第五章常用步进机构设计 《机械设计基础》教案(机电技术教育90学时) 第五章常用步进机构设计 1.教学目标 了解常用典型步进机构的工作原理、运动特点及其应用等情况。 2.教学重点和难点 步进机构的工作原理 3.讲授方法:多媒体课件
第五章 常用步进机构设计 《机械设计基础》教案 （机电技术教育 90 学时） 66 第五章 常用步进机构设计 1．教学目标 了解常用典型步进机构的工作原理、运动特点及其应用等情况。 2．教学重点和难点 步进机构的工作原理 3．讲授方法：多媒体课件
第五章常用步进机构设计 《机械设计基础》教案(机电技术教育90学时) 当主动件作连续运动时,从动件作周期性的运动和停顿,这类机构称为间歇机构,也称为步 进机构。它在各种自动化机械中得到广泛的应用,用来满足送进、制动、转位、分度、超越等工 作要求。常用的步进机构可以分为两类 1)主动件往复摆动,从动件间歇运动,如棘轮机构。 2)主动件连续运动,从动件间歇运动,如槽轮机构、不完全齿轮机构等。 步进机构种类很多,我们在这里主要学习最常用的:棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构。 §51棘轮机构 1、棘轮的工作原理和类型 我们都会骑自行车,当我们脚等踏板转动时,带动链轮,通 过链条又带动后轮上的链轮,实现自行车的前进。但后轮的链轮 是只有外面的链轮带动里面的转轴,当我们不再登动脚踏板时, 自行车后轮可以继续转动。留心的同学可能知道这个零件的名称 但是这个机构究竟是怎么工作的呢?实际上,这就是一个棘轮机 图5-1 典型的棘轮机构如图5-1所示。该机构为轮齿式外啮合棘轮机构,由棘轮3、棘爪2、摇杄 1和止动爪4、弹簧5和机架所组成。机轮3固装在传动轴上,机轮的齿可以制作在机轮的外缘 内缘或端面上,而实际应用中以作在外缘上居多。摇杆1空套在传动 当摇杄沿逆时针方向摆动时,棘爪2嵌入机轮3上的齿间,推动 机轮转动。当摇杆沿顺时针方向转动时,止动爪4阻止棘轮顺时针转 动,同时棘爪2在棘轮齿背上滑过,此时棘轮静止。这样,当摇杄往 67
第五章 常用步进机构设计 《机械设计基础》教案 （机电技术教育 90 学时） 67 当主动件作连续运动时，从动件作周期性的运动和停顿，这类机构称为间歇机构，也称为步 进机构。它在各种自动化机械中得到广泛的应用，用来满足送进、制动、转位、分度、超越等工 作要求。常用的步进机构可以分为两类： 1）主动件往复摆动，从动件间歇运动，如棘轮机构。 2）主动件连续运动，从动件间歇运动，如槽轮机构、不完全齿轮机构等。 步进机构种类很多，我们在这里主要学习最常用的：棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构。 §5.1 棘轮机构 1、棘轮的工作原理和类型 我们都会骑自行车，当我们脚等踏板转动时，带动链轮，通 过链条又带动后轮上的链轮，实现自行车的前进。但后轮的链轮 是只有外面的链轮带动里面的转轴，当我们不再登动脚踏板时， 自行车后轮可以继续转动。留心的同学可能知道这个零件的名称， 但是这个机构究竟是怎么工作的呢？实际上，这就是一个棘轮机 构。 典型的棘轮机构如图 5-1 所示。该机构为轮齿式外啮合棘轮机构，由棘轮 3、棘爪 2、摇杆 1 和止动爪 4、弹簧 5 和机架所组成。机轮 3 固装在传动轴上，机轮的齿可以制作在机轮的外缘、 内缘或端面上，而实际应用中以作在外缘上居多。摇杆 1 空套在传动 轴上。 当摇杆沿逆时针方向摆动时，棘爪 2 嵌入机轮 3 上的齿间，推动 机轮转动。当摇杆沿顺时针方向转动时，止动爪 4 阻止棘轮顺时针转 动，同时棘爪 2 在棘轮齿背上滑过，此时棘轮静止。这样，当摇杆往 图 5-1 图 5-2
