槽式轮机构设计方案

基于PredatorSFC系统的槽轮机构CAD/'CAM创新试验

---------------槽轮机构设计方案

1.槽轮机构简介

在图1中H勺外槽轮机构中，积极件拔盘以角速度wl匀速转动，当拔盘上的圆

销转到图1所示日勺A位置时，拨盘上锁止弧S1时起使边抵达中心连线0。位置，槽

轮开始转动。当圆销转到A1时，拔销退出轮槽，拔盘继续转动，槽轮却停止转动,

我们称此时H勺槽轮被锁住，槽轮上的）内凹锁止弧和拨盘上H勺外凸锁止弧啮合在一

起c这样，积极拨盘持续转动就转换成槽轮口勺间歇转动。为防止槽轮在起动和停

歇时发生刚性冲击，拔销开始进入和离开轮槽时，轮槽的中心线应和圆销中心A

日勺运动圆周相切，即拔销转到图1所示位置时，OiAlOzAo

菖止弧，

图1外槽轮机构

构成：带圆销的拨盘、带有径向槽的槽轮。拨盘和槽轮上均有锁止弧：槽轮上的凹圆弧、拨盘

上的凸圆弧，起锁定作用。

工作过程：拨盘持续回转，当两锁止弧接触时，槽轮静止；反之槽轮运动。

作用：将持续回转变换为间歇转动。

特点：构造简朴、制造轻易、工作可靠、机械效率高，能平稳地、间歇地进行转位。因槽轮运

动过程中角速度有变化，不适合高速运动场所。

2.槽轮机构长处

(1)构造简朴，工作可靠，效率较高；

(2)在进入和脱离啮合忙运动较平稳，能精确控制转动的角度；

(3)转位迅速，从动件能在较短的时间内转过较大日勺角度；

(4)槽轮转位时间与静止时间之比为定值。

3.槽轮机构缺陷

(1)槽轮的转角大小不能调整；

(2)槽轮转动的始、末位置加速度变化较大，从而产生冲击：

(3)在工作盘定位精度规定较高时，运用锁紧弧面往往满足不了规定，而需

另加定位装置。

(4)槽轮日勺制造与装配精度规定较高。由于这些原因，槽轮机构一般应用在

转速不高的装置中。

4.槽轮机构的工作原理

槽轮机构，又叫马尔他机构或口内瓦机构，由具有径向槽的槽轮1和具有拨

销2的拨杆3构成，其工作原理如图2所示。

图2槽轮机构工作原理简图

当拨杆转过一定的角度，拨动槽轮转过一种分度角，由图⑸所示日勺位置转

到图（b）所示日勺位置时，拨销退出轮槽，此后，拨杆空转，直至拨销进入槽轮的

下一种槽内，才又反熨上述的循环。这样，拨杆（积极件）的等速（或变速）持续（或

周期）运动，就转换为槽轮（从动件）时转时停时间歇运动。

槽轮机构常采用锁紧弧定位，即运用拨杆上的外凸圆弧一锁紧弧A与槽轮上

的内凹圆弧一定位弧BH勺接触锁住槽轮。图⑸所示为拨销开始进入轮槽时H勺位置

关系，这时外凸圆弧面的端点F点离开凹面中点，槽轮开始转动。图（b）所示为拨

销刚要离开轮槽时的位置关系，这时外凸圆弧面日勺另一端点E刚好转到内凹圆弧

面的中点，拨杆继续转动，E点越过凹面中点，槽轮被锁住。图(c)为拨销退出轮

槽后来的状况，这时，外凸圆弧面与内凹圆弧面亲密接触，槽轮被锁住而不能向

任何方向转动.由上述工作过程的规定，拨杆上日勺外凸圆弧缺口应对称于拨杆轴

线、

5.重要几何尺寸的设计公式

图3为槽轮机构重要尺寸关系图。图中0】为拔盘口心，02为槽轮中心，L为拨

销的轨迹半径;L为槽轮半径;L为中心距，h为槽轮槽深,rb为拨销半径，3为间

隙c

图3槽轮机构重要几何尺寸关系图

设拔盘轴R勺直径为d.为防止槽轮在起动和停歇时发生刚性冲击，圆销开始进入

和离开轮槽时，轮槽的中心线应和圆销中心H勺运动圆周相切，从而决定了槽轮机

构重要尺寸之间的关系，根据图4所示槽轮机构的设计计算公式如下:

(1)已知参数：槽轮槽数z,拨盘上圆销数目m,中心距c=oa,

拨盘上圆销半径RT,拨盘转速n

⑵槽轮运动角：20=2JI/z

⑶拨盘运动角：

(4)拨盘上圆销数目：m<2z/(z-2)

⑸圆销中心轨迹半径：R.=Csin(P)

(6)槽轮外径：R2=[(Csin(P))2+R\/

(7)槽轮深度：h=R+C+RT+6

(8)拨盘回转轴直径：&V2(C-RD

(9)槽轮轴直径：d2V2(C-R-Rr-6)

(10)拨盘上锁止弧所对中心角：Y二2(Ji/m-a)

(11)锁止弧半径：Ro=R-b-Rr

(12)槽轮每循环运动时间:tf=[(z-2)/z]30/m

(13)槽轮每循环停歇时间：td=[(2z-m(z-2))/(mz)]30/n.

(14)槽轮机构H勺动停比k：k=(m(z-2))/(2z-m(z-2))

(15)圆销中心轨迹半径Ri与中心距CH勺比入：入=R1/C=sin(刀/z)

(16)槽轮角位移：(P=arctg[ysin(6)/(1-ycos(9))-QW。&+

a

(17)槽轮角速度：以二(ACOS(0)-X)5/(1+入2-2入cos(。))

(18)槽轮角加速度:£2=(入(X2-l)sin(0)3"(1+X2-2XCOS(0)2)

(19)槽轮最大角速度所在位置：()二0°

一般5日勺取值范围为3-6mm,当槽轮槽数z较大时。

6.槽轮机构设计方案

6.1方案1规定槽轮机构的动停比k=l/3

设:槽轮槽数Z=4拨销中心距070拨销半径Rk2mm

销与槽底间隙6二3槽齿宽b=5

求解槽轮机构的尺寸参数:

(1)槽轮运动角：2P=2Ji/z=2Ji/4=Ji/2

⑵拨盘运动角：2Q=JI-2P=JI/2

(3)拨盘上圆销数目:m=l<2z/(z-2)=8/2=4

(4)圆销中心轨迹半径：RFCsin(6)=70XSIN(45)=49.5

222I/2

(5)槽轮外径：R2=[(Csin(B))+RT]^=[49.5+4]=49.54

(6)槽轮深度：h=Rt+R-C+RT+S=49.5+49.54-70+2+3=34

(7)拨盘回转轴直径：d,=12<2(C-R2)=2(70-49.54)=40.9

(8)槽轮轴直径；d2-12<2(C-R-Rr-3)-2(70-49.5-2-3)-31

(9)拨盘上锁止弧所对中心角：丫=2(Ji/m-a)=3刀/2

(10)锁止弧半径：Ro=R-b-RT=49.5-5-2=42.5

(11)槽轮机构日勺动停比k：k=(m(z-2))/(2z-m(z-2))=2/(8-2)=1/3

(12)圆销中心轨迹半径Ri与中心距C日勺比入：九二R/C=sin(”/z)=SIN(JI

/4)=0.707

6.2方案2规定槽轮机构的动停比k=l

设：槽轮槽数Z=4拨销m=2中心距C=70拨销半径R产2的

销与槽底间隙8=3槽齿宽b=5

求解槽轮机构的尺寸参数：

⑴槽轮运动角：2P=2JI/Z=2JI/4=JI/2

⑵拨盘运动角：2a=Ji-2P=Ji/2

(3)拨盘上圆销数目:m=2<2z/(z-2)=8/2=4

(4)圆销中心轨迹半径：R产Csin(P)=70XSIN(45)=49.5

222I/2

(5)槽轮外径：R2=[(Csin(P))+RT]"=[49.5+4]=49.54

(6)槽轮深度：h=R+R2-C+RT+6=49.5+49.54-70+2+3=34

(7)拨盘回转轴直径：d,=12<2(C-R2)=2(70-49.54)=40.9

(8)槽轮轴直径：d2=12<2(C-R-RT-6)=2(70-49.5-2-3)=31

(9)拨盘上锁止弧所对中心角：y=2(Ji/m-a)=Ji/2

(10)锁止弧半径：Ro=R-b-RT=49.5-5-2=42.5

(11)槽轮机构的动停比k：k=(m(z-2))/(2z-m(z-2))=4/(8-4)=l

(12)圆销中心轨迹半径艮与中心距C口勺比X：X=R/C=sin(JI/z)=SIN(JI

/4)=0.707

7.方案1槽轮三维模型

图5槽轮三维模型

7.1方案1槽轮设计图纸

(1)槽轮

图6槽轮部分

(2)拨盘

槽轮机构的拨盘部分起驱动作用。本机构的拨盘如图7所示，本构造分2层,

上层起驱动左右，下层起连接槽轮的作用。两层圈盘实为一体。

图7拨盘部分

(3)槽轮的装配

如图8所示，槽轮机构要装在一底板上并加以固定。图上销的作用为连接机

构却底板。

0QH8/f7

912制7

0j_HR/f7_

0*6____—一^-H7/h6

*乜H7州6

图8槽轮机构FI勺装配图

8.槽轮机构的配合和表面粗糙度

⑴参照刀尖圆角来设计工件圆角，未注倒角CO.2—0.8,未注圆角R0.2—0.8O

（2）表面粗糙度配合面和滑动面Ral2.5,可见加工痕迹，一般用于没有相对运动

的配合面。其他表面Ra25,为到达一般容许公差而切削后自然得到的表面，接

触状态规定稳定的面，常见用手接触的面。Ra6.3（微见加工痕迹）和Ra3.2

（不见加工痕迹）用于相对运动速度不高的接触面，要精车、精钱、精镇和精

铳。

(3)拨盘和槽轮孔与轴低速旋转，拨销与槽低速相对运动，用间隙配合H8/f7。

(4)没有相对运动H勺配合，因受力较小，用小H勺过盈配合H7/h6

⑸槽轮外轮廓与拨盘凹弧的配合是H9/e9,大日勺间隙配合。

(6)中心距公差是±0.02到土0.03o

9.槽轮机构的运动分析

9.1外槽轮机构角速度和角加速度的分析

假设槽轮机构在工作日勺某一状态时日勺工作简图如图2-1时(a)所示，其对应的

状态矢量见图9FI勺(b)所示，01为槽轮中心，02为拔盘中心，P为槽轮开始进入运

动时H勺圆销中心的位置，E为槽轮在运动中H勺任一位置，角速度和角加速度曲线

见图10所示。

图9槽轮机构工作简图以及矢量分析图

