槽轮机构设计专项方案.doc

基于Predator SFC系统槽轮机构CAD/CAM创新实验
---------------槽轮机构设计方案

1． 槽轮机构简介
在图1中外槽轮机构中，积极件拔盘以角速度w1匀速转动，当拔盘上圆销转到图1所示A位置时，拨盘上锁止弧S1起使边到达中心连线O1O2位置，槽轮开始转动。当圆销转到A1时，拔销退出轮槽，拔盘继续转动，槽轮却停止转动，咱们称此时槽轮被锁住，槽轮上内凹锁止弧和拨盘上外凸锁止弧啮合在一起。这样，积极拨盘持续转动就转换成槽轮间歇转动。为避免槽轮在起动和停歇时发生刚性冲击，拔销开始进入和离开轮槽时，轮槽中心线应和圆销中心A运动圆周相切，即拔销转到图1所示位置时，O1A⊥O2A。

ω2
ω1
o1
o2
锁止弧
槽轮
拨盘
圆销

图1外槽轮机构
构成：带圆销拨盘、带有径向槽槽轮。拨盘和槽轮上均有锁止弧：槽轮上凹圆弧、拨盘上凸圆弧，起锁定作用。
工作过程：拨盘持续回转，当两锁止弧接触时，槽轮静止；反之槽轮运动。
作用：将持续回转变换为间歇转动。
特点：构造简朴、制造容易、工作可靠、机械效率高，能平稳地、间歇地进行转位。因槽轮运动过程中角速度有变化 ，不适合高速运动场合。

2．槽轮机构长处
(1)构造简朴，工作可靠，效率较高;
(2)在进入和脱离啮合时运动较平稳，能精确控制转动角度;
(3)转位迅速，从动件能在较短时间内转过较大角度;
(4)槽轮转位时间与静止时间之比为定值。
3．槽轮机构缺陷
(1)槽轮转角大小不能调节;
(2)槽轮转动始、末位置加速度变化较大，从而产生冲击:
(3)在工作盘定位精度规定较高时，运用锁紧弧面往往满足不了规定，而需另加定位装置。
(4)槽轮制造与装配精度规定较高。由于这些因素，槽轮机构普通应用在转速不高装置中。
4．槽轮机构工作原理
槽轮机构 ，又叫马尔她机构或日内瓦机构，由具备径向槽槽轮1和具备拨销2拨杆3构成，其工作原理如图2所示。

图2 槽轮机构工作原理简图

当拨杆转过一定角度，拨动槽轮转过一种分度角，由图(a)所示位置转到图(b)所示位置时，拨销退出轮槽，此后，拨杆空转，直至拨销进入槽轮下一种槽内，才又重复上述循环。这样，拨杆(积极件)等速(或变速)持续(或周期)运动，就转换为槽轮(从动件)时转时停间歇运动。
槽轮机构常采用锁紧弧定位，即运用拨杆上外凸圆弧一锁紧弧A与槽轮上内凹圆弧一定位弧B接触锁住槽轮。图(a)所示为拨销开始进入轮槽时位置关系，这时外凸圆弧面端点F点离开凹面中点，槽轮开始转动。图(b)所示为拨销刚要离开轮槽时位置关系，这时外凸圆弧面另一端点E刚好转到内凹圆弧面中点，拨杆继续转动，E点越过凹面中点，槽轮被锁住。图(c)为拨销退出轮槽后来状况，这时，外凸圆弧面与内凹圆弧面密切接触，槽轮被锁住而不能向任何方向转动.由上述工作过程规定，拨杆上外凸圆弧缺口应对称于拨杆轴线。
5．重要几何尺寸设计公式
图 3为槽轮机构重要尺寸关系图。图中O1为拔盘中心，O2为槽轮中心，L1为拨销轨迹半径;L2为槽轮半径;L3为中心距，h为槽轮槽深,rb为拨销半径,δ为间隙。

图3 槽轮机构重要几何尺寸关系图

设拔盘轴直径为d.为避免槽轮在起动和停歇时发生刚性冲击，圆销开始进入和离开轮槽时，轮槽中心线应和圆销中心运动圆周相切，从而决定了槽轮机构重要尺寸之间关系，依照图4所示槽轮机构设计计算公式如下：