第五章常用步进机构设计 《机械设计基础》教案(机电技术教育90学时) 复摆动时,棘轮便可以得到单向的间歇运动 如图5-2所示为一内接式棘轮机构。 如果工作需要,要求棘轮能作不同转向的间歇运动,则可把棘轮的齿 作成矩形,而将棘爪作成图5-3所示的可翻转的棘爪。当棘爪处在图示B 的位置时,棘轮可得到逆时针方向的单向间歇运动;而当棘爪绕其销轴A 翻转到虚线位置B时,棘轮可以得到顺时针方向的单向间歇运动 如图5-4所示为一种棘爪可以绕自身轴线转动的棘轮机构。当棘爪按 图示位置安放时,棘轮可以得到逆时 针方向的单向间歇运动;而当棘爪提 起,并绕本身轴线旋转180°后再放下 时,就可以使棘轮获得顺时针方向的 单向间隙运动。 如果我们希望使摇杆来回摆动 图5-5双动式幕轮机构 图5-4 1—摇杆2—棘轮3—棘爪4—传动轴 时,使棘轮都能够棘轮向同一方向转 动,则可以采用所谓双动式棘轮机构,如图4-5所示。此种 机构的棘爪可以制成直的或钩头的。 上述的轮齿式棘轮机构,棘轮是靠摇杄上的棘爪推动其 棘齿而运动的,所以棘轮毎次转动角都是棘轮齿距角的倍数 在摇杄一定的情况下,棘轮毎次的转动角是不能改变的。若工图5-6带遮板的棘轮机构 作时需要改变棘轮转动角,除采用改变摇杆的转动角外,还可以采用如图5-6所示的结构,在 棘轮上加一个遮板,用以遮盖摇杄摆角范围内棘轮上的部分 齿。这样,当摇杆逆时针方向摆动时,棘爪先在遮板上滑动, 图5-7摩擦式棘轮机构
第五章 常用步进机构设计 《机械设计基础》教案 （机电技术教育 90 学时） 68 复摆动时，棘轮便可以得到单向的间歇运动。 如图 5－2 所示为一内接式棘轮机构。 如果工作需要，要求棘轮能作不同转向的间歇运动，则可把棘轮的齿 作成矩形，而将棘爪作成图 5－3 所示的可翻转的棘爪。当棘爪处在图示 B 的位置时，棘轮可得到逆时针方向的单向间歇运动；而当棘爪绕其销轴 A 翻转到虚线位置 ' B 时，棘轮可以得到顺时针方向的单向间歇运动。 如图 5-4 所示为一种棘爪可以绕自身轴线转动的棘轮机构。当棘爪按 图示位置安放时，棘轮可以得到逆时 针方向的单向间歇运动；而当棘爪提 起，并绕本身轴线旋转 180 后再放下 时，就可以使棘轮获得顺时针方向的 单向间隙运动。 如果我们希望使摇杆来回摆动 时，使棘轮都能够棘轮向同一方向转 动，则可以采用所谓双动式棘轮机构，如图 4－5 所示。此种 机构的棘爪可以制成直的或钩头的。 上述的轮齿式棘轮机构，棘轮是靠摇杆上的棘爪推动其 棘齿而运动的，所以棘轮每次转动角都是棘轮齿距角的倍数。 在摇杆一定的情况下，棘轮每次的转动角是不能改变的。若工 作时需要改变棘轮转动角，除采用改变摇杆的转动角外，还可以采用如图 5－6 所示的结构，在 棘轮上加一个遮板，用以遮盖摇杆摆角范围内棘轮上的一部分 齿。这样，当摇杆逆时针方向摆动时，棘爪先在遮板上滑动， 图 5-3 图 5-4 图 5－5 图 5－6 图 5－7
