間隙運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制【2013年最新整理畢業(yè)論文】

Z S T U Zhejiang Sci-Tech University 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) Bachelor S THESIS 論文題目： 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺 研制 專業(yè)班級： 09 機(jī)械四班 姓名學(xué)號： 黃陸楊 B09300411 指導(dǎo)教師： 唐浙東 遞交日期： 2013 年 5 月 20 號 浙 江 理 工 大 學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院 畢業(yè)論文誠信聲明 我謹(jǐn)在此保證：本人所寫的畢業(yè)論文，凡引用他人的研究成果均已在參考文獻(xiàn)或注釋中列出。論文主體均由本人獨(dú)立完成，沒有抄襲、剽竊他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出現(xiàn)以上違反知識產(chǎn)權(quán)的情況，本人愿意承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。 聲明人（簽名）： 年 月 日 摘要 在許多機(jī)械設(shè)備中，尤其是自動和半自動機(jī)中 ，由于生產(chǎn)工藝的需求，往往需要機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)周期性的轉(zhuǎn)位、分度以及作帶有瞬間停歇或有停歇區(qū)的斷續(xù)性運(yùn)動。 總的來說，間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)根據(jù)其不同的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)動原理，可以分為兩大類：一類是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)動的間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)，如棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、不完全齒輪機(jī)構(gòu)、共軛盤形分度凸輪機(jī)構(gòu)等；另一類是實(shí)現(xiàn)瞬間停歇或停歇區(qū)的間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)，如凸輪 -連桿組合機(jī)構(gòu)以及差動鏈輪機(jī)構(gòu)。 由于間歇機(jī)構(gòu)傳動的間歇特性以及設(shè)計(jì)難度較大，所以現(xiàn)實(shí)生活中，對于間歇機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的試驗(yàn)平臺還是比較少見的，本文著重對常見的幾種可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)動的間歇機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 通過理論初設(shè)計(jì)時確定機(jī)構(gòu)的動停比，在試驗(yàn)臺上安裝相應(yīng)傳感器，對運(yùn)動的間歇機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，繪制出間歇機(jī)構(gòu)的運(yùn)動曲線，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動的分析，確定機(jī)構(gòu)在理想工況下的傳動特性，從而對后期機(jī)構(gòu)的矯正與優(yōu)化提供一定的幫助。 關(guān)鍵字： 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)；傳感器；步進(jìn)運(yùn)動；試驗(yàn)臺 Abstract In many machinery and equipment， Especially in automatic and semi-automatic machines , Due to the demand of the production process, Often requires agencies to achieve a cyclical translocation, indexing and with instantaneous stop or stop intermittent motion. Overall, Intermittent mechanism can be divided into two categories according to their different structural characteristics and movement principle, One is stepping movement intermittent motion mechanism, such as Ratchet mechanism, Geneva mechanism, incomplete gear mechanism, conjugated disc-shaped indexing cam mechanism and so on； The other is instantly stop or rest area intermittent motion mechanism, such as Cam - connecting rod combination mechanism and differential sprocket mechanism. Due to the intermittent transmission characteristics of intermittent institutions as well as design more difficult, in real life, the test platform for intermittent motion analysis is still relatively rare. This article focuses on several common stepper motion can be achieved intermittent do a parametric design. Determined by the theory of the early design agency of the Proportion of movement and rest. Sensor installed on the test stand, collect the data of the Intermittent movement mechanism, Measuring the angular displacement of its movement, the angular velocity, Analysis of the motion of the institutions, Determining mechanism in the transmission characteristics of the ideal conditions, Correction and optimization of the late institutions to provide some help. Key words:Intermittent mechanism；Sensor；stepper motion； Test bench 目 錄 摘 要 Abstract 第 1 章緒論 . 6 1.1 間歇機(jī)構(gòu)的背景 . 6 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 . 1 1.2.1 國內(nèi)外間歇機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀 . 1 1.2.2 國內(nèi)外間歇機(jī)構(gòu)研究趨勢 . 2 1.3 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容和意義 . 3 第 2 章 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) . 3 2.1 棘輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) . 4 2.2 槽輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) . 