专利名称：同轴式径向推杆高速分度机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分度机构，尤其涉及一种同轴式高速分度机构。
技术背景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Glbboidal Indexing Cam Mechanism), 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 机构己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禾口 J. Angeles(参见Gonzalez-Palacios and Angeles . J, in: The Generation of Contact Surface of Indexing Cam Mechanisms -A Unified Approach, Proc ASME Design Automation Conference, Advances in Design Automation,3Vol. 2(1990) ， p359。 BP: 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禾口 Nishimura (参见M. Nishioka and Nishimura. Synthesis of the Internal Parallel Cam Mechanism. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 1998 Vol. 212 577-585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.212 577-585);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 Analysis for a Spatial Cam Mechanism. Journal of Mechanical Design[J], 1997， Vol. 119， 169-177。 SP: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 Cam Ribs. 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径向推杆高速分度机构，本发明分度机构将凸轮机构 与连杆机构的特点有机结合在一起，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、分度次数低的缺陷。为了解决上述技术问题，本发明同轴式径向推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，所述输入轴和输出轴的轴线在一条直线上，所述输入轴 端部固定连接一驱动圆环，所述驱动圆环上设置有至少一对对称的径向通 L;所述输出轴 上固联有至少一对对称的曲柄，所述曲柄的端部分别设置有至少一个第一滚子；所述箱体 上固定连接有内廓线共轭凸轮；所述驱动圆环上每对对称的径向通孔中分别设置有推杆， 所述推杆的一端设置有第二滚子，该第二滚子与内廓线共轭凸轮接触；所述推杆的另一端 为平底结构，所述平底结构与曲柄端部的第一滚子接触。所述两共轭凸轮廓线计算公式为= (/cos(r。 + r - <9) + r0 + /2 )e" (})《=-- (2)1 + d w上述公式(1)和公式(2)中/。 /2分别为曲柄与推杆的杆长，化为滚子半径，P为输入轴转角，f为输出轴转角，r-r(^)为输出轴预期实现的分度运动规律，、分别为输 出轴上不同位置的第一滚子对应的初始位置角，根据不同位置的初始位置角可计算得出对 应的共轭凸轮廓线；《为动程角，"为分度数，"为动静比。本发明同轴式径向推杆高速分度机构，其中所述推杆分别沿驱动圆环的径向或径 向对称分布。所述曲柄端部第一滚子至少为两个，且呈对称布置。所述推杆与所述通孔 构成移动副。所述凸轮与推杆端部的第二滚子构成凸轮机构的形锁合方式。与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是(1) 分度数范围大，且可实现高速分度。本发明分度机构输入与输出轴同步转速， 即输入轴每转一周，输出轴可同时完成n次分度。这与目前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。本发明分度机构与三种常用的分度凸轮机构相比，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，新型分度机构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性，且分度精度高。现有技术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。此外，本发明分度机构 输入与输出系统的各构件均采用对称式结构布置，可实现惯性力与惯性力矩完全平衡，因 此，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，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。且在设计中通过采用对称式结构布局，能够实现多个构件参与分度传动， 因此，承载力大。(4) 设计参数的选择范围大，具有适度的设计柔性。本发明分度机构与现有三种常 用分度凸轮机构相比，最大限度的利用了箱体空间，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。具有适度的设计柔性， 如对于不同的应用场合，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，而无需向现有技术中常用的三种分度凸轮机构需要全部重 新设计与加工。本发明同轴式径向推杆高速分度机构，可广泛应用于需要分度数范围广、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。