第五章常用步进机构设计 《机械设计基础》教案(机电技术教育90学时) 然后才插入棘轮的齿槽推动棘轮转动。被遮住的齿越多,棘轮毎次转动的角度就越小。 如图5-7所示为摩擦式棘轮机构。这种棘轮机构是通过棘轮2与棘爪3之间的摩擦而使棘 爪实现间歇传动的。摩擦式棘轮机构可无级变更棘轮转角,且噪声小,但与棘轮之间容易产生滑 动。为增大摩擦力,可将棘轮做成槽轮形。 在棘轮机构中,棘轮多为从动件,由棘爪推动其运动。而棘爪的运动则可用连杄机构、凸轮 机构或电磁装置等来实现。 2、棘轮机枃的特点和应用 轮齿式棘轮机构结构简单、运动可靠、棘轮的转角容易实现有级的 调节。但是这种机构在回程时,棘爪在棘轮齿背上滑过产生噪声;在运 动开始和终了时,由于速度突变而产生冲击,运动平稳行差,且棘轮轮 齿容易磨损,故常用于低速轻载等场合。摩擦式棘轮传递运动较平稳、 无噪声,棘轮角可以实现无级调节,但运动准确性差,不易用于运动精 度高的场合 棘轮机构常用在各种机床、自动机、自行车、螺旋干斤顶等各种机械中。棘轮还被广泛低用 作防止机械逆转的制动器中,这类棘轮制动器常用在卷扬机、提升机、运输机和牵引设备中。图 4-8所示为一提升机中的棘轮制动器,重物Q被提升后,由于棘轮受到止动爪的制动作用,卷筒 不会在重力作用下反转下降。 3、棘爪回转轴位置的确定 在确定棘爪回转轴轴心O的位置时,最好使O点至棘 轮轮齿顶尖A点的连线OA与棘轮过A点的半径OA垂直 这样,当传递相同的转矩时,棘爪受力最小。 4、棘轮轮齿工作齿面偏斜角α的确定
第五章 常用步进机构设计 《机械设计基础》教案 （机电技术教育 90 学时） 69 然后才插入棘轮的齿槽推动棘轮转动。被遮住的齿越多，棘轮每次转动的角度就越小。 如图 5－7 所示为摩擦式棘轮机构。这种棘轮机构是通过棘轮 2 与棘爪 3 之间的摩擦而使棘 爪实现间歇传动的。摩擦式棘轮机构可无级变更棘轮转角，且噪声小，但与棘轮之间容易产生滑 动。为增大摩擦力，可将棘轮做成槽轮形。 在棘轮机构中，棘轮多为从动件，由棘爪推动其运动。而棘爪的运动则可用连杆机构、凸轮 机构或电磁装置等来实现。 2、棘轮机构的特点和应用 轮齿式棘轮机构结构简单、运动可靠、棘轮的转角容易实现有级的 调节。但是这种机构在回程时，棘爪在棘轮齿背上滑过产生噪声；在运 动开始和终了时，由于速度突变而产生冲击，运动平稳行差，且棘轮轮 齿容易磨损，故常用于低速轻载等场合。摩擦式棘轮传递运动较平稳、 无噪声，棘轮角可以实现无级调节，但运动准确性差，不易用于运动精 度高的场合。 棘轮机构常用在各种机床、自动机、自行车、螺旋千斤顶等各种机械中。棘轮还被广泛低用 作防止机械逆转的制动器中，这类棘轮制动器常用在卷扬机、提升机、运输机和牵引设备中。图 4-8 所示为一提升机中的棘轮制动器，重物 Q 被提升后，由于棘轮受到止动爪的制动作用，卷筒 不会在重力作用下反转下降。 3、棘爪回转轴位置的确定 在确定棘爪回转轴轴心 ' O 的位置时，最好使 ' O 点至棘 轮轮齿顶尖 A 点的连线 ' O A 与棘轮过A 点的半径 OA 垂直， 这样，当传递相同的转矩时，棘爪受力最小。 4、棘轮轮齿工作齿面偏斜角 的确定 图 5-8 图 5-9