6 2.3 不完全齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) . 10 2.4 共軛盤形分度凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) . 15 第 3 章 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺 .25 3.1 試驗(yàn)臺的簡介 . 25 3.2 電機(jī)的選擇 . 28 3.3 減速器的選擇 . 28 3.4 旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇 . 29 3.5 帶的設(shè)計(jì) . 30 3.6 軸的強(qiáng)度校核 . 31 第 4 章 間歇機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 .32 4.1 槽輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析 . 32 4.2 共軛凸輪運(yùn)動分析 . 35 第 5 章總結(jié)與展望 .38 參考文獻(xiàn) .39 致 謝 .40 第 1 章緒論 1.1 間歇機(jī)構(gòu)的背景 科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展使各種生產(chǎn)機(jī)械的性能日益完善和復(fù)雜，機(jī)械化和自動化控制水平日益提高。相應(yīng)的，對生產(chǎn)機(jī)械中的各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)構(gòu)的性能提出了越來越高的要求。尤其在輕工、食品、紡織、電子等行業(yè)廣泛使用的各種自動機(jī)械、輸送裝置中，有許多包含步進(jìn)機(jī)構(gòu) 1 的機(jī)械系統(tǒng)。其特點(diǎn)是將系統(tǒng)輸入軸的連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為工作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的間歇轉(zhuǎn)動或移動，從而使系統(tǒng)在其間歇期能完成預(yù)期的工藝動作。為了適應(yīng)不同的工作要求，改善動態(tài)性能， 提高定位精度，各種間歇機(jī)構(gòu)自發(fā)明伊始，人們不斷創(chuàng)造眾多結(jié)構(gòu)新穎、構(gòu)思巧妙、滿足各種工藝需要的間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu) 2 。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.2.1 國內(nèi)外間歇機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀 在十八世紀(jì)后期，由于受當(dāng)時生產(chǎn)水平的限制，普遍采用槽輪機(jī)構(gòu) 3 、星輪機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)簡單的間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)，且只有簡單的運(yùn)動分析方法。十九世紀(jì)中葉以后，生產(chǎn)水平不斷發(fā)展，開始出現(xiàn)機(jī) 構(gòu)的綜合方法。近年來，不少國內(nèi)外機(jī)構(gòu)學(xué)工作者致力于間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)的研究，取得了一些成果，但從事間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)研究的人并不多，而間歇機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用卻越來越廣泛，因此，對間歇機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺的研制很有必要。 棘輪機(jī)構(gòu) 4 一般用于傳遞平行軸的運(yùn)動，在機(jī)械中一般應(yīng)用在轉(zhuǎn)速不高和要求間歇轉(zhuǎn)動的裝置中，如牛頭刨床工具機(jī)臺的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、自行車后軸的齒式棘輪超越機(jī)構(gòu)、手動絞車中的防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、超越離合器和剎車器等機(jī)構(gòu)。由于 棘輪是在非對稱應(yīng)力循環(huán)加 載下特有的一種非彈性循環(huán)受力 ,其結(jié)構(gòu)安全性和壽命評估是設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時必須考慮的一個重要因素?？祰⒏邞c學(xué)者的課題組對 40Cr3MoV 貝氏體鋼、調(diào)質(zhì) 42CrMo 鋼等循環(huán)軟化材料的棘輪行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究 ,結(jié)果表明 :該類材料的棘輪行為具有明顯的三階段特征 ,即初始的棘輪應(yīng)變率衰減階段、中段的常棘輪應(yīng)變率階段和后期的加速棘輪應(yīng)變率階段 ,并且材料會很快因?yàn)檫^大的棘輪應(yīng)變而過早失效。由于棘輪行為的復(fù)雜性 ,很多因素的影響都還沒有得到合理的考慮 ,還需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)以及相應(yīng)的理論研究。 槽輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單 ,便于制造、安 裝方便等優(yōu)點(diǎn) ,但傳統(tǒng)普通槽輪機(jī)構(gòu)在每次驅(qū)動曲柄進(jìn)人或脫離輪槽時 ,槽輪的瞬時角加速度不為零且方向相反。以致發(fā)生方向相反的沖擊 ,引起動載荷 ,使系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的振動 ,盡管增多槽數(shù)等方法可以減緩加速度的峰值 ,但無法從根本上完全消除?，F(xiàn)在有些學(xué)者對傳統(tǒng)普通槽輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)變異 ,使新型槽輪機(jī)構(gòu)能夠在很大程度上克服以上缺點(diǎn)。 不完全齒輪機(jī)構(gòu) 5 是由齒輪機(jī)構(gòu)演變而得的一種間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)。不完全齒輪機(jī)構(gòu)是一種頗具特色的間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu) , 特別是對于低速 、輕載、要求間歇勻速傳動的情況 , 尤為適宜。近年來 , 很多作者進(jìn)一步對不完全齒輪機(jī)構(gòu)的嚙合過程幾何參數(shù)作了詳細(xì)的推證 , 但是 , 由于不完全齒輪機(jī)構(gòu)的參數(shù) 6 眾多 , 關(guān)系復(fù)雜 , 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 2 交錯影響 , 給設(shè)計(jì)工作帶來很大困難?，F(xiàn)行的設(shè)計(jì)方法 , 一般都是以假想齒輪的齒數(shù) Z 、模數(shù) m 或中心距 A 為給定條件 , 再選定一些參數(shù) , 經(jīng)過相當(dāng)繁復(fù)的運(yùn)算 , 得出 K值。如果 K 值不合要求 , 則需另選參數(shù) , 重新計(jì)算。由于這些參數(shù)并不標(biāo)志間歇運(yùn)動的基本特征 , 因 此計(jì)算工作量很大 ,而所得結(jié)果往往不夠理想。 由于缺少有效的設(shè)計(jì)方法 , 在一定程度上也影響了推廣應(yīng)用。 凸輪型分度機(jī)構(gòu) 7 結(jié)構(gòu)簡單、能自動定位、動靜比可任意選擇，已廣泛應(yīng)用于印刷、食品包裝等自動機(jī)械中，并成為間歇和步進(jìn)機(jī)構(gòu)的主要發(fā)展方向。凸輪機(jī)構(gòu)在發(fā)達(dá)國家已有數(shù)十年的發(fā)展歷史，其理論研究工作仍在深入，其生產(chǎn)已采用高精度加工設(shè)備，產(chǎn)品質(zhì)量不斷完善。 