产品结构设计-章4

第四章、往复、间歇运动机构设计4.1概述4.2往复运动机构4.3间歇运动机构4.1、概述一、往复运动机构往复运动从形式上有往复直线运动、往复摆动、往复曲线运动和往复复杂运动等几种，其中往复直线运动和往复百度最常见，应用也最广。按机构结构特征命名，实现往复运动的常用机构有凸轮机构、曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构等。利用电磁原理也可实现往复移动和摆动，在现代电子产品特别是数字控制产品中，使用电磁原理的机构可实现精密的运动控制，图4-1为计算机硬盘结构，其寻道机构的运动控制就是利用电磁原理实现的。往复曲线运动通常由连杆机构实现，主要用于有特殊执行动作要求的连续循环工作机械，如缝纫机的缝纫引线动作、织布机的编织动作等。图4-2为两种实现往复曲线运动的连杆机构，可用于实现缝纫机引线运动的执行机构等。二、间歇运动间歇运动时机构或机械设备，产品随时间的推移顺次规律地执行运动和静止，按一定的工作节拍循环作业或完成工序步骤。图4-3为裹包机执行的工序动作分解图，这些工序需要一定的时间，很难实现连续运动完成，因此多按间隙运动方式工作。设计中，将复杂工作分解工序后，需结合各工序的完成时间和顺序安排空间布置，如图4-4所示，进而采用合适的间歇运动机构实现设计。实现间歇运动的常见机构主要包括槽轮机构，棘轮机构，圆柱凸轮机构、欠齿轮机构、连杆机构和各种组合机构等，可分别实现旋转间歇运动、直线间歇运动、间歇曲线运动及复杂间歇运动等。4.2、往复运动机构一、凸轮机构基本的凸轮机构由凸轮和从动杆件组成，凸轮轮缘与从动件紧密接触，凸轮为主动构件，凸轮旋转驱动从动件作往复直线运动，如图4-5所示，杆件上的弹簧是用于保持杆件与凸轮接触作用的。凸轮机构的种类很多，有不同的性质和特点，使用于不同情况。图4-6为在基本凸轮结构基础上，从动杆接触端头的常用变化形式。凸轮的形式变化对凸轮机构的功能、性质影响很大如图4-7所示。其中，可调凸轮是在圆柱滚筒表面用螺钉安装一些形成凸轮曲线的零件，调整、更换这些零件即可达到调整凸轮运动的目的；移动凸轮用的主动件运动为移动；反凸轮是将凸轮曲线制作在从动构件上。在凸轮机构高速运转时，从动件可能存在很大的惯性力，利用施加于从动部件上的弹簧弹力无法确保凸轮和从动件不脱离接触。在凸轮上开设沟槽，将从动件端部夹在凸轮沟槽内，可避免上述现象发生，使凸轮机构准确、稳定、可靠地工作，这种形式的凸轮机构称为确动凸轮机构。圆柱凸轮、圆锥凸轮、球面凸轮、盘形槽凸轮、反凸轮等都属于确动凸轮。将凸轮机构从动构件解除导向限制，自由端用活动铰链连接固定，从动件可实现往复摆动，如图4-8所示。图4-9所示的凸轮机构属于一类特殊的凸轮机构，称为圆柱分度凸轮机构，其输出为间歇转动，运动准确、可靠，可实现高速、精确分度定位。利用凸轮机构可由简单的转动、移动获得复杂的往复移动、往复摆动和间歇运动，从动构件的运动规律取决于凸轮曲线形式。凸轮的应用很广，以下列举几个实例。图4-10为发动机气门启闭的实例，凸轮旋转推动从动杆件往复移动，杆件再通过摇臂压迫气阀开启，气阀的关闭靠弹簧作用。气阀的开启、关闭时间决定凸轮的轮廓曲线。图4-11为机床床头箱变速的操作机构。两组多联齿轮在变速时各只有一个进入传动链作用，共有六种组合，圆柱凸轮上有两组曲线对应控制两组齿轮，在曲线的不同位置组合对应六种齿轮组合状态，圆柱凸轮与控制手柄相连，旋转手柄转到不同的位置则对应某一速度档位。图4-12为自动车床刀架进给的机械控制机构。图4-13为包装机上纸盒折叠成形机构应用凸轮的例子。图4-14、图4-15为另外两个凸轮在机械设备上的应用实例。二、连杆机构往复运动的常用连杆机构主要有曲柄滑块机构、曲柄摇块机构和曲柄摇杆机构，分别可实现往复直线运动和摆动。如图4-16所示，曲柄滑块机构将来自曲柄1的连续转动转换为滑块3的直线往复运动。反过来，若滑块3作为原动件，曲柄滑块机构可用于将直线移动转化为曲柄1的转动。