图1是现有技术中弧面分度凸轮机构的示意图； 图2是现有技术中圆柱分度凸轮机构的示意图； 图3是现有技术中平行分度凸轮机构；图4-1是本发明同轴式径向推杆高速分度机构的轴向示意图； 图4-2是图4-1所示分度机构的端向示意图； 图5-1是本发明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径向推杆高速分度机构作进一步详细的 描述。图4-1和图4-2中零部件和细节说明l箱体，2输入轴，3输出轴，4驱动圆环，5 通孔(导路)，6曲柄，7第一滚子，8共轭凸轮，81、 82廓线，9推杆，IO第二滚子， ll平底结构。如图4-l和图4-2所示，本发明同轴式径向推杆高速分度机构，包括箱体l、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上固定连接 一驱动圆环4，所述驱动圆环4上设置有至少一对对称的径向通孔5(导路)；所述输出轴 3上固联有曲柄6，所述曲柄6的端部分别设置有至少一个第一滚子7;当所述曲柄6端 部的第一滚子7为双数时，可呈对称布置。所述箱体1上固定连接有内廓线共轭凸轮8， 所述驱动圆环4上每对对称的径向通孔5中分别设置有推杆9，如图4-l所示，本实施例 中的所述推杆有四个，且分别沿驱动圆环4的径向对称分布，所述推杆9与所述通孔(即 导路)5构成移动副。所述推杆9的一端设置有第二滚子10，该第二滚子10与内廓线共 轭凸轮8接触，所述共轭凸轮8与推杆9端部的第二滚子10构成凸轮机构的形锁合方式； 所述推杆9的另一端为平底结构11，所述平底结构11与曲柄6端部的第一滚子7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，可以设计与箱体l固定连接 的内廓线共轭凸轮的廓线81和82，计算公式为<formula>formula see original document page 7</formula> (1)<formula>formula see original document page 7</formula> (2)上述公式(1)和公式(2)中/2分别为曲柄与推杆的杆长，r。为滚子半径，S为输入轴转角，r为输出轴转角，7 = 2"(^)为输出轴预期实现的分度运动规律，r。分别为输 出轴上不同位置的第一滚子对应的初始位置角，根据不同位置的初始位置角可计算得出对 应的共轭凸轮廓线81和82,如图4-2所示，《为动程角，"为分度数，d为动静比。如图5-1和图5-2为共轭凸轮8轮廓线的实施例，图5-1所示的凸轮轮廓线实施例一 是参数为分度数"=10，动静比^=3， 、=30Q,曲柄/,-40，推杆长/2=80，其分度运 动规律为修正正弦；图5-2所示的凸轮轮廓线实施例二是参数为分度数/7=4，动静比" =1， r。=30Q，曲柄/,20,推杆长/2=100，其分度运动规律为修正正弦。本发明同轴式径向推杆高速分度机构的运动原理是当输入轴2连续转动时，通过与 输入轴2固联的驱动圆环4带动推杆9由初始位置开始转动，推杆9在转动过程中，通过 其端部的第二滚子10在共轭凸轮8廓线的作用下，沿驱动圆环4的导路5产生径向移动， 从而通过推杆9的平底结构11推动曲柄6端部的第一滚子7按预期的运动规律实现分度 转位与停歇运动，内廓线凸轮8与推杆以及推杆端部的第二滚子10构成该分度机构的几 何锁合。当输入轴2带动推杆9连续转动时，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。采用数控加工设备，进行该类机构关键部件内廓线凸轮的加工，可确保其加工精度； 应用连杆机构目前成熟的设计理论与方法，可完成连杆机构的参数设计；借鉴行星减速机 成熟的生产技术与工艺装备，可保证新型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，因而通过合理选择该类机构的结构参数与零部件的设计与制造公 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(1)本发明同轴式径向推杆高速分度机构，可以根据分度数、动程角及输出轴 预期实现的分度运动规律，设计出的与箱体固定连接的内廓线共轭凸轮，设计时，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，(2) 考虑到机构承载能力等因素，可沿驱动圆环的径向方向对称布置多个推杆，(3)本发明分 度机构输出轴设计为曲柄结构形式，可根据具体的承载要求及空间条件采用对称布置的方 式设计为多个曲柄，等；这些均属于本发明的保护之列。
权利要求
1.一种同轴式径向推杆高速分度机构，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，所述输入轴上固定连接一驱动圆环，所述驱动圆环上设置有至少一对对称的径向通孔；所述输出轴上固联有至少一对对称的曲柄，所述曲柄的端部分别设置有至少一个第一滚子；所述箱体上固定连接有内廓线共轭凸轮，所述两共轭凸轮廓线计算公式为rejθ＝(l1cos(τ0+τ-θ)+r0+l2)ejθ(1)
2. 根据权利要求l所述的同轴式径向推杆高速分度机构，其特征在于所述推杆分 别沿驱动圆环的径向或径向对称分布。
3. 根据权利要求l所述的同轴式径向推杆高速分度机构，其特征在于所述曲柄两 端部的多个第一滚子为双数，且呈对称布置。
4. 根据权利要求l所述的同轴式径向推杆高速分度机构，其特征在于所述推杆与 所述通孔构成移动副。
5. 根据权利要求l所述的同轴式径向推杆高速分度机构，其特征在于所述凸轮与 推杆端部的第二滚子构成凸轮机构的形锁合方式。
全文摘要
本发明公开了一种同轴式径向推杆高速分度机构，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，输入轴端部固定一驱动圆环，驱动圆环上设置有至少一对对称的径向通孔；输出轴上固联有至少一对对称的曲柄，曲柄的端部分别设置有至少一个第一滚子；箱体上固定有内廓线共轭凸轮；驱动圆环上每对对称的径向通孔中分别设置有推杆，推杆的一端设置有第二滚子，该第二滚子与内廓线共轭凸轮接触；推杆的另一端为平底结构，平底结构与曲柄端部的第一滚子接触。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、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。
文档编号F16H27/00GK101245841SQ200810052499
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月21日 优先权日2008年3月21日
发明者杨一平, 杨玉虎, 沈兆光 申请人:天津大学