常用步进传动机构

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 5－5
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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5－6所示的 结构
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槽轮机构 2
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槽轮机构 3
槽轮机构 4
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槽轮机构 5
§5.3 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 于盖机构中的主 动轮仅有一个或 几个齿，如图5－ 12所示。
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但是这个机构究竟是怎么工作的呢？
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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。摇杆1 空套在传动轴上。
图 5－12
图 5－12
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。
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图5－12a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
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第五章 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
常见步进机构的工作原理
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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。
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§5.1 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。
图5-3
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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5-4 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 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。
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棘轮机构 8
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5－5所示。此种 机构的棘爪可以制 成直的或钩头的。
棘轮齿对棘爪的摩擦 力 Ff Pn，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：
P r fP nco s
图 5-9
又 Pr Pnsin
所以可以得到：tan ftan（ 为摩擦角）
即 ：
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§5.2 槽轮机构
1、槽轮工作原理和类型
如图所示为 一外槽轮机 构。
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图 5－ 6
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。
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图 5－ 6
图 5－7
如图5－7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。
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图5-1
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
图5-1
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。
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棘轮机构 1
如图5－2所 示为一内接式棘 轮机构。
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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。
周，从动轮每转一
周停歇6次。当从
图 5－12
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。
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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。
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不完全齿轮机构1
不完全齿轮机构 2
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图 5-8
棘轮机构 6
3、棘爪回转轴位置的确定
在确定棘爪回转轴 轴心的位置时，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。
图 5-9
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4、棘轮轮齿工作齿面
偏斜角 的确定 棘轮齿与棘爪接触
5 -1 0
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：
2 1 2 2 2 z (z z 2 )
所以得到： z 2
2z
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5 -1 0
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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5－3所示的可翻转的 棘爪。
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棘轮机构 7
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 位置 B' 时，棘轮可 以得到顺时针方向的 单向间歇运动。
槽数由最于少运等动于系3，数而必总须小大于于0零.5，，故即由槽上轮式的可转知动径时向间
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，则运动系数 应为：
t2 K(z2)
t1 K 2z
由于运动系数 应小于1，即 K(z2) 1，所以有：
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棘轮机构 4
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。
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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。
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5 -1 0
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。
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5 -1 0
如图所示为槽 轮机构在电影放映 机中的间歇抓片机 构。
图 4-11
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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。
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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。
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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。
槽轮机构 1
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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。
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5 -1 0
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。
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2、槽轮机构的运动系数
在一个运动循环中，
槽轮运动时间 t 2 与拨盘运
动时间 t1 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
构，时间 t 2 和 t1 分别对应 的拨盘转角为 21 和 2，
所以有：
1
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K 2z
2z
z 2
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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。
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59所示。
图 5-9
设棘轮齿对棘爪得法向压力为 Pn ，将其分解成 Pt
和 Pr 两个分力。其中径向分力 Pr 把棘轮推向棘轮 齿的根部。
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而当棘爪沿工作
齿面向齿根滑动时，