图4 槽轮机构重要几何尺寸计算关系图
(1) 已知参数： 槽轮槽数 z ，拨盘上圆销数目 m ，中心距C=O1O2 ,
拨盘上圆销半径R T ，拨盘转速 n1
(2) 槽轮运动角： 2β=2л/z
(3) 拨盘运动角： 2α=л-2β
(4) 拨盘上圆销数目： m ＜ 2z/(z-2)
(5) 圆销中心轨迹半径： R1=C sin(β)
(6) 槽轮外径： R2=[（C sin(β)）2+R2T]½
(7) 槽轮深度： h= R1+ R2- C + R T +δ
(8) 拨盘回转轴直径： d1 ＜ 2（C- R2）
(9) 槽轮轴直径： d2 ＜ 2（C - R1- R T - δ）
(10) 拨盘上锁止弧所对中心角：γ=2（л/m –α）
(11) 锁止弧半径：R0= R1- b - RT
(12) 槽轮每循环运动时间：tf = [(z-2)/z] 30/n1
(13) 槽轮每循环停歇时间：td = [(2z-m(z-2))/(mz)] 30/n1
(14) 槽轮机构动停比k： k=(m(z-2))/(2z-m(z-2))
(15) 圆销中心轨迹半径R1与中心距C比λ：λ=R1/C=sin(л/z)
(16) 槽轮角位移： Ф=arc tg [γsin(θ)/(1-γcos(θ)) -α≤θ ≤+α
(17) 槽轮角速度： ω2=（λcos（θ）-λ）ω1/（1+λ2-2λcos（θ））
(18) 槽轮角加速度：ε2=（λ（λ2-1）sin（θ）ω21/（1+λ2-2λcos（θ）2）
(19) 槽轮最大角速度所在位置：θ=00

普通δ取值范畴为3-6mm，当槽轮槽数z较大时。
6．槽轮机构设计方案
6.1 方案1规定槽轮机构动停比k=1/3
设： 槽轮槽数Z=4 拨销m=1 中心距C=70 拨销半径R T=2mm
销与槽底间隙δ=3 槽齿宽b=5
求解槽轮机构尺寸参数：
(1) 槽轮运动角： 2β=2л/z=2л/4=л/2
(2) 拨盘运动角： 2α=л-2β=л/2
(3) 拨盘上圆销数目： m=1 ＜ 2z/(z-2)=8/2=4
(4) 圆销中心轨迹半径： R1=C sin(β)=70 × SIN（45）=49.5
(5) 槽轮外径： R2=[（C sin(β)）2+R2T]½=[49.52+4]1/2=49.54
(6) 槽轮深度： h= R1+ R2- C + R T +δ=49.5+49.54-70+2+3=34
(7) 拨盘回转轴直径： d1=12 ＜ 2（C- R2）=2(70-49.54)=40.9
(8) 槽轮轴直径： d2=12 ＜ 2（C - R1- R T - δ）=2(70-49.5-2-3)=31
(9) 拨盘上锁止弧所对中心角：γ=2（л/m –α）=3л/2
(10) 锁止弧半径：R0= R1- b - RT=49.5-5-2=42.5
(11) 槽轮机构动停比k： k=(m(z-2))/(2z-m(z-2))=2/(8-2)=1/3
(12) 圆销中心轨迹半径R1与中心距C比λ：λ=R1/C=sin(л/z)=SIN(л/4)=0.707

6.2 方案2规定槽轮机构动停比k=1
设： 槽轮槽数Z=4 拨销m=2 中心距C=70 拨销半径R T=2mm
销与槽底间隙δ=3 槽齿宽b=5
求解槽轮机构尺寸参数：
(1) 槽轮运动角： 2β=2л/z=2л/4=л/2
(2) 拨盘运动角： 2α=л-2β=л/2
(3) 拨盘上圆销数目： m=2 ＜ 2z/(z-2)=8/2=4
(4) 圆销中心轨迹半径： R1=C sin(β)=70 × SIN（45）=49.5
(5) 槽轮外径： R2=[（C sin(β)）2+R2T]½=[49.52+4]1/2=49.54
(6) 槽轮深度： h= R1+ R2- C + R T +δ=49.5+49.54-70+2+3=34
(7) 拨盘回转轴直径： d1=12 ＜ 2（C- R2）=2(70-49.54)=40.9
(8) 槽轮轴直径： d2=12 ＜ 2（C - R1- R T - δ）=2(70-49.5-2-3)=31
(9) 拨盘上锁止弧所对中心角：γ=2（л/m –α）=л/2
(10) 锁止弧半径：R0= R1- b - RT=49.5-5-2=42.5
(11) 槽轮机构动停比k： k=(m(z-2))/(2z-m(z-2))=4/(8-4)=1
(12) 圆销中心轨迹半径R1与中心距C比λ：λ=R1/C=sin(л/z)=SIN(л/4)=0.707