如图4-17所示的曲柄摇杆机构，来自曲柄1的转动通过机构转换为摇块3的摆动及杆2的伸缩。若以杆2的伸缩作源驱动，则可获得杆1的转动和摇块3的摆动。在具体产品设计应用实践中，应根据具体情况灵活运用基本机构原理。下面介绍几个具体应用实例。图4-18的汽车车门启闭机构本质为一曲柄滑块机构，但是曲柄用气缸作为转动的动力源，车门相当于曲柄滑块机构中的连杆。气缸推动与活塞杆铰接的角形摆杆3绕固定销轴A转动，滑块C在滑到内移动，作为连杆的车门作平面运动，由关闭位置到开启位置。图4-19为一种新型曲柄滑块往复活塞式车用空压机。该机无连杆，用以短圆柱形滑块将曲柄与活塞相连，滑块随曲轴旋转，同时在活塞上的圆筒形导轨上滑动，迫使活塞作往复运动。图4-20的手摇唧筒机构采用的机构属于曲柄滑块机构的变种，是将滑块作为机架，也称之为曲柄滑块导杆机构。图4-21载重汽车的自卸结构为曲柄摇块机构的反作用，以连杆（液压缸）为驱动源，曲柄（车厢）为执行构件。图4-22的自动送料机构采用标准曲柄滑块机构实现。图4-23缝纫机的脚踏机构就是典型的曲柄摇杆机构应用实例，踏板摇摆驱动曲柄杆转动，再通过固连于曲柄杆上的皮带轮驱动缝纫机运动。图4-24的插齿机传动系统采用曲柄摇杆机构实现插齿刀的往复直线运动。图4-25所示机械式气压测量表采用串接在一起的曲柄滑块机构和曲柄摇块机构构成多杆复合机构实现测量压力功能。图4-26的汽车刮水雨刷装置，为座六杆双机构1-2-3-4-5-6构成的六连杆机构带动由6-7-8-9组成的四连杆机构运动。两个刮水板摆杆分别与B0、F处的轴固连。主动件2回转时通过杆3、4使杆6摆动，通过杆7、8使右边的刮水板同步摆动。图4-27的缝纫机针杆导引装置采用一个复杂的七杆机构，该机构从原理上属于0自由度机构。这个机构能够工作的前提是，铰链C的运动轨迹曲线与直线导路间的偏差应在移动杆运动副间隙范围内。三、其他往复运动机构很多产品上采用齿轮齿条传动机构。用齿轮座主动件，则齿条相对于齿轮作直线运动，齿条长度有限，齿条的运动为往复运动；反之，齿条作主动件，则齿轮作摆动，如图4-28所示。如图4-29所示，在这种气动机械手结构中，下面的两个气缸往复运动，通过齿条带动齿轮，使机械手整体摆动；上面的汽缸伸缩驱动机械手指摆动，完成夹、放动作。4.3、间歇运动机构按运动方式划分，常用间歇运动可分为间歇直线运动和间歇转动两种。间歇转动获得比较方便，槽轮机构棘轮机构、圆柱分度凸轮机构等都可以可靠地实现间歇转动，甚至还可以使用步进电机等通过合理的控制方式实现。直接能够实现间歇直线运动的机构几乎没有，因此通常通过一定的传动方式将间歇转动转换为直线间歇运动。如直线式自动生产线，通常由槽轮机构带动链轮，利用链传动，在链条上获得直线间歇运动。一、槽轮机构槽轮机构也称马耳他机构，是分度、转位步进、间歇传动中应用最普遍的一种机构，特别是在分工序进行作业的自动机、自动生产线中广泛采用槽轮机构作为运动的基础传动机构。如图4-30所示，槽轮机构由槽轮和驱动轮组成。槽轮机构可实现将连续运动转换为间歇旋转运动，转臂脱离轮槽的行程越长，间歇的时间比例越大；槽轮上开槽越多，间歇频率越高，在圆周内实现分度位置越多。图4-30所示的外槽轮是槽轮机构的最简单和基本形式。图4-31为内槽轮的结构，其工作原理与外槽轮相似。外槽轮主要用于转速较高、间歇短及机构负荷比较重的场合。内槽轮机构运动内冲击小、动力性能好，适于要求运转平稳的场合。特殊槽轮主要用于对转、停时间比例有特殊要求及不等速间歇转动等场合。图4-32为一种球面槽轮，其转动与间歇时间相等。图4-33、图4-34所示的两种多销外槽轮动停比为1。转臂脱离槽轮期间，槽轮处于停止状态时，也是自由状态。对于定位精度要求较高或存在扰动载荷的场合，需考虑槽轮的定位问题。图4-35为两种配合槽轮使用的常用定位机构。下面介绍一些槽轮在实践中的应用实例。图4-36为槽轮在齿轮磨床上的应用，槽轮机构用于磨齿分度运动。