基于PredatorSFC系統的槽輪機構CAD/'CAM創新試驗

---------------槽輪機構設計方案

1.槽輪機構簡介

在圖1中H勺外槽輪機構中，積極件拔盤以角速度wl勻速轉動，當拔盤上的圓

銷轉到圖1所示日勺A位置時，撥盤上鎖止弧S1時起使邊抵達中心連線0。位置，槽

輪開始轉動。當圓銷轉到A1時，拔銷退出輪槽，拔盤繼續轉動，槽輪卻停止轉動,

我們稱此時H勺槽輪被鎖住，槽輪上的）內凹鎖止弧和撥盤上H勺外凸鎖止弧嚙合在一

起c這樣，積極撥盤持續轉動就轉換成槽輪口勺間歇轉動。為防止槽輪在起動和停

歇時發生剛性沖擊，拔銷開始進入和離開輪槽時，輪槽的中心線應和圓銷中心A

日勺運動圓周相切，即拔銷轉到圖1所示位置時，OiAlOzAo

菖止弧，

圖1外槽輪機構

構成：帶圓銷的撥盤、帶有徑向槽的槽輪。撥盤和槽輪上均有鎖止弧：槽輪上的凹圓弧、撥盤

上的凸圓弧，起鎖定作用。

工作過程：撥盤持續回轉，當兩鎖止弧接觸時，槽輪靜止；反之槽輪運動。

作用：將持續回轉變換為間歇轉動。

特點：構造簡樸、制造輕易、工作可靠、機械效率高，能平穩地、間歇地進行轉位。因槽輪運

動過程中角速度有變化，不適合高速運動場所。

2.槽輪機構長處

(1)構造簡樸，工作可靠，效率較高；

(2)在進入和脫離嚙合忙運動較平穩，能精確控制轉動的角度；

(3)轉位迅速，從動件能在較短的時間內轉過較大日勺角度；

(4)槽輪轉位時間與靜止時間之比為定值。

3.槽輪機構缺陷

(1)槽輪的轉角大小不能調整；

(2)槽輪轉動的始、末位置加速度變化較大，從而產生沖擊：

(3)在工作盤定位精度規定較高時，運用鎖緊弧面往往滿足不了規定，而需

另加定位裝置。

(4)槽輪日勺制造與裝配精度規定較高。由于這些原因，槽輪機構一般應用在

轉速不高的裝置中。

4.槽輪機構的工作原理

槽輪機構，又叫馬爾他機構或口內瓦機構，由具有徑向槽的槽輪1和具有撥

銷2的撥桿3構成，其工作原理如圖2所示。

圖2槽輪機構工作原理簡圖

當撥桿轉過一定的角度，撥動槽輪轉過一種分度角，由圖⑸所示日勺位置轉

到圖（b）所示日勺位置時，撥銷退出輪槽，此后，撥桿空轉，直至撥銷進入槽輪的

下一種槽內，才又反熨上述的循環。這樣，撥桿（積極件）的等速（或變速）持續（或

周期）運動，就轉換為槽輪（從動件）時轉時停時間歇運動。

槽輪機構常采用鎖緊弧定位，即運用撥桿上的外凸圓弧一鎖緊弧A與槽輪上

的內凹圓弧一定位弧BH勺接觸鎖住槽輪。圖⑸所示為撥銷開始進入輪槽時H勺位置

關系，這時外凸圓弧面的端點F點離開凹面中點，槽輪開始轉動。圖（b）所示為撥

銷剛要離開輪槽時的位置關系，這時外凸圓弧面日勺另一端點E剛好轉到內凹圓弧

面的中點，撥桿繼續轉動，E點越過凹面中點，槽輪被鎖住。圖(c)為撥銷退出輪

槽后來的狀況，這時，外凸圓弧面與內凹圓弧面親密接觸，槽輪被鎖住而不能向

任何方向轉動.由上述工作過程的規定，撥桿上日勺外凸圓弧缺口應對稱于撥桿軸

線、

5.重要幾何尺寸的設計公式

圖3為槽輪機構重要尺寸關系圖。圖中0】為拔盤口心，02為槽輪中心，L為撥

銷的軌跡半徑;L為槽輪半徑;L為中心距，h為槽輪槽深,rb為撥銷半徑，3為間

隙c

圖3槽輪機構重要幾何尺寸關系圖

設拔盤軸R勺直徑為d.為防止槽輪在起動和停歇時發生剛性沖擊，圓銷開始進入

和離開輪槽時，輪槽的中心線應和圓銷中心H勺運動圓周相切，從而決定了槽輪機

構重要尺寸之間的關系，根據圖4所示槽輪機構的設計計算公式如下:

