槽轮机构创新设计及应用研究

程熊豪

摘 要：槽轮机构以其简单的结构和可靠的工作效率被广大自动机械产业人员争先使用。从最初的直线槽轮机构到现在的曲线槽轮，乃至组合轮廓线槽轮机构，是一个深远的发展进程。文章将讲述直线与曲线槽轮机构的利弊，并提出结合了前二者优势为一体的创新型组合轮廓线槽轮机构，为设计出具有高速度、高精度的槽轮机构。

关键词：槽轮机构；曲线槽轮；组合轮廓线

中图分类号：TH112 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）05-0011-01

直线槽轮机构是自动机械中使用较为广泛的一种机构，因为该机构的结构较为简单，且工作的可靠性也比较高。但是，在现代科技高速发展的今天，机械的运转速度及定位精确度也在不断提升，传统的直线槽轮机构已经不能适应时代发展的要求，该机构的拨盘圆销进入和退出槽轮瞬时，槽轮的急速为零，但角加速度不为零，存在柔性冲击的固有缺陷也越来越突出。所以，针对直线槽轮机构进行改进，已经成为设计人员的一项首要任务。本文将提出一种槽轮机构的创新设计，即以曲线槽轮取代直线槽轮，以待解决这一问题。

1 曲线槽轮的提出及设计思想

早在1991年，R.G.Fenton就提出了可以消除柔性冲击的曲线槽轮设计，该设计主要理念是用正弦曲线或高次多项式代替原先的直线槽轮轮廓线，以下是曲线槽轮机构的示意图，如图1所示。

曲线槽轮与直线槽轮的设计不同点是：曲线槽轮从动件运动规律入手，借助坐标回转的办法，求出轮廓线的坐标方程，从而达到消除柔性冲击的目的。但是，必须认清的是曲线槽轮机构的设计是在槽轮从动件具有确切的运动状态的假设前提下提出的，理论上该设计确实可以消除柔性冲击，也可以改善动力性能，但在实践中，该机构的设计也同时存在设计误区和固有缺陷。假如槽轮从动件并没有按照预定的运动规律执行操作，将不能在实际工程中正式实施。为此，下文就该机构的设计误区和固有缺陷问题展开分析。

2 曲线槽轮机构的设计误区及缺陷分析

设计误区①：曲线槽轮设计者片面认为曲线槽轮在运动过程中其自由度是恒定不变的，值固定是1，忽略了自由度的瞬时变化，对机构运动的不确切影响。在实际操作中，机构会产生相对瞬心和自由度瞬变，两者对机构的运动皆可产生不同程度的影响，使得槽轮从动件不能按照设计者原定的运动规律执行运作。设计误区②：压力角过大，使得机构传动性能较差。压力角一般指的是接触轮廓法线和从动件的速度方向之间所形成的锐角，其值一般在50 ？觷～70 ？觷之间，不可超过90 ？觷，才能确保机构可以在一定的传动效率下正常工作。然而曲线槽轮机构设计中，当圆销处在α=0的位置上时，接触轮廓法线正好与槽轮从动件的速度方向相互垂直，压力角达到了90 ？觷，故增加了接触面的摩擦，使得机构容易卡死，甚至无法转动。

综上所述，均表明了曲线槽轮代替直线槽轮确实存在一些误区和缺陷，为改善这一问题，本文提出了组合轮廓线槽轮机构，一个槽轮机构的创新设计，以待可以结合直线槽轮和曲线槽轮的各大优势，设计出既能消除圆销入口处的柔性冲击，又能保证机构在加速度换向段拥有良好的运动和动力性能的槽轮机构。

3 组合轮廓线槽轮机构的创新设计思路及要点

组合轮廓线槽轮机构的设计是囊括了直线和曲线的优势，将二者串联在一起，提高槽轮从动件的运动性能，从而实现槽轮机构具备确切运动规律的目的。在设计过程中，有几个设计要点值得重视。

3.1 槽轮运动参数问题

首先，在拨盘圆销进入槽轮的那一瞬间，其速度和加速度应该为零；其次，速度和加速度的曲线在槽轮曲线与直线相交部分出应该保持连续和光滑。在确定以上边界条件之后，才可以确定从动件的运动规律，进而可以求得槽轮机构的理论轮廓线。

3.2 避免运动过程中出现失真现象

出现运动失真，主要是因为圆销中心没有沿着理论轮廓线进行运动，故在设计中应确保圆销中心在前半段与后半段的钱和时顺着同一条理论轮廓线进行运动，所以实际的轮廓线应该是由不对称的等距曲线组成的。在以上设计要点均满足之后设计的组合轮廓线槽轮机构的几何模型如图2所示。

4 组合轮廓线的应用研究

本文以某一胶印机的递纸机构为例进行分析研究组合轮廓线的相关应用情况。该胶印机的递纸机构原先采用的是五工位的直线槽轮机构，正如上文所说，该机构存在柔性冲击，并且在纸张传送和交接的时候该现象最为明显，会产生很大的冲击振动，所以严重影响着递纸的精度和套印的精度，且在产品质量和生产效率上也受到限制。

在新型的槽轮设计中，将采用直线槽轮和曲线槽轮联合设计的方法，就可以有效消除在圆销进入和退出槽口时，递纸牙在牙台上取纸时的柔性冲击，所以在完成纸张交接的过程时不会有精度上的影响。新型槽轮轮廓线的形状图如图3所示。

5 结 语

直线槽轮机构的缺陷是在拨盘圆销进入和退出槽轮瞬时，槽轮的急速为零，但角加速度不为零，存在柔性冲击的固有缺陷，运用曲线槽轮代替直线槽轮可以有效消除该柔性冲击，但在实践中，该机构的设计也同时存在了设计误区和固有缺陷，加速度转换向段存在着设计瓶颈，故为有效融合前二者的优势，本文提出了组合轮廓线的创新型设计思路，并通过胶印机的递纸机构进行了应用分析，结果显示新机构的设计使用不仅可以有效解决前二者遗留的问题，还能大大提升机构的稳定性能和精确度，在创新设计高速转位分度机构提供了新的理论依据。

参考文献：

[1] 曾克俭，朱邦贤.具有曲线槽轮的槽轮机构设计[J].包装工程，2012，（18）.

[2] 尹洪亮，张俊.侧向对称曲线槽轮机构的设计[M].上海：上海科学技术出版社，2013.

[3] 张磊，程刚虎.一种新型槽轮机构的设计与研究[J].西北轻工业学院学报，2013，（9）.