（机械设计及理论专业论文）间歇机构创新设计研究.pdf

摘要 凸轮型分度机构结构简单、能自动定位、动静比可任意选择，已广泛应用 于印刷、食品包装等自动机械中，并成为间歇和步进机构的主要发展方向，但 现有机构在生产和使用当中存在的不足，促使相关学者对该类机构开展深入的 研究。 本文从机构的组合方式出发，基于运动的分解与组合原理，采用功能一技 术矩阵的机构创新方法，探讨了进行分度机构创新设计的一般方法，提出了几 种可行的间歇机构形式，并通过动画仿真说明了机构的传动过程。其中基于行 星齿轮传动的原理，提出了行星式分度机构。 对行星式分度机构进行了系统的运动学及静力学研究。根据反转法原理推 导了凸轮廓线方程，探讨了凸轮廓线的正则性、连续性问题，分析了机构的设 计参数对凸轮廓线的影响规律，提出了该类机构进行参数设计应遵循的原则。 在此基础上，对行星式分度机构进行了结构设计，对关键构件进行了强度 和刚度分析；同时也对凸轮与机构的平衡问题进行了初步的分析。 文中建立的间歇传动机构的功能一技术矩阵模型，概念清晰，具有一般性， 适用于平面与空间多种机构的创新设计。提出的间歇机构设计方法具有一般意 义，可为深入开展分度机构的型综合设计与研究提供借鉴。同时文中提出的行 星式分度机构，具有结构紧凑、传递扭矩大、输入输出同轴等特点，丰富了平 行轴式间歇传动机构的类型，为深入研究高速、高精度的分度机构奠定了基础。 关键词：凸轮行星传动间歇机构机构刨新 a b s t r a c t t h ei n d e x i n gc a l nm e c h a n i s m sh a v e b e e nw i d e l yu s e di nt h ea u t o m a t i c m a c h i n e ，s u c ha sp r i n t i n ga n dp a c k i n gb e c a u s eo fa d v a n t a g e so fc o m p a c ts t r u c t u r e a n da c c u r a t em o t i o n b u tt h e r ea r es o m ed i s a d v a n t a g e sw h e np r o d u c i n ga n d a p p l y i n gt h em e c h a n i s m s t h e r e f o r e ，m a n ys c h o l a r sm a k eaf u r t h e rs t u d yo ni t f i r s t l y , i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ag e n e r nm e t h o do fi n n o v a t i n gm e c h a n i s m si s p r o p o s e do nt h eb a s i so ft h ef u n c t i o n - t e c h n i q u em a t r i x t h et r a n s m i s s i o np r o c e s so f t h en e w s t y l ei n d e x i n ge a r nm e c h a n i s m sa r es h o w nb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n b a s e d o nt h et h e o r yo fp l a n e t a r yg e a rd r i v e ，ap l a n e t a r yi n t e r m i t t e n tm e c h a n i s mi s p r e s e n t e d s e c o n d l y , k i n e m a t i c sa n ds t a t i c so ft h ep l a n e t a r yi n t e r m i t t e n tm e c h a n i s ma r e s t u d i e d t h ec a m sp r o f i l ee q u a t i o ni sg i v e nb yt h ep r i n c i p l eo fr e v e r s i o na n dt h e r u l e st h a tt h ea f f e c t i o nt h ed e s i g np a r a m e t e r sm a k i n go nt h ec a n ! s p r o f i l ea r e a n a l y z e d f i n a l l y , t h ei n t e n s i t yo f t h em e c h a n i s mi sa n a l y z e d t h eb a l a n c eo f t h ec a i na n d t h em e c h a n i s mi sa l s os t u d l e d t h ef u n