(1)已知參數：槽輪槽數z,撥盤上圓銷數目m,中心距c=oa,

撥盤上圓銷半徑RT,撥盤轉速n

⑵槽輪運動角：20=2JI/z

⑶撥盤運動角：

(4)撥盤上圓銷數目：m<2z/(z-2)

⑸圓銷中心軌跡半徑：R.=Csin(P)

(6)槽輪外徑：R2=[(Csin(P))2+R\/

(7)槽輪深度：h=R+C+RT+6

(8)撥盤回轉軸直徑：&V2(C-RD

(9)槽輪軸直徑：d2V2(C-R-Rr-6)

(10)撥盤上鎖止弧所對中心角：Y二2(Ji/m-a)

(11)鎖止弧半徑：Ro=R-b-Rr

(12)槽輪每循環運動時間:tf=[(z-2)/z]30/m

(13)槽輪每循環停歇時間：td=[(2z-m(z-2))/(mz)]30/n.

(14)槽輪機構H勺動停比k：k=(m(z-2))/(2z-m(z-2))

(15)圓銷中心軌跡半徑Ri與中心距CH勺比入：入=R1/C=sin(刀/z)

(16)槽輪角位移：(P=arctg[ysin(6)/(1-ycos(9))-QW。&+

a

(17)槽輪角速度：以二(ACOS(0)-X)5/(1+入2-2入cos(。))

(18)槽輪角加速度:￡2=(入(X2-l)sin(0)3"(1+X2-2XCOS(0)2)

(19)槽輪最大角速度所在位置：()二0°

一般5日勺取值范圍為3-6mm,當槽輪槽數z較大時。

6.槽輪機構設計方案

6.1方案1規定槽輪機構的動停比k=l/3

設:槽輪槽數Z=4撥銷中心距070撥銷半徑Rk2mm

銷與槽底間隙6二3槽齒寬b=5

求解槽輪機構的尺寸參數:

