第6章 常用步进传动机构设计

第6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
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。

§6.1 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6-1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
复摆动时，棘轮便可以得到单向的间歇运动。

如图6－2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6
－3所示的可翻转的棘爪。

当棘爪处
在图示B 的位臵时，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 翻转到虚线位臵'B 时，棘轮可以得到顺时针方向的单向间歇运动。

如图6-4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6-2
图示位臵安放时，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6－5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6－6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，
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
6－
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、凸轮机构或电磁装臵等来实现。

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。

图 6－5
图 6－7
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6-8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、棘爪回转轴位臵的确定
在确定棘爪回转轴轴心'O 的位臵时，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α的确定
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的大小可如下得出：如图6-9所示，设棘轮齿对棘
爪得法向压力为n P ，将其分解成t P 和r P 两个分力。

其中径向分力r 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n P 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： αcos ⋅⋅>n r P f P
又 αsin n r P P =
所以可以得到： ϕαtan tan =>f （ϕ为摩擦角）
即 ： ϕα> ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
．
（6-11）
在无滑动的情况下，钢对钢的摩擦系数2.0≈f ，所以'3011 ≈ϕ
所以，通常我们取
20≈α。

§6.2 槽轮机构
1、槽轮工作原理和类型
图6-10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6-11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2t 与拨盘运动时间1t 之比称为运动系数，用τ来表示。

由于拨盘通常作等速运动，故运动系数τ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2t 和1t 分别对应的拨盘转角为12ϕ和π2，所以有：π
ϕτ1=。

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(22221-
=-
=
-=
πππϕπϕ 所以得到： z
z 22-=τ 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，则运动系数τ应为：
z
z K K t t 2)2(12-==τ 由于运动系数τ应小于1，即
12)2(<-z z K ，所以有：22-<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。

§6.3 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6－12a 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
停歇在预定位臵。

图b 为内啮合不完全齿轮机构。

图6－13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。

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图 6－12
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。