章4 往復(fù)運動結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、第四章、往復(fù)、間歇運動機構(gòu)設(shè)計4.1概述4.2往復(fù)運動機構(gòu)4.3間歇運動機構(gòu)4.1、概述 一、往復(fù)運動機構(gòu) 往復(fù)運動從形式上有往復(fù)直線運動、往復(fù)擺動、往復(fù)曲線運動和往復(fù)復(fù)雜運動等幾種，其中往復(fù)直線運動和往復(fù)百度最常見，應(yīng)用也最廣。按機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征命名，實現(xiàn)往復(fù)運動的常用機構(gòu)有凸輪機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)、曲柄搖桿機構(gòu)等。利用電磁原理也可實現(xiàn)往復(fù)移動和擺動，在現(xiàn)代電子產(chǎn)品特別是數(shù)字控制產(chǎn)品中，使用電磁原理的機構(gòu)可實現(xiàn)精密的運動控制，圖4-1為計算機硬盤結(jié)構(gòu)，其尋道機構(gòu)的運動控制就是利用電磁原理實現(xiàn)的。往復(fù)曲線運動通常由連桿機構(gòu)實現(xiàn)，主要用于有特殊執(zhí)行動作要求的連續(xù)循環(huán)工作機械，如縫紉機的縫紉引線動作、織

2、布機的編織動作等。圖4-2為兩種實現(xiàn)往復(fù)曲線運動的連桿機構(gòu)，可用于實現(xiàn)縫紉機引線運動的執(zhí)行機構(gòu)等。二、間歇運動間歇運動時機構(gòu)或機械設(shè)備，產(chǎn)品隨時間的推移順次規(guī)律地執(zhí)行運動和靜止，按一定的工作節(jié)拍循環(huán)作業(yè)或完成工序步驟。圖4-3為裹包機執(zhí)行的工序動作分解圖，這些工序需要一定的時間，很難實現(xiàn)連續(xù)運動完成，因此多按間隙運動方式工作。設(shè)計中，將復(fù)雜工作分解工序后，需結(jié)合各工序的完成時間和順序安排空間布置，如圖4-4所示，進而采用合適的間歇運動機構(gòu)實現(xiàn)設(shè)計。 實現(xiàn)間歇運動的常見機構(gòu)主要包括槽輪機構(gòu)，棘輪機構(gòu)，圓柱凸輪機構(gòu)、欠齒輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)和各種組合機構(gòu)等，可分別實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)間歇運動、直線間歇運動、間歇曲

3、線運動及復(fù)雜間歇運動等。4.2、往復(fù)運動機構(gòu) 一、凸輪機構(gòu) 基本的凸輪機構(gòu)由凸輪和從動桿件組成，凸輪輪緣與從動件緊密接觸，凸輪為主動構(gòu)件，凸輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動從動件作往復(fù)直線運動，如圖4-5所示，桿件上的彈簧是用于保持桿件與凸輪接觸作用的。凸輪機構(gòu)的種類很多，有不同的性質(zhì)和特點，使用于不同情況。圖4-6為在基本凸輪結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，從動桿接觸端頭的常用變化形式。凸輪的形式變化對凸輪機構(gòu)的功能、性質(zhì)影響很大如圖4-7所示。其中，可調(diào)凸輪是在圓柱滾筒表面用螺釘安裝一些形成凸輪曲線的零件，調(diào)整、更換這些零件即可達到調(diào)整凸輪運動的目的；移動凸輪用的主動件運動為移動；反凸輪是將凸輪曲線制作在從動構(gòu)件上。在凸輪機構(gòu)高速