c t i o n t e c h n i q u em a t r i xm o d e lo ft h ei n t e r n f i t t e n tm e c h a n i s mp r e s e n t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o nh a st h ec h a r a c t e r so fc l e a rc o n c ta n du n i v e r s a l i t y i ti ss u i t a b l e f o rn o to n l yt h ep l a n a rm e c h a n i s m sb u ta l s ot h es p a c i a lo n e s i ti sar e f e r e n c ef o rt h e d e s i g na n df u r t h e rs t u d yo ft h ei n t e r m i t t e n tm e c h a n i s m a tt h es a n l et i m e ，t h e p l a n e t a r yi n t e r m i t t e n tm e c h a n i s mp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o nh a st h ea d v a n t a g e so f c o m p a c ts t r u c t u r e ，s t r o n gt r a n s m i s s i o nt o r q u ea n dc o a x i a li n p u ta n do u t p u t ，a n d b u i l daf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rs t u d yo ft h eh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o n i n t e r m i t t e n tm e c h a n i s m k e yw o r d s ：c a m ，i n t e r m i t t e n tm e c h a n i s m ，p l a n e t a r yt r a n s m i s s i o n m e c h a n i s mc r e m i v ed e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乃瑟确 签字日期：2 矿口占年f 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盔鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 马慧硇 导师签名： 壤嘭包 签字日期：2 岁年月2 日签字日期：埘f 年j 月2 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 科学技术的进步与发展使生产机械的性能r 益完善和复杂，机械化和自动 控制水平不断提高。相应地，对生产机械中的各种执行机构和辅助机构的性能 提出了愈来愈高的要求。尤其在轻工、食品、纺织、电子等行业广泛使用的各 种自动机械、输送装置中，有一大类包含步进机构的机械系统。其特点是将系 统输入轴的连续回转运动转换为工作执行机构的间歇转动或移动，从而使系统 在其间歇期能完成预期的工艺动作。凸轮型间歇传动机构结构简单、能自动定 位、动静比可任意选择，与传统的棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构相比， 具有高速度、高分度精度、冲击噪音小的特点，因此已成为间歇和步进机构的 主要发展方向，广泛应用于各种多工位自动机械、直线步进机械中，成为这些 自动化机械中的关键部件。 凸轮分度机构在发达国家已有数十年的发展历史，其理论研究工作仍在深 入，其生产已采用高精度加工设备，产品质量不断完善。我国于7 0 年代开始 在某些工厂和高校着手研究这类机构，在几何学、运动学、结构设计和动力学 方面均取得了一些成果，已具备设计开发能力，并在数家工厂进行了多品种的 小批量生产。目前，凸轮型间歇传动机构包括三种类型如图1 1 所示，即平行 分度凸轮机构、弧面分度凸轮机构和圆柱分度凸轮机构。由于外啮合平行分度 凸轮机构和弧面分度凸轮机构结构上的限制，其分度数不宜过大；圆柱分度凸 轮机构可实现的分度数虽然较大，但分度数大时从动盘转动惯量大，不宜用于 高速运转，因而该类机构的应用范围仍受到一定的限制。市场调查表明，在一 些自动化生产设备，尤其是光电源、灯具和电子元器件的生产设备中，需要分 度数较大的间歇机构，其分度数高达3 2 6 4 。为满足以上要求，往往采用在间 歇机构之后加装减速装置的方法，从而影响了定位精度。根据市场需求，该类 机构以单件、小批量生产为主，难以形成规模经济，加之采用高精度加工设备， 因而生产成本较高，与国外同类产品相比，国内产品的市场竞争力不强，从而 制约了我国凸轮分度机构制造产业的发展。