Gonzalez Palacios 和 J Angeles 于1990 年提出了輸入、輸出軸相交成任意角度的球面分度凸輪機(jī)構(gòu)，但只是分析了輸入、輸出構(gòu)件的直接接觸的情況。此后，他們進(jìn)一步推導(dǎo)了含滾子的球面分度凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪輪廓的曲面方程，初步分析了輸入、輸出軸夾角對機(jī)構(gòu)壓力角的影響，給出了幾個擺動凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8 實(shí)例和一個球面空間分度凸輪機(jī)構(gòu)的原型機(jī)。目前對球面分度凸輪機(jī)構(gòu)的理論分析工作已取得一些成果，但是該機(jī)構(gòu)采用球面凸輪，結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 加工制造難度很大，制造成本較高，與實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)囊欢尉嚯x。我國于 70 年代開始在某些工廠和高校著手研究這類機(jī)構(gòu)，在幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動力學(xué)方面均取得了一些成果，已具備設(shè)計(jì)開發(fā)能力。 1.2.2 國內(nèi)外間歇機(jī)構(gòu)研究趨勢 近年來， 一些學(xué)者和工程技術(shù)人員將間歇機(jī)構(gòu)與其他一些機(jī)構(gòu)進(jìn)行并聯(lián)組合，實(shí)現(xiàn)了較為復(fù)雜的工作循環(huán)。這類組合機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活性較大，可以在不改變原有間歇機(jī)構(gòu)工作特點(diǎn)的情況下，打破原有機(jī)構(gòu)的局限性。此外，一些機(jī)構(gòu)學(xué)工作者提出了許多靈活多樣的變異設(shè)計(jì)，為間歇機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新提供了更為廣闊的思路。 機(jī)構(gòu)的組合 9 是發(fā)展新機(jī)構(gòu)的重要途徑之一。目前組合機(jī)構(gòu)已在各種自動機(jī)械或自動生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。人們嘗試將各種基本機(jī)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，使其既能發(fā)揮特長，又能避免本身固有的局限性，從而形成結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便、浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 性能優(yōu)良的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)中所提出的多種要求和提高生產(chǎn)的自動化程度。由于組合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，設(shè)計(jì)計(jì)算亦繁復(fù)，增加對它研究的困難。近年來，運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)和采用最優(yōu)化方法，極大地推進(jìn)了它的研究進(jìn)展，因此，今后一定會有更多 更新的組合機(jī)構(gòu)出現(xiàn)，適應(yīng)日趨現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求。 1.3 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容和意義 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)與形式層數(shù)不窮，并且復(fù)雜多變，本設(shè)計(jì)從簡入手，對幾種生活中常見并且廣泛運(yùn)用的間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行一個結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時先確定機(jī)構(gòu)的動停比，再通過試驗(yàn)臺對機(jī)構(gòu)的角位移、角速度進(jìn)行測量， 從定性到定量的去研究間歇機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中各個物理量的變化情況，讓我們在認(rèn)識的基礎(chǔ)上，更加深層次的去了解各種間歇機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特點(diǎn)與工作原理。試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)以及推廣，可以彌補(bǔ)當(dāng)代高校學(xué)生重理論，輕實(shí)踐的缺陷，讓更多的學(xué)生去了解，認(rèn)識和創(chuàng)新各種 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)，還能豐富學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容，強(qiáng)化學(xué)生的動手能力。 第 2 章 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 步進(jìn)運(yùn)動間歇機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特點(diǎn)是其輸出構(gòu)件做單向的具有周期性停歇的運(yùn)動，其運(yùn)動的特點(diǎn)是單個方向的、有規(guī)律的、動停交替的。如多工位組合機(jī)床中，工件裝在工作臺上，沿轉(zhuǎn)臺圓周方向按工藝要求裝有幾個動力頭，轉(zhuǎn)臺在步進(jìn)運(yùn)動間歇機(jī)構(gòu)的推動下做周期性的分度轉(zhuǎn)位運(yùn)動，使工件經(jīng)過不同的工位時，各個動力頭完成相應(yīng)的加工動作，在加工頭進(jìn)行加工的時候，轉(zhuǎn)臺作為從動件，處于停歇期，當(dāng)?shù)谝粋€動力頭完成加工時，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過一定的分度角，使工件轉(zhuǎn)到下一個工 位，進(jìn)入下一個停歇期，讓下一個動力頭再進(jìn)行加工。步進(jìn)運(yùn)動間歇機(jī)構(gòu)應(yīng)用非常廣泛，在金屬切削機(jī)床、沖壓機(jī)械、包裝機(jī)械及輕工、紡織 10 等行業(yè)的許多機(jī)械設(shè)備中都有應(yīng)用，本論文主要針對棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、不完全齒輪機(jī)構(gòu)及共軛盤形分度凸輪機(jī)構(gòu)做一個簡單的設(shè)計(jì)與運(yùn)動分析。 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 4 2.1 棘輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 棘輪機(jī)構(gòu)可分為齒式和摩擦式兩類，每類中又有幾種不同的結(jié)構(gòu)形式。齒式棘輪機(jī)構(gòu)主要由棘爪和齒式棘輪組成一般棘爪為主動件，其運(yùn)動可由連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、液 壓、氣動或電磁鐵等實(shí)現(xiàn)。棘輪為從動件，可實(shí)現(xiàn)單向間歇步進(jìn)運(yùn)動。由于電機(jī)做單向的旋轉(zhuǎn)，而棘輪機(jī)構(gòu)的主動件棘爪為往復(fù)運(yùn)動，因此不能直接將主動軸與棘爪連接，需要一個連桿機(jī)構(gòu)與主動軸連接，將主動軸的單向旋轉(zhuǎn)變成棘爪的往復(fù)擺動。本文中主要是對棘輪 -連桿機(jī)構(gòu) 11 進(jìn)行設(shè)計(jì)。 圖 2-1由一個偏心圓、連桿、擺桿、棘爪和棘輪組成，偏心圓與主動軸安裝在主動軸上，帶動連桿擺動，連桿與裝在從動軸上的擺桿連接，再由擺桿帶動棘爪做往復(fù)擺動，使棘輪做步進(jìn)運(yùn)動。 