(1)槽輪運動角：2P=2Ji/z=2Ji/4=Ji/2

⑵撥盤運動角：2Q=JI-2P=JI/2

(3)撥盤上圓銷數目:m=l<2z/(z-2)=8/2=4

(4)圓銷中心軌跡半徑：RFCsin(6)=70XSIN(45)=49.5

222I/2

(5)槽輪外徑：R2=[(Csin(B))+RT]^=[49.5+4]=49.54

(6)槽輪深度：h=Rt+R-C+RT+S=49.5+49.54-70+2+3=34

(7)撥盤回轉軸直徑：d,=12<2(C-R2)=2(70-49.54)=40.9

(8)槽輪軸直徑；d2-12<2(C-R-Rr-3)-2(70-49.5-2-3)-31

(9)撥盤上鎖止弧所對中心角：丫=2(Ji/m-a)=3刀/2

(10)鎖止弧半徑：Ro=R-b-RT=49.5-5-2=42.5

(11)槽輪機構日勺動停比k：k=(m(z-2))/(2z-m(z-2))=2/(8-2)=1/3

(12)圓銷中心軌跡半徑Ri與中心距C日勺比入：九二R/C=sin(”/z)=SIN(JI

/4)=0.707

6.2方案2規定槽輪機構的動停比k=l

設：槽輪槽數Z=4撥銷m=2中心距C=70撥銷半徑R產2的

銷與槽底間隙8=3槽齒寬b=5

求解槽輪機構的尺寸參數：

⑴槽輪運動角：2P=2JI/Z=2JI/4=JI/2

⑵撥盤運動角：2a=Ji-2P=Ji/2

(3)撥盤上圓銷數目:m=2<2z/(z-2)=8/2=4

(4)圓銷中心軌跡半徑：R產Csin(P)=70XSIN(45)=49.5

222I/2

(5)槽輪外徑：R2=[(Csin(P))+RT]"=[49.5+4]=49.54

(6)槽輪深度：h=R+R2-C+RT+6=49.5+49.54-70+2+3=34

(7)撥盤回轉軸直徑：d,=12<2(C-R2)=2(70-49.54)=40.9

(8)槽輪軸直徑：d2=12<2(C-R-RT-6)=2(70-49.5-2-3)=31

(9)撥盤上鎖止弧所對中心角：y=2(Ji/m-a)=Ji/2

(10)鎖止弧半徑：Ro=R-b-RT=49.5-5-2=42.5

(11)槽輪機構的動停比k：k=(m(z-2))/(2z-m(z-2))=4/(8-4)=l

(12)圓銷中心軌跡半徑艮與中心距C口勺比X：X=R/C=sin(JI/z)=SIN(JI

/4)=0.707

7.方案1槽輪三維模型

圖5槽輪三維模型

7.1方案1槽輪設計圖紙

(1)槽輪

圖6槽輪部分

(2)撥盤

槽輪機構的撥盤部分起驅動作用。本機構的撥盤如圖7所示，本構造分2層,

上層起驅動左右，下層起連接槽輪的作用。兩層圈盤實為一體。

圖7撥盤部分

(3)槽輪的裝配

如圖8所示，槽輪機構要裝在一底板上并加以固定。圖上銷的作用為連接機

構卻底板。

0QH8/f7

912制7

0j_HR/f7_

0*6____—一^-H7/h6

*乜H7州6

圖8槽輪機構FI勺裝配圖

8.槽輪機構的配合和表面粗糙度

⑴參照刀尖圓角來設計工件圓角，未注倒角CO.2—0.8,未注圓角R0.2—0.8O

（2）表面粗糙度配合面和滑動面Ral2.5,可見加工痕跡，一般用于沒有相對運動

的配合面。其他表面Ra25,為到達一般容許公差而切削后自然得到的表面，接

觸狀態規定穩定的面，常見用手接觸的面。Ra6.3（微見加工痕跡）和Ra3.2

（不見加工痕跡）用于相對運動速度不高的接觸面，要精車、精錢、精鎮和精

銃。

(3)撥盤和槽輪孔與軸低速旋轉，撥銷與槽低速相對運動，用間隙配合H8/f7。

(4)沒有相對運動H勺配合，因受力較小，用小H勺過盈配合H7/h6

⑸槽輪外輪廓與撥盤凹弧的配合是H9/e9,大日勺間隙配合。

(6)中心距公差是±0.02到土0.03o

9.槽輪機構的運動分析

9.1外槽輪機構角速度和角加速度的分析

假設槽輪機構在工作日勺某一狀態時日勺工作簡圖如圖2-1時(a)所示，其對應的

狀態矢量見圖9FI勺(b)所示，01為槽輪中心，02為拔盤中心，P為槽輪開始進入運

動時H勺圓銷中心的位置，E為槽輪在運動中H勺任一位置，角速度和角加速度曲線

見圖10所示。

圖9槽輪機構工作簡圖以及矢量分析圖

