第五章_常用步進(jìn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

1、第五章 常用步進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 1教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 了解常用典型步進(jìn)機(jī)構(gòu)的工作原理、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及其應(yīng)用等情況。2教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn) 常見(jiàn)步進(jìn)機(jī)構(gòu)的工作原理 當(dāng)主動(dòng)件作連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)件作周期性的運(yùn)動(dòng)和停頓，這類機(jī)構(gòu)稱為間歇機(jī)構(gòu)間歇機(jī)構(gòu)，也稱為步進(jìn)機(jī)構(gòu)步進(jìn)機(jī)構(gòu)。它在各種自動(dòng)化機(jī)械中得到廣泛的應(yīng)用，用來(lái)滿足送進(jìn)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)位、分度、超越等工作要求。常用的步進(jìn)機(jī)構(gòu)可以分為兩類： 1）主動(dòng)件往復(fù)擺動(dòng)，從動(dòng)件間歇運(yùn)動(dòng)，如棘輪機(jī)構(gòu)。 2）主動(dòng)件連續(xù)運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)件間歇運(yùn)動(dòng)，如槽輪機(jī)構(gòu)、不完全齒輪機(jī)構(gòu)等。 步進(jìn)機(jī)構(gòu)種類很多，我們這里主要學(xué)習(xí)常用的：棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)和不完全齒輪機(jī)構(gòu)。 5.1 棘輪機(jī)構(gòu)棘輪機(jī)構(gòu)

2、1、棘輪的工作原理和類型、棘輪的工作原理和類型 我們都會(huì)騎自行車，當(dāng)我們腳等踏板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)鏈輪，通過(guò)鏈條又帶動(dòng)后輪上的鏈輪，實(shí)現(xiàn)自行車的前進(jìn)。但后輪的鏈輪是只有外面的鏈輪帶動(dòng)里面的轉(zhuǎn)軸，當(dāng)我們不再蹬動(dòng)腳踏板時(shí)，自行車后輪可以繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。留心的同學(xué)可能知道這個(gè)零件的名稱，實(shí)際上這就是一個(gè)棘輪機(jī)構(gòu)。 但是這個(gè)機(jī)構(gòu)究竟是怎么工作的呢？ 典型的棘輪機(jī)構(gòu)如圖5-1所示。該機(jī)構(gòu)為輪齒式外嚙合棘輪機(jī)構(gòu)，由棘輪3、棘爪2、搖桿1和止動(dòng)爪4、彈簧5和機(jī)架所組成。棘輪3固裝在傳動(dòng)軸上，棘輪的齒可以制作在棘輪的外緣、內(nèi)緣或端面上，而實(shí)際應(yīng)用中以作在外緣上居多。搖桿1空套在傳動(dòng)軸上。圖圖5-1棘輪機(jī)構(gòu) 1 當(dāng)搖桿沿逆

3、時(shí)針?lè)较驍[動(dòng)時(shí)，棘爪2嵌入機(jī)輪3上的齒間，推動(dòng)機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)搖桿沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，止動(dòng)爪4阻止棘輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)棘爪2在棘輪齒背上滑過(guò)，此時(shí)棘輪靜止。這樣，當(dāng)搖桿往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，棘輪便可以得到單向的間歇運(yùn)動(dòng)。圖圖5-1 如圖52所示為一內(nèi)接式棘輪機(jī)構(gòu)。 圖圖5-2 如果工作需要，要求棘輪能作不同轉(zhuǎn)向的間歇運(yùn)動(dòng)，則可把棘輪的齒作成矩形，而將棘爪作成圖53所示的可翻轉(zhuǎn)的棘爪。棘輪機(jī)構(gòu) 7 圖圖5-3當(dāng)棘爪處在圖示B的位置時(shí)，棘輪可得到逆時(shí)針?lè)较虻膯蜗蜷g歇運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)棘爪繞其銷軸A翻轉(zhuǎn)到虛線位置 時(shí)，棘輪可以得到順時(shí)針?lè)较虻膯蜗蜷g歇運(yùn)動(dòng)。B圖圖5-3 如圖所示為一種棘爪可以繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的棘輪機(jī)構(gòu)。當(dāng)棘

