸小。如图5 - 5所示为内啮合式棘轮机构。 图 5 - 5 内啮合式棘轮机构 （3） .按运动形式分 单动式棘轮机构：当棘爪向某一方向运动时，才能推动棘轮运动。它又可分为单向间歇转动和单向间歇移动机构。单向间歇转动：间歇机构的从动件只做单向间歇转动。如图5-6所示。图5-7 单向间歇移动 图5 - 6单向间歇转动 单向间歇移动：当棘轮半径为无穷大时，棘轮就成为了棘齿条，主动件往复摆动时，棘爪即推动棘齿条做单向间歇移动。如图5-7所示。双动式棘轮机构（如图5-8所示）：这种棘轮机构的棘爪可制成直头双动式和钩头双动式。即在主动摆杆上安装两个主动棘爪，当摆杆向两个方向往复摆动的过程中分别带动两棘爪，依次推动棘轮转动。双动式棘轮机构与单动式棘轮机构相比，结构紧凑，承载较大。 图 5 - 8 双动式棘轮机构 双向式棘轮机构（如图5-9所示）：又称可变向棘轮机构，可以实现棘轮两方向间歇运动。其工作原理是变换棘爪相对棘轮的位置，实现棘轮的变向。 图 5 - 9 双向棘轮机构 5.1.2 棘轮转角的调节 1.调节摇杆摆动角度的大小，控制棘轮的转角 如图5-10所示，通过调节滑块位置改变曲柄长度，也可通过调节螺母改变连杆的长度，从而改变摇杆的摆角，进而改变棘爪的运动，改变动停比。2.用遮板调节棘轮转角 通过调整遮板角度，改变棘轮的转角。如图5-11所示。 图5 - 10 改变摆杆摆角大小调节棘轮转角 图5 - 11用遮板调节棘轮转角5.1.3 棘轮机构的特点与应用 棘轮机构具有结构简单、制造方便、运动可靠、 棘轮转角可以在较大范围内调节等优点，但工作时有较大的冲击和噪声、运动精度不高、传递动力较小，所以常用于低速、轻载，要求转角不太大或需要经常改变转角的场合。利用棘轮机构具有单向间歇运动的特性，可以实现间歇送进、转位分度、超越离合和制动等工艺要求。 1.间歇送进 如图5-12所示，在牛头刨床中通过棘轮机构实现工作台横向间歇送进功能。为了实现工作台的双向间歇送进，由齿轮机构、曲柄摇杆机构和双向式棘轮机构组成了工作台换向进给结构。 图5 - 12 牛头刨床进给机构 1-进給丝杠 2-棘轮机构 3-曲柄摇杆机构 2.制动 如图5-13所示为起重设备中的棘轮制动器。当提升重物时，棘轮逆时针转动，棘爪在棘轮齿背上滑过；当需要使重物停在某一位置时，棘爪将及时插入到棘轮相应的齿槽中，防止棘轮在重力作用下顺时针转动，致使重物下坠，以实现制动。 图 5 - 13 起重机制动装置 图5-14 手枪盘分度机构3.转位、分度如图5-14所示的手枪盘分度机构中，滑块沿导轨向上运动时，棘爪1使棘轮转过一个齿距，并使与棘轮固结的手枪盘转过一个角度，此时挡销上升使棘爪2在弹簧的作用下进入盘的槽中,使手枪盘静止并防止反向转动。当滑块向下运动时，棘爪1从棘轮的齿背上滑过，在弹簧力的作用下进入下一个齿槽，同时挡销使棘爪克服弹簧力绕轴逆时针转动，手枪盘解脱止动状态。4.超越离合如图5-15所示，在钻床中以摩擦式棘轮机构作为传动中的超越离合器，实现自动进给和快慢速进给功能。由主动蜗杆带动蜗轮，通过外环使从动轮和轴与之同向同速转动，实现自动进给；当快速转动手柄时，直接通过轮使轴作超越运动，实现快速进给。图5-15 钻床中的超越离合器5.2 槽轮机构5.2.1 槽轮机构的工作原理 1.组成图5-16 槽轮机构如图5-16所示为槽轮机构，它由主动拨盘、从动槽轮及机架等组成。2.工作原理 当拨盘以等角速度作连续回转时，槽轮作间歇运动。