目前我国的凸轮加工设备总体上落 后于发达国家，产品质量也受到很大影响。现今技术发达国家在分度凸轮机构 的设计理论与生产技术方面已经趋于稳定，并且都拥有了自己的各类分度凸轮 第一章绪论 装置系列化产品，建立了比较严格的技术保护措施。国内对分度凸轮机构的研 究起步相对较晚，不少科研单位、大专院校都投入了大量的人力和物力进行研 究，在理论和实践上也取得了一些进展，所研制的产品大多限于低速分度运动 场合( 一般在3 0 0 - - 6 0 0 r p m ) ，且分度运动的精度也较低( 一般均4 5 o 仅有少 数厂家可以进行定型小批量生产，远远满足不了国内有关单位生产和使用的需 要。 a ) 弧面分度凸轮b ) 圆柱分度凸轮c ) 平行分度凸轮 图卜1 分度凸轮机构 随着生产的发展和科学技术的不断进步，为了适应不同的工作要求，改善 动态性能，提高定位精度，各种间歇机构自发明伊始，人们不断创造众多结构 新颖、构思巧妙、满足各种工艺需要的间歇运动机构。针对我国间歇机构科研 和生产中所面临的问题，为进一步促进间歇运动机构分析与综合研究成果的应 用和发展。本文收集、整理国内外间歇机构的研究成果，并在此基础上从文献 1 组合机构这一原理中得到启发，并将这一创新思路应用于新型间歇机构的研 究。这类机构的开发较好地解决了现有分度凸轮机构不易实现大分度数、高精 度及制造成本较高的问题，它可以替代圆柱分度凸轮机构和内啮合平行分度凸 轮机构，还可以在一定程度上替代外啮合平行分度凸轮机构，有可能成为间歇 分度和步进输送机构的新一代产品。 本文创新设计了几种新型间歇机构，进一步完善了分度机构的传动形式， 为间歇机构的深入研究开辟了更为广阔的空间。本文所提出的新型结构，提高 了间歇机构的转速、生产效率及使用寿命，对设计技术成果产业化和降低我国 间歇传动装置产品的成本十分有利，从而该项研究具有一定的经济和社会效 益。 第章绪论 1 2 凸轮分度机构的发展过程 在各种分度凸轮机构未被发明之前，间歇机构在速度和精度两个方面都难 以满足机械工业发展的要求，制约了一些自动化机械向高速化、精密化、轻量 化的发展。为了适应不同的_ l = 作要求，改善动态性能，提高定位精度，人们对 传统间歇机构进行了大量的革新与改造。例如，对槽轮机构的改进工作曾经十 分活跃。人们先后提出了诸如球面槽轮机构、多圆销槽轮机构、偏置槽轮机构 等结构改进方案。但是，由于这些间歇机构本身的限制，高速、高精度的要求 远未达到。 在现有分度凸轮机构中，圆柱分度凸轮机构出现摄甲，其发明时间及发明 人难以考证。该机构由普通的圆柱凸轮机构发展而来，使用这一结构设计间歇 机构，人们只需简单地改变运动规律即可。因而，存二r 世纪卜半页，圆柱分 度凸轮机构已得到广泛应用口j 。 弧面分度凸轮机构的原型，早在文艺复兴时期就己出现，其结构与目前的 弧面分度凸轮机构及其类似，只小过是一个定比传动机构。在本世纪2 0 年代， 美国工程师c n n e k l u f i n 发明了弧面分度凸轮机构，当时n e k l u f i n 称此机构为 滚子齿式( r o l l e rg e a rd r i v e ) ，1 9 9 8 年，我国将其正式命名为弧面分度凸轮机构 ( g l o b o i d a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s m ) 。5 0 年代该机构由菲固索公司( f e r g u s o n m a c h i n ec o ) 首先进行了标准化系列生产i j 此后，英国、德国、原苏联和日 本等国也相继进行了研制，我国从七十年代未对该机构也丌始了研制工作。弧 面分度凸轮机构从5 0 年代升始投产以来，经过1 i 断改进，己成为凸轮分度机 构的主流产品，是目前性能最好的一种分度凸轮机构。 平行分度f | _ l | 轮机构是美国商业凸轮制造公司( c o m m e r c i a lc a m & m a c h i n e c o ，简称为c a m c 0 1 的专利1 4 j ，并且由该公司和菲固索公司联合制造，6 0 年 代初引入f 1 本、德国等。此后半行分度凸轮在日本得到迅速的发展，目前在一 些国家，诸如美国、日本等技术发达国家对分度凸轮的牛产已实现标准化、系 列化，且其产品性能代表着世界先进水平。该机构是现有三种分度凸轮机构中 山现得最晚的种，白八十年代以来，由于在替换槽轮机构和实现小分度数方 面的特殊优势，该机构也获得了较大的发展。 凸轮分度机构的出现适应了高速和高分度精度的要求，突破了制约自动化 机械发展的瓶颈。近= 【年来，凸轮分度机构得到了迅速的发展，对凸轮分度 机械发展的瓶颈。近二十年柬，凸轮分度机构得到了迅速的发展，对凸轮分度 第一章绪论 机构的研究有运动学、几何特性分析向动力学方向深化，在结构设计和机构创 新方面也十分活跃。目前，人们对间歇机构研究的焦点集中于凸轮型间歇机构 上，对间歇机构创新的探讨也主要以此为基础展开。 1 3 国内外研究文献综述 有关凸轮分度机构创新的文献分为两大类，一类是新型机构，即采用全新 的结构设计，提出了现有分度机构以外的新机型，另一类是结构改进，即在现 有的分度凸轮机构的基础上进行的结构调整和改造。