4、爪按圖示位置安放時(shí)，棘輪可以得到逆時(shí)針?lè)较虻膯蜗蜷g歇運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)棘爪提起，并繞本身軸線旋轉(zhuǎn) 后再放下時(shí)，就可以使棘輪獲得順時(shí)針?lè)较虻膯蜗蜷g隙運(yùn)動(dòng)。180棘輪機(jī)構(gòu) 8 圖圖5-4 如果我們希望使搖桿來(lái)回?cái)[動(dòng)時(shí)，使棘輪都能夠棘輪向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則可以采用所謂雙雙動(dòng)式棘輪機(jī)構(gòu)動(dòng)式棘輪機(jī)構(gòu)，如，如圖圖55所示所示。此種機(jī)構(gòu)的棘爪可以制成直的或鉤頭的。 圖 55 上述的輪齒式棘輪機(jī)構(gòu)，棘輪是靠搖桿上的棘爪推動(dòng)其棘齒而運(yùn)動(dòng)的，所以棘輪每次轉(zhuǎn)動(dòng)角都是棘輪齒距角的倍數(shù)。在搖桿一定的情況下，棘輪每次的轉(zhuǎn)動(dòng)角是不能改變的。若工作時(shí)需要改變棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)角，除采用改變搖桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角外，還可以采用如圖56所示的結(jié)構(gòu)圖 56 棘

5、輪上加一個(gè)遮板，用以遮蓋搖桿擺角范圍內(nèi)棘輪上的一部分齒。這樣，當(dāng)搖桿逆時(shí)針?lè)较驍[動(dòng)時(shí)，棘爪先在遮板上滑動(dòng)，然后才插入棘輪的齒槽推動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)。被遮住的齒越多，棘輪每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就越小。圖 56 如圖57所示為摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)。這種棘輪機(jī)構(gòu)是通過(guò)棘輪2與棘爪3之間的摩擦而使棘爪實(shí)現(xiàn)間歇傳動(dòng)的。 棘輪機(jī)構(gòu) 4 圖 57 摩擦式棘輪機(jī)構(gòu)可無(wú)級(jí)變更棘輪轉(zhuǎn)角，且噪聲小，但與棘輪之間容易產(chǎn)生滑動(dòng)。為增大摩擦力，可將棘輪做成槽輪形。棘輪機(jī)構(gòu) 5 在棘輪機(jī)構(gòu)中，棘輪多為從動(dòng)件，由棘爪推動(dòng)其運(yùn)動(dòng)。而棘爪的運(yùn)動(dòng)則可用連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)或電磁裝置等來(lái)實(shí)現(xiàn)。2、棘輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用、棘輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和應(yīng)用 輪齒式棘輪機(jī)構(gòu)結(jié)

6、構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)可靠、棘輪的轉(zhuǎn)角容易實(shí)現(xiàn)有級(jí)的調(diào)節(jié)。但是這種機(jī)構(gòu)在回程時(shí)，棘爪在棘輪齒背上滑過(guò)產(chǎn)生噪聲；在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始和終了時(shí)，由于速度突變而產(chǎn)生沖擊，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)行差，且棘輪輪齒容易磨損，故常用于低速輕載等場(chǎng)合。摩擦式棘輪傳遞運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)、無(wú)噪聲，棘輪角可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，但運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性差，不易用于運(yùn)動(dòng)精度高的場(chǎng)合。 棘輪機(jī)構(gòu)常用在各種機(jī)床、自動(dòng)機(jī)、自行車、螺旋千斤頂?shù)雀鞣N機(jī)械中。棘輪還被廣泛低用作防止機(jī)械逆轉(zhuǎn)的制動(dòng)器中，這類棘輪制動(dòng)器常用在卷?yè)P(yáng)機(jī)、提升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)和牽引設(shè)備中。圖5-8所示為一提升機(jī)中的棘輪制動(dòng)器，重物Q被提升后，由于棘輪受到止動(dòng)爪的制動(dòng)作用，卷筒不會(huì)在重力作用下反轉(zhuǎn)下降。棘輪機(jī)構(gòu) 6 圖 5