当拨盘上的圆柱销没有进入槽轮的径向槽时，槽轮的内凹锁止弧面被拔盘上的外凸锁止弧面卡住，槽轮静止不动。当圆柱销进入槽轮的径向槽时，锁止弧面被松开，则圆柱销驱动槽轮转动。当拨盘上的圆柱销离开径向槽时，下个锁止弧面又被卡住，槽轮又静止不动。由此将主动件的连续转动转换为从动槽轮的间歇转动。5.2.2 槽轮机构的类型、特点及应用 1.槽轮机构的类型槽轮机构主要分为传递平行轴运动的平面槽轮机构和传递相交轴运动的空间槽轮机构两大类。（1）.平面槽轮机构平面槽轮机构又分为外啮合槽轮机构和内啮合槽轮机构。外啮合槽轮机构 （如图5 - 17所示）外槽轮机构中的槽轮径向槽的开口是自圆心向外，主动构件与从动槽轮转向相反。内啮合槽轮机构 （如图5 - 18所示）内槽轮机构中的槽轮上径向槽的开口是向着圆心的，主动构件与从动槽轮转向相同。 图5 - 17 外啮合槽轮机构 图 5 - 18 内啮合槽轮机构 上述两种槽轮机构都用于传递平行轴运动。与外槽轮机构相比，内槽轮机构传动较平稳、停歇时间较短、所占空间小。槽轮机构中拨盘(杆)上的圆柱销数、槽轮上的径向槽数以及径向槽的几何尺寸等均可视运动要求的不同而定。圆柱销的分布和径向槽的分布可以不均匀，同一拨盘(杆)上若干个圆柱销离回转中心的距离也可以不同，同槽轮上各径向槽的尺寸也可以不同。 （2）.空间槽轮机构 球面槽轮机构是一种典型的空间槽轮机构，用于传递两垂直相交轴的 间歇运动机构。其从动槽轮是半球形，主动构件的轴线与销的轴线都通过球心。当主动构件连续转动时，球面槽轮得到间歇运动。空间槽轮机构结构 比较复杂，设计和制造难度较大。如图5-19所示。 图 5 - 19 空间槽轮机构 2.槽轮机构的特点及应用槽轮机构的特点是：结构简单、工作可靠、机械效率高，能较平稳、间歇地进行转位，并能准确控制转角。但其槽轮机构动程不可调节、转角不可太小，销轮和槽轮的主从动关系不能互换。当圆柱销突然进入或脱离径向槽时，传动存在柔性冲击，不适于高速场合。槽轮机构的结构要比棘轮机构复杂，加工精度要求较高，因此制造成本上升。槽轮机构一般应用于转速不高和要求间歇转动的机械当中，如电影胶片放映机、转塔车床的刀架转位机构以及一些自动机械、轻工机械或仪器仪表等。53其它间歇机构简介531不完全齿轮机构不完全齿轮机构，它由一个或几个齿的不完全齿轮1，具有正常轮齿和带锁止弧的齿轮2及机架组成。在轮1主动等速连续转动中，当主动轮1上的轮齿与从动轮2的正常齿相啮合时，主动轮1驱动从动轮2转动；当主动轮1的锁止弧s1与从动轮2的锁止弧s2接触时，则从动轮2停歇不动并停止在确定的位置上，从而实现周期性的单向间歇运动。图5.20所示的不完全齿轮机构的主动轮1每转1周，从动轮2只转1/4周。不完全齿轮机构有外啮合不完全齿轮机构和内啮合不完全机构。如图5.20和图5.21所示两种形式，一般常见外啮合形式。外啮合不完全齿轮机构，两轮转向相反。内啮合不完全齿轮机构，两轮转向相同。 图 5 - 21 内啮合不完全齿轮机构 图 5 - 20 外啮合不完全齿轮机构 不完全齿轮机构与其他间歇运动机构相比，优点是结构简单，制造方便，从动轮的运动时间和静止时间的比例不受机构结构的限制。缺点是从动轮在转动开始和终止时，角速度有突变，冲击较大，故一般只用于低速或轻载场合。如果用于高速，则可安装瞬心附加杆使从动件的角速度由零 图5 - 22齿条不完全齿轮机构逐渐增加到某一数值，以使机构传动平稳。