4、運轉(zhuǎn)時，從動件可能存在很大的慣性力，利用施加于從動部件上的彈簧彈力無法確保凸輪和從動件不脫離接觸。在凸輪上開設(shè)溝槽，將從動件端部夾在凸輪溝槽內(nèi)，可避免上述現(xiàn)象發(fā)生，使凸輪機構(gòu)準確、穩(wěn)定、可靠地工作，這種形式的凸輪機構(gòu)稱為確動凸輪機構(gòu)。圓柱凸輪、圓錐凸輪、球面凸輪、盤形槽凸輪、反凸輪等都屬于確動凸輪。將凸輪機構(gòu)從動構(gòu)件解除導(dǎo)向限制，自由端用活動鉸鏈連接固定，從動件可實現(xiàn)往復(fù)擺動，如圖4-8所示。 圖4-9所示的凸輪機構(gòu)屬于一類特殊的凸輪機構(gòu)，稱為圓柱分度凸輪機構(gòu)，其輸出為間歇轉(zhuǎn)動，運動準確、可靠，可實現(xiàn)高速、精確分度定位。利用凸輪機構(gòu)可由簡單的轉(zhuǎn)動、移動獲得復(fù)雜的往復(fù)移動、往復(fù)擺動和間歇運動，從

5、動構(gòu)件的運動規(guī)律取決于凸輪曲線形式。凸輪的應(yīng)用很廣，以下列舉幾個實例。圖4-10為發(fā)動機氣門啟閉的實例，凸輪旋轉(zhuǎn)推動從動桿件往復(fù)移動，桿件再通過搖臂壓迫氣閥開啟，氣閥的關(guān)閉靠彈簧作用。氣閥的開啟、關(guān)閉時間決定凸輪的輪廓曲線。圖4-11為機床床頭箱變速的操作機構(gòu)。兩組多聯(lián)齒輪在變速時各只有一個進入傳動鏈作用，共有六種組合，圓柱凸輪上有兩組曲線對應(yīng)控制兩組齒輪，在曲線的不同位置組合對應(yīng)六種齒輪組合狀態(tài)，圓柱凸輪與控制手柄相連，旋轉(zhuǎn)手柄轉(zhuǎn)到不同的位置則對應(yīng)某一速度檔位。圖4-12為自動車床刀架進給的機械控制機構(gòu)。圖4-13為包裝機上紙盒折疊成形機構(gòu)應(yīng)用凸輪的例子。 圖4-14、圖4-15為另外兩個凸

6、輪在機械設(shè)備上的應(yīng)用實例。二、連桿機構(gòu) 往復(fù)運動的常用連桿機構(gòu)主要有、機構(gòu)和，分別可實現(xiàn)往復(fù)直線運動和擺動。 如圖4-16所示，曲柄滑塊機構(gòu)將來自曲柄1的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為滑塊3的直線往復(fù)運動。反過來，若滑塊3作為原動件，曲柄滑塊機構(gòu)可用于將直線移動轉(zhuǎn)化為曲柄1的轉(zhuǎn)動。如圖4-17所示的曲柄搖桿機構(gòu)，來自曲柄1的轉(zhuǎn)動通過機構(gòu)轉(zhuǎn)換為搖塊3的擺動及桿2的伸縮。若以桿2的伸縮作源驅(qū)動，則可獲得桿1的轉(zhuǎn)動和搖塊3的擺動。在具體產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用實踐中，應(yīng)根據(jù)具體情況靈活運用基本機構(gòu)原理。下面介紹幾個具體應(yīng)用實例。圖4-18的汽車車門啟閉機構(gòu)本質(zhì)為一曲柄滑塊機構(gòu)，但是曲柄用氣缸作為轉(zhuǎn)動的動力源，車門相當(dāng)于曲柄滑塊

