4.3.2　槽轮机构的结构与应用

槽轮机构是自动机械中广泛应用的一种间歇运动机构，又称马耳他机构或日内瓦机构，有平面槽轮机构和空间槽轮机构两种类型。平面槽轮机构又分外啮合和内啮合两种，典型的结构为外啮合平面槽轮机构，通常简称为槽轮机构，如图4-19所示。如图4-20（a）所示，典型的平面槽轮机构由具有径向槽的槽轮1和带有拨销2的拨杆3组成。其中拨杆为主动件，作连续周期性的转动，槽轮为从动件，在拨杆上面的拨销2驱动下作时转时停的间歇运动。其运动过程如图4-20所示。

（1）工作原理

当拨轩转过θ_h角时，拨动槽轮转过一个分度角τ_h，由图4-20（a）所示的位置转到图4-20（b）所示的位置时，拨销退出轮槽；接下来拨杆空转，直至拨销进入槽轮的下一个槽内时才又重复上述的循环。这样，拨杆（主动件）的等速（或变速）连续（或周期）运动就转换为槽轮（从动件）时转时停的间歇运动。

（2）特点与工程应用

槽轮机构结构简单、工作可靠、机械效率高，而且能准确控制转角，工作平稳性较好，能够较平稳地间歇转位，但因为运动行程（槽轮的转角）是固定的，不可调节，而且拨销突然进入与脱离径向槽时传动存在柔性冲击，所以不适宜用于高速场合。此外，槽轮机构比棘轮机构复杂，加工精度要求较高，制造成本更高。槽轮机构一般应用于转速不高的场合，如自动机械、轻工机械、仪器仪表等。

（3）机构定位原理

槽轮机构常采用销紧弧定位，即利用图4-20中所示拨杆上的外凸圆弧α与槽轮上的内凹圆弧β的接触锁住槽轮。运动过程：图4-20（a）所示为拨销开始进入轮槽时的位置，这时外凸圆弧面的端点离开凹面中点，槽轮开始转动；图4-20（b）所示为拨销刚要离开轮槽时的位置，这时外凸圆弧面的另一端点刚好转到内凹圆弧面的中点，拨杆继续转动，该端点超过凹面中点，槽轮被锁住；图4-20（c）为拨销退出轮槽以后的情况，这时，外凸圆弧与内凹圆弧面密切接触，槽轮被锁住而不能向任何方向转动。根据上述工作的要求，拨杆上的外凸圆弧缺口应对称于拨杆轴线。由以上分析可知，这种槽轮机构中，槽轮开始转动的瞬时和转动终止的瞬时，其角速度都为零，因而无刚性冲击。这就要求在结构上保证拨销开始进入径向槽、自径向槽中退出时，径向槽的平分线必须与拨销中心的运动轨迹相切。

（4）运动计算分析

槽轮机构有关的参数定义如下：

S——轮槽数量；

θ_h——对应槽轮运动的拨杆转角，rad；

θ₀——对应槽轮静止的拨杆转角，rad；

n₀——拨杆转速，r/min；

T_c——拨杆转动一周的时间，s；

T_h——槽轮运动时间，s；

T₀——槽轮停顿时间，s；

K_t——槽轮工作时间系数，为运动时间T_h与停顿时间T₀之比。

①拨杆转动一周的时间　拨杆转动一周的时间实际上就是槽轮完成一个工作循环的时间，所以有

　　（4-1）

②槽轮运动时间

　　（4-2）

③槽轮停顿时间

　　（4-3）

④槽轮的工作时间系数

　　（4-4）

间歇输送机构广泛应用在自动机械中作为送料驱动机构，所以间歇输送机构的运动过程对应的是送料过程，送料过程所需要的时间属于辅助操作时间。为了提高机器的生产效率，希望送料过程越快越好，即间歇输送机构的运动过程越快越好。