圖 2-1 棘輪機(jī)構(gòu)三維圖 由于直接從機(jī)構(gòu)上很難計(jì)算出各個部件的參數(shù)，所以可以將此機(jī)構(gòu)簡化成一個 四連桿的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。如圖 2-2所示 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 圖 2-2 棘輪機(jī)構(gòu)簡化后的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)圖 AB 桿為偏心圓軸到偏心圓孔的距離， AC 為偏心圓和棘輪的中心距， BD 為連桿兩圓孔距離， CD 為棘輪軸到下端孔距離， AB做勻速單向旋轉(zhuǎn)， CD 做往復(fù)擺動， CD的擺角作為棘輪每一次運(yùn)動的轉(zhuǎn)角。設(shè)計(jì)時先確定兩軸之間的中心距，再確定棘輪每一次運(yùn)動轉(zhuǎn)過的角度，然后根據(jù)滿足四連桿形成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的條件，即各桿滿足： 1+4 =2+3 1+2 =3+4 1+3 =2+4 得出轉(zhuǎn)動副 A為周轉(zhuǎn)副的條件是 1） 最短桿長度 +最長桿長度 =其余兩桿長度之和 2） 組成該周轉(zhuǎn)副的兩桿中必有一桿為最短桿 當(dāng)最短桿為連架桿時，機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，所以桿 1 為最短桿，且為連架桿。 棘輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇 本文采用不對稱梯形齒，齒數(shù) z 與棘輪最小轉(zhuǎn)角有關(guān)， =2 /z，試驗(yàn)臺用的棘輪載荷不大，故可以增加齒數(shù) z，避免空載時沖擊過大，確定棘輪模數(shù) m與齒數(shù) z，有棘輪頂圓直徑 Da=m*z （ 2-1） 齒距 P= *m （ 2-2） 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 6 圖 2-3 棘輪和棘爪的尺寸 齒根圓 Df=Da-2h （ 2-3） 式中 h-棘輪輪齒的齒高。 棘齒工作面傾角的大小通常為正值，棘輪的齒數(shù)和模數(shù)確定之后，棘輪和棘爪其余的尺寸均可查表確定。 棘爪位置的確定 過點(diǎn) A做 nn AB，（圖 2-3）并根據(jù)選定的角做棘爪方位線 AO1，并在其上截取 AO1=L為棘爪長， O1為即為棘爪軸心。在 BA 線上從 B點(diǎn)截取 h1棘爪工作面邊長。自 B點(diǎn)引一直線與 BA 成 1在此直線上從 B點(diǎn)起取 a1為棘爪非工作面邊長。在 O1點(diǎn)做棘爪軸轂 d1,最后光滑連接爪部與軸轂間的輪廓線，連接時要注意棘爪的非工作部分與棘輪輪齒避免干涉。 2.2 槽輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 槽輪機(jī)構(gòu)主要由槽輪、裝有圓銷的轉(zhuǎn)臂或撥盤和機(jī)架構(gòu)成。撥盤一般與主動軸連接，為主動件，做等速連續(xù)轉(zhuǎn)動，帶動槽輪做間歇轉(zhuǎn)動。槽輪機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)形式可以分為外槽輪機(jī)構(gòu)和內(nèi)槽輪機(jī)構(gòu)，如圖（ 2-4）和（ 2-5） 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 圖 2-4 外槽輪機(jī)構(gòu) 圖 2-5 內(nèi)槽輪機(jī)構(gòu) 槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 外槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動系數(shù) 和動停比 k 設(shè)槽輪有 z個均勻分布的徑向槽，槽輪每一次轉(zhuǎn)動過程中的轉(zhuǎn)角為 2，主動件相應(yīng)的轉(zhuǎn)角為 2。轉(zhuǎn)臂上的圓銷是在槽輪中心線與圓銷中心的軌跡圓相切的條件下進(jìn)出槽輪的，由此可 得 2 =2 /z （ 2-4） 2 = -2 =（ z-2） /z （ 2-5） 設(shè)撥盤轉(zhuǎn)一周的時間為 T，槽輪的轉(zhuǎn)位分度運(yùn)動時間為 tf，槽輪停歇的時間為 td，當(dāng)轉(zhuǎn)臂角速度 1為常數(shù)時，有 tf/T= /； td/T=1- / tf/T=0.5-1/z td/T=0.5+1/z tf/T 和 td/T稱為槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動系數(shù)和靜止系數(shù) g12 ，它們說明撥盤回轉(zhuǎn)一周的時間 T 內(nèi)，槽輪的轉(zhuǎn)位時間與靜止時間所占總時間的百分比，由式可知，外槽輪機(jī)構(gòu)中槽輪的靜止系數(shù) g 總是大于 0.5，也就是說，槽輪的靜止時間總是大于它的運(yùn)動時間。由此得出，外槽輪機(jī)構(gòu)的動停比 k為槽輪的運(yùn)動時間與它停歇時間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 8 間的比，即 k=tf/td=(z-2)/(z+2)=1-4/(z+2) 設(shè)計(jì)槽輪機(jī)構(gòu)，首先根據(jù)工作要求選定槽數(shù) z與轉(zhuǎn)臂上圓銷數(shù)目 m，撥盤上鎖止弧所對應(yīng)的中心角（圖 4）應(yīng)與槽輪在停歇期撥盤所轉(zhuǎn)過的角度相等，即 =2 -2 本設(shè)計(jì)采用單圓銷的槽輪機(jī)構(gòu)，因此設(shè)計(jì)時滿足上式即可。撥盤上鎖止弧的半徑R0應(yīng)為 R0=R1-b-RT （ 2-6） 其中 R1-撥盤上圓 銷中心的軌跡半徑； b-槽輪在槽口處的厚度； RT-撥盤上圓銷的半徑。 槽輪的理論外圓半徑是指當(dāng)圓銷開始進(jìn)入槽輪時，槽輪軸心至圓銷中心之間的距離，但是由于圓銷并不是理想的一個點(diǎn)，而是有實(shí)際的半徑，因此如果槽輪的半徑按圓銷與槽剛相切時計(jì)算所得，在安裝與運(yùn)動時，可能圓銷無法很好的進(jìn)入槽內(nèi)，加劇沖擊，甚至造成圓銷無法進(jìn)入槽內(nèi)的現(xiàn)象。如圖（ 2-6）和（ 2-7）所示 圖（ 2-6）圓銷進(jìn)入輪槽時的情況 圖（ 2-7）圓銷與輪槽頂端有間隙的情況 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 因此，槽輪實(shí)際的外圓半徑應(yīng)該是槽輪軸軸心 O2至槽輪側(cè)邊頂 點(diǎn)與圓銷切點(diǎn) D之間的距離， R2=O2D=（ AD+O2A） =（ RT+（ C*cos） （ 2-7） 其中 RT-撥盤上的圓銷半徑 ； C-中心距 O1O2； -槽輪運(yùn)動角的一半 當(dāng) RT較小時，可以近似的取 R2為 Ccos，本設(shè)計(jì)取上述計(jì)算的精確值，不取近似值。 由圖（ 6）和圖（ 7）可以算出槽輪機(jī)構(gòu)的其余尺寸： 圓銷中心軌跡半徑（即曲柄長）為 R1=C*sin （ 2-8） 槽輪的槽的深度為 h=R1+R2-C+RT+ （ 2-9） RT為圓銷半徑 為滾子與槽輪底部的徑向間隙 ，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的大小決定，一般情況下取 3 6mm。 槽輪的角位移為 =arctan( sin /（ 1- cos） ) 其中為圓銷中心軌跡半徑 R1與中心距 C的比 A。 槽輪的角速度為 2=（ cos -） /（ 1+ -2 cos） * 1 1為撥盤的角速度，為撥盤的轉(zhuǎn)角 槽輪的角加速度為 2=（ -1*sin） /（ 1+ -2 cos） * 1 槽輪在工作時，槽輪的角速度不是一個常數(shù)，在轉(zhuǎn)位的開始與終止時，均存在著角加速度，具有一定的沖擊，槽輪的轉(zhuǎn)速越快，槽輪的槽數(shù)越小，則槽輪在轉(zhuǎn)位時存在 的沖擊就越大，因此槽輪雖然工作可靠，機(jī)械效率較高，但是一般并不適宜用于高速場合。 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 10 2.3 不完全齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 不完全齒輪機(jī)構(gòu)是由普通漸開線齒輪演變而來的，其與普通漸開線齒輪13 的主要不同點(diǎn)是在主、從動輪上都沒有布滿全部的齒輪，不完全齒輪的結(jié)構(gòu)形式，一般分為外嚙合式和內(nèi)嚙合式兩種，當(dāng)從動輪的直徑變?yōu)闊o窮大的時候，就不再是不完全齒輪機(jī)構(gòu)，而變成了不完全齒輪 齒條機(jī)構(gòu)了。