7. 方案1槽轮三维模型

图5 槽轮三维模型
7.1 方案1槽轮设计图纸
(1)槽轮

图6 槽轮某些

(2)拨盘
槽轮机构拨盘某些起驱动作用。本机构拨盘如图7所示，本构造分2层，上层起驱动左右，下层起连接槽轮作用。两层圈盘实为一体。

图7 拨盘某些
(3) 槽轮装配
如图8所示，槽轮机构要装在一底板上并加以固定。图上销作用为连接机构和底板。

图8 槽轮机构装配图

8.槽轮机构配合和表面粗糙度
(1) 参照刀尖圆角来设计工件圆角,未注倒角C0.2—0.8，未注圆角R0.2—0.8。
(2) 表面粗糙度配合面和滑动面Ra12.5，可见加工痕迹，普通用于没有相对运动配合面。其他表面Ra25，为达到普通容许公差而切削后自然得到表面，接触状态规定稳定面，常用用手接触面。Ra6.3（微见加工痕迹）和Ra3.2（不见加工痕迹）用于相对运动速度不高接触面，要精车、精铰、精镗和精铣。
(3) 拨盘和槽轮孔与轴低速旋转，拨销与槽低速相对运动，用间隙配合H8/f7。
(4) 没有相对运动配合，因受力较小，用小过盈配合H7/h6
(5) 槽轮外轮廓与拨盘凹弧配合是H9/e9,大间隙配合。
(6) 中心距公差是±0.02到±0.03。
9. 槽轮机构运动分析
9.1 外槽轮机构角速度和角加速度分析
假设槽轮机构在工作某一状态时工作简图如图2-1(a)所示，其相应状态矢量见图9(b)所示，O1为槽轮中心，O2为拔盘中心，E1为槽轮开始进入运动时圆销中心位置，E为槽轮在运动中任一位置，角速度和角加速度曲线见图10所示。

图9槽轮机构工作简图以及矢量分析图

图10 槽轮角速度曲线图(a)和角加速度曲线图(b)

· （1）槽轮机构运动起来是做变加速运动，槽轮机构最大角速度出当前θ=0位置。
· （2）在拨销进入与脱离轮槽瞬间，槽轮速度为零，但加速度不为零，因此产生柔性冲击。
· （3）槽轮机构角速度和角加速度变化取决于槽数z。
（4）在选取槽数时，应当综合考虑各种因素。对于槽轮机构，槽数越少则工作效率越高，一方面，槽数越少角加速度变化越大，运动平稳性能差，槽轮机构振动、冲击和噪声将随之加大;另一方面，随着槽数增长，槽轮构造尺寸将加大，从动端惯性力矩也随着加大。同步当槽数z不不大于9时，槽轮机构动停比K变化趋于平稳，动力特性改进也明显削弱，但随着槽数增长将给机构设计带来困难将越大。因而，在实际应用中，槽轮机构槽数多在4到8范畴内。

