槽輪機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計及應(yīng)用研究

程熊豪

摘 要：槽輪機構(gòu)以其簡單的結(jié)構(gòu)和可靠的工作效率被廣大自動機械產(chǎn)業(yè)人員爭先使用。從最初的直線槽輪機構(gòu)到現(xiàn)在的曲線槽輪，乃至組合輪廓線槽輪機構(gòu)，是一個深遠的發(fā)展進程。文章將講述直線與曲線槽輪機構(gòu)的利弊，并提出結(jié)合了前二者優(yōu)勢為一體的創(chuàng)新型組合輪廓線槽輪機構(gòu)，為設(shè)計出具有高速度、高精度的槽輪機構(gòu)。

關(guān)鍵詞：槽輪機構(gòu)；曲線槽輪；組合輪廓線

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

直線槽輪機構(gòu)是自動機械中使用較為廣泛的一種機構(gòu)，因為該機構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為簡單，且工作的可靠性也比較高。但是，在現(xiàn)代科技高速發(fā)展的今天，機械的運轉(zhuǎn)速度及定位精確度也在不斷提升，傳統(tǒng)的直線槽輪機構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)時代發(fā)展的要求，該機構(gòu)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(gòu)進行改進，已經(jīng)成為設(shè)計人員的一項首要任務(wù)。本文將提出一種槽輪機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)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(shè)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(shè)計，該設(shè)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(gòu)的示意圖，如圖1所示。

曲線槽輪與直線槽輪的設(shè)計不同點是：曲線槽輪從動件運動規(guī)律入手，借助坐標(biāo)回轉(zhuǎn)的辦法，求出輪廓線的坐標(biāo)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(gòu)的設(shè)計是在槽輪從動件具有確切的運動狀態(tài)的假設(shè)前提下提出的，理論上該設(shè)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(gòu)的設(shè)計也同時存在設(shè)計誤區(qū)和固有缺陷。假如槽輪從動件并沒有按照預(yù)定的運動規(guī)律執(zhí)行操作，將不能在實際工程中正式實施。為此，下文就該機構(gòu)的設(shè)計誤區(qū)和固有缺陷問題展開分析。

2 曲線槽輪機構(gòu)的設(shè)計誤區(qū)及缺陷分析

設(shè)計誤區(qū)①：曲線槽輪設(shè)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(gòu)運動的不確切影響。在實際操作中，機構(gòu)會產(chǎn)生相對瞬心和自由度瞬變，兩者對機構(gòu)的運動皆可產(chǎn)生不同程度的影響，使得槽輪從動件不能按照設(shè)計者原定的運動規(guī)律執(zhí)行運作。設(shè)計誤區(qū)②：壓力角過大，使得機構(gòu)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(gòu)可以在一定的傳動效率下正常工作。然而曲線槽輪機構(gòu)設(shè)計中，當(dāng)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(gòu)容易卡死，甚至無法轉(zhuǎn)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(qū)和缺陷，為改善這一問題，本文提出了組合輪廓線槽輪機構(gòu)，一個槽輪機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，以待可以結(jié)合直線槽輪和曲線槽輪的各大優(yōu)勢，設(shè)計出既能消除圓銷入口處的柔性沖擊，又能保證機構(gòu)在加速度換向段擁有良好的運動和動力性能的槽輪機構(gòu)。

3 組合輪廓線槽輪機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計思路及要點

組合輪廓線槽輪機構(gòu)的設(shè)計是囊括了直線和曲線的優(yōu)勢，將二者串聯(lián)在一起，提高槽輪從動件的運動性能，從而實現(xiàn)槽輪機構(gòu)具備確切運動規(guī)律的目的。在設(shè)計過程中，有幾個設(shè)計要點值得重視。

3.1 槽輪運動參數(shù)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(yīng)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(yīng)該保持連續(xù)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(guī)律，進而可以求得槽輪機構(gòu)的理論輪廓線。

3.2 避免運動過程中出現(xiàn)失真現(xiàn)象

出現(xiàn)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(shè)計中應(yīng)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(yīng)該是由不對稱的等距曲線組成的。在以上設(shè)計要點均滿足之后設(shè)計的組合輪廓線槽輪機構(gòu)的幾何模型如圖2所示。

4 組合輪廓線的應(yīng)用研究

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

在新型的槽輪設(shè)計中，將采用直線槽輪和曲線槽輪聯(lián)合設(shè)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(jié) 語

直線槽輪機構(gòu)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(gòu)的設(shè)計也同時存在了設(shè)計誤區(qū)和固有缺陷，加速度轉(zhuǎn)換向段存在著設(shè)計瓶頸，故為有效融合前二者的優(yōu)勢，本文提出了組合輪廓線的創(chuàng)新型設(shè)計思路，并通過膠印機的遞紙機構(gòu)進行了應(yīng)用分析，結(jié)果顯示新機構(gòu)的設(shè)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(gòu)的穩(wěn)定性能和精確度，在創(chuàng)新設(shè)計高速轉(zhuǎn)位分度機構(gòu)提供了新的理論依據(jù)。

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