不完全齒輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動形式如圖（ 2-8）和（ 2-9）所示 當(dāng)主 動輪 1連續(xù)轉(zhuǎn)動時，從動輪 2做單向間歇轉(zhuǎn)動，主動輪每轉(zhuǎn)一周，從動輪轉(zhuǎn) 1/4 周，從動輪在自身轉(zhuǎn)一周中停歇 4 次，當(dāng)從動輪處于停歇階段的時候，主動輪上的鎖止弧與從動輪上的鎖止弧相互配合止住，以保證從動輪在停歇期間處于預(yù)定的位置而不隨著主動輪的轉(zhuǎn)動被帶動。由于不完全齒輪機(jī)構(gòu)中的主動輪和從動輪的假想齒數(shù)（即假設(shè)主動輪與從動輪的分度圓上布滿輪齒時的齒數(shù)）和主動輪、從動輪上鎖止弧的數(shù)目以及鎖止弧之間的實(shí)際齒數(shù)可在很大的范圍內(nèi)做自由調(diào)整，因此不完全齒輪機(jī)構(gòu)的一些運(yùn)動參數(shù)，如從動輪每轉(zhuǎn)一周的停歇次數(shù)，每次停歇的時長，每次運(yùn)動的 轉(zhuǎn)角等可以調(diào)整的參數(shù)比槽輪機(jī)構(gòu)要大的多，因此不完全齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加的靈活多變。但是由于不完全齒輪在嚙合的開始與終止時刻的沖擊比較大，因此動力學(xué)特性比較差。如果附加瞬心機(jī)構(gòu)以調(diào)整不完全齒輪的動力學(xué)特性，則會增加不完全齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，因此，不完全齒輪機(jī)構(gòu)一般也多用于低速、輕載的場合 14 。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 圖（ 2-8）外嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu) 圖（ 2-9）內(nèi)嚙合不完全齒輪機(jī)構(gòu) 1-主動輪 2-從動輪 1-主動輪 2-從 動輪 不完全齒輪機(jī)構(gòu)的齒廓曲線也采用漸開線，但是又與普通齒輪的嚙合過程有所不同。 一般的標(biāo)準(zhǔn)齒輪機(jī)構(gòu)在嚙合過程中重疊系數(shù)總是大于 1 的，即當(dāng)前面一對齒輪沒有完全脫離的時候，后面一對齒輪已經(jīng)進(jìn)入嚙合狀態(tài)，所以每一對齒輪的嚙合點(diǎn)從頭至尾都在嚙合線 B2B1上，進(jìn)入時的嚙合點(diǎn)為 B2，分離時嚙合點(diǎn)為 B1。 不完全齒輪機(jī)構(gòu)的嚙合過程又分為 2種，單齒嚙合與多齒嚙合。 當(dāng)不完全齒輪機(jī)構(gòu)的主動輪上只有一個齒的時候，嚙合過程分為三個段： 1）開始嚙合時 如圖 2-11 所示，主動輪的輪齒與處于停歇的從動輪輪齒接觸時，從動輪才開始轉(zhuǎn) 動，因此，起始嚙合點(diǎn)是由從動輪的停歇位置確定的，可能處于 B2點(diǎn)，但是也有可能處于 A處，（ A是從動輪處于停歇狀態(tài)時，主動輪輪齒與從動輪輪齒第一個接觸的從動輪齒頂圓頂點(diǎn)），如果接觸點(diǎn)為 A，則齒輪的沿著圓弧 AB2運(yùn)動到 B2點(diǎn)，如果接觸點(diǎn)為 B2，則無圓弧 AB2段的運(yùn)動，直接進(jìn)入中間嚙合段。 2）中間嚙合段 主動輪輪齒到達(dá) B2點(diǎn)后，繼續(xù)推動從動輪轉(zhuǎn)動，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 12 P 運(yùn)動到 B1點(diǎn)，這段軌跡與普通漸開線齒輪的軌跡相同。 3）最后嚙合段 主動輪輪齒到達(dá) B1點(diǎn)后，因?yàn)槭菃锡X傳動，所以后面沒有齒輪嚙合，主動輪齒頂圓頂點(diǎn)沿著圓弧 BB1轉(zhuǎn)動，最后在 B1點(diǎn)分離。 圖（ 2-10） 標(biāo)準(zhǔn)齒輪的嚙合過程 圖（ 2-11）不完全齒輪的嚙合過程 當(dāng)不完全齒輪上有多個輪齒的時候，嚙合過程也可分為三段，如圖（ 2-12）所示 圖（ 2-12） z1 的不完全齒輪的嚙合過程 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 1)開始嚙合點(diǎn) A（ A）由從動輪停歇位置所確定，與單齒傳動相同，當(dāng)從動輪輪齒轉(zhuǎn)動到 B1點(diǎn)時，由于重疊系數(shù)大于 1，首齒還沒分離時，第二對齒輪已經(jīng)進(jìn)入嚙合狀態(tài)，所以第一對輪齒在 B1點(diǎn)分離。 2)第二至倒數(shù)第二隊(duì)齒輪由于是在前一對齒輪已經(jīng)嚙合時進(jìn)入嚙合狀態(tài)，所以這幾對齒輪的實(shí)際嚙 合線與普通漸開線齒輪的嚙合線相同，為 B2B1。 3)最后一對齒由于前一對齒已經(jīng)進(jìn)入嚙合，因此也從 B2點(diǎn)開始嚙合，但是因?yàn)槠浜笤贈]有齒嚙合，因此最后一個齒直到兩齒頂圓交點(diǎn) B 才分開。 假設(shè)從動輪上布滿輪齒的數(shù)目為 z2，主動輪上鎖止弧間實(shí)有齒數(shù)為 z1，則在單齒傳動中 2=2 K/z2 2為從動輪每次運(yùn)動轉(zhuǎn)過的角度； K 為 2中包含的齒數(shù) 。 在非單齒傳動中 2=（ z1 -1+K） *2 /z2 Z2 =z1 -1+K 其中 2為從動輪每次轉(zhuǎn)過的角度； Z2為從動輪每次轉(zhuǎn)過的齒數(shù)； K同上。 齒頂干涉問題的出現(xiàn)及解 決 如果不完全齒輪機(jī)構(gòu)的有關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì) 14 不正確，就有可能發(fā)生主動輪的輪齒被從動輪的輪齒卡住而不能進(jìn)入嚙合的情況，發(fā)生干涉現(xiàn)象。若發(fā)生干涉現(xiàn)象，可以采取降低首齒和末齒齒頂高系數(shù)，使首齒可以進(jìn)入從動輪齒間進(jìn)行傳動，將末齒齒頂高系數(shù)也做相應(yīng)改變，可使從動輪停在設(shè)計(jì)要求的位置。主動輪首齒和末齒齒頂高系數(shù)可以查表獲得。 從動輪鎖止弧的設(shè)計(jì) 為了保證不完全齒輪機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)動與停歇，應(yīng)該在機(jī)構(gòu)上安裝定位裝置。通常通過鎖止弧來滿足這一要求。從動 輪上鎖止弧之間應(yīng)占有 K個齒的位置，且K 個齒做成實(shí)體，沒有齒間，如圖（ 2-13） 為使齒頂不產(chǎn)生尖角，通常保留一定的頂圓齒厚，弧 EE，弧長為 0.5m，因此可得從動輪鎖止弧半徑為 R=m/2*（ z2+2） +（ z1+z2） -2（ z2+2）（ z1+z2） cos( 2+ 2- 2) （ 2-10） 其中 2= /2z2-(inv a2-inv )； 2=（ K-1） /z2 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 14 圖（ 2-13）從動輪鎖止弧的設(shè)計(jì) 圖（ 2-14）主動輪鎖止弧上起點(diǎn) F 的確定 1-主動輪 2-從動輪 1-主動輪 2-從動輪 當(dāng)主動輪末齒到達(dá)嚙合點(diǎn) B 時，主動輪鎖止弧起點(diǎn)應(yīng)處于連心線 O1O2上，如圖 14，經(jīng)計(jì)算可得，主動輪末齒中心線與連心線 O1O2的夾角為 1 =arcsin(z2+2hz2*)sin(2- 2- 2)/（ z1+2hz1*） )- 1 （ 2-11） 1= /2z1-(inv a1-inv ) 由于主動輪和從動輪上的鎖止弧互相配合，所以半徑 R 相等。 F為鎖止弧起點(diǎn)。 當(dāng)（ 2+ 2） ( a2- )時，可得 1=arcsin(z2+2)sin( 2+ 2)/（ z2+2） +（ z1+z2） -2（ z2+2） (z1+z2)cos( 2+ 2)+ /2z1-inv A+inv （ 2-12） 當(dāng)（ 2+ 2） ( a2- )時 1=K /z1 （ 2-13） 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 因而主動輪鎖止弧所對中心角為 =2 -（ 1+ 1 +）。 圖（ 2-15）主動輪鎖止弧終點(diǎn) G的確定 2.4 共軛盤形分度凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 共軛盤形分度凸輪機(jī)構(gòu)用于平行軸間的傳動，主動凸輪做勻速轉(zhuǎn)動，從動轉(zhuǎn)盤作間歇步進(jìn)運(yùn)動。