CN101245840A - 同轴式凸轮连杆高速分度机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴式凸轮连杆高速分度机构，包括箱体、输入轴和输出轴，输入轴和输出轴的轴线在一条直线上，输入轴上固联一连接杆，通过铰链串接一平行四边形铰链四杆机构，所述连接杆的两端与所述平行四边形铰链四杆机构的两个对边杆的中点处铰接；铰链四杆机构对应的四个铰接点处分别设置有滚子，平行四边形机构的两个连杆中点处铰接一连架杆，连架杆与输出轴固联；箱体上固定联接有内廓线共轭凸轮，每个滚子分别与共轭凸轮廓线接触。本发明分度机构可广泛应用于需要分度数范围大、结构紧凑、刚度大、承载力高、输入输出同轴同速、高速分度间歇运动的自动机械中，如印刷、包装、食品、陶瓷、制药及军事工业等各类机械。

Description

同轴式凸轮连杆高速分度机构

技术领域

本发明涉及一种分度机构，尤其涉及一种用于实现高速间歇运动的分度机构。

背景技术

目前常用的间歇机构类型有：凸轮分度机构、棘轮、槽轮以及不完全齿轮机构等。众所周知，棘轮、槽轮以及不完全齿轮机构由于分度精度低、冲击噪音大等缺点，只能应用在对运转速度及分度定位精度要求不高的场合。而凸轮型分度机构，由于具有高转速、高精度的特点，目前已广泛应用于各种印刷、纺织、医药食品包装、电子元器件组装及军工机械等自动机械中。

常用的分度凸轮机构有三种类型，包括弧面分度凸轮机构，圆柱分度凸轮机构和平行分度凸轮机构，如图1、图2和图3所示。其中，弧面凸轮分度机构由美国工程师C.N.Neklutin于20年代初研制发明(Roller Gear Drive，或Globoidal Indexing CamMechanism)，50年代由菲固索公司(Ferguson Machine Co.)首先进行了批量化生产；平行分度凸轮机构(Parallel Indexing Cam Mechanism)由美国商业凸轮制造公司(Commercial Cam &Machine Co.)研制，并且由该公司和菲固索公司联合制造，60年代初引入日本、德国等。此后平行分度凸轮在日本得到迅速的发展。目前该类产品在发达技术国家，已形成专业化、系列化生产；我国从70年代末开始引进该类产品，目前已在10余家企业形成中小批量生产。

上述三种分度机构各具特点，分别适用于不同的应用场合。如，平行分度凸轮机构易于实现小分度数传动，可实现分度数为1的间歇运动，这在印刷、包装机械领域的模切机中得到广泛应用，但该种结构形式难以实现大分度数传动；圆柱分度凸轮机构适合大分度数传动，如在各种电光源检测及灯具装配机械中，常采用20以上的分度数，但该种结构形式实现大分度数传动时，分度盘上布置的滚子数较多，系统惯量较大，故只能用于低速运转。在这三种类型中，弧面分度凸轮机构可实现的分度数范围适中，综合性能好，分度精度高，高速时可实现每分钟2000次分度。

目前随着自动机械向高速化、精密化方向展，对间歇机构的要求越来越高。对于某些应用场合要求间歇机构能够实现更大的分度次数和更高的转速要求。显然，现有分度凸轮机构已难以满足这种高速化、精密化的工况要求，需要研究开发可实现高速间歇运动的新型分度机构。

近年来针对高速分度机构的设计研究具有代表性的研究结果如下：

1990年，Gonzalez-Palacios和J.Angeles(参见Gonzalez-Palacios and Angeles.J，in：The Generation of Contact Surface of Indexing Cam Mechanisms-A UnifiedApproach，Proc ASME Design Automation Conference，Advances in Design Automation，Vol.2(1990)，p359。即：Gonzalez-Palacios and Angeles.J《一种分度凸轮机构接触表面生成的统一方法》美国机械工程师学会自动化设计分会，Vol.2(1990)，p.359中提出了一种输入与输出轴可构成任意角度的球面分度凸轮机构，该种形式概括了目前常用的三种分度凸轮机构，是这三种结构分度凸轮机构的一般形式，但凸轮加工难度较大，结构复杂，未得到实际应用。

1998年，Nishioka和Nishimura(参见M.Nishioka and Nishimura.Synthesis of theInternal Parallel Cam Mechanism.Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers，Part C：Journal of Mechanical Engineering Science，1998 Vol.212577-585即西岡和西村(日)，内凸轮机构的综合.机械工程师协会文集，机械工程科学学报，C部：1998 Vol.212577-585)；提出了一个平行分度凸轮机构的通用参数化设计公式，据此给出了采用内凸轮内接式的平行分度凸轮机构，作为主动件的凸轮是内凸轮。该机构的特点是体积较小、分度角较大，但该机构设计时受到较严格的几何约束，参数设计自由度较小，其实际应用受到一定局限。