第五章常用步进机构设计 《机械设计基础》教案(机电技术教育90学时) 棘轮齿与棘爪接触的工作齿面应与半径OA倾斜一定角度α以保证棘爪在受力时能顺利地 滑入棘轮轮齿的齿根。偏斜角α的大小可如下得岀:如图5-9所示,设棘轮齿对棘爪得法向压力 为P,将其分解成P和P两个分力。其中径向分力P把棘轮推向棘轮齿的根部。而当棘爪沿工 作齿面向齿根滑动时,棘轮齿对棘爪的摩擦力F=∫·P,将阻止棘爪湑入棘轮齿根。为保证棘 爪的顺利滑入,必须保证有 P>f·P·cosa 又P= P sin a 所以可以得到:tana>f=tanφ(φ为摩擦角) a>9 (6-11) 在无滑动的情况下,钢对钢的摩擦系数∫≈0.2,所以φ≈11°30 所以,通常我们取a≈20°。 §52槽轮机构 1、槽轮工作原理和类型 图5-10所示为一外槽轮机构。它由带有圆销的主动拔盘1、具有 径向槽从动槽轮2和机架所组成。 当拔盘1以等角速度连续转动,拨盘上的囻销A没进入槽轮的径 5-10 向槽时,槽轮上的内凹锁止弧π被拔盘上的外凸弧mm卡住,槽轮静 止不动。当拔盘上的囻销刚开始进入槽轮径向槽时,锁止弧η也刚好被松开槽轮在囻销A的推
第五章 常用步进机构设计 《机械设计基础》教案 （机电技术教育 90 学时） 70 棘轮齿与棘爪接触的工作齿面应与半径 OA 倾斜一定角度 ，以保证棘爪在受力时能顺利地 滑入棘轮轮齿的齿根。偏斜角 的大小可如下得出：如图 5-9 所示，设棘轮齿对棘爪得法向压力 为 Pn ，将其分解成 Pt 和 Pr 两个分力。其中径向分力 Pr 把棘轮推向棘轮齿的根部。而当棘爪沿工 作齿面向齿根滑动时，棘轮齿对棘爪的摩擦力 Pn F = f ，将阻止棘爪滑入棘轮齿根。为保证棘 爪的顺利滑入，必须保证有： Pr f Pn cos 又 Pr = Pn sin 所以可以得到： tan f = tan （ 为摩擦角） 即 ： ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． （6-11） 在无滑动的情况下，钢对钢的摩擦系数 f 0.2 ，所以 ' 11 30 所以，通常我们取 20 。 §5.2 槽轮机构 1、槽轮工作原理和类型 图 5-10 所示为一外槽轮机构。它由带有圆销的主动拨盘 1、具有 径向槽从动槽轮 2 和机架所组成。 当拨盘 1 以等角速度连续转动，拨盘上的圆销 A 没进入槽轮的径 向槽时，槽轮上的内凹锁止弧 nn 被拨盘上的外凸弧 mm 卡住，槽轮静 止不动。当拨盘上的圆销刚开始进入槽轮径向槽时，锁止弧 nn 也刚好被松开槽轮在圆销 A 的推 5-10
第五章常用步进机构设计 《机械设计基础》教案(机电技术教育90学时) 动下开始转动。当圆销在另一边离开槽轮的径向槽时,锁止弧ηη又被卡住,槽轮又静止不动, 直至囻销A再一次进入槽轮的另一径向槽时,槽轮重复上面的过程。该机构是-种典型的单向间 歇传动机构。 槽轮机构具有结构紧凑、制造简单、传动效率高,并能 较平稳地进行间歇转位的优点,故在工程上得到了广泛应用。 如图5-11所示为槽轮机构在电影放映机中的间歇抓片 机构。 内啮合槽轮机构的工作原理与外啮合槽轮机构一样。相 图5-11 比之下,内啮合槽轮机构比外槽轮机构运动平稳、结构紧凑。 但是槽轮机构的转角不能调节,且运动过程中加速度变化比较大,所以一般只用于转速不高的定 角度分度机构中 2、槽轮机构的运动系数 在一个运动循环中,槽轮运动时间t2与拔盘运动时间t1之比称为运动系数,用τ来表示。 