制藥機械中槽輪間歇分度機構定位誤差分析

陳生洲

（哈藥集團制藥總廠，哈爾濱 150086）

1 引言

槽輪機構是由槽輪和圓柱銷組成的單向間歇分度機構，又稱為馬兒他機構，其定位采用鎖緊弧面定位。槽輪機構結構簡單，工作可靠，在進入與脫離嚙合時運動較為平穩，能夠準確地控制轉動的角度，然而在槽輪轉動的始末位置加速度變化較大，會產生沖擊，加劇了定位弧與鎖緊弧間的磨損，從而不能滿足其精度的要求。針對出現的問題，本文提出了一些改善鎖緊弧面的措施，取得了一定的效果，同時由于圓柱凸輪分度箱具有獨特的封閉性等優點，也同樣可以保證定位精度的要求。

2 鎖緊弧面磨損對定位精度的影響

（1）鎖緊弧面磨損對槽輪間歇轉角的影響。定位弧是指槽輪機構的定位弧半徑對應的弧，鎖緊弧則是在撥銷處所對應的弧，理論上兩者的參數相同。槽輪機構轉位始末時，角加速度的突變增大，加大了沖擊，從而加劇了定位弧與鎖緊弧間的磨損。撥銷盤的鎖緊弧與槽輪的定位弧交于圖中的p點，其中o1o2與o2p間的夾角為θ，由于磨損量Δr的存在，致使槽輪定位弧轉過了Δθ角度，從而對定位精度產生了一定的影響。

（2）槽輪間歇轉位偏差角度對定位精度的影響。在制藥機械中，通常使用槽輪機構帶動撥盤或工作轉盤進行間歇分度。由于磨損量的存在，導致了槽輪定位弧轉過了Δθ角度，同時也使得回轉軸帶動撥盤或工作轉盤轉過了相同的角度，產生了轉動偏差，從而使得定位點出現了偏差。

圖1 槽輪間歇機構鎖緊面定位弧偏差角度示意圖

3 鎖緊弧面磨損的定位誤差分析

3.1 槽輪間歇分度機構的運動特性分析

由于槽輪間歇分度機構的角加速度隨著槽數的變化而變化，在轉位始末時，速度為零，但角加速度有一個瞬時的突變，從而使得槽輪和其軸上的慣性負荷也有一個突變，這種變化表現為一次振動的沖擊。隨著槽輪槽數的減少，角速度的突變增大，使沖擊加劇。尤其槽輪在轉位末了時，作用在定位弧上的作用力同無因次角加速度成正比。一旦定位弧出現磨損，其沖擊力會使槽輪定位弧克服因磨損而產生的間隙量，進一步增大了槽輪分度轉動角度的偏差量，從而也使得工作盤定位點出現了一定的偏差。

3.2 槽輪間歇分度機構的槽數

由槽輪間歇機構的計算公式可以看出，當槽數較少時，加速度變化較大，慣性力變化也越大，弧的磨損加劇，使得運動平穩性差，反之亦然。因此，設計時槽輪的槽數選擇要合理，槽數太多，使得槽輪的尺寸變大，轉動時槽輪的慣性矩也大，因此，一般選用槽數z=4～8。

3.3 槽輪定位弧與撥銷盤鎖緊弧的材料

通常槽輪的材料為球墨鑄鐵，撥銷盤鎖緊弧材料選用20Cr或者40Cr。根據設計手冊中的要求，槽輪材質的硬度應小于撥銷盤鎖緊弧材料的硬度，這樣使得在間歇回轉的過程中，材質較硬的鎖緊弧面有助于提高較軟定位弧的疲勞強度。

3.4 槽輪間歇分度機構的裝配問題

由于槽輪的角加速度變化較大，并且在槽輪運動的前半段，由于角速度是增加的，因此，角加速度為正值；而在槽輪運動的后半段，角速度是較小的，角加速度為負值。由于圓銷進槽和出槽的位置對稱，所以槽輪轉位始末的角加速度的數值相同，方向相反。由于槽輪槽寬尺寸公差較大，易使槽輪與圓銷間出現間隙，會產生沖擊，從而加速定位弧的磨損。同時槽輪弧面的表面粗糙度值較大，從而對弧面的抗磨性也會產生一定的影響。

4 槽輪間歇分度機構鎖緊弧面磨損的改善措施

（1）減小圓銷對槽輪的沖擊。為了能進一步消除圓銷與槽輪間的間隙，以減小圓銷進入槽輪時的沖擊，設計時應使槽輪的實際外圓半徑略大于槽輪理論計算的外圓半徑。同時，合理設計槽輪的尺寸以及用材的比重，這樣可以有效地減小槽輪的轉動慣量，從而減小了沖擊。

（2）合理匹配槽輪與撥銷盤硬度間差值。根據機械設計手冊所推薦，一般槽輪定位弧的硬度要低于撥銷盤鎖緊弧的硬度，兩者洛氏硬度值相差10～20HRC，這樣可以提高其接觸處的疲勞壽命。

（3）提高槽輪與撥銷盤的制造精度。一般槽輪定位弧與撥銷盤鎖緊弧的表面粗糙度Ra1.6～Ra0.8，由于表面粗糙度與一定的尺寸和形位公差有關，可以對兩者弧面的圓度、平行度以及位置度提出要求，以降低其表面粗糙度的值。

（4）利用錐面定位弧與鎖緊弧的配合結構。當弧面出現磨損時，可以利用錐面定位弧與鎖緊弧的配合結構，即通過使用減薄的墊片來達到調整定位弧與鎖緊弧間間隙的目的，從而滿足定位精度的要求。

5 圓柱凸輪分度箱的特點

由于槽輪間歇分度機構在工作過程中，不可避免地存在著沖擊，尤其當轉速高于一定值時，因動載荷相對較大，造成的沖擊和磨損更加嚴重，從而不能滿足定位精度的要求，然而圓柱凸輪分度箱的諸多優點越來越適合于現代高速發展的制藥機械中，其特點為：（1）可以記錄下任意位置時的轉位時間與靜止時間之比。（2）可以保證轉盤所有能實現的運動規律。（3）在能夠保證較多工位數的前提下，不需要額外的傳動機構。（4）圓柱凸輪分度箱中凸輪棱邊的定位可以有效保證其定位的精度，不必另加其它的定位裝置。（5）圓柱凸輪分度箱的結構相對簡單，另外其剛度也能滿足正常工作的要求。

6 結論

槽輪間隙分度機構是制藥機械中廣泛使用的一種分度機構。本文詳細分析了槽輪間歇分度機鉤定位弧與撥銷盤鎖緊弧因磨損產生的間隙問題，并且提出了幾種補救措施，然而并不能從根本上消除磨損產生的影響。文中介紹了圓柱凸輪分度箱的諸多特點，圓柱凸輪分度箱彌補了槽輪間隙分度機構的不足之處，不僅滿足了精度的要求，而且也大大提高了生產效率，因此，圓柱凸輪分度箱更加適合于現代制藥機械之中。

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