g元因次逑度

rvA-元因次加速皮

T一元因次时回

图10槽轮的角速度曲线图⑸和角加速度曲线图（b）

'（1）槽轮机构运动起来是做变加速运动，槽轮机构的最大角速度出目前。

=0位置。

r（2）在拨销进入与脱离轮槽日勺瞬间，槽轮速度为零，但加速度不为零，因

此产生柔性冲击。

■（3）槽轮机构U勺角速度和角加速度U勺变化取决于槽数Z。

（4）在选择槽数时，应当综合考虑多种原因。对于槽轮机构，槽数越少则工作

效率越高，首先，槽数越少常加速度变化越大，运动平稳性能差，槽轮机构的振

动、冲击和噪声将随之加大;另首先，伴随槽数日勺增长，槽轮的构造尺寸将加大,

从动端的惯性力矩也伴随加大。同步当槽数z不小于g时，槽轮机构口勺动停比K变

化趋于平稳，动力特性的改善也明显减弱，但伴随槽数增长将给机构的设计带来

H勺困难将越大。因此，在实际应用中，槽轮机构的I槽数多在4到8范围内。

10.槽轮机构创新

10.1槽轮机构的应用和研究现实状况

槽轮机构构造简朴、工作可靠、从动件日勺运动可以较精确地控制等长处，在

工业生产中广泛地应用于较少工位的间歇转位机构和步进机构中。但老式H勺槽轮

机构存在有如下两个缺陷：（1）动力特性差。槽轮在进入啮合和退出啮合瞬间，拨

销的向心加速度使槽轮角加速度发生突变，从而出现柔性冲击;在槽轮转动过程

中加速度变化口勺瞬间，由于间隙口勺存在，出现横越间隙口勺冲击;转动过程中最大

角加速度也较大。（2）分度数与动停比有确定日勺关系，动停比无选择余地。

由于槽轮机构日勺角速度曲线持续，因此，只要制造和装配精度可以保证，一

般来说，基本不存在刚性冲击。对槽轮机构的研究重要集中在机构的改善方面，

以槽轮机构为基本机构（除机架和原动件外还具有零个或一种杆组的机构称为基

本机构），在此基础上串联槽轮机构或其他基本机构以得到持续的角加速度曲线,

从而防止柔性冲击，改善机构的动力性能。数年来，提出了某些槽轮机构的改善

方案，如两级串联式槽轮机构、行星轮驱动U勺槽轮机构、完整齿轮和非完整齿轮

驱动R勺槽轮机构、椭圆齿轮驱动H勺槽轮机构、连杆机构驱动H勺槽轮机构等组合式

槽轮机构。其中行星轮驱动的槽轮机构构造简朴，对动力特性有相称H勺改善效果,

也扩大了动停比H勺选择范围，但对这种机构的运动学分析和参数分析尚有待深

入，该机构R勺潜力也未得到充足H勺发掘与认识。

为适应间歇运动高速化的规定，出现了多种分度凸轮机构。不过此类机构尚

有两个缺陷：（1）它们是高副机构，较易磨损；（2）制造技术复杂。

10.2创新机构

紧锁槽轮机构

槽轮机构日勺旋转曲柄上有一驱动滚子，当它进入一种槽时，输出轮就会迅速

地转位。如图11所示，锁止杆上R勺圆滚与槽相啮合以防止槽轮不转位的移动。

I，领鹏杆槽轮机构

图11紧锁槽轮机构

行星齿槽轮机构

当驱动齿轮用在锁止盘上的一种单齿驱动行星齿轮时，输出杆保持静止。锁

止盘是行星齿轮的一部分，它与环行齿槽轮相啮合，使输出杆转动一种位置，如

图12所示。

行建成1•轮机构

•出杆〃领止面

图12行星齿槽轮机构

双槽轮驱动

第一种槽轮的J从动部分是第二个槽轮的驱动部分。这样产生一种较宽输出转

动变化范围，这个输出转动包括两个迅速转位之间长时间内暂停。如图13所示。

双槽轮驱动-----------------------------------

璃轮

图13双槽轮驱动

凸槽凹轮槽轮机构

当槽轮被均速转动的圆滚驱动时，它常常有很高H勺加速和减速特性。在这里

U勺改善中，当被槽凸轮转动驱动时，包括驱动滚在内的输出杆可以沿径向移动。

于是，当驱动滚与槽轮啮合时，连杆将沿径向向内移动。这个动作减少了槽轮的

加速力。如图14所示。

-凸槽凹轮槽轮机构--------

图14凸槽凹轮槽轮机构

一锁紧滑道槽轮机构

一种销锁紧或松开槽轮,另一种销在槽轮未被锁紧时驱动槽轮。在图所示」勺

位置，驱动销将与沟槽相啮合，使槽轮进行转位。与此同步，锁止销恰好刚离开

沟槽。如图15所示。

图15一锁紧滑道槽轮机构

四杆槽机构

一种四连杆槽机构可以产生一种很长的暂停时间，输出一种摆动运动。驱动

轮的转动可以可以使得驱动滚在输出杆上往复H勺进出。在暂停期间，两盘出J表面