10.槽轮机构创新
10.1 槽轮机构应用和研究现状
槽轮机构构造简朴、工作可靠、从动件运动可以较精确地控制等长处，在工业生产中广泛地应用于较少工位间歇转位机构和步进机构中。但老式槽轮机构存在有如下两个缺陷:(1)动力特性差。槽轮在进入啮合和退出啮合瞬间，拨销向心加速度使槽轮角加速度发生突变，从而浮现柔性冲击;在槽轮转动过程中加速度变化瞬间，由于间隙存在，浮现横越间隙冲击;转动过程中最大角加速度也较大。(2)分度数与动停比有拟定关系，动停比无选取余地。
由于槽轮机构角速度曲线持续，因而，只要制造和装配精度可以保证，普通来说，基本不存在刚性冲击。对槽轮机构研究重要集中在机构改进方面，以槽轮机构为基本机构(除机架和原动件外还具备零个或一种杆组机构称为基本机构)，在此基本上串联槽轮机构或其他基本机构以得到持续角加速度曲线，从而避免柔性冲击，改进机构动力性能。近年来，提出了某些槽轮机构改进方案，如两级串联式槽轮机构、行星轮驱动槽轮机构、完整齿轮和非完整齿轮驱动槽轮机构、椭圆齿轮驱动槽轮机构、连杆机构驱动槽轮机构等组合式槽轮机构。其中行星轮驱动槽轮机构构造简朴，对动力特性有相称改进效果，也扩大了动停比选取范畴。但对这种机构运动学分析和参数分析尚有待进一步，该机构潜力也未得到充分发掘与结识。
为适应间歇运动高速化规定，浮现了各种分度凸轮机构。但是此类机构尚有两个缺陷:(1)它们是高副机构，较易磨损；(2)制造技术复杂。
10.2 创新机构
10.2.1 紧锁槽轮机构
槽轮机构旋转曲柄上有一驱动滚子，当它进入一种槽时，输出轮就会迅速地转位。如图11所示，锁止杆上圆滚与槽相啮合以防止槽轮不转位移动。

图11 紧锁槽轮机构

10.2.2 行星齿槽轮机构
当驱动齿轮用在锁止盘上一种单齿驱动行星齿轮时，输出杆保持静止。锁止盘是行星齿轮一某些，它与环行齿槽轮相啮合，使输出杆转动一种位置，如图12所示。

图12 行星齿槽轮机构
10.2.3双槽轮驱动
第一种槽轮从动某些是第二个槽轮驱动某些。这样产生一种较宽输出转动变化范畴，这个输出转动涉及两个迅速转位之间长时间暂停。如图13所示。

图13 双槽轮驱动

10.2.4凸槽凹轮槽轮机构
当槽轮被均速转动圆滚驱动时，它经常有很高加速和减速特性。在这里改进中，当被槽凸轮转动驱动时，涉及驱动滚在内输出杆可以沿径向移动。于是，当驱动滚与槽轮啮合时，连杆将沿径向向内移动。这个动作减少了槽轮加速力。如图14所示。

图14 凸槽凹轮槽轮机构
10.2.5一锁紧滑道槽轮机构
一种销锁紧或松开槽轮，另一种销在槽轮未被锁紧时驱动槽轮。在图所示位置，驱动销将与沟槽相啮合，使槽轮进行转位。与此同步，锁止销正好刚离开沟槽。如图15所示。

图15 一锁紧滑道槽轮机构

10.2.6 四杆槽机构
一种四连杆槽机构可以产生一种很长暂停时间，输出一种摆动运动。驱动轮转动可以可以使得驱动滚在输出杆上往复进出。在暂停期间，两盘表面可以使输出保持在图示位置上。如图16所示。

图16 四杆槽机构

10.2.7 迅速转动槽轮机构
在一种四杆机构连杆伸出某些上点连接轨迹曲线中，有大体成90°两条直线。这为驱动销直接进入沟槽提供了条件，由于当驱动销进入沟槽很深时槽轮都不会运动。然后，槽轮将产生一迅速转为。一种锁紧凸轮通过齿轮与输入轴相连接，它能防止槽轮不转位时移动。如图17所示。

图17 迅速转动槽轮机构

10.2.8 长时间暂停槽轮机构
这种槽轮机构上有一条链，链上有与原则槽轮相结合伸出销。该机构在槽轮每转动90°时都可以有一种较长暂停时间。链轮间空间大小决定了暂停时间长短。有些链节具备特殊延长某些，可以在暂停时锁住槽轮。图18所示

图18 长时间暂停槽轮机构

10.2.9 改进槽轮机构
普通槽轮机构输入连杆以均速转动，这样就限制了设计灵活性。也就是说，当尺寸和状态数拟定后，输入轴转素决定了暂停时间长度。图19中椭圆形齿轮产生一种变化曲柄转动，它可以延长或缩短暂停时间。

