槽輪機構創新設計及應用研究

程熊豪

摘 要：槽輪機構以其簡單的結構和可靠的工作效率被廣大自動機械產業人員爭先使用。從最初的直線槽輪機構到現在的曲線槽輪，乃至組合輪廓線槽輪機構，是一個深遠的發展進程。文章將講述直線與曲線槽輪機構的利弊，并提出結合了前二者優勢為一體的創新型組合輪廓線槽輪機構，為設計出具有高速度、高精度的槽輪機構。

關鍵詞：槽輪機構；曲線槽輪；組合輪廓線

中圖分類號：TH112 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）05-0011-01

直線槽輪機構是自動機械中使用較為廣泛的一種機構，因為該機構的結構較為簡單，且工作的可靠性也比較高。但是，在現代科技高速發展的今天，機械的運轉速度及定位精確度也在不斷提升，傳統的直線槽輪機構已經不能適應時代發展的要求，該機構的撥盤圓銷進入和退出槽輪瞬時，槽輪的急速為零，但角加速度不為零，存在柔性沖擊的固有缺陷也越來越突出。所以，針對直線槽輪機構進行改進，已經成為設計人員的一項首要任務。本文將提出一種槽輪機構的創新設計，即以曲線槽輪取代直線槽輪，以待解決這一問題。

1 曲線槽輪的提出及設計思想

早在1991年，R.G.Fenton就提出了可以消除柔性沖擊的曲線槽輪設計，該設計主要理念是用正弦曲線或高次多項式代替原先的直線槽輪輪廓線，以下是曲線槽輪機構的示意圖，如圖1所示。

曲線槽輪與直線槽輪的設計不同點是：曲線槽輪從動件運動規律入手，借助坐標回轉的辦法，求出輪廓線的坐標方程，從而達到消除柔性沖擊的目的。但是，必須認清的是曲線槽輪機構的設計是在槽輪從動件具有確切的運動狀態的假設前提下提出的，理論上該設計確實可以消除柔性沖擊，也可以改善動力性能，但在實踐中，該機構的設計也同時存在設計誤區和固有缺陷。假如槽輪從動件并沒有按照預定的運動規律執行操作，將不能在實際工程中正式實施。為此，下文就該機構的設計誤區和固有缺陷問題展開分析。

2 曲線槽輪機構的設計誤區及缺陷分析

設計誤區①：曲線槽輪設計者片面認為曲線槽輪在運動過程中其自由度是恒定不變的，值固定是1，忽略了自由度的瞬時變化，對機構運動的不確切影響。在實際操作中，機構會產生相對瞬心和自由度瞬變，兩者對機構的運動皆可產生不同程度的影響，使得槽輪從動件不能按照設計者原定的運動規律執行運作。設計誤區②：壓力角過大，使得機構傳動性能較差。壓力角一般指的是接觸輪廓法線和從動件的速度方向之間所形成的銳角，其值一般在50 ？觷～70 ？觷之間，不可超過90 ？觷，才能確保機構可以在一定的傳動效率下正常工作。然而曲線槽輪機構設計中，當圓銷處在α=0的位置上時，接觸輪廓法線正好與槽輪從動件的速度方向相互垂直，壓力角達到了90 ？觷，故增加了接觸面的摩擦，使得機構容易卡死，甚至無法轉動。

綜上所述，均表明了曲線槽輪代替直線槽輪確實存在一些誤區和缺陷，為改善這一問題，本文提出了組合輪廓線槽輪機構，一個槽輪機構的創新設計，以待可以結合直線槽輪和曲線槽輪的各大優勢，設計出既能消除圓銷入口處的柔性沖擊，又能保證機構在加速度換向段擁有良好的運動和動力性能的槽輪機構。

3 組合輪廓線槽輪機構的創新設計思路及要點

組合輪廓線槽輪機構的設計是囊括了直線和曲線的優勢，將二者串聯在一起，提高槽輪從動件的運動性能，從而實現槽輪機構具備確切運動規律的目的。在設計過程中，有幾個設計要點值得重視。

3.1 槽輪運動參數問題

首先，在撥盤圓銷進入槽輪的那一瞬間，其速度和加速度應該為零；其次，速度和加速度的曲線在槽輪曲線與直線相交部分出應該保持連續和光滑。在確定以上邊界條件之后，才可以確定從動件的運動規律，進而可以求得槽輪機構的理論輪廓線。

3.2 避免運動過程中出現失真現象

出現運動失真，主要是因為圓銷中心沒有沿著理論輪廓線進行運動，故在設計中應確保圓銷中心在前半段與后半段的錢和時順著同一條理論輪廓線進行運動，所以實際的輪廓線應該是由不對稱的等距曲線組成的。在以上設計要點均滿足之后設計的組合輪廓線槽輪機構的幾何模型如圖2所示。

4 組合輪廓線的應用研究

本文以某一膠印機的遞紙機構為例進行分析研究組合輪廓線的相關應用情況。該膠印機的遞紙機構原先采用的是五工位的直線槽輪機構，正如上文所說，該機構存在柔性沖擊，并且在紙張傳送和交接的時候該現象最為明顯，會產生很大的沖擊振動，所以嚴重影響著遞紙的精度和套印的精度，且在產品質量和生產效率上也受到限制。

在新型的槽輪設計中，將采用直線槽輪和曲線槽輪聯合設計的方法，就可以有效消除在圓銷進入和退出槽口時，遞紙牙在牙臺上取紙時的柔性沖擊，所以在完成紙張交接的過程時不會有精度上的影響。新型槽輪輪廓線的形狀圖如圖3所示。

5 結 語

直線槽輪機構的缺陷是在撥盤圓銷進入和退出槽輪瞬時，槽輪的急速為零，但角加速度不為零，存在柔性沖擊的固有缺陷，運用曲線槽輪代替直線槽輪可以有效消除該柔性沖擊，但在實踐中，該機構的設計也同時存在了設計誤區和固有缺陷，加速度轉換向段存在著設計瓶頸，故為有效融合前二者的優勢，本文提出了組合輪廓線的創新型設計思路，并通過膠印機的遞紙機構進行了應用分析，結果顯示新機構的設計使用不僅可以有效解決前二者遺留的問題，還能大大提升機構的穩定性能和精確度，在創新設計高速轉位分度機構提供了新的理論依據。

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