7、機構(gòu)中的連桿。氣缸推動與活塞桿鉸接的角形擺桿3繞固定銷軸A轉(zhuǎn)動，滑塊C在滑到內(nèi)移動，作為連桿的車門作平面運動，由關(guān)閉位置到開啟位置。 圖4-19為一種新型曲柄滑塊往復(fù)活塞式車用空壓機。該機無連桿，用以短圓柱形滑塊將曲柄與活塞相連，滑塊隨曲軸旋轉(zhuǎn)，同時在活塞上的圓筒形導(dǎo)軌上滑動，迫使活塞作往復(fù)運動。圖4-20的手搖唧筒機構(gòu)采用的機構(gòu)屬于曲柄滑塊機構(gòu)的變種，是將滑塊作為機架，也稱之為曲柄滑塊導(dǎo)桿機構(gòu)。 圖4-21載重汽車的自卸結(jié)構(gòu)為曲柄搖塊機構(gòu)的反作用，以連桿（液壓缸）為驅(qū)動源，曲柄（車廂）為執(zhí)行構(gòu)件。圖4-22的自動送料機構(gòu)采用標準曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)。圖4-23縫紉機的腳踏機構(gòu)就是典型的曲柄搖桿機

8、構(gòu)應(yīng)用實例，踏板搖擺驅(qū)動曲柄桿轉(zhuǎn)動，再通過固連于曲柄桿上的皮帶輪驅(qū)動縫紉機運動。圖4-24的插齒機傳動系統(tǒng)采用曲柄搖桿機構(gòu)實現(xiàn)插齒刀的往復(fù)直線運動。圖4-25所示機械式氣壓測量表采用串接在一起的曲柄滑塊機構(gòu)和曲柄搖塊機構(gòu)構(gòu)成多桿復(fù)合機構(gòu)實現(xiàn)測量壓力功能。圖4-26的汽車刮水雨刷裝置，為座六桿雙機構(gòu)1-2-3-4-5-6構(gòu)成的六連桿機構(gòu)帶動由6-7-8-9組成的四連桿機構(gòu)運動。兩個刮水板擺桿分別與B0、F處的軸固連。主動件2回轉(zhuǎn)時通過桿3、4使桿6擺動，通過桿7、8使右邊的刮水板同步擺動。圖4-27的縫紉機針桿導(dǎo)引裝置采用一個復(fù)雜的七桿機構(gòu)，該機構(gòu)從原理上屬于0自由度機構(gòu)。這個機構(gòu)能夠工作的前提

9、是，鉸鏈C的運動軌跡曲線與直線導(dǎo)路間的偏差應(yīng)在移動桿運動副間隙范圍內(nèi)。三、其他往復(fù)運動機構(gòu) 很多產(chǎn)品上采用齒輪齒條傳動機構(gòu)。用齒輪座主動件，則齒條相對于齒輪作直線運動，齒條長度有限，齒條的運動為往復(fù)運動；反之，齒條作主動件，則齒輪作擺動，如圖4-28所示。如圖4-29所示，在這種氣動機械手結(jié)構(gòu)中，下面的兩個氣缸往復(fù)運動，通過齒條帶動齒輪，使機械手整體擺動；上面的汽缸伸縮驅(qū)動機械手指擺動，完成夾、放動作。 4.3、間歇運動機構(gòu) 按運動方式劃分，常用間歇運動可分為和兩種。間歇轉(zhuǎn)動獲得比較方便，槽輪機構(gòu)棘輪機構(gòu)、圓柱分度凸輪機構(gòu)等都可以可靠地實現(xiàn)間歇轉(zhuǎn)動，甚至還可以使用步進電機等通過合理的控制方式實

10、現(xiàn)。直接能夠?qū)崿F(xiàn)間歇直線運動的機構(gòu)幾乎沒有，因此通常通過一定的傳動方式將間歇轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為直線間歇運動。如直線式自動生產(chǎn)線，通常由槽輪機構(gòu)帶動鏈輪，利用鏈傳動，在鏈條上獲得直線間歇運動。一、槽輪機構(gòu) 槽輪機構(gòu)也稱馬耳他機構(gòu)，是分度、轉(zhuǎn)位步進、間歇傳動中應(yīng)用最普遍的一種機構(gòu)，特別是在分工序進行作業(yè)的自動機、自動生產(chǎn)線中廣泛采用槽輪機構(gòu)作為運動的基礎(chǔ)傳動機構(gòu)。如圖4-30所示，槽輪機構(gòu)由槽輪和驅(qū)動輪組成。槽輪機構(gòu)可實現(xiàn)將連續(xù)運動轉(zhuǎn)換為間歇旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)臂脫離輪槽的行程越長，間歇的時間比例越大；槽輪上開槽越多，間歇頻率越高，在圓周內(nèi)實現(xiàn)分度位置越多。圖4-30所示的外槽輪是槽輪機構(gòu)的最簡單和基本形式。圖4