1995年，张策等基于摆线针齿传动的原理，提出了一种可实现大分度数传动的行星分度凸轮机构(参见张策，杨玉虎等著《.平面行星分度凸轮机构》，机械科学与技术，1996，15(6)：871-873)；借鉴三环式齿轮减速机的传动方式，也有提出两种行星式分度凸轮机构的新结构。

此外，基于现有分度凸轮机构的结构形式，相关学者也开展了通过改变现有分度凸轮机构从动件的结构形状达到改善机构传动性能的创新研究。

W.H.Wang等提出了采用圆柱面、圆锥面和旋转双曲面等不同形状滚子进行分度凸轮廓面的设计方法(参见1W.H.Wang，C.H.Tseng and C.B.Tsay.Surface Contact Analysisfor a Spatial Cam Mechanism.Journal of Mechanical Design[J]，1997，Vol.119，169-177。即：王、陈及蔡.一种空间凸轮机构的曲面接触分析.机械之设计[J]，1997，Vol.119，169-177)，分析了不同形状的滚子对避免边缘接触和减小运动误差的影响，指出采用修正旋转双曲面的滚子将取得最佳效果，并且能够最大限度地减小制造和装配误差的不利影响。

也有基于包络蜗轮蜗杆传动原理，将弧面分度凸轮机构视为变速比的蜗轮蜗杆传动副，提出一种包络蜗杆式弧面分度凸轮机构的设计构想(参见陶学恒.包络蜗杆分度凸轮机构理论与技术的研究[大连理工大学博士论文]1997.3)。

另有，文献中提出了一种球面包络式分度凸轮机构，该种球面包络式是将现有弧面分度凸轮机构分度盘上的圆柱盘滚子设计为球形钢珠，以改善该类分度机构的啮合特性，(参见王其超，牟敦华《平面包络弧面分度凸轮机构轮廓方程与啮合特性的研究》机械设计，1998(5)：11-13)。

还有，文献中提出了一种采用双排滚子的弧面分度凸轮机构，该种机构结构设计新颖，但增大了分度盘的制造成本。(参见(1)Ching-Huang Tseng，Wei-Han Wang，IndexingMechanism Using Pairs of Radially Disposed Rollers Engaged Between Ajacent CamRibs.Int.CL F16H27/04，US5960668A，Oct，5，1999。即：陈清华，王维汉《在凸轮凸脊间采用双排滚子的弧面分度凸轮机构分度机构布置》Int.CL F16H27/04，US5960668A，Oct，5，1999和(2)王皓张策《凸轮型间歇机构的创新》，机械设计，2001，143(9)：1-4)。

上述间歇机构的研究思路总体上仍基于现有分度凸轮机构的传动原理，通过改变输入、输出轴在空间的相对位置，或是通过改变从动件形状来实现分度机构的创新设计。这些研究对于完善和改进现有分度凸轮机构的产品性能，丰富现有分度凸轮机构的结构形式具有重要意义，但不能从根本上解决现有分度凸轮机构难以实现大分度数或高速间歇分度传动的问题。

发明内容

为了针对现有技术中三种常用的分度凸轮机构难以实现更大的分度次数和更高分度转速的要求，本发明提供一种同轴式凸轮连杆高速分度机构，该新型的高速分度机构可以克服现有技术中三种常用的分度凸轮机构存在的分度数选择范围小、相对体积较大、分度次数和分度转速低的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明同轴式凸轮连杆高速分度机构予以实现的技术方案是：包括箱体、输入轴和输出轴，其特征在于：所述输入轴和输出轴的轴线在一条直线上，所述输入轴上固联一连接杆，通过铰链串接一平行四边形铰链四杆机构，所述连接杆的两端与所述平行四边形铰链四杆机构的两个对边杆的中点处铰接；所述铰链四杆机构对应的四个铰接点处分别设置有滚子，所述平行四边形机构的两个连杆的中点处铰接一连架杆，所述连架杆与输出轴固联；所述箱体上固定联接有内廓线共轭凸轮，所述每个滚子分别与所述共轭凸轮廓线接触，所述两共轭凸轮理论廓线的计算公式为：

${\mathrm{\θ}}_h=\frac{d}{1+d}\frac{2\mathrm{\π}}{n}---\left(2\right)$

上述公式(1)和公式(2)中：l_0a、l_0F为平行四边形铰链四杆机构的杆长，公式(1)中±号分别对应两个共轭的凸轮廓线，θ为输入轴转角，τ为输出轴转角，τ＝τ(θ)为输出轴预期实现的分度运动规律，τ₀为输出轴的初始位置角；θ_h为动程角，n为分度数，d为动静比。

