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机构应用2-2 使用齿条及小齿轮将环形旋转均等运动变换成直线运动
应用要点:
跟马达驱动的原理一样,如果想将环形旋转的动力,变换成直线运动,那么,齿条与小齿轮的结构组合就是其中的典型机构之一。使用齿条及小齿轮,成本即便宜,又可在环形旋转与直线运动之间做转换,所以常应用于机械结构设计当中。
(1) 使用齿条及小齿轮的钻床
如图所示,这是一个利用齿条与小齿轮的机械结构,通过牵引杠杆的旋转,来驱动钻床上的钻头做直进运动的机构。
小齿轮的外径变大的话,齿条的移动行程也会跟着变长。而齿条的移动量变大,则钻头的下压力道就会变小。当需要强大的下压力道时,小齿轮的外径就要变小,齿条的移动行程也会跟着变短。
(2) 使用齿条及小齿轮的装填装置
上图中,是一个机械装填装置,该装置的目的是利用齿条及小齿轮结构实现工件的上举过程。
根据图例,因为是从装填装置的上方依序拿取工件,当光电感应变成OFF时,说是顶部没有功件将光电感应器收发过程阻断。于是,马达就开始转动,此时,齿条会往上移动,直到光电感应器变成ON,才停止上升。
上升途中,当上限的微动开关变成ON,而光电感应器仍为OFF时,说明装填装置已经空无一物,并发出相应的报警,同时关闭马达。
一旦触发警报,作业员就会采取手动操作措施,将马达反转,直到下限的微动开关变成ON时,才可以开始重新在装填装置中叠放工件。当马达停止时,会因齿条和工件的重量导致齿条下滑。所以应该采取在马达和小齿轮之间,加装蜗轮等具有防止反转功能的机构,或改成附有刹车功能的马达等。
(3) 使用齿条及小齿轮的运动传达
如图所示,这是利用齿条及小齿轮的结构,实现旋转运动传递的一个事例。
通过小齿轮的旋转来驱动齿条,进而驱动其他相连接的小齿轮。这样的功能虽然在链条和正时皮带结构中,了同样可以实现。但是,若旋转的过程并非是循环往复的运动,而是在有限的旋转角度范围内进行时,使用齿条及小齿轮结构就会使机构变得更加简单。
(4) 使用齿条及小齿轮来变换直线运动的方向
如图,这是一个利用齿条及小齿轮来变换直线运动方向的事例。
齿条1因气压缸牵引而产生前进,后退的运动。这会让小齿轮1产生转动,并驱动在同一转轴上的小齿轮2的转动,进而导制齿条2地上、下移动。由于齿条2能够组装在任何角度上面,并将其变换成直线运动的方向。
(5) 使用齿条及小齿轮可以改变旋转角度
这是一组可以让从动握柄做任意角度摆动运动的机构。由气压缸来驱动齿条的行程。位于行程终端的挡块,具有调节气压缸行程的作用,进一步可以实现对从动握柄旋转角度的调节功能。
如果小齿轮的外径变小的话,旋转角度就可以变得更大。在这个装置里,如果把挡块装在从动握柄这一侧,会让小齿轮的轴承受到重力,这将导致小齿轮和从动轴的组合部发生松弛。所以,行程的调整要设在齿条的这一侧。
(6) 使用齿条及小齿轮来扩大行程的机构
图中所示,是使用小齿轮外径各异的2组齿条和齿轮组合,它可以让气压缸得到3倍的行程。因为小齿轮2是装在与小齿轮1同样的旋转轴上,所以2个小齿轮的旋转角度是一样的。
我们以行程40mm的气压缸来进行深度探讨。当气压缸移动40mm时,齿条也随之移动40mm。齿条又直接牵引到不齿轮的圆周上,所以小齿轮转一圈的移动量也是40mm。设,当圆周移动40mm的∮D齿轮,它的旋转角度是,就得出公式①:
∮Dx兀x(/360)=40mm 公式①
注: ∮D为齿轮圆周的直径
由于小齿轮2也是旋转相同角度,所以小齿轮2的外周边沿移动量L,就如公式②:
L=3x∮Dx兀x(/360) 公式②
把公式①带入公式②,就得到公式③:
L=3x40mm=120mm 公式③
这也说明了齿条2的行程是齿条1的3倍,也就是120mm。
总结:
齿条与小齿轮,是一种在运动行程范围内,输入动力与输出动力都能够维持一定变换比例关系的均等变换机构。当齿轮产生运动时,小齿轮的外部圆周长度和齿条的直线移动位移距离是等量的。
不论是用马达的旋转运动,还是用气压缸的直线移动来驱动齿条及小齿轮,齿条及小齿轮的输出动力几乎是马达和气压缸的运动特性原貌。
在前面的装填装置事例中,当马达停止后出现超越停止线的部分,那么工件多余的上升量就等同于超越停止线的距离大小。另外,在从动握柄任意摆动角度的机构中,当气压缸的行程未端突然停止的话,它的冲击力道就会直接施加在从动臂杆上面。