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

2、 棘輪機(jī)構(gòu)棘輪機(jī)構(gòu) 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

3、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 逆時(shí)針方向擺 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)針方向 轉(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，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)針方向的單向間 歇運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)棘爪繞 其銷軸A翻轉(zhuǎn)到虛線 位

4、置 時(shí)，棘輪可 以得到順時(shí)針方向的 單向間歇運(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)棘爪按 圖示位置安放時(shí)，棘輪 可以得到逆時(shí)針方向的 單向間歇運(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) 針方向的單向間隙運(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

5、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 方向擺動(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)可無級(jí) 變更棘輪轉(zhuǎn)角， 且噪聲小，但 與棘輪之間容 易產(chǎn)

6、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)構(gòu)簡單、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產(chǎn)生 噪聲；在運(yùn)動(dòng)開始和終了時(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合。摩擦式 棘輪傳遞運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)、無噪聲，棘輪角可以 實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)，但運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性差，不易用于 運(yùn)動(dòng)精度高的場合。 棘輪機(jī)構(gòu)常用在各種機(jī)床、自 動(dòng)機(jī)、自行車

7、、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)器常用在卷揚(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 5-8 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。 O O 3、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

8、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。 n P t P r P r P 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 ，將阻止棘 爪滑入棘輪齒根。為 保證棘爪的順利滑入， 必須保證有： n PfF cos nr PfP 又 sin nr PP 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

9、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 上的圓銷剛開始進(jìn)入槽 輪徑向槽時(shí)，鎖止弧nn 也剛好被松開槽輪在圓 銷A的推動(dòng)下開始轉(zhuǎn)動(dòng)。 5-10 當(dāng)圓銷在另一邊離 開槽輪的徑向槽時(shí)， 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

10、 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 與撥盤運(yùn) 動(dòng)時(shí)間 之比稱為運(yùn)動(dòng)系 數(shù)，用 來表示。 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4 10所示的單圓銷槽輪機(jī)

11、構(gòu)，時(shí)間 和 分別對(duì)應(yīng) 的撥盤轉(zhuǎn)角為 和 ， 所以有： 2 t 1 t 2 t 1 t 1 2 2 1 5-10 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： z z z )2(2 22 21 所以得到： z z 2 2 5-10 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，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)

12、動(dòng)系數(shù) 應(yīng)為： z zK Kt t 2 )2( 1 2 由于運(yùn)動(dòng)系數(shù) 應(yīng)小于1，即 ，所以有：1 2 )2( z zK 2 2 z z K 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)是由普通漸開線齒輪機(jī)

13、構(gòu)演 變而成的間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。它與普通漸開線齒輪機(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5 12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