可以使输出保持在图示的位置上。如图16所示。

图16四杆槽机构

迅速转动槽轮机构

在一种四杆机构的连杆伸出部分.上H勺点连接的轨迹曲线中，有大体成90°的

两条直线。这为驱动销直接进入沟槽提供了条件，由于当驱动销进入沟槽很深时

槽轮都不会运动。然后，槽轮将产生一迅速转为。一种锁紧凸轮通过齿轮与输入

轴相连接，它能防止槽轮不转位时移动。如图17所示。

图17迅速转动槽轮机构

长时间暂停槽轮机构

这种槽轮机构上有一条链，链上有与原则槽轮相结合的伸出销。该机构在槽

轮每转动90°时都可以有一种较长H勺暂停时间。链轮间空间H勺大小决定了暂停时

间的长短。有些链节具有特殊的延长部分，可以在暂停时锁住槽轮。图18所示

图18长时间暂停槽轮机构

改善的槽轮机构

一•般槽轮机构日勺输入连杆以均速转动，这样就限制了设计的灵活性。也就是

说，当尺寸和状态数确定后，输入轴口勺转素决定了暂停时间的长度。图19中椭圆

形齿轮产生一种变化的曲柄转动，它可以延长或缩短暂停时间。

图19改善H勺槽轮机构

双轨槽轮机构

这种槽轮设计R勺关键是必须使输出滚子沿切线方向进入和脱离槽轮（由于曲

柄迅速『、J转位输出）。如图20所示，一种新的具有双轨道的转位机构已经成功地

研制出来了。圆滚进入一种凯道槽轮就转位90°,然后自动地沿滑出轨道脱离槽

轮，当非转位时，相联的连杆机构就会锁住槽轮〃在图20所示日勺位置上，锁紧滚

好将要脱离槽轮。

图20双轨槽轮机构

控制输出杆

在该简朴机构中欧I输出部分不会向任何方向转动，直到输入部分开始驱动

它,在工作过程中，驱动杆靠销上的轴承使输出盘转位。转位时由于输入盘上的

槽处在容许控制杆尖进入口勺，立置，控制杆在凸轮的作用下离开输出轮。不过，当

杆离开销子时，输入盘使迫使控制杆尖离开盘上的槽，而另一端进入输出盘上凹

槽°这样可以锁紧输出部分，使其在暂停时不向任何方向转动。图21所示。

控制输出杆

图21控制输出杆

渐进摆动驱动

一种与行星轮相连的曲柄使点印勺运动诡计为两个环形曲线，如图4T2所示。

开有滑槽的输出曲柄在竖直方向有暂短地摆动。图22所示。

图22渐进摆动驱动

平行导向机构

输入曲柄与两个行星轮相连接。太阳轮的中心是固定的。使三个齿轮半径相

似，轮2为惰轮，在驱动曲柄的转动过程中，固定在齿轮3上H勺任何部分将与它本

来的位置平行。图23所示

图23平行导向机构

正旋往复运动机构

该往复运动机构将旋转运动转化为往复移动，在往复用动中摆动部分与输入

轴处在同一种平面上。输出部分包括恋歌带者滚子的臂杆，口滚子与切去顶端的

球面相接触。球的转动产生了摆动输出。图24所示。

图24正旋往复运动机构

规则的槽轮驱动机构

通过设计驱动滚，使其相对输入轴不对称，暂停时间是可变化的。这样不会

影响运动期间的持续时间。假如想要不均匀的运动时间和暂停时间，圆滚的曲柄

长应当不相等，星形轮应当作合适的改善。该机构称为不规则於J槽轮驱动机构。

图25所示。

图25规则口勺槽轮驱动机构

歇运动机构

在这个间歇运动机构中，两个圆滚驱动输出轴，并在暂停时可以锁紧输出轴。

对于输入轴H勺每一转，输出轴都会有两个运动阶段。输出角＜1）由齿轮H勺数目决定。

转动角中在有限的范围内可以选择。齿轮a

被装在驱动b轮上的两个驱动滚间歇地驱动，轮b装在机架c上。在暂停时间内，

圆滚沿齿顶转动。在运动口勺时间内，一种圆滚口勺途径d是一条倾向输出轴的直线,

且与从动轮有关。凸轮由J轮廓和途径d平行。齿顶是半径为RfT、J圆弧，该弧与圆滚

H勺途径相似。图26所示。

，翔人

图26歇运动机构

筒锁装置的间歇传动机构

图27是带有一种圆筒锁装置日勺间歇传动机构。在暂停的末尾，带动销d和

两齿啮合前后的短时间内，内部H勺圆筒f不能使从动轮锁紧，因此添加了与筒f同

轴U勺辅助筒e。只有具有两者才能获得很好的锁紧性能。他们的长度是由从动轮

日勺节圆决定的I。图4-17所示。

图27筒锁装置的间歇传动机构

11.结论

（1）槽轮机构运动起来是做变加速运动，槽轮机构的最大角速度出目前。二00位

置,

（2）在拨销进入与脱离轮槽的瞬间，槽轮机构日勺速度为零，但角加速度不为