共軛盤形 分度凸輪由前后兩片凸輪構(gòu)成，在安裝的時候錯開一定的角度，并呈對稱安裝。從動盤前后兩面各有幾個均布的滾子，此機(jī)構(gòu)有以下幾種： 本文設(shè)計(jì)的是雙頭式共軛盤形分度凸輪機(jī)構(gòu)。從動盤每次轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)過 H 個滾子圓心角，雙頭式機(jī)構(gòu)的參數(shù) H 為 2，設(shè)計(jì)時選擇滾子數(shù)目為 8，即前后各均布4 個滾子，則轉(zhuǎn)盤每次的轉(zhuǎn)位角為 2 H/z= /2。 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 16 圖（ 2-16）單頭式 圖（ 2-17）雙頭式 圖（ 2-18）四頭式 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)一圈停歇的次數(shù)為分度數(shù)，用 I 表示。則雙頭式的分度數(shù) I=z/H=4，雙頭式機(jī)構(gòu)凸輪在分度期的轉(zhuǎn)角 d與停歇轉(zhuǎn)角 f有 d=2 - f （ 2-14） 因?yàn)橥馆唲蛩俎D(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為 1，凸輪和轉(zhuǎn)盤在分度期的時間 tf和停歇期的時間td為 tf= f/ 1 td= d/ 1 則雙頭式共軛凸輪的動停比 k與運(yùn)動系數(shù)為為 k=tf/td （ 2-15） = tf/(tf+td) （ 2-16） 雙頭式共軛盤形分度凸輪理論廓線和工作廓線的精確計(jì)算 輔助坐標(biāo)系的建立 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 圖（ 2-19）共軛盤形凸輪的坐標(biāo)系 輔助坐標(biāo)系的原點(diǎn)與凸輪軸心 O1重合，在圖（ 2-19）中，當(dāng)凸輪從基準(zhǔn)位置 10處順時針方向轉(zhuǎn)過角度之后，轉(zhuǎn)盤上 的滾子從 10處轉(zhuǎn)過了 - 10的角度。為了求的凸輪理論廓線上的點(diǎn)與工作廓線上的點(diǎn)，可再建立一個輔助坐標(biāo)系，如圖（ 2-20）。 圖（ 2-20）共軛盤形凸輪廓線計(jì)算時的輔助坐標(biāo)系 其中 O2Y 沿 O2t，連接 O2F10，并作 OG O2Y， OE O2F10，則 x 軸與 X軸之間的夾角間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 18 隨著凸輪的轉(zhuǎn)動而發(fā)生變化，為 180+（ - + - 10）。由 x軸起逆時針度量。 根據(jù)凸輪運(yùn)動時坐標(biāo)系的變換可列出方程 02022221 1211 yxYXaa aayx t ttt 由于 Xt=0,Yt=rp，可得 a11=cos(x,X)=-cos( - + - 10) a12=cos(x,Y)=sin( - + - 10) a21=cos(y,X)=-sin( - + - 10) a22=cos(y,Y)=-cos( - + - 10) 且 xO1O2=90 +（ 10-） 因此可得 X02=-Ccos( 10- ),y02=Ccos( 10- ) 將所得結(jié)果代入矩陣方程中，可得凸輪理論廓線上 t點(diǎn)的方程為 )s in ()s in ( 1010 Crx pt （ 2-17） )c o s ()c o s ( 1010 Cry pt （ 2-18） 換算成極坐標(biāo)方程為 2/122 )( ttt yxR （ 2-19） )arctan(ttt xy （當(dāng) xt0,yt0 時） )arc tan(ttt xy （當(dāng) xt0,yt0,yk0時） )arc tan(kkk xy 當(dāng)（ xk0,yk0時） 上述式中 C 凸輪與轉(zhuǎn)盤的中心距； rp 轉(zhuǎn)盤的節(jié)圓半徑； 滾子半徑； 凸輪的轉(zhuǎn)角，由 ox 起逆時針度量； t和 k 凸輪理論廓線和工作廓線的向徑角，有 Ox 起逆時針度量； 10 轉(zhuǎn)盤上第一 個滾子的起始位置角， 10= /z，由 O2O1起逆時針度量； 轉(zhuǎn)盤上第一個滾子的位置角， = 10+ t 計(jì)算用的輔助角 )c o sc o sa rc ta n (1010 C rC p （ 2-23） 值按 arctan 的分子和分母的取值來判斷，即根據(jù)分子與分母的正負(fù)來判斷所在的象限，從而決定的角度的大小。 壓力角的計(jì)算 壓力角 15 的定義為與凸輪理論輪廓線上的 t點(diǎn)接觸的滾子中心 F1處的速 度與公法線 nn 所夾銳角。在圖（ 20）中， nn 與連心線相交于點(diǎn) P， P 即為凸輪與轉(zhuǎn)盤的相對速度瞬心。延長 O2F1，由 O1作其垂直線 O1G，由 P點(diǎn)作其垂線 PH， HPF1=。 s inc o stan22 PO rPO p 根據(jù) P是相對瞬心速度的關(guān)系可知 121122 )( POCPOPO 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 20 因此 1221 CPO 可求得 )s in)1(c o sa r c t a n ( 12 CrC p （ 2-24） 由此可知，壓力角的大小與 z和 rp/z 有關(guān)，而與頭數(shù) H 及運(yùn)動規(guī)律無關(guān)。 與第三個滾子接觸的凸輪理論廓線與工作廓線方程 輔助坐標(biāo)系的建立 圖（ 2-21）凸輪輪廓方程式的坐標(biāo)變換 O1xy為與第三個滾子接觸的凸輪廓線與工作廓線的輔助坐標(biāo)系， O1x與跟滾子 3起始位置 30處相接觸的凸輪理論廓線向徑 R30重合，計(jì)算方式與滾子 1類似，需要將公式中的 10替換為 30。再將所得結(jié)果轉(zhuǎn)換為在坐標(biāo) O1xy 中的坐標(biāo) )s in ()co s ( 30103010 yxx （ 2-25） )co s ()s in ( 30103010 yxy （ 2-26） 10 滾子 1在其起始位置 10時，滾子中心 F10與凸輪軸心 O1的連心 F10O1與 O2O1間的夾角，即 R10與 O2O1間夾角； 30 滾子 3在其起始位置 30時，滾子中心 F30與凸輪軸心 O1的連心 F30O1與 O2O1間的夾角，即 R30與 O2O1間夾角； 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 21 21102210 )cos2( CrCrR pp )s ina rc s in ( 101010 Rr p （ 2-27） 由于 10恒為正值，因此 10也恒取正值 21302230 )c o s2( CrCrR pp )s ina rc s in ( 303030 Rr p （ 2-28） 本設(shè)計(jì)為雙頭式 8滾子的盤形分度凸輪機(jī)構(gòu)，選取中心距為 100mm，根據(jù)設(shè)計(jì)時要求的不產(chǎn)生自交現(xiàn)象及最大壓力角和能形成凸輪理論廓線的 rp/C 的曲線圖。 最后取得 rp/C=0.46 為合適的參數(shù) 滾子半徑（ 0.4 0.6） rpsin( z/2),取 10mm，計(jì)算時，由于凸輪分度期轉(zhuǎn)位角為 180，為精確計(jì)算凸輪輪廓曲線，取 =0.05，即每一個步長的無量綱時間為 T=0.05/180，則轉(zhuǎn)盤的分度期角位移分成三個階段，即： 圖（ 2-22）按最大壓力角 max 選用 rp/C 的曲線圖 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 22 圖（ 2-23）能形成凸輪理論廓線的 rp/C最大允許值曲線圖 圖（ 2-24）不產(chǎn)生自交現(xiàn)象的曲線圖 )4s in (41()4(2 TTi 當(dāng) 0 T 1/8 （ 2-29） )34s in (492()4(2 TTi 當(dāng) 1/8 T 7/8 （ 2-30） 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 23 )4s in (414()4(2 TTi 當(dāng) 7/8 T 1 （ 2-31） 當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)角為 85.358時，該轉(zhuǎn)角所對應(yīng)的點(diǎn)為凸輪理論廓線的拐點(diǎn)，即與滾子 1接觸的末點(diǎn)，因?yàn)榇藭r與滾子 1接觸的理論廓線與跟滾子 3接觸的理論廓線具有相同的 Rt和 t，但凸輪的工作廓線的轉(zhuǎn)角與理論廓線的轉(zhuǎn)角又不相同，經(jīng)計(jì)算，當(dāng) 凸輪轉(zhuǎn)角為 83.243時，此時與滾子 1 接觸的實(shí)際工作廓線與跟滾子 3 接觸的實(shí)際工作廓線有相同的 RK和 k。