从专利申请的角度来说， 前一类创新性突出，属于“发明专利”，后一类在创造性上迈出的步子不大， 属于“实用新型专利”。 下面，按照发明和实用新型这两个层次综述凸轮分度机构的创新。 各种分度凸轮机构均由主动件、从动件和机架组成，主、从动件都作整周 回转。国内外学者提出的各种新型分度凸轮机构，其创新思路主要是通过改变 主、从动件旋转轴的空间相对位置，然后根据从动件轮廓、运动规律、分度数、 中心距等机构参数，导出凸轮轮廓曲线或曲面。 g o n z a l e z p a l a c i o s 和j a n g e l e s l 5 1 于1 9 9 0 年提出了输入、输出轴相交成任意 角度的球面分度凸轮机构，但只分析了输入、输出构件直接接触的情况。在文 献 6 中，他们进一步推导了含滚子的球面分度凸轮机构凸轮轮廓的曲面方程， 初步分析了输入、输出轴夹角对机构压力角的影响，给出了几个摆动凸轮机构 的设计实例和一个球面空间分度凸轮机构的原型机。此后，王其超等注意到文 献 5 ，6 的工作，对球面分度凸轮机构的啮合特性作了系统研究，指出当机构 中圆锥滚子的锥角过球心时，该机构具有接触线为直线、接触线上各点压力角 相同、凸轮与滚子之间无相对滑动等优点。目前对球面分度凸轮机构的理论分 析工作已取得一些成果，但是该机构采用球面凸轮，结构复杂，加工制造难度 很大，制造成本较高，与实际应用还有相当一段距离。 g o n z a l e z p a l a c i o s 和j a n g e l e s l 7 1 还提出了输入、输出轴固定在空间任意位 置情况下，分度凸轮机构综合的普遍方法，给出了多个平面、空间、球面分度 凸轮机构的设计实例，扩展了设计的思路。在文献 7 中，作者推导了输入、输 出构件直接接触的情况，在g o n z a l e z p a l a c i o s 的博士论文中，作者推导了机构 中含有滚子的情况，进一步完善了这项工作。对于输入、输出轴固定在空间任 意位置的分度凸轮机构，g o n z a l e z p a l a c i o s 的博士论文已给出了统一的设计方 4 第一章绪论 法和表达方式，现有各种定轴传动的分度凸轮机构都可以看成其中的一个特 例。 现有的平行分度凸轮机构，无论是外接式、内接式、还是直线式结构，作 为主动件的凸轮都是外廓凸轮，日本学者n i s h i o k a 和n i s h i m u r a n 提出了一个 平行分度凸轮机构的通用参数化设计公式，据此给出了采用内凸轮的内接式平 行分度凸轮机构，作为平行分度凸轮机构的第四种结构形式，浚机构的特点是 体积较小，分度角较大，但是该机构设计时受到较严格的几何约束，参数设计 自由度较小，该机构也可以从g o n z a l e z - p a l a c i o s i7 j 统一表达方式中演绎出来。 上述两种新型分度凸轮机构的输入、输出构件旋转轴在空间的相对位置是 固定的，张策等【9 1 从摆线针齿传动的原理得到启发，在国内外首次提出了行星 分度凸轮机构这一创新设计构想，与上述几种设计不同的是，该机构中从动件 的回转轴线绕主动件的回转轴线旋转。 随着分度凸轮机构产品逐步投入工业应用，人们对该类机构的各种结构进 行了深入的研究，力图从结构上最大限度地发挥该类机构的使用效能。 在平行分度凸轮机构的研究中，主要对小分度数( 一分度、二分度) 的平 行分度凸轮机构进行了研制。在圆柱分度凸轮机构的研究中，肘大分度数机构 的研制已成功，为消除该机构中啮合间隙的不利影响，圆柱滚子已逐步被圆锥 滚子所代替。弧面分度凸轮机构是现有三大类分度凸轮机构中综合性能最好的 一种，近年来，对弧面分度凸轮啮合原理的探讨和局部结构的改进和创新十分 活跃。 在啮合原理方面，通过选择不同形状的滚子和凸轮曲面，或通过滚子和凸 轮曲面的修形获得新型点啮合传动的弧面分度凸轮机构，成为一个重要的研究 方向【1 0 】。颜鸿森等i 1 1 】从几何学的角度对采用圆柱滚子的弧面分度凸轮机构进行 了深入的探讨，分析了凸轮廓面的不根切条件和轮廓曲面的奇点，并将此理论 分析应用于加工生产过程。t m t s a y 等1 1 2 1 也对弧面分度凸轮机构的几何设计问 题进行了研究。此后，w h w a n g 1 3 】等推导了采用圆柱面、圆锥面和旋转双曲 面等不同形状滚子的凸轮廓面的几何设计方法，分析了不同形状的滚子对避免 边缘接触和减小运动误差的影响，指出采用修正旋转双曲面的滚子将取得最佳 效果，并且能够最大限度地减小制造和装配误差的不利影响。 一些学者和工程技术人员将凸轮间歇机构与不完全齿轮、不完全蜗轮等机 构进行并联组合，实现了较为复杂的工作循环。这类以分度凸轮机构为主体的 组合机构的特点是设计灵活性较大，可以在不改变凸轮体的情况下，改变分度 第一章绪论 数的大小，这方面的文献有 1 4 、【1 5 和【16 】。 此外，一些机构学工作者提出了许多灵活多样的变异设计，为间歇机构的 创新提供了更为广阔的思路。文献 1 7 】提出了一种齿轮连杆机构驱动槽轮的间 歇机构，这种机构消除了传统槽轮机构运动起点和终点的刚性冲击和柔性冲 击，扩大了动静比的选择范围。