7、-8 在確定棘爪回轉(zhuǎn)軸軸心的位置時(shí)，最好使 點(diǎn)至棘輪輪齒頂尖A點(diǎn)的連線 A與棘輪過(guò)A點(diǎn)的半徑OA垂直，這樣，當(dāng)傳遞相同的轉(zhuǎn)矩時(shí)，棘爪受力最小。 OO3、棘爪回轉(zhuǎn)軸位置的確定、棘爪回轉(zhuǎn)軸位置的確定圖 5-9 4、棘輪輪齒工作齒面、棘輪輪齒工作齒面偏斜角偏斜角 的確定的確定 棘輪齒與棘爪接觸的工作齒面應(yīng)與半徑OA傾斜一定角度 ，以保證棘爪在受力時(shí)能順利地滑入棘輪輪齒的齒根。偏斜角 的大小可如下得出，如圖5-9所示。 設(shè)棘輪齒對(duì)棘爪得法向壓力為 ，將其分解成 和 兩個(gè)分力。其中徑向分力 把棘輪推向棘輪齒的根部。 nPtPrPrP圖 5-9 而當(dāng)棘爪沿工作齒面向齒根滑動(dòng)時(shí)，棘輪齒對(duì)棘爪的摩擦力 ，將阻

8、止棘爪滑入棘輪齒根。為保證棘爪的順利滑入，必須保證有： nPfFcosnrPfP又 sinnrPP 所以可以得到： tantan f（ 為摩擦角） 即 ： 圖 5-9 5.2 槽輪機(jī)構(gòu)槽輪機(jī)構(gòu)1、槽輪工作原理和類型、槽輪工作原理和類型槽輪機(jī)構(gòu) 1 如圖所示為一外槽輪機(jī)構(gòu)。 它由帶有圓銷的主動(dòng)撥盤1、具有徑向槽從動(dòng)槽輪2和機(jī)架所組成。5-10 當(dāng)撥盤1以等角速度連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，撥盤上的圓銷A沒(méi)進(jìn)入槽輪的徑向槽時(shí)，槽輪上的內(nèi)凹鎖止弧被撥盤上的外凸弧mm卡住，槽輪靜止不動(dòng)。當(dāng)撥盤上的圓銷剛開(kāi)始進(jìn)入槽輪徑向槽時(shí)，鎖止弧nn也剛好被松開(kāi)槽輪在圓銷A的推動(dòng)下開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。5-10 當(dāng)圓銷在另一邊離開(kāi)槽輪的徑向槽時(shí)，

9、鎖止弧nn又被卡住，槽輪又靜止不動(dòng)，直至圓銷A再一次進(jìn)入槽輪的另一徑向槽時(shí)，槽輪重復(fù)上面的過(guò)程。該機(jī)構(gòu)是一種典型的單向間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。5-10 如圖所示為槽輪機(jī)構(gòu)在電影放映機(jī)中的間歇抓片機(jī)構(gòu)。 圖 4-11 槽輪機(jī)構(gòu) 6 槽輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、制造簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高，并能較平穩(wěn)地進(jìn)行間歇轉(zhuǎn)位的優(yōu)點(diǎn)，故在工程上得到了廣泛應(yīng)用。內(nèi)嚙合槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理與外嚙合槽輪機(jī)構(gòu)一樣。相比之下，內(nèi)嚙合槽輪機(jī)構(gòu)比外槽輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊。但是槽輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角不能調(diào)節(jié)，且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中加速度變化比較大，所以一般只用于轉(zhuǎn)速不高的定角度分度機(jī)構(gòu)中。 2、槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)系數(shù)、槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)系數(shù) 在一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中，槽輪運(yùn)動(dòng)時(shí)間