將計(jì)算輪廓點(diǎn)的方程式輸入 EXCEL中，每隔 0.05取一個值，凸輪的實(shí)際工作廓線分為兩端，以 83.243為轉(zhuǎn)角，分度期轉(zhuǎn)角為 180，設(shè)計(jì)時總共取點(diǎn) 4707 個，停歇期轉(zhuǎn)角為半圓弧，將各個點(diǎn)導(dǎo)入 PROE 中，最后繪制出凸輪的輪廓曲線，如圖所示， 圖（ 2-25）實(shí)際繪得凸輪輪廓曲線圖 凸輪前后兩個凸輪片呈對稱安裝，且錯開一定的相位角，安裝相位角為 p=2 - f-2 10=145.958 （ 2-32） 前后兩部分的滾子運(yùn)動情況相同，只是有一個相位角之差而已。 凸輪的三維模型圖如圖（ 2-26）所示 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 24 圖（ 26）凸輪三維模型圖 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 25 第 3 章 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺 3.1 試驗(yàn)臺的簡介 以槽輪機(jī)構(gòu)為例，試驗(yàn)平臺如下圖所示 圖（ 3-1）試驗(yàn)臺簡圖 槽輪機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺如圖 27所示，槽輪機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺主要由幾個部分組成，分別為套在減速器主軸上的撥盤，與撥盤配合做間歇運(yùn)動的槽輪，槽輪被固定在軸上，軸由前后兩個軸承座進(jìn)行固定與定位，減速器前后各有一個軸，前軸與撥盤連接，在后面的軸上則與旋轉(zhuǎn)編 碼器連接，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過帶輪傳動，與減速器連接時，減速器上的轉(zhuǎn)速就可以被旋轉(zhuǎn)編碼器所捕獲，測出我們所要的主動軸的轉(zhuǎn)速，撥盤轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)臂上的圓銷會進(jìn)入槽輪的槽內(nèi)，從而帶動槽輪做分度運(yùn)動，在槽輪軸的尾部，也被安置了一個旋轉(zhuǎn)編碼器，槽輪與軸通過過盈配合對槽輪進(jìn)行一個軸向定位，防止槽輪在運(yùn)動過程中由于沖擊過大導(dǎo)致軸向竄動，引起試驗(yàn)臺的測試誤差，軸上有鍵槽，鍵槽與槽輪的轂通過鍵連接，確定了槽輪的徑向定位，當(dāng)槽輪轉(zhuǎn)動時，鍵起到了一個傳遞轉(zhuǎn)速的作用，帶動了軸的轉(zhuǎn)動，又因軸尾部與編碼器連接，所以軸的轉(zhuǎn)速這時被編碼器所捕獲 ，從而測出軸的轉(zhuǎn)速，伺服電機(jī) 槽輪 編碼器 撥盤 軸承座 減速器 槽輪軸 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 26 轉(zhuǎn)過的位置，以及軸的加速度變化，又因軸與槽輪同時運(yùn)動，所以對軸所測得的數(shù)據(jù)也為槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動數(shù)據(jù)。相應(yīng)的，其他三個間歇機(jī)構(gòu)，棘輪機(jī)構(gòu)，不完全齒輪機(jī)構(gòu)與共軛分度凸輪機(jī)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)時確定的各個部件的距離，調(diào)節(jié)減速器與軸之間的中心距，也可以由旋轉(zhuǎn)編碼器測出減速器軸與從動軸之間的運(yùn)動數(shù)據(jù)，再通過分析主動軸與從動軸之間的角速度比，轉(zhuǎn)過的角位移之比等，確定一些間歇機(jī)構(gòu)的運(yùn)動參數(shù)，如間歇機(jī)構(gòu)的動停比，加速度的變化對機(jī)構(gòu)的沖擊等。 棘輪機(jī)構(gòu)的參數(shù) 本文中棘輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)主要有偏心輪的偏心距，連桿長度，棘輪 模數(shù)，齒數(shù)，偏心圓與棘輪軸的中心距。如圖（ 2-2）所示，當(dāng)減小偏心圓的偏心距 AB時，在滿足能形成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的桿長條件下， CD 的擺動角將會減小，棘輪的擺動角也將減小，因此棘輪的每一次分度轉(zhuǎn)角將會減小，動停比也隨之改變，如若要改變棘輪的轉(zhuǎn)角，除了改變偏心距外，還可以在棘輪上安裝一個棘輪罩，并且這種改變棘輪分度角的方式調(diào)節(jié)幅度更大。 槽輪機(jī)構(gòu)的參數(shù) 槽輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)有槽輪的槽數(shù)與撥盤的圓銷個數(shù)，設(shè)計(jì)時確定了槽數(shù)與撥盤圓銷數(shù)時，槽輪機(jī)構(gòu)的動停比就已經(jīng)被確定下來了，所以要改變槽輪機(jī)構(gòu)的動停比，可以通過改變槽數(shù)與圓銷數(shù) 。槽輪的角速度與角加速度為 122 c o s21 )(c o s 21222 c o s21 s in)1( 其中，為撥盤轉(zhuǎn)臂半徑與中心距的比值， 1 為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，為撥盤轉(zhuǎn)角，不同槽數(shù)的槽輪機(jī)構(gòu)的槽輪加速度曲線如圖（ 3-2）所示 由圖看出，槽輪的槽數(shù)越少，曲線變化的越劇烈，當(dāng)槽數(shù)變多時，槽輪的角加速度大幅度下降，槽數(shù)越多，曲線越趨于平緩。 從改善傳動性能方面來看，槽數(shù)多時傳動較為平穩(wěn)，從增加停歇時間來說，槽少比較有利，設(shè)計(jì)時還應(yīng)根據(jù)實(shí)際工藝需求，綜合考慮。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 圖（ 3-2）不同槽數(shù) z 時外槽輪機(jī)構(gòu)的 2 曲線 不完全齒輪機(jī)構(gòu)的參數(shù) 不完全齒輪機(jī)構(gòu)的動停比的調(diào)節(jié)主要靠兩輪的鎖止弧之間的輪齒之比來調(diào)節(jié)，相比槽輪與棘輪機(jī)構(gòu)，不完全齒輪的動停比調(diào)節(jié)范圍更廣，因?yàn)辇X輪的齒數(shù)比可調(diào)性更大，且運(yùn)動過程中，傳動更加平穩(wěn)。除了在始末有沖擊外，其余為定角速傳動。 共軛凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù) 共軛 凸輪機(jī)構(gòu)的分度主要靠共軛凸輪的輪廓與轉(zhuǎn)盤的滾子數(shù)來實(shí)現(xiàn)，因此機(jī)構(gòu)的動停比也靠改變分度凸輪的輪廓曲線和轉(zhuǎn)盤上的滾子數(shù)，并且，設(shè)計(jì)時一般根據(jù)轉(zhuǎn)盤的運(yùn)動規(guī)律來設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線，常用的運(yùn)動規(guī)律有余弦加速度運(yùn)動規(guī)間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 28 律，正弦加速度運(yùn)動規(guī)律，改進(jìn)等速運(yùn)動規(guī)律，改進(jìn)梯形加速度運(yùn)動規(guī)律，改進(jìn)正弦加速度運(yùn)動規(guī)律。本設(shè)計(jì)采用了改進(jìn)正弦加速度運(yùn)動規(guī)律。此運(yùn)動規(guī)律在中間部分加速度變化比較平緩，動力學(xué)性能更好。 3.2 電機(jī)的選擇 本試驗(yàn)臺為教學(xué)性試驗(yàn)臺，所以載荷不大，對比直流電動機(jī)與變頻交流電動機(jī)的綜合性能，在考慮不造成浪費(fèi)的前提下，功 率要求能滿足進(jìn)行試驗(yàn)即可，選擇 SZ94-2直流伺服電動機(jī)，該電機(jī)具有體積小、輸出功率大、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。