分度时，电机17的转动经齿轮16、15和蜗杆2、蜗轮3使凸轮5转动，抬起滚子6和杠杆8，将定位齿块9从分度盘10中拔出。滚子6在凸轮5表面滑动，凸轮5上的拔销4带动槽轮12回转，经交换齿轮及齿轮13、14和分度盘10，使工件11转过一个齿。凸轮5转过180度后，槽轮转过1/6转，定位齿块9在弹簧7作用下重新插入分度盘10的定位槽中。至此，完成一个齿的分度。图4-37为一种采用槽轮机构的重型回转台。动力由驱动轴1经蜗杆5同时传递给蜗轮2及15，两蜗轮分别带动驱动臂14与凸轮3，凸轮3经过滚子4控制定位锁栓6，当6脱开工作台时，驱动臂带动驱动销13使槽轮分度经齿轮传动工作台转位。图4-38为录音磁带盒自动包装机中使用的内槽轮步进输送机构。动力传给曲柄5，带动内槽轮4，经齿轮3使回转盘2作间歇回转。二、棘轮机构棘轮机构有棘轮和棘爪组成，如图4-39。棘轮机构结构简单、加工制造方便、工作可靠、应用很广。为防止棘轮逆转，棘爪上安装有弹簧，常见棘轮机构有外啮合、内啮合两种。当棘轮作为主动件时，棘轮机构为单向转动机构。通常棘轮机构由棘爪驱动，棘轮实现单向间歇转动。图4-40为棘轮机构的常见驱动方式。图4-41为几种较特殊的棘爪形式。图4-42为棘轮机构用于射砂自动线浇铸和输送装置的实例。工作时，气缸使带有棘爪8的摆杆10摆动一定角度，棘爪推动棘轮9及与之固连的输送辊11转过一定角度，输送带完成一次步进。图4-43为一棘轮驱动的回转工作台，适于从下向上的装配操纵，工作速度达每小时2400次。图4-44为一种适合于加工、组装等作业自动机或生产线的启动棘轮步进传送机构。其中，气缸通过齿条、齿轮驱动棘轮机构间歇运动，棘轮再场将运动传给同轴链轮，从而使固于链条上的工件存放架进行间歇直线移动。图4-45为另一种常见于轻工、包装自动生产线的直线转位机构。其中，气缸为驱动源，棘轮4上有摩擦止回装置，链轮系统有尼龙张紧滚轮。三、针轮机构针轮机构由针轮和星轮组成，如图4-46所示。沿圆周装有针销的称为针轮，具有摆线齿廓的称为星轮。一般情况下，针轮是机构的主动件，作等速连续转动，星轮作间歇运动。针轮机构有内啮合型和外啮合型之分，常见外啮合型针轮的种类如图4-46所示。针轮机构运转平稳、可靠，在很多涉及瓶、灌类自动生产线上使用针轮机构实现转位，如啤酒、饮料罐装机和筒、罐类贴标机等。图4-47为使用星轮实现转位的筒形容器加盖机构。图4-48为一利用星轮的分度工作装置的送料机构。四、不完全齿轮机构不完全齿轮机构也称欠齿轮机构，由一对特殊设计、加工的齿轮组成，如图4-49所示。不完全齿轮机构分为内啮合和外啮合两种类型。图4-49所示的外啮合机构，主动轮转一周，从动轮反向转90度后停歇，即传动轮一周有四次停歇；图中的内啮合型机构，主动轮上有两个齿，主动齿转半周，从动轮同向转45度，即传动轮每周有八次停歇。不完全齿轮机构上设置缓冲装置可改变其首、末齿啮合时的传动性，使其啮合能逐渐加速和逐渐减速，特别是在传动速度高或传动平稳性要求较高时，图4-50为两种常用的缓冲装置。图4-51所示结构为采用不完全齿轮机构驱动的间歇回转工作台，结构简单，但精度不高，只能用于轻载作业。图4-52为一种采用不完全齿轮的分度装置。五、圆柱分度凸轮机构圆柱分度凸轮运动精度高、运动平稳可靠、动力特性好适用性强，特别适合于高速、高精度要求的场合。但其加工一般在数控设备上完成，加工制造精度要求高，成本较高。圆柱分度凸轮机构的工作原理类似蜗轮蜗杆机构，凸轮相当于一个变螺旋角弧面蜗杆，因此也称其为蜗杆凸轮机构。如图4-53所示为垂直交错轴布局的圆柱分度凸轮分度过程图，凸轮轮廓曲线的曲线部分对应推动滚子的运动分度，直线部分对应从动盘停歇位置。在停歇位置，两个滚子跨夹在凸轮直线段环面凸脊上，定位稳定，不需要附加定位装置，且可通过调整中心距消除间隙并施加预紧。图4-54表示了两种圆柱分度凸轮圆环定位面的形式。图4-54（a）图机构，装盘在停歇时，相邻两滚子跨夹在位于凸轮中央的圆环面上单位，这种形式最常用，适合于高速、轻