文献【1 8 给出了一种双凸轮连杆机构，该机构 是由两个在同一轴上的凸轮和一个五连杆机构组成的一种组合机构，通过对相 互关联的凸轮和连杆机构的设计，能精确实现执行构件要求的比较复杂的间歇 运动。这种组合机构集中了凸轮机构与连杆机构的优点，使从动件即可以做整 周运动，又能满足复杂的运动规律。并以织席机打纬机构为例，用解析设计法 建立了这类机构的凸轮理论廓线。文献 1 9 用改变瞬心线的形状与齿轮节圆部 分重合的方法，设计间歇机构所需的凸轮轮廓。把瞬心线修正为圆弧，具有清 楚易懂的特点，从而简化了该类机构的设计与分析。文献【2 0 研究了具有长时 间近似停歇的齿轮一导杆机构，揭示出这种机构的可行类型，找出提高其精度 的方法，指明停歇角和周转轮系的转化机构传动比的实用范围，以利于在实际 中应用。文献【2 1 】从间歇区速度分析着手进行回归式双齿轮导杆间歇机构综合。 此文中研究的齿轮连杆组合机构，能实现短暂的停歇运动，其动静比较大而且 运动可调性能良好，适应能力强。更重要的是它还具有连杆、齿轮机构制造简 便，运动精度高等优点。以上几种机构的共同特点是：用多个或多种基本机构 组成的组合机构，来满足生产发展所提出的多种新的更高的要求，而单个基本 机构所固有的局限性却无法满足这些要求。 机构的组合是发展新机构的重要途径之一。目前组合机构已在各种自动机 械或自动生产线上得到广泛应用。人们尝试将各种基本机构进行适当的组合， 使其既能发挥特长，又能避免本身固有的局限性，从而形成结构简单、设计方 便、性能优良的机构系统，以满足生产中所提出的多种要求和提高生产的自动 化程度。由于组合机构的结构较复杂，设计计算亦繁复，曾增加对它研究的困 难。近年来，运用电子计算机和采用最优化方法，极大地推进了它的研究进展。 因此，今后一定会有更多更新的组合机构出现，适应f 趋现代化的生产需求。 1 4 本文研究的主要内容 根据组台原理的思想，在功能技术矩阵的基础上，提出了几种新型的间 歇机构，并对一种较为理想的机构进行了深入的研究。本文的主要研究内容如 6 第一章绪论 h 1 、介绍了机构型综合的基本概念，详细讲述了功能一技术矩阵的基本原 理，将其应用于间歇机构的设计中。随后通过可行性分析剔除了不合理的机构， 对几种在理论上可以实现的间歇机构进行了计算机动画仿真。 2 、本文对一种较为理想的机构进行了深入研究。首先介绍了该机构主要 参数的定义，并根据反转法原理推导了凸轮廓线方程。对影响廓线顶切和压力 角的主要参数进行分析和比较。 3 、 阐述了机构的受力分析和平衡两个问题。以传力的主要构件滚子为受 力分析的重点，分别进行了强度和刚度的计算。然后对凸轮的静平衡、机构的 静平衡及动平衡进行了分析。 第二章间歇机构型综合研究 2 1 引言 第二章间歇机构型综合研究 把机械的整个工艺过程所需的动作或功能分解成一系列基本动作或功 能，并确定了完成这些动作或功能所需的执行机构数目和各执行机构的运动 规律后，即可根据各基本动作或功能的要求，选择或创造合适的机构形式来 实现这些动作。这一工作称为执行机构的型式设计，又称为机构的型综合f 2 “。 机构的结构类型综合是发明新机构或对机构重大改进设计过程中极为重 要的一环。长期以来，该课题受到关注，特别是6 0 年代初，图论引入机构学 理论研究，使结构类型综合理论与方法取得了极大进展。相应于机构结构单 元类型划分方式不同，结构类型综合分为三大类：相应于构件、运动副结构 单元的结构类型综合方法有拓扑胚图插点法 2 3 - 2 6 l ；相应于回路结构单元的结 构类型综合方法有对偶图法【27 1 ；相应于单开链结构单元的结构类型综合的单 开链叠加法1 2 。 本章基于功能一技术矩阵i l l 的基本原理，研究了几种可能的间歇机构形 式，并对其进行了可行性分析和动画仿真。 2 2 间歇机构型综合 2 2 1 基本概念 任何一个复杂的执行机构都可以认为是由一些基本机构( 如四杆机构、 凸轮机构、齿轮机构、五杆机构、差动轮系等) 所组成这些基本机构具有 进行运动变换和传递动力的基本功能。 在根据生产工艺和使用要求进行执行机构型式设计时，首先认真研究它 需实现的总体功能。一般情况下，总体功能往往可以分解成若干分功能。这 样的分解可用下述形式来表达： u = ( u ，)j - 1 , 2 ，m( 2 1 ) 即总体功能u 是由若干个分功能u 组成的。而每一个分功能又可以用不同的 机构来实现，即 第二章间歇机构型综合研究 ， 弓= 1 ，f 2 ，r 。) _ ，= 1 , 2 ，胛( 2 2 ) 式中，一为能够完成该分功能的机构的集合；f 。为对应于一个能完成分功能u ， 的机构；”为能实现该分功能的机构数目。若用u ，定义行，l 定义列，。为元 素构成矩阵，则可得如下所示的功能一技术矩阵： f u 一7 1 1 f t 1 月 ： t u f m ： ： f 刚 + f m ” ( 2 3 ) 由于能够实现各分功能的机构数目并不相等，因此，通常将能实现某一分功能 的最多机构数定为h ，少于”的分功能的元素项f 。用零表示。 由于总体功能是由若干个分功能组成的，因此，只要在矩阵的每一行任 找个元素，把各行中找出的机构组合起来，就组成一个能实现总体功能的 方案。