由于拔盘通常作等速运动,故运动系数τ也可以用拔盘转角表示,如图4-10所示的单圆 销槽轮机构,时间t2和t分别对应的拨盘转角为2q1和2r,所以有:z pI 为避免刚性冲击,在囻销进入或脱岀槽轮径向槽时,圆销的速度方向应与槽轮槽的中心线重 合,即径向槽的中心线应切于圆销中心的运动圆周。因此,若设z为均匀分布的径向槽数目,则 可得:2q1=x-202=x 2rn(二-2) 所以得到:r= 由于运动系数τ必须大于零,故由上式可知径向槽数最少等于3,而τ总小于0.5,即槽轮 的转动时间总小于停歇时间。 如果要求槽轮转动时间大于停歇时间,即要求τ>0.5,则可以在拔盘上装数个圆销。设K
第五章 常用步进机构设计 《机械设计基础》教案 （机电技术教育 90 学时） 71 动下开始转动。当圆销在另一边离开槽轮的径向槽时，锁止弧 nn 又被卡住，槽轮又静止不动， 直至圆销 A 再一次进入槽轮的另一径向槽时，槽轮重复上面的过程。该机构是一种典型的单向间 歇传动机构。 槽轮机构具有结构紧凑、制造简单、传动效率高，并能 较平稳地进行间歇转位的优点，故在工程上得到了广泛应用。 如图 5-11 所示为槽轮机构在电影放映机中的间歇抓片 机构。 内啮合槽轮机构的工作原理与外啮合槽轮机构一样。相 比之下，内啮合槽轮机构比外槽轮机构运动平稳、结构紧凑。 但是槽轮机构的转角不能调节，且运动过程中加速度变化比较大，所以一般只用于转速不高的定 角度分度机构中。 2、槽轮机构的运动系数 在一个运动循环中，槽轮运动时间 2 t 与拨盘运动时间 1 t 之比称为运动系数，用 来表示。 由于拨盘通常作等速运动，故运动系数 也可以用拨盘转角表示，如图 4－10 所示的单圆 销槽轮机构，时间 2 t 和 1 t 分别对应的拨盘转角为 1 2 和 2 ，所以有： 1 = 。 为避免刚性冲击，在圆销进入或脱出槽轮径向槽时，圆销的速度方向应与槽轮槽的中心线重 合，即径向槽的中心线应切于圆销中心的运动圆周。因此，若设 z 为均匀分布的径向槽数目，则 可得： z z z 2 ( 2) 2 1 2 2 − = − = − = 所以得到： z z 2 − 2 = 由于运动系数 必须大于零，故由上式可知径向槽数最少等于 3，而 总小于 0.5，即槽轮 的转动时间总小于停歇时间。 如果要求槽轮转动时间大于停歇时间，即要求 >0.5，则可以在拨盘上装数个圆销。设 K 图 5-11
第五章常用步进机构设计 《机械设计基础》教案(机电技术教育90学时) 为均匀分布在拔盘上的圆销数目,则运动系数r应为 (二-2) 1/K 由于运动系数r应小于1,即K(=2)<1,所以有:K< 增加径向槽数z可以增加机构运动的平稳性,但是机构尺寸随之増大,导致惯性力增大。所 以一般取z=4~8。 槽轮机构中拨盘上的圆销数、槽轮上的径向槽数以及径向槽的几何尺寸等均视运动要求的不 同而定。每个圆销在对应的径向槽中相当于曲柄摆动导杄机构。因此,该机构为分析槽轮的速 度、加速度带来了方便,有兴趣的同学可以下去自学。 §53不完全齿轮机构 不完全齿轮机构是由普通渐开线齿轮机构演 变而成的间歇运动机构。它与普通渐开线齿轮机构S2 的注区在于做主饭个d申飞 齿,姬图5-12所示。 