10、 與撥盤運(yùn)動(dòng)時(shí)間 之比稱為運(yùn)動(dòng)系數(shù)，用 來(lái)表示。 由于撥盤通常作等速運(yùn)動(dòng)，故運(yùn)動(dòng)系數(shù) 也可以用撥盤轉(zhuǎn)角表示，如圖410所示的單圓銷槽輪機(jī)構(gòu)，時(shí)間 和 分別對(duì)應(yīng)的撥盤轉(zhuǎn)角為 和 ，所以有： 2t1t2t1t12215-10 為避免剛性沖擊，在圓銷進(jìn)入或脫出槽輪徑向槽時(shí)，圓銷的速度方向應(yīng)與槽輪槽的中心線重合，即徑向槽的中心線應(yīng)切于圓銷中心的運(yùn)動(dòng)圓周。因此，若設(shè)z為均勻分布的徑向槽數(shù)目，則可得：zzz)2(22221所以得到： zz225-10 由于運(yùn)動(dòng)系數(shù) 必須大于零，故由上式可知徑向槽數(shù)最少等于3，而 總小于0.5，即槽輪的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間總小于停歇時(shí)間。 如果要求槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間大于停歇時(shí)間，即要求0.5

11、，則可以在撥盤上裝數(shù)個(gè)圓銷。設(shè)K為均勻分布在撥盤上的圓銷數(shù)目，則運(yùn)動(dòng)系數(shù) 應(yīng)為：zzKKtt2)2(12由于運(yùn)動(dòng)系數(shù) 應(yīng)小于1，即 ，所以有：12)2(zzK22zzK 增加徑向槽數(shù)z可以增加機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，但是機(jī)構(gòu)尺寸隨之增大，導(dǎo)致慣性力增大。所以一般取 z =48。 槽輪機(jī)構(gòu)中撥盤上的圓銷數(shù)、槽輪上的徑向槽數(shù)以及徑向槽的幾何尺寸等均視運(yùn)動(dòng)要求的不同而定。每一個(gè)圓銷在對(duì)應(yīng)的徑向槽中相當(dāng)于曲柄擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。因此，該機(jī)構(gòu)為分析槽輪的速度、加速度帶來(lái)了方便，有興趣的同學(xué)可以下去自學(xué)。槽輪機(jī)構(gòu) 2 槽輪機(jī)構(gòu) 3 槽輪機(jī)構(gòu) 4 槽輪機(jī)構(gòu) 5 5.3 不完全齒輪機(jī)構(gòu)不完全齒輪機(jī)構(gòu) 不完全齒輪機(jī)構(gòu)是由普

12、通漸開(kāi)線齒輪機(jī)構(gòu)演變而成的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。它與普通漸開(kāi)線齒輪機(jī)構(gòu)的主要區(qū)別在于蓋機(jī)構(gòu)中的主動(dòng)輪僅有一個(gè)或幾個(gè)齒，如圖512所示。圖 512 當(dāng)主動(dòng)輪1的有齒部分與從動(dòng)輪輪齒結(jié)合時(shí)，推動(dòng)從動(dòng)輪2轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)主動(dòng)輪1的有齒部分與從動(dòng)輪脫離嚙合時(shí)，從動(dòng)輪停歇不動(dòng)。因此，當(dāng)主動(dòng)輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)輪獲得時(shí)動(dòng)時(shí)停的間歇運(yùn)動(dòng)。圖 512 圖512a所示為外嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu)，其主動(dòng)輪1轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，從動(dòng)輪2轉(zhuǎn)動(dòng)六分之一周，從動(dòng)輪每轉(zhuǎn)一周停歇6次。當(dāng)從動(dòng)輪停歇時(shí)，主動(dòng)輪上的鎖止弧與從動(dòng)輪上的鎖止弧互相配合鎖住，以保證從動(dòng)輪停歇在預(yù)定位置。圖b為內(nèi)嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu)。圖 512 如圖所示為不完全齒輪齒條機(jī)構(gòu)，當(dāng)主動(dòng)輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)輪作時(shí)動(dòng)時(shí)停的往復(fù)移動(dòng)。 不完全齒輪機(jī)構(gòu) 1