图19 改进槽轮机构

10.2.10 双轨槽轮机构
这种槽轮设计核心是必要使输出滚子沿切线方向进入和脱离槽轮（由于曲柄迅速转位输出）。如图20所示，一种新具备双轨道转位机构已经成功地研制出来了。圆滚进入一种轨道槽轮就转位90°，然后自动地沿滑出轨道脱离槽轮。当非转位时，相联连杆机构就会锁住槽轮。在图20所示位置上，锁紧滚好将要脱离槽轮。

图20 双轨槽轮机构
10.2.11 控制输出杆
在该简朴机构中输出某些不会向任何方向转动，直到输入某些开始驱动它。在工作过程中，驱动杆靠销上轴承使输出盘转位。转位时由于输入盘上槽处在容许控制杆尖进入位置，控制杆在凸轮作用下离开输出轮。但是，当杆离开销子时，输入盘使迫使控制杆尖离开盘上槽，而另一端进入输出盘上凹槽。这样可以锁紧输出某些，使其在暂停时不向任何方向转动。图21所示。

图21 控制输出杆

10.2.12 渐进摆动驱动
一种与行星轮相连曲柄使点P运动诡计为两个环形曲线，如图4-12所示。开有滑槽输出曲柄在竖直方向有暂短地摆动。图22所示。

图22 渐进摆动驱动

10.2.13 平行导向机构
输入曲柄与两个行星轮相连接。太阳轮中心是固定。使三个齿轮半径相似，轮2为惰轮，在驱动曲柄转动过程中，固定在齿轮3上任何某些将与它本来位置平行。图23所示

图23 平行导向机构

10.2.14 正旋往复运动机构
该往复运动机构将旋转运动转化为往复移动，在往复用动中摆动某些与输入轴处在同一种平面上。输出某些涉及恋歌带者滚子臂杆，且滚子与切去顶端球面相接触。球转动产生了摆动输出。图24所示。

图24 正旋往复运动机构

10.2.15 规则槽轮驱动机构
通过设计驱动滚，使其相对输入轴不对称，暂停时间是可变化。这样不会影响运动期间持续时间。如果想要不均匀运动时间和暂停时间，圆滚曲柄长应当不相等，星形轮应当作适当改进。该机构称为不规则槽轮驱动机构。图25所示。

图25 规则槽轮驱动机构
10.2.16 歇运动机构
在这个间歇运动机构中，两个圆滚驱动输出轴，并在暂停时可以锁紧输出轴。对于输入轴每一转，输出轴都会有两个运动阶段。输出角φ由齿轮数目决定。转动角Ψ在有限范畴内可以选取。齿轮a
被装在驱动b轮上两个驱动滚间歇地驱动，轮b装在机架c上。在暂停时间内，圆滚沿齿顶转动。在运动时间内，一种圆滚途径d是一条倾向输出轴直线，且与从动轮关于。凸轮轮廓和途径d平行。齿顶是半径为R圆弧，该弧与圆滚途径相似。图26所示。

图26 歇运动机构

10.2.17 筒锁装置间歇传动机构
图27是带有一种圆筒锁装置间歇传动机构。在暂停末尾，带动销d和两齿啮合先后短时间内，内部圆筒f不能使从动轮锁紧，因而添加了与筒f同轴辅助筒e。只有具备两者才干获得较好锁紧性能。她们长度是由从动轮节圆决定。图4-17所示。

图27 筒锁装置间歇传动机构

11. 结 论
（1）槽轮机构运动起来是做变加速运动，槽轮机构最大角速度出当前θ=00位置。
（2）在拨销进入与脱离轮槽瞬间，槽轮机构速度为零，但角加速度不为零，产生冲击。
（3）槽轮机构角速度和角加速度变化取决于槽数z。
（4）在选取槽数时，应当综合考虑各种因素。对于槽轮机构，槽数越少则工作效率越高，一方面，槽数越少角加速度变化越大，运动平稳性能差，槽轮机构振动、冲击和噪声将随之加大;另一方面，随着槽数增长，槽轮构造尺寸将加大，从动端惯性力矩也随着加大。同步当槽数z不不大于9时，槽轮机构动停比K变化趋于平稳，动力特性改进也明显削弱，但随着槽数增长将给机构设计带来困难将越大。因而，在实际应用中，槽轮机构槽数多在4到8范畴内。
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