第四章、往复、间歇运动机构设计
概述
往复运动机构
间歇运动机构
、概述
一、往复运动机构
往复运动从形式上有往复直线运动、往复摆动、往复曲线运动
和往复复杂运动等几种，其中往复直线运动和往复百度最常
见，应用也最广。
按机构结构特征命名，实现往复运动的常用机构有凸轮机构、
曲柄滑块机构、曲柄摇杆机构等。
利用电磁原理也可实现
往复移动和摆动，在现
代电子产品特别是数字
控制产品中，使用电磁
原理的机构可实现精密
的运动控制，图4-1为
计算机硬盘结构，其寻
道机构的运动控制就是
利用电磁原理实现的。
往复曲线运动通常由连杆机构实现，主要用于有特殊执行动作
要求的连续循环工作机械，如缝纫机的缝纫引线动作、织布机
的编织动作等。
图4-2为两种
实现往复曲线
运动的连杆机
构，可用于实
现缝纫机引线
运动的执行机
构等。
二、间歇运动
间歇运动时机构或机械设备，产品随时间的推移顺次规律地执
行运动和静止，按一定的工作节拍循环作业或完成工序步骤。
图4-3为裹包机执行的工序动作分解图，这些工序需要一定的时间，很难实现连续运动完
成，因此多按间隙运动方式工作。
设计中，将复杂工作分解工序后，需结合各工序的完成时间和顺序安排空间布置，如图4-4
所示，进而采用合适的间歇运动机构实现设计。
实现间歇运动的常见机构主要包括槽轮机构，棘轮机构，圆柱
凸轮机构、欠齿轮机构、连杆机构和各种组合机构等，可分别
实现旋转间歇运动、直线间歇运动、间歇曲线运动及复杂间歇
运动等。
、往复运动机构
一、凸轮机构
基本的凸轮机构由凸
轮和从动杆件组成，
凸轮轮缘与从动件紧
密接触，凸轮为主动
构件，凸轮旋转驱动
从动件作往复直线运
动，如图4-5所示，杆
件上的弹簧是用于保
持杆件与凸轮接触作
用的。
凸轮机构的种类很
多，有不同的性质和
特点，使用于不同情
况。图4-6为在基本
凸轮结构基础上，从
动杆接触端头的常用
变化形式。
凸轮的形式变化
对凸轮机构的功
能、性质影响很
大如图4-7所示。
其中，可调凸轮
是在圆柱滚筒表
面用螺钉安装一
些形成凸轮曲线
的零件，调整、
更换这些零件即
可达到调整凸轮
运动的目的；移
动凸轮用的主动
件运动为移动；
反凸轮是将凸轮
曲线制作在从动
构件上。
在凸轮机构高速运转时，从动件可能存在很大的惯性力，利用
施加于从动部件上的弹簧弹力无法确保凸轮和从动件不脱离接
触。在凸轮上开设沟槽，将从动件端部夹在凸轮沟槽内，可避
免上述现象发生，使凸轮机构准确、稳定、可靠地工作，这种
形式的凸轮机构称为确动凸轮机构。圆柱凸轮、圆锥凸轮、球
面凸轮、盘形槽凸轮、反凸轮等都属于确动凸轮。
将凸轮机构从动构件
解除导向限制，自由
端用活动铰链连接固
定，从动件可实现往
复摆动，如图4-8所示。
图4-9所示的凸轮
机构属于一类特殊
的凸轮机构，称为
圆柱分度凸轮机
构，其输出为间歇
转动，运动准确、
可靠，可实现高速
、精确分度定位。
利用凸轮机构可由简单的转动、移动获得复杂的往复移动、往
复摆动和间歇运动，从动构件的运动规律取决于凸轮曲线形式。
凸轮的应用很广，以下列举几个实例。
图4-10为发动机气
门启闭的实例，凸
轮旋转推动从动杆
件往复移动，杆件
再通过摇臂压迫气
阀开启，气阀的关
闭靠弹簧作用。气
阀的开启、关闭时
间决定凸轮的轮廓
曲线。
图4-11为机床床头
箱变速的操作机构。