本发明同轴式凸轮连杆高速分度机构中，所述凸轮与位于铰链四杆机构对应铰接点处的滚子构成凸轮机构的形锁合方式。

与现有技术相比，本发明同轴式凸轮连杆高速分度机构所具有的有益效果是：

(1)可实现高速分度传动。本发明同轴式凸轮连杆高速分度机构的输入与输出轴同转速，即输入轴每转一周，输出轴可同时完成n次分度。这与现有技术中常用的三种分度凸轮机构，其输入轴每转一周输出轴仅实现1次分度不同。因此，本发明分度机构与现有技术相比在输入轴转速相同的情况下，可实现的分度数相当于常用分度凸轮机构的n倍；换言之，它可实现相当于常用分度凸轮机构n倍转速下的分度功能，因而可实现高速分度传动。

(2)具有良好的动力学特征，且分度精度高。现有技术中各类分度机构其输出轴周期性的惯性负荷，是引发其周期性速度波动及振动的主要因素。而本发明分度机构在分度运动中可将惯性负荷有效施加到与箱体固联的构件上，且通过合理选取结构设计参数能够增大该机构反行程自锁的程度，从而可有效抑制输入轴的速度波动。因此，本发明分度机构具有良好的动力学特性，且能够实现较高的分度精度。

(3)结构紧凑，且承载力大。由于本发明分度机构采用输入轴与输出轴同轴线式的布局，其结构紧凑。且该机构的中间传动环节采用闭式链的连杆机构，具有刚性大的特点，且在设计中通过采用对称式结构布局，可实现多个构件参与分度传动，因此承载力大。

(4)本发明分度机构与现有技术中三种常用的分度凸轮机构相比，可以最大限度的利用箱体空间，理论上可设计实现从小分度数至大分度数传动的所有范围，且动静比等其他设计参数的选择范围更广。

此外，本发明分度机构较常用分度凸轮机构具有适度的设计柔性。如对于不同的应用场合，若需实现分度数、动静比等不同参数的分度传动时，仅需重新设计其中的一个关键部件即可实现，而无需进行机构的全部重新设计与加工。

综上所述，由于本发明分度机构中将凸轮机构与连杆机构的特点结合在一起，使整个分度机构具有输入输出同轴线布局、结构紧凑、承载力高、分度数范围及动静比可任意选择、从而实现了高速分度传动，并具有制造成本低的特点。本发明同轴式凸轮连杆高速分度机构，可广泛应用于需要分度数范围大、结构紧凑、刚度大、承载力高、输入输出同轴、高速分度间歇运动的自动机械中，如印刷、包装、食品、陶瓷、制药及军事工业等各类机械。

附图说明

图1现有技术中弧面分度凸轮机构的示意图；

图2现有技术中圆柱分度凸轮机构的示意图；

图3现有技术中平行分度凸轮机构的示意图；

图4-1是本发明同轴式凸轮连杆高速分度机构的径向示意图；

图4-2是本发明同轴式凸轮连杆高速分度机构的轴向示意图；

图5-1是本发明同轴式凸轮连杆高速分度机构中共轭凸轮内廓线实施例一的示意图；

图5-2是本发明同轴式凸轮连杆高速分度机构中共轭凸轮内廓线实施例二的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明同轴式凸轮连杆高速分度机构做进一步详细描述。

图4-1和图4-2中零部件和细节说明：1箱体，2输入轴，3输出轴，4连接杆，5平行四边形铰链四杆机构，6共轭凸轮，61、62凸轮廓线，7滚子，8连架杆。

如图4-1和图4-2所示，本发明同轴式凸轮连杆高速分度机构包括箱体1、输入轴2和输出轴3，所述输入轴2和输出轴3的轴线在一条直线上，所述输入轴2上固联一连接杆4，连接杆4通过铰链串接一平行四边形铰链四杆机构5，所述连接杆4的两端与所述平行四边形铰链四杆机构的两个对边杆的中点处铰接；为将铰链四杆机构5中曲柄的分度间歇运动引入到输出轴3，在平行四边形机构5的两个连杆的中点处铰接一连架杆并与输出轴3固联；所述铰链四杆机构对应的四个铰接点E、F、H和G处分别设置有滚子7，所述箱体1上固定联接有内廓线共轭凸轮6，所述每个滚子7分别与所述共轭凸轮廓线61和62接触。根据分度数、动程角及输出轴预期实现的分度运动规律，可以将内廓线共轭凸轮6设计不同的、具有符合要求的内廓线，根据如下计算公式设计两共轭凸轮理论廓线：