当间歇输送机构停止运动时设备才能进行装配或加工等工艺操作，与机构停顿过程相对应的是设备的装配或加工操作过程。槽轮的停顿时间实际上就是设备完成工艺操作所需要的工艺时间。为了提高设备的生产效率，通常情况下要减少设备完成工艺操作所需要时间的难度较大，而减少辅助操作时间则相对更容易，因此希望送料过程占用的时间越短越好，或送料过程占用的时间与装配或加工等操作所占用的时间之比越小越好，也就是式（4-4）所示的工作时间系数K_t越小越好。

间歇输送机构每完成一个输送及停止的运动循环，机器也相应完成一个生产周期，机器每个循环周期内完成一件产品的加工或装配，该时间周期也称为机器的节拍时间。槽轮机构在自动机械中的典型应用之一就是在圆周方向进行间歇回转分度，也就是在圆周方向进行间歇输送。这种情况下都需要在槽轮上方或与槽轮相连接的轴上方安装一个转盘，转盘上面等分地安装工件定位夹具，在上述定位夹具的上方或转盘侧面再设置各种执行机构。每个工位对应不同的操作工序，供对应各工位上的工件进行不同的装配或加工操作，槽轮机构在机器中只是作为一种间歇回转分度装置驱动转盘进行间歇回转分度，槽轮的运动过程就是送料过程，槽轮的停顿过程就是自动机械的工艺操作过程。

对式（4-4）进行分析可知：

①槽轮的工作时间系数K_t始终小于1，即槽轮机构中槽轮的运动时间始终小于槽轮停顿时间。

②对于槽数S一定的槽轮机构，其运动时间与停顿时间成固定的比例关系，槽数S越多，槽轮运动时间与停顿时间的比值越大，即机器花费在转位分度过程的时间越长，机器的生产效率越低。因此当采用槽轮机构来进行间歇分度时槽轮的槽数S一般不宜太多，以缩短作为机器辅助操作时间的槽轮运动时间，提高机器的生产效率。

③可以证明，槽轮的槽数越小，槽轮的最大角速度及最大角加速度越大，槽轮的运动越不均匀，运动平稳性越差。而增大槽轮的槽数，虽然可以提高槽轮机构的运动平稳性，但随着槽轮尺寸的增大，转位时槽轮的惯性力矩也增大，加大了系统的负载。

考虑到上述各种因素，通常将槽轮的槽数S设计在4～8之间，最典型的槽数为4、5、6、8。

［例4-3］　某产品的装配由一台采用槽轮机构在圆周方向进行间歇回转分度间歇输送的自动化专机完成，产品年生产计划为10万件/年，每年工作50周，每周工作5天，每天工作7.5h，根据以往的经验，考虑机器的故障维修及其他意外情况后这种自动化专机的使用效率可以达到96%，计算该机器的节拍时间最长为多少。

［解］　根据要求的年生产量而且考虑机器的实际使用效率后，每小时至少应该完成的产品件数为

每完成一件产品的装配时间（也就是节拍时间）应该小于

根据上述计算可知，要完成要求的年产量，在该专机上每完成一件产品的装配节拍时间不能大于1.08min。

［例4-4］　某自动装配机械的间歇回转分度转盘由一台采用单拨杆、槽数为6的槽轮机构来驱动，拨杆的转速为30r/min，计算机器的节拍时间、每个循环中可能用于装配操作的时间与用于转位分度的时间。

［解］　根据式（4-1）可以得出机器的节拍时间

槽轮的停顿时间就是机器每个工作循环中可能用于装配操作的时间，根据式（4-3）可以求出

槽轮的运动时间就是机器每个循环中用于转位分度的时间，由式（4-2）可以求出

（5）设计计算步骤

下面以采用槽轮机构在圆周方向进行间歇输送这种典型的自动化装配专机为例，说明槽轮机构的设计计算步骤。

①设计条件　在设计采用圆周方向间歇输送机构的自动化装配专机时，首先要对产品的工艺过程进行分析，将产品装配过程分为多个工序，分析各工序的先后次序关系，对每道工序的装配时间进行试验测试，根据产品的年生产纲领（也就是产品年生产计划）计算出产品装配的总节拍时间。