g元因次逑度

rvA-元因次加速皮

T一元因次時回

圖10槽輪的角速度曲線圖⑸和角加速度曲線圖（b）

'（1）槽輪機構運動起來是做變加速運動，槽輪機構的最大角速度出目前。

=0位置。

r（2）在撥銷進入與脫離輪槽日勺瞬間，槽輪速度為零，但加速度不為零，因

此產生柔性沖擊。

■（3）槽輪機構U勺角速度和角加速度U勺變化取決于槽數Z。

（4）在選擇槽數時，應當綜合考慮多種原因。對于槽輪機構，槽數越少則工作

效率越高，首先，槽數越少常加速度變化越大，運動平穩性能差，槽輪機構的振

動、沖擊和噪聲將隨之加大;另首先，伴隨槽數日勺增長，槽輪的構造尺寸將加大,

從動端的慣性力矩也伴隨加大。同步當槽數z不小于g時，槽輪機構口勺動停比K變

化趨于平穩，動力特性的改善也明顯減弱，但伴隨槽數增長將給機構的設計帶來

H勺困難將越大。因此，在實際應用中，槽輪機構的I槽數多在4到8范圍內。

10.槽輪機構創新

10.1槽輪機構的應用和研究現實狀況

槽輪機構構造簡樸、工作可靠、從動件日勺運動可以較精確地控制等長處，在

工業生產中廣泛地應用于較少工位的間歇轉位機構和步進機構中。但老式H勺槽輪

機構存在有如下兩個缺陷：（1）動力特性差。槽輪在進入嚙合和退出嚙合瞬間，撥

銷的向心加速度使槽輪角加速度發生突變，從而出現柔性沖擊;在槽輪轉動過程

中加速度變化口勺瞬間，由于間隙口勺存在，出現橫越間隙口勺沖擊;轉動過程中最大

角加速度也較大。（2）分度數與動停比有確定日勺關系，動停比無選擇余地。

由于槽輪機構日勺角速度曲線持續，因此，只要制造和裝配精度可以保證，一

般來說，基本不存在剛性沖擊。對槽輪機構的研究重要集中在機構的改善方面，

以槽輪機構為基本機構（除機架和原動件外還具有零個或一種桿組的機構稱為基

本機構），在此基礎上串聯槽輪機構或其他基本機構以得到持續的角加速度曲線,

從而防止柔性沖擊，改善機構的動力性能。數年來，提出了某些槽輪機構的改善

方案，如兩級串聯式槽輪機構、行星輪驅動U勺槽輪機構、完整齒輪和非完整齒輪

驅動R勺槽輪機構、橢圓齒輪驅動H勺槽輪機構、連桿機構驅動H勺槽輪機構等組合式

槽輪機構。其中行星輪驅動的槽輪機構構造簡樸，對動力特性有相稱H勺改善效果,

也擴大了動停比H勺選擇范圍，但對這種機構的運動學分析和參數分析尚有待深

入，該機構R勺潛力也未得到充足H勺發掘與認識。

為適應間歇運動高速化的規定，出現了多種分度凸輪機構。不過此類機構尚

有兩個缺陷：（1）它們是高副機構，較易磨損；（2）制造技術復雜。

10.2創新機構

緊鎖槽輪機構

槽輪機構日勺旋轉曲柄上有一驅動滾子，當它進入一種槽時，輸出輪就會迅速

地轉位。如圖11所示，鎖止桿上R勺圓滾與槽相嚙合以防止槽輪不轉位的移動。

I，領鵬桿槽輪機構

圖11緊鎖槽輪機構

行星齒槽輪機構

當驅動齒輪用在鎖止盤上的一種單齒驅動行星齒輪時，輸出桿保持靜止。鎖

止盤是行星齒輪的一部分，它與環行齒槽輪相嚙合，使輸出桿轉動一種位置，如

圖12所示。

行建成1?輪機構

?出桿〃領止面

圖12行星齒槽輪機構

雙槽輪驅動

第一種槽輪的J從動部分是第二個槽輪的驅動部分。這樣產生一種較寬輸出轉

動變化范圍，這個輸出轉動包括兩個迅速轉位之間長時間內暫停。如圖13所示。

雙槽輪驅動-----------------------------------

璃輪

圖13雙槽輪驅動

凸槽凹輪槽輪機構

當槽輪被均速轉動的圓滾驅動時，它常常有很高H勺加速和減速特性。在這里

U勺改善中，當被槽凸輪轉動驅動時，包括驅動滾在內的輸出桿可以沿徑向移動。

于是，當驅動滾與槽輪嚙合時，連桿將沿徑向向內移動。這個動作減少了槽輪的

加速力。如圖14所示。

-凸槽凹輪槽輪機構--------

圖14凸槽凹輪槽輪機構

一鎖緊滑道槽輪機構

一種銷鎖緊或松開槽輪,另一種銷在槽輪未被鎖緊時驅動槽輪。在圖所示」勺

位置，驅動銷將與溝槽相嚙合，使槽輪進行轉位。與此同步，鎖止銷恰好剛離開

溝槽。如圖15所示。

圖15一鎖緊滑道槽輪機構

四桿槽機構

一種四連桿槽機構可以產生一種很長的暫停時間，輸出一種擺動運動。驅動

輪的轉動可以可以使得驅動滾在輸出桿上往復H勺進出。在暫停期間，兩盤出J表面