${\mathrm{\θ}}_h=\frac{d}{1+d}\frac{2\mathrm{\π}}{n}---\left(2\right)$

上述公式(1)和公式(2)中：l_0a、l_0F为平行四边形铰链四杆机构的杆长，公式(1)中±号分别对应两个共轭的凸轮廓线，θ为输入轴转角，τ为输出轴转角，τ＝τ(θ)为输出轴预期实现的分度运动规律，τ₀为输出轴的初始位置角；θ_h为动程角，n为分度数，d为动静比。

如图5-1和图5-2为共轭凸轮6轮廓线的实施例，图5-1所示的共轭凸轮6轮廓线实施例一是参数为：分度数n＝10，动静比d＝1，τ₀＝-15°，其分度运动规律为修正正弦；图5-2所示的共轭凸轮6轮廓线实施例二是参数为分度数n＝6，动静比d＝3，τ₀＝-15°，其分度运动规律为修正正弦。根据分度数、动程角及输出轴预期实现的分度运动规律，设计出的与箱体1固定连接的内廓线共轭凸轮6是本发明的核心技术之一。

本发明同轴式凸轮连杆高速分度机构的运动原理是：如图4-2所示，当输入轴2连续转动时，通过与输入轴2固联的连接杆4带动平行四边形铰链四杆机构5一起转动。铰链四杆机构5在连续转动过程中，其对应四个铰点处的滚子7分别与共轭凸轮廓线6.1与6.2相接触，滚子7在共轭凸轮廓线6的作用下推动铰链四杆机构5的曲柄EF绕其铰接点a按预期的运动规律实现分度转位或停歇运动。为获得预期的分度输出运动，在平行四边形机构5两个连杆的中点c、d处通过铰链联接一连架杆8，由于平行四边形机构的特殊性可知，当输入轴2带动平行四边形机构5连续转动时，平行四边形机构5两个连杆EH、FG的中点c、d处铰接的连架杆8及输出轴3即为预期实现的分度间歇运动。依次周期性重复上述运动过程，形成输出轴3的连续分度与间歇运动。

输入轴2连续转动时，通过铰接点带动平行四边形铰链四杆机构5一起转动，通过四杆机构铰接点处的滚子7在共轭凸轮6廓线的作用下推动铰链四杆5的曲柄绕其输出轴3按预期的运动规律实现分度转位或停歇运动，因此，输入轴2串接连杆机构也是本发明分度机构的核心技术之一。

采用数控加工设备加工本发明中的关键部件内廓线凸轮，可确保其加工精度；加工时，可以借鉴行星减速机成熟的生产技术与工艺装备，从而保证本发明分度机构同轴式结构的设计、加工与装配，并能有效降低其制造成本。另外，通过合理地选择本发明分度机构的结构参数、零部件的设计及制造公差，可确保本发明分度机构具有较高的分度定位精度。

尽管结合附图对本发明进行了上述描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，还可以做出很多变形，诸如，即使分度数、动程角及输出轴分度运动规律有所不同，而设计出不同设计参数的分度机构；及考虑到惯性力与惯性力矩平衡等因素，可将平行四边形机构设计为径向对称的两个平行四边形机构等；这些均属于本发明的保护之列。

Claims (2)

1.一种同轴式凸轮连杆高速分度机构，包括箱体、输入轴和输出轴，其特征在于：所述输入轴和输出轴的轴线在一条直线上，所述输入轴上固联一连接杆，通过铰链串接一平行四边形铰链四杆机构，所述连接杆的两端与所述平行四边形铰链四杆机构的两个对边杆的中点处铰接；所述铰链四杆机构对应的四个铰接点处分别设置有滚子，所述平行四边形四杆机构的两个连杆的中点处铰接一连架杆，所述连架杆与输出轴固联；所述箱体上固定联接有内廓线共轭凸轮，所述每个滚子分别与所述共轭凸轮廓线接触，所述两共轭凸轮理论廓线计算公式为：

${\mathrm{re}}^{\mathrm{j\θ}}=l_{\mathrm{aF}}{e}^{j(\mathrm{\τ}+{\mathrm{\τ}}_0)}\±l_{\mathrm{oa}}{e}^{j(\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\θ})}---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_h=\frac{d}{1+d}\frac{2\mathrm{\π}}{n}---\left(2\right)$

上述公式(1)和公式(2)中：l_0a、l_0F为平行四边形铰链四杆机构的杆长，公式(1)中±号分别对应两个共轭的凸轮廓线，θ为输入轴转角，τ为输出轴转角，τ＝τ(θ)为输出轴预期实现的分度运动规律，τ₀为输出轴的初始位置角；θ_h为动程角，n为分度数，d为动静比。

2.根据权利要求1所述的同轴式凸轮连杆高速分度机构，其特征在于：所述凸轮与位于铰链四杆机构对应铰接点处的滚子构成凸轮机构的形锁合方式。

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