设计条件一般为：工序数量；工序的先后次序（即工艺流程）；各工序的装配时间；希望设备能达到的总节拍时间。

②设计过程

a.工艺过程分析。工艺过程分析是指对产品的装配工艺进行分析，将产品的装配过程分为多个工序，分析各工序的先后次序关系，设备的装配次序必须与产品装配工艺的先后次序相符合。对每道工序的装配时间进行试验测试，如例4-3所示根据产品的年生产纲领计算出机器的总节拍时间。

b.确定工位数量与相应的工序。工位数量是指自动装配机器上的工位数量，由于槽轮是与机器的转盘连接在一起同步运动的，所以槽轮机构的轮槽数量也就是间歇输送机构回转一周转盘停留的位置数量，即机器的工位数量。确定工位数量与工序设计是同时进行的，将需要在专机上完成的全部工序按一定的原则分配到各工位上。工位数与产品装配的工序数量是有区别的，因为在自动装配机器上不一定每个工位只完成一个工序，可能完成两个或多个简单的工序，目的是提高设备的生产效率。

c.确定转盘停顿时间。转盘停顿时间实际上就是槽轮的停顿时间。由于各个工位都是在相同的时间段——槽轮停止运动的时间内进行的，各工位完成装配所需要的时间各不相同，有的工位完成装配需要的时间长，有的工位完成装配需要的时间短，完成装配操作后就处于等待状态，在各工位中必有一个工位需要的时间最长。槽轮机构的停顿时间必须能够使这一需要时间最长的工位完成装配操作，因此，槽轮停顿时间理论上应该不小于这一特定工序的装配操作时间。

在实际设计中，由于电动机的驱动与传动环节，实际的槽轮停顿时间不一定刚好等于所期望的理论停顿时间，有可能比理论停顿时间略长，但不能比理论停顿时间短，否则设备将无法完成正常装配动作。如果各个工位上完成装配所需要的时间相差过于悬殊，则其他工位的等待时间太多，这样设备的节拍时间就较长，单位时间内完成的产品数量较少，设备的生产效率较低，因此需要对各工位的装配操作内容进行平衡，即尽可能地使各工位装配时间的差距缩小或接近一致，以最大限度地缩短设备的节拍时间，提高设备的生产效率。

d.确定拨杆转速。周期性转动的拨杆带动与槽轮连接在一起的转盘作周期性的间歇转动，而拨杆的连续周期性转动是由电动机通过齿轮传动（或同步带传动、链传动）系统驱动的，槽轮或转盘的停顿时间实际上是由拨杆转速n₀决定的，两者之间具有定量的对应关系，因此确定拨杆转速n₀的过程实际上就是决定槽轮或转盘停顿时间的过程。

根据式（4-3），可以得到拨杆转速n₀与槽轮停顿时间T₀的关系：

式中　T₀——槽轮停顿时间，s；

n₀——拨杆转速，r/min。

e.电动机选型及传动系统设计。确定拨杆需要的转速后，需要为主动件（即拨杆）设计一套电动机驱动系统，在这里拨杆就是电动机的负载。设计的电动机驱动系统必须满足的两个条件：电动机经过传动系统后实现拨杆需要的转速；电动机的输出转矩能够驱动负载转矩。因此需要根据拨杆需要的转速合理地设计传动比，同时需要对电动机的负载转矩进行计算，保证电动机的输出转矩大于负载转矩，而且还要考虑适当的安全系数。负载转矩与负载的转动惯量及转盘的最大角加速度有关，具体而言是与转盘的直径、转盘的质量、转盘上定位夹具及工件的质量、转盘最大角加速度有关。