[科普中国]-弧面凸轮分度机构

弧面凸轮分度机构也称为蜗形凸轮分度机构或滚子齿式凸轮分度机构，是美国菲固森(Ferguson)凸轮公司的专利产品，因此又被称为菲固森机构(Ferguson Drive for Indexing Mechanism)。它是一种适用于中、高速机械设备中的空间间歇运动机构。在各种分度凸轮机构中，弧面凸轮分度机构性能最好，属高速精密分度装置，有非常广阔的应用前景。已广泛应用在高速冲床、硅钢片高速冲槽机、洗衣粉自动计量包装机、电池自动生产线、点焊机转位、印刷机、加工中心换刀装置等机械中。如下图所示为弧面凸轮分度机构简图。弧面凸轮1如一个变螺旋角的弧面蜗杆，滚子4在从动盘3上沿径向呈辐射状均匀排列。当输入运动使凸轮轴5带动凸轮做匀速转动时，从动滚子4与凸轮凸脊的侧面啮合。在凸轮凸脊的螺旋角为0的曲面段与滚子啮合时，仅带动滚子自转，从动盘3处于静止状态，没有运动输出。当凸轮凸脊的螺旋角不为0时，凸轮工作曲面与滚子啮合，驱动滚子带动从动盘3绕轴2的轴线转动，轴2输出运动，这样，从动盘上的滚子依次与凸轮啮合，就实现了输出运动的间歇转位运动1。

（1）结构简单，刚性好，承载能力在凸轮机构中最大。

（2）设计限制少，分度范围宽：n=(1～24)，特殊的，可以做到n=0.5（从动盘每转两圈停歇一次），在小分度数时，比圆柱分度凸轮机构显示明显的优越性。

（3）该机构中心距可作微调，即可加预紧，消除间隙，使得该机构可获得较好的动力特性和运动特性，运转平稳，因此，它可用于高、中、低速各种场合。

（4）精度高，分度精度可达±15''～30''。

（5）凸轮工作曲面复杂，加工难度大，成本高。从动盘的加工也较前两种凸轮机构困难；

（6）若分度数超过24，预紧易卡死，该机构优势变得不明显。

弧面凸轮分度机构主要参数包括运动参数和几何参数，其中有许多与圆柱分度凸轮机构基本参数的定义和计算是完全一样的，它们是分度数n，动静比，分度角，动程角，凸轮头数，滚子数m，中心距C。

此外，弧面凸轮分度机构还有一些反映自身特点的结构几何尺寸，如下图所示：

（1）滚子尺寸

滚子宽度和滚子半径。可根据接触刚度确定，也常用类比法设计，选用标准件。

（2）从动盘尺寸

为从动盘节圆半径，是指从动盘回转中心到滚子宽度中点轴线的半径，它是从动盘的主要尺寸，可用下面两个式子估算：

式中，为运动规律无因次最大速度；为允许最大压力角。

从动盘基圆半径和从动盘最大外径也是常用到的两个尺寸，由上图可知：

涉及从动盘的制造，是装配中需要保证的，它影响到，并且用于零件之间是否干涉的检测。

（3）径距比是指从动盘节圆半径与中心距C之比，它是影响压力角及曲 面的曲率等的重要参数，分度数越大，径距比可以取得较大。

（4）凸轮尺寸

凸轮外轮廓圆弧面半径(mm)为：

凸轮最大外圆直径为：

凸轮宽度为：

弧面分度凸轮机构与圆柱分度凸轮机构一样，它也有脊型和槽型两种基本形式，如下图所示：

脊型：输出运动静止时，由两个相邻的滚子骑在凸轮的凸脊上，使从动盘保持确定的位置。

槽型：输出运动静止时，一个滚子处于凸轮的沟槽内，两相邻的滚子骑在两边的凸脊上使从动盘定位。

在分度数较少时，多采用脊型形式，这样凸轮加工较简单些。而在分度数较多时，脊型形式在预紧时易卡死，因而多采用槽型形式。

弧面凸轮的槽形有直槽与斜槽两种，如下图所示。直槽在槽的长度方向上各点的线速度和滚子上相应各点的线速度不一致，故磨损不均匀；斜槽的磨损较均匀，但加工量大。斜槽的斜角β根据滚子和斜槽在相接触的长度方向上各点的线速度对应相等的条件而定，可由下式计算：

式中：为凸轮外径；为凸轮外径上的槽宽。

从动滚子的形状有圆柱形、鼓形和圆锥形。圆柱形滚子可用适当直径的滚动轴承代替。鼓形滚子对其轴线的偏斜误差不太敏感。各种滚子形式及其与工作盘的连接方式如下图所示。

采用弧面凸轮分度机构的弧面凸轮分度箱，它已成为当今世界上精密驱动的主流装置。它具有高速性能好，运转平稳，传递扭矩大，定位时自锁，结构紧凑、体积小，噪音低、寿命长等显著优点，是代替槽轮机构、棘轮机构、不完全齿轮机构等传统间歇机构的理想产品，产品广泛应用配套于各种组合机械、机床加工中心、烟草机械、化工灌装机械，印刷机械、电器制造装配自动生产线等需把连续运转转化为步进动作的各种自动化机械上的必备的理想功能部件。