11、-31為內(nèi)槽輪的結(jié)構(gòu)，其工作原理與外槽輪相似。外槽輪主要用于轉(zhuǎn)速較高、間歇短及機構(gòu)負荷比較重的場合。內(nèi)槽輪機構(gòu)運動內(nèi)沖擊小、動力性能好，適于要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的場合。特殊槽輪主要用于對轉(zhuǎn)、停時間比例有特殊要求及不等速間歇轉(zhuǎn)動等場合。圖4-32為一種球面槽輪，其轉(zhuǎn)動與間歇時間相等。圖4-33、圖4-34所示的兩種多銷外槽輪動停比為1。轉(zhuǎn)臂脫離槽輪期間，槽輪處于停止狀態(tài)時，也是自由狀態(tài)。對于定位精度要求較高或存在擾動載荷的場合，需考慮槽輪的定位問題。圖4-35為兩種配合槽輪使用的常用定位機構(gòu)。下面介紹一些槽輪在實踐中的應(yīng)用實例。圖4-36為槽輪在齒輪磨床上的應(yīng)用，槽輪機構(gòu)用于磨齒分度運動。分度時，電機1

12、7的轉(zhuǎn)動經(jīng)齒輪16、15和蝸桿2、蝸輪3使凸輪5轉(zhuǎn)動，抬起滾子6和杠桿8，將定位齒塊9從分度盤10中拔出。滾子6在凸輪5表面滑動，凸輪5上的拔銷4帶動槽輪12回轉(zhuǎn)，經(jīng)交換齒輪及齒輪13、14和分度盤10，使工件11轉(zhuǎn)過一個齒。凸輪5轉(zhuǎn)過180度后，槽輪轉(zhuǎn)過1/6轉(zhuǎn)，定位齒塊9在彈簧7作用下重新插入分度盤10的定位槽中。至此，完成一個齒的分度。圖4-37為一種采用槽輪機構(gòu)的重型回轉(zhuǎn)臺。動力由驅(qū)動軸1經(jīng)蝸桿5同時傳遞給蝸輪2及15，兩蝸輪分別帶動驅(qū)動臂14與凸輪3，凸輪3經(jīng)過滾子4控制定位鎖栓6，當(dāng)6脫開工作臺時，驅(qū)動臂帶動驅(qū)動銷13使槽輪分度經(jīng)齒輪傳動工作臺轉(zhuǎn)位。圖4-38為錄音磁帶盒自動包裝機

13、中使用的內(nèi)槽輪步進輸送機構(gòu)。動力傳給曲柄5，帶動內(nèi)槽輪4，經(jīng)齒輪3使回轉(zhuǎn)盤2作間歇回轉(zhuǎn)。二、棘輪機構(gòu) 棘輪機構(gòu)有棘輪和棘爪組成，如圖4-39 。棘輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、加工制造方便、工作可靠、應(yīng)用很廣。為防止棘輪逆轉(zhuǎn)，棘爪上安裝有彈簧，常見棘輪機構(gòu)有、兩種。當(dāng)棘輪作為主動件時，棘輪機構(gòu)為單向轉(zhuǎn)動機構(gòu)。通常棘輪機構(gòu)由棘爪驅(qū)動，棘輪實現(xiàn)單向間歇轉(zhuǎn)動。圖4-40為棘輪機構(gòu)的常見驅(qū)動方式。 圖4-41為幾種較特殊的棘爪形式。圖4-42為棘輪機構(gòu)用于射砂自動線澆鑄和輸送裝置的實例。工作時，氣缸使帶有棘爪8的擺桿10擺動一定角度，棘爪推動棘輪9及與之固連的輸送輥11轉(zhuǎn)過一定角度，輸送帶完成一次步進。圖4-43為