当主动轮1的有齿部分与从动轮轮齿结合时 图5-12不完全齿轮机构 1—主动轮2—从动轮 推动从动轮2转动;当主动轮1的有齿部分与从动 轮脱离啮合时,从动轮停歇不动。因此,当主动轮连续转动时,从动轮获得时动时停的间歇运动 图5-12a所示为外啮合不完全齿轮机构,其主动轮1转动一周时,从动轮2转动六分之 一周,从动轮每转一周停歇6次。当从动轮停歇时,主动轮 上的锁止弧与从动轮上的锁止弧互相配合锁住,以保证从动 轮停歇在预定位置。图b为内啮合不完全齿轮机构。 图5-13所示为不完全齿轮齿条机构,当主动轮连续 图5-13不完全齿轮齿条机构 1—主动轮2—从动齿条
第五章 常用步进机构设计 《机械设计基础》教案 （机电技术教育 90 学时） 72 为均匀分布在拨盘上的圆销数目，则运动系数 应为： z K z t K t 2 ( 2) 1 2 − = = 由于运动系数 应小于 1，即 1 2 ( 2) − z K z ，所以有： 2 2 − z z K 增加径向槽数 z 可以增加机构运动的平稳性，但是机构尺寸随之增大，导致惯性力增大。所 以一般取 z =4～8。 槽轮机构中拨盘上的圆销数、槽轮上的径向槽数以及径向槽的几何尺寸等均视运动要求的不 同而定。每一个圆销在对应的径向槽中相当于曲柄摆动导杆机构。因此，该机构为分析槽轮的速 度、加速度带来了方便，有兴趣的同学可以下去自学。 §5.3 不完全齿轮机构 不完全齿轮机构是由普通渐开线齿轮机构演 变而成的间歇运动机构。它与普通渐开线齿轮机构 的主要区别在于该机构中的主动轮仅有一个或几个 齿，如图 5－12 所示。 当主动轮 1 的有齿部分与从动轮轮齿结合时， 推动从动轮 2 转动；当主动轮 1 的有齿部分与从动 轮脱离啮合时，从动轮停歇不动。因此，当主动轮连续转动时，从动轮获得时动时停的间歇运动。 图 5－12a 所示为外啮合不完全齿轮机构，其主动轮 1 转动一周时，从动轮 2 转动六分之 一周，从动轮每转一周停歇 6 次。当从动轮停歇时，主动轮 上的锁止弧与从动轮上的锁止弧互相配合锁住，以保证从动 轮停歇在预定位置。图 b 为内啮合不完全齿轮机构。 图 5－13 所示为不完全齿轮齿条机构，当主动轮连续 图 5－12 图 5－13
第五章常用步进机构设计 《机械设计基础》教案(机电技术教育90学时) 转动时,从动轮作时动时停的往复移动。 与普通渐开线齿轮机构-样,当主动轮匀速转动时,其从动轮在运动期间也保持匀速转动 但在从动轮运动开始和结束时,即进入啮合和脱窝啮合的瞬时,速度是变化的,故存在冲击。 不完全齿轮机构从动轮毎转一周停歇时间、运动时间及毎次转动的加速度变化范围比较大, 设计灵活。但由于其存在冲击,故不完全齿轮机构一般只用于低速、轻载的场合,如用于计数器、 电影放映机和某些进给机构中
第五章 常用步进机构设计 《机械设计基础》教案 （机电技术教育 90 学时） 73 转动时，从动轮作时动时停的往复移动。 与普通渐开线齿轮机构一样，当主动轮匀速转动时，其从动轮在运动期间也保持匀速转动， 但在从动轮运动开始和结束时，即进入啮合和脱离啮合的瞬时，速度是变化的，故存在冲击。 不完全齿轮机构从动轮每转一周停歇时间、运动时间及每次转动的加速度变化范围比较大， 设计灵活。但由于其存在冲击，故不完全齿轮机构一般只用于低速、轻载的场合，如用于计数器、 电影放映机和某些进给机构中