根据这一原则，在确定了各分功能的前提下，可得到的方案总数为： n = 行” ( 2 - 4 ) 当然，由于有些机构具有多种分功能，因此可能会出现重复方案；由于 矩阵中有些元素为零，因此有些方案不可能成为有效方案，所以个方案并 不是都能成立。从功能一技术矩阵中得出许多组合方案后，先从中剔除一些 不符合要求的方案，即可筛选出一些较合理的方案，以供进一步评价。 2 2 2 多种可能的间歇机构形式 本文按照执行机构的动作分解与组合原理进行机构选型，建立了功能一 技术矩阵，进而可以组合成能实现总体功能的执行机构。 间歇机构的总体功能是输入构件连续转动时，输出构件做周期性有停歇 间隔的运动。按照这些要求，该执行机构应具有以下两个基本功能： ( 1 ) 运动( 位移或速度) 缩小 ( 2 ) 运动停歇 以上两个分功能可以分别由多种不同的机构来实现，本文所选择的机构 是结构简单的常用机构，而忽略了一些或结构复杂、或运动精度不当和动力 性能欠佳的机构。针对第个基本功能本文所选用的机构是：齿轮机构、连 第二章间歇机构型综合研究 杆机构和凸轮机构；针对第二个基本功能本文所选用的机构是：不完全齿轮 机构、特殊的连杆机构和凸轮机构。根据以上分析，可参照式( 2 3 ) 写出完成 间歇机构总体功能的功能一技术矩阵，如下式所示： c 斗t 2 1 1 ：21 3 j 3 ， 式中t l 】一齿轮机构 t ，。一连杆机构 t ，一凸轮机构 t ，、一不完全齿轮机构 f 。特殊的连杆机构 ，一凸轮机构 只要在式( 2 5 ) 所示的功能一技术矩阵的两个分功能中各任选一个机构，就 可以组合成一个能实现总体功能的执行机构方案，在确定了个分功能顺序的前 提下，可得到n = 3 2 = 9 个方案。 一部复杂的机械，通常由多个执行机构组合而成。当选定各个执行机构的 形式后，还必须使这些机构以一定的次序协调动作，使其统一于一个整体，互 相配合，以完成预期的工作要求，如果各个机构动作不协调，就会破坏机械的 整个工作过程，达不到工作要求。在这众多的方案中，先剔除重复的或不合适 的方案，然后根据间歇机构的具体情况，选择合适的方案。 2 2 3 可行性分析 间歇运动机构的选型和设计，应根据工艺要求，机械结构的组成和机构本 身的运动特性进行。一般应考虑工艺操作时间和辅助操作时间的比例、运动和 停歇精度，以及动力性能等因素，可归纳为：停歇的准确可靠性；运动的平稳 性；可调节性；结构尽可能简单及良好的工艺性等。 针对式f 2 5 ) 所示的完成运动间歇的三个机构，因为不完全齿轮是由普通渐 开线齿轮机构演变而成的一种间歇运动机构，其主动轮只有一个或几个齿，从 动轮为具有相应齿数和锁止弧的特殊形状齿轮，因而其加工较复杂。主动轮首 齿进入啮合和末齿脱离啮合时，从动轮的角速度发生突变，因此从动轮在分度 的起始和终止瞬间出现刚性冲击，不宜用于高速传动。而为了实现间歇运动的 特殊连杆机构一般为六杆或八杆机构，其设计过程较复杂，该类机构常常不能 第二章间歇机构型综合研究 精确实现给定的运动规律和轨迹，运动过程中还存在死点问题。因此，本文只 选用凸轮机构来完成第二个基本功能，在技术一功能矩阵所得到的9 个方案 中，本文主要讨论的是凸轮一连杆组合机构和凸轮一齿轮组合机构。 2 3 计算机动画仿真 本文主要针对凸轮一连杆组合机构和凸轮一齿轮组合机构进行分析，提 出了多种结构形式。在研究该类机构的过程中，对各种结构的凸轮廓线进行 推导，其中某些机构的廓线不封闭或形状不规则，这类在理论上无法实现的 机构在这里不再赘述。本节只介绍了几种可以实现的间歇机构，并用m a u a b 语言编写程序实现了凸轮机构传动过程的计算机仿真演示。 2 3 1 凸轮一连杆组合机构运动仿真 凸轮一连杆组合机构多是由自由度为2 的连杆机构( 作为基础机构) 和自由 度为1 的凸轮机构( 作为附加机构) 组合而成。将凸轮机构和连杆机构适当加以 组合而形成的该机构，既发挥了两种基本机构的特长，又克服了它们各自的 局限性。我们知道，单一的连杆机构很难准确地实现任意复杂的预定运动规 律，单一的凸轮机构也不能使从动件作整周回转，而采用上述组合机构，既 实现了从动件的整周回转，又准确地实现了工作要求的复杂运动规律。因此 在工程实际中得到广泛应用。本文主要提出了三种凸轮一连杆组合机构如下 所示。 图2 - 1 凸轮一连杆机构结构简图 第二章间歇机构型综合研究 第一种凸轮一连杆机构的结构简图如图2 1 所示。图中，1 为凸轮；2 为 滚子；3 为连杆；4 为曲柄：5 为机架：6 为导杆。 在该机构中，凸轮作为主动件，绕d 等速回转；曲柄为输出构件，绕0 作分度运动。当凸轮廓线的曲线部分与滚子接触时，推动滚子沿导杆运动， 在此作用下连杆推动曲柄以给定的运动规律绕0 运动；当凸轮的圆弧部分与 滚子接触时，曲柄停止运动，进入停歇期。如此循环，曲柄完成特定的分度 运动。当连杆和曲柄共线时，机构处于死点位置【2 9 1 。为了使机构能够顺利地 通过死点而正常运转，本文采用三组机构组合并且将输出件固连，而使各机 构的死点相互错开排列的方法。 