可以使輸出保持在圖示的位置上。如圖16所示。

圖16四桿槽機構

迅速轉動槽輪機構

在一種四桿機構的連桿伸出部分.上H勺點連接的軌跡曲線中，有大體成90°的

兩條直線。這為驅動銷直接進入溝槽提供了條件，由于當驅動銷進入溝槽很深時

槽輪都不會運動。然后，槽輪將產生一迅速轉為。一種鎖緊凸輪通過齒輪與輸入

軸相連接，它能防止槽輪不轉位時移動。如圖17所示。

圖17迅速轉動槽輪機構

長時間暫停槽輪機構

這種槽輪機構上有一條鏈，鏈上有與原則槽輪相結合的伸出銷。該機構在槽

輪每轉動90°時都可以有一種較長H勺暫停時間。鏈輪間空間H勺大小決定了暫停時

間的長短。有些鏈節具有特殊的延長部分，可以在暫停時鎖住槽輪。圖18所示

圖18長時間暫停槽輪機構

改善的槽輪機構

一?般槽輪機構日勺輸入連桿以均速轉動，這樣就限制了設計的靈活性。也就是

說，當尺寸和狀態數確定后，輸入軸口勺轉素決定了暫停時間的長度。圖19中橢圓

形齒輪產生一種變化的曲柄轉動，它可以延長或縮短暫停時間。

圖19改善H勺槽輪機構

雙軌槽輪機構

這種槽輪設計R勺關鍵是必須使輸出滾子沿切線方向進入和脫離槽輪（由于曲

柄迅速『、J轉位輸出）。如圖20所示，一種新的具有雙軌道的轉位機構已經成功地

研制出來了。圓滾進入一種凱道槽輪就轉位90°,然后自動地沿滑出軌道脫離槽

輪，當非轉位時，相聯的連桿機構就會鎖住槽輪〃在圖20所示日勺位置上，鎖緊滾

好將要脫離槽輪。

圖20雙軌槽輪機構

控制輸出桿

在該簡樸機構中歐I輸出部分不會向任何方向轉動，直到輸入部分開始驅動

它,在工作過程中，驅動桿靠銷上的軸承使輸出盤轉位。轉位時由于輸入盤上的

槽處在容許控制桿尖進入口勺，立置，控制桿在凸輪的作用下離開輸出輪。不過，當

桿離開銷子時，輸入盤使迫使控制桿尖離開盤上的槽，而另一端進入輸出盤上凹

槽°這樣可以鎖緊輸出部分，使其在暫停時不向任何方向轉動。圖21所示。

控制輸出桿

圖21控制輸出桿

漸進擺動驅動

一種與行星輪相連的曲柄使點印勺運動詭計為兩個環形曲線，如圖4T2所示。

開有滑槽的輸出曲柄在豎直方向有暫短地擺動。圖22所示。

圖22漸進擺動驅動

平行導向機構

輸入曲柄與兩個行星輪相連接。太陽輪的中心是固定的。使三個齒輪半徑相

似，輪2為惰輪，在驅動曲柄的轉動過程中，固定在齒輪3上H勺任何部分將與它本

來的位置平行。圖23所示

圖23平行導向機構

正旋往復運動機構

該往復運動機構將旋轉運動轉化為往復移動，在往復用動中擺動部分與輸入

軸處在同一種平面上。輸出部分包括戀歌帶者滾子的臂桿，口滾子與切去頂端的

球面相接觸。球的轉動產生了擺動輸出。圖24所示。

圖24正旋往復運動機構

規則的槽輪驅動機構

通過設計驅動滾，使其相對輸入軸不對稱，暫停時間是可變化的。這樣不會

影響運動期間的持續時間。假如想要不均勻的運動時間和暫停時間，圓滾的曲柄

長應當不相等，星形輪應當作合適的改善。該機構稱為不規則於J槽輪驅動機構。

圖25所示。

圖25規則口勺槽輪驅動機構

歇運動機構

在這個間歇運動機構中，兩個圓滾驅動輸出軸，并在暫停時可以鎖緊輸出軸。

對于輸入軸H勺每一轉，輸出軸都會有兩個運動階段。輸出角＜1）由齒輪H勺數目決定。

轉動角中在有限的范圍內可以選擇。齒輪a

被裝在驅動b輪上的兩個驅動滾間歇地驅動，輪b裝在機架c上。在暫停時間內，

圓滾沿齒頂轉動。在運動口勺時間內，一種圓滾口勺途徑d是一條傾向輸出軸的直線,

且與從動輪有關。凸輪由J輪廓和途徑d平行。齒頂是半徑為RfT、J圓弧，該弧與圓滾

H勺途徑相似。圖26所示。

，翔人

圖26歇運動機構

筒鎖裝置的間歇傳動機構

圖27是帶有一種圓筒鎖裝置日勺間歇傳動機構。在暫停的末尾，帶動銷d和

兩齒嚙合前后的短時間內，內部H勺圓筒f不能使從動輪鎖緊，因此添加了與筒f同

軸U勺輔助筒e。只有具有兩者才能獲得很好的鎖緊性能。他們的長度是由從動輪

日勺節圓決定的I。圖4-17所示。

圖27筒鎖裝置的間歇傳動機構

11.結論

（1）槽輪機構運動起來是做變加速運動，槽輪機構的最大角速度出目前。二00位

置,

（2）在撥銷進入與脫離輪槽的瞬間，槽輪機構日勺速度為零，但角加速度不為