浅论活齿分度凸轮机构
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摘要：随着自动机械向高速化、精密化及轻量化的发展，对间歇机构提出越来越高的要求。凸轮分度机构是自动机械装备中的常见机构，由于该类机构具有高转速、高分度精度等优点，目前已在各种印刷、包装等自动机械中得到广泛的应用。
中图分类号： TH132 文献标识码： A
0 前言
随着科学技术的进一步发展，人们对生产机械的要求越来越高，使得生产机械不断朝着自动化的方向发展，自动化机械在机械产品中的地位日益显著。为了满足工艺规范的要求，在轻工、食品、纺织、电子等行业广泛使用的各种自动机械中，在很多情况下需要机器或者执行部件作周期性停歇运动，以进行加工、换位、分度、进给、换向等一系列的工艺规范的操作。其特点是将系统输入轴的连续回转运动转换为工作执行机构的间歇转动或移动，从而使系统在其间歇期能完成预期的工艺动作。为了实现这种运动，间歇机构应运而生。间歇机构又称为分度机构或者步进机构，主要用于分度运动。这种机构一般用来传递位移、速度和动力。常用的间歇机构，如棘轮机构、槽轮机构、针轮机构、不完全齿轮机构和凸轮型间歇机构等。
1 分度凸轮机构发展综述
凸轮机构的设计与研究工作最早始于本世纪初期，主要对象是内燃机中的配气凸轮机构。从30年代起，随着内燃机转速的提高，一些配气凸轮机构出现过早失效的问题引起了广泛的关注。它使人们认识到，传统的经验设计方法已不能满足实际工程需要，对凸轮机构的设计问题必须进行较深入的理论与实验研究。40年代末，Hrones与Mitchell首先分别通过理论分析与实验研究发现，采用最大跃度为无穷大的等加速等减速或余弦等运动规律，在高速工况下其动力响应特性是很差的，从动件会发生剧烈的振动。这一发现揭开了凸轮机构动力学研究的序幕，标志着对凸轮机构的研究工作，由传统的依据经验与运动学设计方法向着进行有理论依据的动力学分析的方向发展。从50年代开始，考虑构件弹性、建立振动模型、进行动力分析的凸轮机构动力学研究得到迅速的发展。伴随着凸轮机构动力学研究的深入，加深了人们对凸轮从动件运动规律与其动力输出特性之间关系的认识，推进了对运动规律开展广泛的研究。在这一阶段，凸轮机构的运动规律得到了进一步的补充和完善。
2 分度凸轮机构的基本类型
2.1弧面分度凸轮机构
弧面分度凸轮机构是空间凸轮机构的一种，输入轴和输出轴呈空间垂直交错布置。它与平行分度凸轮机构一样，可以通过预载消除啮合间隙，适用于高速、重载、高精度的场合，是目前工作性能最好的一种间歇机构。由于采用空间凸轮，加工较难，需用专用设备加工，所以制造成本较高。弧面分度凸轮机构目前主要应用于以下一些工业领域：CAMCO 型取置器、Ferguson 型取置器、加工中心换刀机构以及需要精确定位的装配线、检测线等，如：高速自动包装机、印刷机械及制灯设备的自动生产线；重工业中的自动机、高速自动生产线；军工行业、机器人行业等。近几年，进一步扩展到电子加工行业、电光源制作行业、压力加工领域和医疗器械中的高精度机械手等行业。
2.2平行分度凸轮机构
我国从上世纪 80 年代开始研制平行分度凸轮机构，并在各种自动机械中得到了广泛应用。该机构中的凸轮为平板型，用于两平行轴之间的传动，在分度数、中心距等相同的条件下，可以完全代替槽轮、不完全齿轮等传统间歇机构，而且运动性能好、高速运转振动与噪声小，具有高精度和适于高速度运转的特点。平行分度凸轮机构可以施加一定的预载，以消除凸轮与从动滚子之间的间隙。由于平行分度凸轮机构能够实现小分度，大步距输出，特别适合于要求在一个周期内停歇次数较少的场合，如各种纸盒模切机、果冻罐装成形机，因而在印刷、包装机械中应用较广。
2.3 圆柱分度凸轮机构
圆柱分度凸轮机构的输入轴和输出轴也呈空间垂直交错布置，从动滚子轴线与输出轴轴线平行。该机构分度盘上布置的滚子数较多，适用于要求分度数较多的场合（6～60 分度）。滚子表面一般为圆柱形，为了使滚子的接触表面磨损均匀，并且便于调整滚子与凸轮槽两侧面的间隙，也可采用圆锥形滚子。但当分度数增大时，分度盘转动惯量较大，机构中滚子与凸轮轮廓间的间隙较难补偿，容易产生横越冲击，刚度和啮合性能均不及弧面分度凸轮机构。 圆柱分度凸轮机构能够实现大分度输出，特别适合于中、低速情况下要求在一个周期内停歇次数较多的场合，如灯泡机械、烟草机械和大输液罐装机械。
3活齿分度凸轮传动的优点
3.1多齿啮合，承载能力高
活齿轮由活齿和活齿架用移动副或者转动副联结组成的结构特点，避免了内啮合齿轮副轮齿间的相互干涉，能使所有的活齿同时和中心轮齿廓接触，最多可以有一半的活齿参加啮合，承载能力高；多齿啮合使活齿传动对冲击负荷有较强的承受能力，一般短期超载能力为名义扭矩的 250%。活齿传动共轭齿形的连续接触形式，避免了啮入啮出的冲击，
传动平稳无噪音。
3.2传动效率高
活齿传动采用活齿后，使输出机构和活齿轮的分齿部分合成一体，使输入轴到输出轴之间的运动链缩短，减少了动力传递损失；活齿和中心轮、激波器、活齿架之间组成的一个低副两个高副，由于采用了针齿、套筒活齿、摆动活齿、组合活齿和转臂轴承等结构，使组成运动副的各运动副元素之间有更多的相对滚动，啮合效率提高。
3.3机构新颖紧凑
活齿传动省去了少齿差齿轮传动、摆线针轮传动必须有的W 等速运动输出机构，减速运动通过活齿直接由活齿架输出；组成活齿传动的三个基本构件－激波器 H、活齿轮 G、中心轮 K 同轴布置，活齿轮放在中心轮里面，简化了机构，使传动装置的轴向和径向尺寸都很小，缩小了体积，减轻了重量。
4 结语
综上，随着自动机械向高速化、精密化及轻量化的发展，对间歇机构提出越来越高的要求。棘轮、槽轮、不完全齿轮机构等间歇机构由于分度定位精度低，运动不够稳定，以及高速时存在冲击等不足，一般适用于低速、轻载的场合。凸轮型间歇传动机构结构简单、能自动定位、动静比可任意选择，具有高速度、高分度精度、冲击噪音小的特点，因此已成为间歇和步进机构的主要发展方向，广泛应用于各种多工位自动机械、直线步进运动机械中，成为这些自动化机械中的关键部件。
参考文献
[1] 曲继芳. 活齿传动理论. 机械工业出版社，1993.4.
[2] 邹慧君, 董师予等. 凸轮机构的现代设计. 上海交通大学出版社, 1.