a 分度期开始 c 分度期跨越点 b 分度期加速段 d 分度期减速段 第二章间歇机构型综合研究 e 分度期终止，停歇期开始f 停歇期 图2 2 机构运动仿真 该凸轮一连杆机构传动过程的计算机仿真演示如图2 - 2 所示，机构设计 参数见表2 1 。图2 - 2 为一个间歇运动周期，其中，图2 - 2 a , - - d 为分度期，凸轮 作等速运动，曲柄以给定的运动规律输出；其中图c 和d 均有一组机构处于 死点位置，但是其它两组机构可以传递动力来保证机构的正常运转；图2 - 2 e n f 为停歇期，凸轮作等速运动，曲柄静止，整个机构依靠凸轮廓线上的圆弧部 分锁止、定位。 表2 - 1 设计参数 第二种凸轮一连杆机构的结构简图如图2 3 所示。图中，1 为凸轮；2 为 滚子；3 为推杆：4 为平底；5 为偏心圆盘；6 为机架。 在该机构中，凸轮作为主动件，绕0 等速回转；偏心圆盘为输出构件， 绕0 作分度运动。当凸轮廓线的曲线部分与滚子接触时，推动滚子沿推杆运 动，在此作用下偏心圆盘以给定的运动规律绕d 运动；当凸轮的圆弧部分与 滚子接触时，圆盘停止运动，进入停歇期。如此循环，曲柄完成特定的分度 运动。这种机构的优点是凸轮对推杆的作用力比较平稳，而且，圆盘与平底 的接触面问容易形成油膜，润滑较好，所以可用于高速传动中。该机构也存 在动力小而不能时输出件正常运转的问题，可参照上个机构采用几组机构组 合并且将输出件固连。 第二章间歇机构型综合研究 图2 - 3 凸轮一连杆机构结构简图 a 分度期开始 c 分度期跨越点 4 b 分度期加速段 d 分度期减速段 第二章间歇机构型综合研究 e 分度期终止，停歇期开始f 停歇期 图2 4 机构运动仿真 该凸轮一连杆机构传动过程的计算机仿真演示如图2 - 4 所示，机构设计 参数见表2 2 。图2 4 为一个间歇运动周期，其中，图2 4 a d 为分度期，凸轮 作等速运动，偏心圆盘以给定的运动规律输出；图2 4 e f 为停歇期，凸轮作 等速运动，偏心圆盘静止，整个机构依靠凸轮廓线上的圆弧部分锁止、定位。 表2 - 2 设计参数 第三种凸轮一连杆机构的结构简图如图2 5 所示。图中，1 为凸轮；2 为 曲柄；3 为连杆：4 为机架。 2 图2 5 凸轮一连杆机构结构简图 爿瀵 第二章间歇机构型综合研究 在该机构中，凸轮作为主动件，绕d l 等速回转；曲柄为输出构件，绕d 2 作分度运动。0 ，a b a 为平行四边形，当凸轮廓线的曲线部分与连杆接触时， 推动连杆运动，在此作用下曲柄以给定的运动规律绕0 ，运动；当凸轮的圆弧 部分与连杆接触时，曲柄停止运动，进入停歇期。该机构也可用前两种机构 的方法，用两组以上的组合来避免机构动力不足。 2 3 2 凸轮一齿轮组合机构运动仿真 凸轮一齿轮组合机构多是由自由度为2 的差动轮系和自由度为1 的凸轮机 构组合而成。其中，差动轮系为基础机构，凸轮机构为附加机构，即用凸轮机 构将差动轮系的两个自由度约束掉一个，从而形成自由度为l 的机构系统。凸 轮一齿轮组合机构多用来使从动件产生多种复杂运动规律的转动。例如，在输 入轴等速转动的情况下，可使输出轴按一定的规律作周期性的增速、减速、反 转和步进运动：也可使从动件实现具有任意停歇时间的间歇运动；还可以实现 机械传动校正装置中所要求的特殊的补偿运动等。本文主要提出了三种凸轮一 齿轮组合机构如下所示。 2 5 图2 _ 6 凸轮一齿轮机构结构简陶 第一种凸轮一齿轮机构的结构口o 简图如图2 - 6 所示。图中，系杆日即构 件3 为主动件，固定凸轮5 通过滚子4 控制行星齿轮2 绕系杆日上的轴心。1 作附加转动，使从动中心齿轮1 的运动是两个运动迭加而成，并实现步进运 动。由于可适当地选择周转轮系的机构参数和相应的凸轮廓线，可获得较一 般的间歇运动机构更为理想的动力性能。 第二章间歇机构型综合研究 若要求从动中心齿轮在一个循环周期内的转角r 与主动系杆的转角p 。的 关系如图2 - 7 所示，周期角竹= 卢。+ 晟= 吼+ ，t p 。为停歇角，钆为运动角， 步进角为“。对应的循环周期数k = 3 6 0 ( 8 1 + 履) ，应为整数。 在一个循环周期内，系杆转崩+ 展，行星齿轮2 仍返回起始位置，故行 星齿轮相对系杆的相对转角仍。= 0 ，从动中心齿轮的步进角 c j = 9 t = p i + p 2 。 盯 j f d 、 i i 届+ 岛 一 _ 妒s 致 r 且、ir b ，、 图2 7 从动中心齿轮的运动规律 该凸轮一齿轮机构传动过程的计算机仿真演示如图2 8 所示，机构参数 为中心齿轮半径r ，= 2 0 m m ，行星齿轮半径r 2 = 8 0 r a m ，滚子分度圆半径 r = 4 8 m m ，运动角吼= 6 0 。，停歇角织= 1 2 0 。，行星齿轮相对系杆的初始角 = 4 5 。，滚子半径名= 5 m m ，从动件运动规律修正等速( m c v ) 。 a 分度期开始 b 分度期加速段 第二章间歇机构型综合研究 c 分度期跨越点 e 分度期终止，停歇期开始 d 分度期减速段 f 停歇期 g 停歇期终止，第二周期开始h 第二周期结束，系杆旋转一周 图2 - 8 机构运动仿真 18 第二章间歇机构型综合研究 图2 8 为一个间歇运动周期，由于中心齿轮绕固定轴心旋转在图中不明显， 所以画出一条半径来表示其旋转的角度。