并給電動機(jī)配一個手輪，由于間歇機(jī)構(gòu)在運(yùn)動之前由于人為等因素，有可能造成機(jī)構(gòu)出現(xiàn)“卡死”等現(xiàn)象，給電動機(jī)配一個手輪，可以手動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)位，在運(yùn)動之前將機(jī)構(gòu)調(diào)整到正確的位置。電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下： 勵磁電壓： 220V 控制電壓： 220V 轉(zhuǎn)矩（ g.cm） 4900 轉(zhuǎn)速（ rpm） 1500 參考功率 80W 重量 4.5KG 使用條件為：海拔不超過 2500m，環(huán)境溫度為 -25 40攝氏度，相對濕度在 25攝氏度 時達(dá) 90%，雙振幅 1.5 毫米，頻率 10Hz,沖擊為 80 100 次每分。 3.3 減速器的選擇 根據(jù)間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)適用于低速場合的特性，考慮價格、尺寸以及滿足試驗(yàn)臺需要的測試功能等方面，最后選擇 WPA-40渦輪渦桿減速器，減速比為 1： 20。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 圖（ 3-3） WPA-40 渦輪蝸桿減速器 3.4 旋轉(zhuǎn)編碼器的選擇 傳感器是一種通過感受被測量信息，并將測得的信息轉(zhuǎn)換變成電信號或其他形式輸出，以滿足信息的處理與記錄的檢測裝置。 傳感器有許多分類方法，但常用的分類方法有兩種，一種是按被測物理量來分；另一種是按傳感器的工作原 理來分。按被測物理量劃分的傳感器常見的有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、流量傳感器、力傳感器、加速度傳感器等。按工作原理可分為電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器等。 本設(shè)計(jì)需要對機(jī)構(gòu)的輸入軸和輸出軸進(jìn)行角位移、角速度和角角速度的測量，需要用到測量角位移、角速度與角加速度的傳感器，常用的為旋轉(zhuǎn)編碼器。 旋轉(zhuǎn)編碼器 就 是用來測量 物體 轉(zhuǎn)速的裝置，光電式 的 旋轉(zhuǎn)編碼器 經(jīng)過 光電轉(zhuǎn)換，能 輸出角位移、角速度等 等的把 機(jī)械量轉(zhuǎn)換成 一定 的電 脈沖來 數(shù)字量輸出 。旋轉(zhuǎn)編碼器常用的有增量式和絕對式兩種， 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過內(nèi)部兩個光敏接受管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時序和相位關(guān)系，得到其角度碼盤位移量增加或減少，在結(jié)合數(shù)字電路特別是單片機(jī)后，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器在角度測量和角速度測量較絕度式旋轉(zhuǎn)編碼器更具有廉價和簡易的優(yōu)勢。根據(jù)本試驗(yàn)臺的測量要求， 選擇歐姆龍E6B2-C型號的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，分辨率為 1000 脈沖 /轉(zhuǎn)。 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 30 圖（ 3-4） E6B2-CWZ6C 3.5 帶的設(shè)計(jì) 選擇 5M 型同步帶輪，節(jié)距為 Pb=5mm，小帶輪與大帶輪的齒數(shù)分別為 24 與 32，初設(shè)中心距為 a0=175. 節(jié)圓直徑為 2.385*241 d(mm) 9.505*322 d (mm) 帶長為 3.4904)()(22 02122100 addddaL 取標(biāo)準(zhǔn)帶長為 LP=500mm， 2.1440)(24 12 ddLM P 則實(shí)際中心距為 18016)(32 2122 ddMMa (mm) 5M 同步帶的幾何尺寸 圖（ 3-5） 同步帶尺寸 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 節(jié)距 Pb=5mm,齒高 hf=2.06，齒頂圓角半徑 rh=1.49mm，齒頂圓角半徑 rf 為0.40-0.44mm,齒根厚 s=3.05,齒形角 2 =14 ，帶高 hs=3.8。 5M 同步帶帶輪的幾何尺寸 圖（ 3-6）同步帶帶輪尺寸 1.節(jié)距 =5mm,齒高 =2.16mm,底圓半徑 =0.56mm,齒槽寬 =3.35mm,齒頂圓半徑=0.48mm,齒形角 =14 。 3.6 軸的強(qiáng)度校核 以槽輪為例，進(jìn)行槽輪軸強(qiáng)度校核，已知槽輪的材料為 45 號鋼，設(shè)定撥盤的角速度為 60rpm，槽輪的最大半徑處尺寸為 142mm，因此將其等效成一個半徑為 100mm 的圓，可以將槽輪的轉(zhuǎn)動慣量求出，為 22MrJ （ 3-1） 根據(jù)仿真，可得槽輪的最大角加速度為 209rad/s，取平均值為 =104.5rad/s， 最大角 速度為 15.2rad/s,取平均值為 =7.6rad/s,可求的槽輪在轉(zhuǎn)動期的功率 *JP =15.7（ W） 考慮軸上還有摩擦，以及軸的轉(zhuǎn)動，取軸傳遞的功率為 30W，轉(zhuǎn)動時的平均轉(zhuǎn)速為 7.6*60=456rpm,考慮 45號鋼的抗扭系數(shù) A0值的范圍為 126 103，可由公式 30 nPAd （ 3-2） P 軸傳遞的功率， KW； n 軸的轉(zhuǎn)速， r/min； 算得 d 5.1mm，又因?yàn)檩S上有兩個鍵槽，需增大軸徑 10% 15%，所以 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 32 d 5.85mm,因此設(shè)計(jì)最小軸徑為 8mm 處于安全范圍內(nèi)。 第 4 章 間歇機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 以槽輪與共軛凸輪為例，做間歇運(yùn)動的機(jī)構(gòu)分析 4.1 槽輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析 用 PROE 對槽輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，設(shè)主動軸的轉(zhuǎn)速為 60r/min，從動軸所得結(jié)果如下所示： 圖（ 3-7）槽輪轉(zhuǎn)角的變化 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 33 由圖可知，在主動軸轉(zhuǎn)過一周的角度時，槽輪轉(zhuǎn)過 90，當(dāng)主動軸轉(zhuǎn)過 4周后，槽輪剛好轉(zhuǎn)過 360。 圖（ 3-8）槽輪速度的變化 由圖可知，在每一次的轉(zhuǎn)位過程中， 槽輪的速度先變大，后變小，可以得知，撥盤圓銷先對槽輪產(chǎn)生推力，使槽輪加速運(yùn)動，再運(yùn)動過半之后，圓銷對槽輪產(chǎn)生了阻力，使槽輪速度減慢，當(dāng)圓銷退出槽之后，槽輪速度也降為零。 由圖（ 3-9）看出，當(dāng)圓銷進(jìn)入槽輪槽之時，有一個瞬間加速的過程，且加速度較大，當(dāng)圓銷退出槽輪槽的時候，也有一個瞬間減速的過程，因此可知，這兩個時刻是圓銷與槽輪的沖擊最大的時刻，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，就可能引起沖擊過大而產(chǎn)生較大噪音。 間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析及創(chuàng)新設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺研制 34 圖（ 3-9）槽輪角加速度的變化 當(dāng)改變主動軸的角速度的時候，如將主動軸的轉(zhuǎn)速改為 6r/min，可得到槽輪的加速度 圖為 圖（ 3-10）轉(zhuǎn)速為 6r/min 時槽輪的加速度 由圖可知，當(dāng)主動軸轉(zhuǎn)速變?yōu)樵瓉淼?1/10 時，槽輪的加速度變化更大，將近變浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 35 為原來的 1/100，由于槽輪機(jī)構(gòu)在主動軸轉(zhuǎn)速改變時，槽輪的加速度變化大于速度的變化，所以槽