第五章 常用步进传动机构

1、第五章 常用步进机构设计 1教学目标教学目标 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教学重点和难点教学重点和难点 常见步进机构的工作原理 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间歇机构，也称 为步进机构步进机构。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，我们这里主要学习常用 的：棘轮机构、槽轮机构和不完全齿轮机构。 5.1

2、 棘轮机构棘轮机构 1、棘轮的工作原理和类型、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 再蹬动脚踏板时，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，实际 上这就是一个棘轮机构。 但是这个机构究竟是怎么工作的呢？ 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。棘轮3固装在 传动轴上，棘轮的齿 可以制作在棘轮的外 缘、内缘或端面上， 而实际应用中以作在 外缘上居多。摇

3、杆1 空套在传动轴上。 图图5-1 棘轮机构 1 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，当摇杆往复摆动时， 棘轮便可以得到单向的间歇运动。 图图5-1 如图52所 示为一内接式棘 轮机构。 图图5-2 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53所示的可翻转的 棘爪。 棘轮机构 7 图图5-3 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

4、置 时，棘轮可 以得到顺时针方向的 单向间歇运动。 B 图图5-3 如图所示为一种棘 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 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。 180 棘轮机构 8 图图5-4 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， 则可以采用所谓双双 动式棘轮机构动式棘轮机构，如，如 图图55所示所示。此种 机构的棘爪可以制 成直的或钩头的。 图 55 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

5、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56所示的 结构图 56 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， 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。 图 56 如图57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。 棘轮机构 4 图 57 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

6、生滑动。 为增大摩擦力， 可将棘轮做成 槽轮形。 棘轮机构 5 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、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

7、、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5-8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。 棘轮机构 6 图 5-8 在确定棘爪回转轴 轴心的位置时，最 好使 点至棘轮 轮齿顶尖A点的连 线 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。 O O 3、棘爪回转轴位置的确定、棘爪回转轴位置的确定 图 5-9 4、棘轮轮齿工作齿面、棘轮轮齿工作齿面 偏斜角偏斜角 的确定的确定 棘轮齿与棘爪接

8、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 ，将其分解成 和 两个分力。其中径向分力 把棘轮推向棘轮 齿的根部。 n P t P r P r P 图 5-9 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 ，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： n PfF cos nr PfP 又 sin nr PP 所以可以得到： tantan f（ 为摩擦角） 即 ： 图 5-9 5.2 槽轮机构槽轮机构 1、槽轮工作原理和类型、槽轮工作原

9、理和类型 槽轮机构 1 如图所示为 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。 5-10 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的推动下开始转动。 5-10 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。 5-10 如图所示为槽 轮机构在电影放映

10、 机中的间歇抓片机 构。 图 4-11 槽轮机构 6 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。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、槽轮机构的运动系数 在一个运动循环中， 槽轮运动时间 与拨盘运 动时间 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

11、构，时间 和 分别对应 的拨盘转角为 和 ， 所以有： 2 t 1 t 2 t 1 t 1 2 2 1 5-10 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 22 21 所以得到： z z 2 2 5-10 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为均匀分布在 拨盘上的圆销数目，则运

12、动系数 应为： z zK Kt t 2 )2( 1 2 由于运动系数 应小于1，即 ，所以有：1 2 )2( z zK 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 =48。 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。 槽轮机构 2 槽轮机构 3 槽轮机构 4 槽轮机构 5 5.3 不完全齿轮机构不完全齿轮机构 不完全齿轮机构是由普通渐开线齿轮机

13、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 于盖机构中的主 动轮仅有一个或 几个齿，如图5 12所示。 图 512 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 512 图512a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 512 如图所示为不完全齿轮齿条机构， 当主动轮连续转动时，从动轮作时动时 停的往复移动。 不