14、一棘輪驅(qū)動的回轉(zhuǎn)工作臺，適于從下向上的裝配操縱，工作速度達每小時2400次。圖4-44為一種適合于加工、組裝等作業(yè)自動機或生產(chǎn)線的啟動棘輪步進傳送機構(gòu)。其中，氣缸通過齒條、齒輪驅(qū)動棘輪機構(gòu)間歇運動，棘輪再場將運動傳給同軸鏈輪，從而使固于鏈條上的工件存放架進行間歇直線移動。圖4-45為另一種常見于輕工、包裝自動生產(chǎn)線的直線轉(zhuǎn)位機構(gòu)。其中，氣缸為驅(qū)動源，棘輪4上有摩擦止回裝置，鏈輪系統(tǒng)有尼龍張緊滾輪。三、針輪機構(gòu) 針輪機構(gòu)由針輪和星輪組成，如圖4-46所示。沿圓周裝有針銷的稱為針輪，具有擺線齒廓的稱為星輪。一般情況下，針輪是機構(gòu)的主動件，作等速連續(xù)轉(zhuǎn)動，星輪作間歇運動。針輪機構(gòu)有內(nèi)嚙合型和外嚙合型

15、之分，常見外嚙合型針輪的種類如圖4-46所示。針輪機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、可靠，在很多涉及瓶、灌類自動生產(chǎn)線上使用針輪機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)位，如啤酒、飲料罐裝機和筒、罐類貼標機等。 圖4-47為使用星輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)位的筒形容器加蓋機構(gòu)。圖4-48為一利用星輪的分度工作裝置的送料機構(gòu)。四、不完全齒輪機構(gòu)不完全齒輪機構(gòu)也稱欠齒輪機構(gòu)，由一對特殊設(shè)計、加工的齒輪組成，如圖4-49所示。不完全齒輪機構(gòu)分為內(nèi)嚙合和外嚙合兩種類型。圖4-49所示的外嚙合機構(gòu)，主動輪轉(zhuǎn)一周，從動輪反向轉(zhuǎn)90度后停歇，即傳動輪一周有四次停歇；圖中的內(nèi)嚙合型機構(gòu)，主動輪上有兩個齒，主動齒轉(zhuǎn)半周，從動輪同向轉(zhuǎn)45度，即傳動輪每周有八次停歇。 不完全齒輪機

16、構(gòu)上設(shè)置緩沖裝置可改變其首、末齒嚙合時的傳動性，使其嚙合能逐漸加速和逐漸減速，特別是在傳動速度高或傳動平穩(wěn)性要求較高時，圖4-50為兩種常用的緩沖裝置。圖4-51所示結(jié)構(gòu)為采用不完全齒輪機構(gòu)驅(qū)動的間歇回轉(zhuǎn)工作臺，結(jié)構(gòu)簡單，但精度不高，只能用于輕載作業(yè)。圖4-52為一種采用不完全齒輪的分度裝置。五、圓柱分度凸輪機構(gòu)圓柱分度凸輪運動精度高、運動平穩(wěn)可靠、動力特性好適用性強，特別適合于高速、高精度要求的場合。但其加工一般在數(shù)控設(shè)備上完成，加工制造精度要求高，成本較高。圓柱分度凸輪機構(gòu)的工作原理類似蝸輪蝸桿機構(gòu)，凸輪相當(dāng)于一個變螺旋角弧面蝸桿，因此也稱其為蝸桿凸輪機構(gòu)。 如圖4-53所示為垂直交錯軸布局的圓柱分度凸