其中，图2 - 8 a - d 为分度期，系杆作 等速运动，从动中心齿轮以给定的运动规律输出；图2 - 8 e - f 为停歇期，系杆作 等速运动，中心齿轮静止，整个机构依靠凸轮廓线上的圆弧部分锁止、定位。 图2 - 8 9 为第二周期开始的位置，与前一个间歇运动周期的开始位置相比，系 杆转过了一个周期角p 。两个间歇运动周期后，系杆自转一周，回到图2 _ 8 a 的位置。 图2 - 9 从动中心齿轮的运动规律 由图2 - 8 可看出，虽然输入、输出机构同轴，输出的速度较高，但是由于 行星轮的尺寸偏大，给传动带来了困难。可以通过改变输入和输出转角之间的 关系，来解决这类问题。若要求从动中心齿轮在一个循环周期内的转角r 与主 动系杆的转角妒。的关系3 1 如图2 - 9 所示，要求主动系杆日转两周为一个工作 循环，此时从动中心齿轮按停一等速转动一停一等速转动规律转过一周。 剀2 - 1 0 凸轮理轮廓线 9 第二章间歇机构型综合研究 机构参数为中心齿轮半径r ，= 4 0 m m ，行星齿轮半径r ，= 2 0 m m ，滚子分 度圆半径r = 1 2 m m ，运动角妒。，= 1 8 0 。，停歇角妒，= 1 8 0 。，行星齿轮相对系杆的 初始角= 4 5 。，从动中心齿轮的步进角b = 1 8 0 0 ，从动件运动规律为等速 ( c v ) 。凸轮理轮廓线如图2 1 0 所示。由此可知，可以根据不同的工况要求， 选取不同的输入和输出关系，得到较为理想的机构。 第二种凸轮一齿轮机构的结构简图如图2 - 1 1 所示。图中，凸轮即构件2 为主动件，凸轮通过滚子6 控制行星齿轮5 绕系杆h 上的轴心0 2 作附加转动， 由于固定齿圈1 与行星轮5 之问的啮合，使构件5 兼有白转和公转。从而使从 动中心齿轮4 的运动是两个运动迭加而成，并实现步进运动。可适当地选择周 转轮系的机构参数和相应的凸轮廓线，获得较一般的间歇运动机构更为理想的 动力性能。 图2 11 凸轮一齿轮机构结构简图 该凸轮一齿轮机构传动过程的计算机仿真演示如图2 1 2 所示，机构设计 参数见表2 3 。图2 一】2 为一个间歇运动周期，由于中心齿轮绕固定轴心旋转 在图中不明显，所以画出一条半径来表示其旋转的角度。其中，图2 1 2 a d 为分度期，凸轮作等速运动，从动中心齿轮以给定的运动规律输出；图2 1 2 e f 为停歇期，凸轮作等速运动，中心齿轮静止，整个机构依靠凸轮廓线上的圆 弧部分锁止、定位。由图中可看出凸轮转一周，中心齿轮转3 以；如果想使 中心齿轮刚好转一周，只要使中心轮半径：行星轮半径：齿圈半径 = 4 2 ：1 ：( 2 + 4 2 ) 即可达到要求。 第二章间歇机构型综合研究 a 分度期开始 c 分度期跨越点 b 分度期加速段 d 分度划减速段 e 分度期终止，停歇期开始f 停歇期 图2 - 1 2 机构运动仿真 2 第二章间歇机构型综合研究 第三种凸轮齿轮机构的结构简图如图2 1 3 所示。图中，凸轮即构件2 为主动件，凸轮通过滚子4 控制行星齿轮5 绕系杆上的轴心0 作附加转动， 由于固定齿圈1 与行星轮5 之间的啮合，使构件5 兼有自转和公转。从而使 从动系杆日实现步进运动。可适当地选择周转轮系的机构参数和相应的凸轮 廓线，使系杆日按期望的运动规律输出。根据凸轮与行星轮公转方向的不同， 该凸轮机构可以有两种结构形式。在i 型结构中，凸轮与行星轮公转的方向 相同。在i i 型结构中，凸轮与行星轮公转的方向相反。以下将主要围绕i i 型 结构展开讨论，第三章对i 型结构进行了深入研究。 图2 - 1 3 凸轮一齿轮机构结构简图 该凸轮一齿轮机构传动过程的计算机仿真演示如图2 1 4 所示，机构的设 计参数见表2 - 4 。图2 1 4 为一个间歇运动周期，其中，图2 - 1 4 a d 为分度期， 凸轮作等速运动，从动系杆h 以给定的运动规律输出；图2 1 4 卜f 为停歇期， 凸轮作等速运动，行星轮静止，整个机构依靠凸轮廓线上的圆弧部分锁止、定 位。图2 - 1 4 9 为第二个间歇运动周期开始的位置，与第一个周期的开始位置相 比，从动件转过了一个分度角，n 个间歇运动周期后，系杆h 旋转一周，回到 第二章间歇机构型综合研究 图2 - 1 4 a 的位置。由整个过程可以看出，该机构比第一种凸轮一齿轮机构应用 的更为广泛，因为此机构无需特殊限制从动件的运动规律；与第二种凸轮一齿 轮机构相比其结构更简单、紧凑。 表2 4 设计参数 a 分度期开始 c 分度期跨越点 b 分度期加速段 d 分度期减速段 第二章间歇机构型综合研究 e 分度期终止，停歇期开始 g 第二周期开始 第四周期开始 f 停歇期 h 第三周期开始 j 第五周期开始 第二章间歇机构型综台研究 k 第六周期开始1 第六周期结束，系杆旋转一周 图2 1 4 机构运动仿真 2 4 本章小结 本章阐述了功能技术矩阵的基本原理，并将其运用于间歇机构的研究， 在此基础上提出了几种新型的机构，并通过动画仿真说明了机构的传动过程， 总结本章的研究内容得出以下几点结论： ( 1 ) 可以用功能一技术矩阵来研究、创新任何一种复杂的机构。 ( 2 ) 通过创造性构思产生多个待选方案后，要以科学的评价和决策优选出 最佳的设计方案。 (