不完全齿轮机构常用于多工位自动机和半自动机工作台的间歇转位及某些间歇进给机构中，如蜂窝煤压制工作台转盘的间歇转位机构等。其它不完全齿轮机构，如图5-22所示为齿条与不完全齿轮机构，连续转动的圆盘通过销带动不完全齿轮摆动，驱动齿条往复运动。532凸轮式间歇机构图5-23所示是一种圆柱凸轮式间歇运动机构。机构的主动轮1为具有曲线沟槽的圆柱凸轮，从动件2则为均布有柱销3的圆盘。当主动轮1转动时，拨动柱销3，使从动圆盘2作间歇运动。从动圆盘的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，适当的凸轮轮廓曲线可满足机构高速运转的要求。不过，凸轮加工较复杂，加工精度要求较高，装配调整的要求也较严格。这种机构常用在轻载情况下的间歇运动（如火柴包装机），间歇运动的频率每分钟可高达1500次左右。凸轮式间歇机构的优点是：运动可靠、传动平稳、承载能力较大；转盘可以实现任何运动规律，以适应高速运动要求；转盘停歇时一般依靠凸轮棱边进行定位，不需要附加任何定位装置。缺点是凸轮加工精度要求较高。因此，凸轮式间歇机构常用于各种高速机械的分度、转位装置和步进机构中。533组合机构单一的基本机构一般可满足设计给定的各种运动要求，但有一定的局限性。为扩大基本机构的使用范围，常把几个基本机构按一定方式组合，即得到组合机构。 图5 - 23圆柱凸轮式间歇运动机构组合机构并不是几个基本机构简单的串连组合而是用一个机构去约束或 封闭另一个多自由度机构的封闭式传动机构，或者是几个基本机构互相协调和配合的传动系统。它可以是同类型的基本机构的组合，也可以是不同类型的基本机构的组合。1. 双联凸轮机构，如图5 - 24所示。由两个凸轮和一个双滑块机构组成。它利用两个滚子从动件各自的运动规律，来控制十字滑 图 5-24 双联凸轮机构 块在和方向的运动，使点准确地实现预定的运动轨迹. 2.凸轮连杆机构，如图5 - 25所示。它由一个凸轮和曲柄滑块机构组成。曲柄可以在摇块中相对滑动。当滚子沿凸轮槽运动时，曲柄长度不断发生变化，只要设计适当的凸轮轮廓，就可使滑块3按给定的规律运动。图 5 - 25 凸轮 - 连杆机构 图 5 - 26 椭圆齿轮带动曲柄滑块机构 3.压力机中，利用椭圆齿轮带动曲柄滑块机构，如图5 - 26所示。这样，使压力机的空回行程（滑块从左向右）时间缩短，而工作行程的时间增长。这不仅使机构具有急回作用，以节省空回程的时间，还可使工作行程中的速度比较均匀，以改善机器的受力情况。 本章小结本章主要介绍了棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构、凸轮式间歇机构及组合机构的组成及应用。要求了解棘轮机构、槽轮机构和其它常用间歇机构的组成，掌握其工作原理及运动特点和适用场合。弄清棘轮转角的调整方法：通过改变摇杆摆角，或利用遮板调节棘轮的转角。 思考题及练习题5.1 棘轮机构有几种类型，各有什么特点，适用于什么场合？5.2 棘轮机构的转角可调吗？常用的调节方法有哪些？5.3 槽轮机构是如何实现间歇运动的？内槽轮机构能不能采用多圆柱销拨盘？5.4 试比较棘论机构、槽轮机构、不完全齿轮机构和凸轮式间歇运动机构在运动平稳 性、加工难易程度、制造成本等方面所具有的特点，各适用于何场合？ 5.5 牛头刨床工作台横向进给机构为什么要选用双向式棘轮机构？5.6 内槽轮机构与外槽轮机构相比有何优点？86