两组多联齿轮在变
速时各只有一个进
入传动链作用，共
有六种组合，圆柱
凸轮上有两组曲线
对应控制两组齿
轮，在曲线的不同
位置组合对应六种
齿轮组合状态，圆
柱凸轮与控制手柄
相连，旋转手柄转
到不同的位置则对
应某一速度档位。
图4-12为自动
车床刀架进给
的机械控制机
构。
图4-13为包装
机上纸盒折叠
成形机构应用
凸轮的例子。
图4-14、图4-
15为另外两个
凸轮在机械设
备上的应用实
例。
二、连杆机构
往复运动的常用连杆机构主要有曲柄滑块机构曲柄滑块机构、曲柄摇块曲柄摇块机构
和曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构，分别可实现往复直线运动和摆动。
如图4-16所示，曲柄滑块机构将来自曲柄1的连续转动转换为滑块3的直线往复运动。反过
来，若滑块3作为原动件，曲柄滑块机构可用于将直线移动转化为曲柄1的转动。
如图4-17所示的曲柄摇杆机构，来自曲柄1的转动通过机构转换为摇块3的摆动及杆2的伸缩。
若以杆2的伸缩作源驱动，则可获得杆1的转动和摇块3的摆动。
在具体产品设计应用实践中，应根据具体情况灵活运用基本机
构原理。下面介绍几个具体应用实例。
图4-18的汽车车门启闭机构本质为一曲柄滑块机构，但是曲柄用气缸作为转动的动力源，
车门相当于曲柄滑块机构中的连杆。气缸推动与活塞杆铰接的角形摆杆3绕固定销轴A转
动，滑块C在滑到内移动，作为连杆的车门作平面运动，由关闭位置到开启位置。
图4-19为一种新型曲
柄滑块往复活塞式车
用空压机。该机无连
杆，用以短圆柱形滑
块将曲柄与活塞相
连，滑块随曲轴旋
转，同时在活塞上的
圆筒形导轨上滑动，
迫使活塞作往复运动。
图4-20的手摇唧筒
机构采用的机构属
于曲柄滑块机构的
变种，是将滑块作
为机架，也称之为
曲柄滑块导杆机构。
图4-21载重汽车的自卸结构为曲柄摇块机构的反作用，以连杆（液压缸）为驱动源，曲柄
（车厢）为执行构件。
图4-22的自动送料机构采用标准曲柄滑块机构实现。
图4-23缝纫机的脚
踏机构就是典型的
曲柄摇杆机构应用
实例，踏板摇摆驱
动曲柄杆转动，再
通过固连于曲柄杆
上的皮带轮驱动缝
纫机运动。
图4-24的插齿
机传动系统采
用曲柄摇杆机
构实现插齿刀
的往复直线运
动。
图4-25所示机械式气压测量表采用串接在一起的曲柄滑块机构和曲柄摇块机构构成多杆复
合机构实现测量压力功能。
图4-26的汽车刮水雨
刷装置，为座六杆双
机构1-2-3-4-5-6构成
的六连杆机构带动由
6-7-8-9组成的四连杆
机构运动。两个刮水
板摆杆分别与B0、F处
的轴固连。主动件2回
转时通过杆3、4使杆6
摆动，通过杆7、8使
右边的刮水板同步摆
动。
图4-27的缝纫机针杆
导引装置采用一个复
杂的七杆机构，该机
构从原理上属于0自
由度机构。这个机构
能够工作的前提是，
铰链C的运动轨迹曲
线与直线导路间的偏
差应在移动杆运动副
间隙范围内。
三、其他往复运动机构
很多产品上采
用齿轮齿条传
动机构。用齿
轮座主动件，
则齿条相对于
齿轮作直线运
动，齿条长度
有限，齿条的
运动为往复运
动；反之，齿
条作主动件，
则齿轮作摆
动，如图4-28
所示。
如图4-29所示，在这
种气动机械手结构
中，下面的两个气缸
往复运动，通过齿条
带动齿轮，使机械手
整体摆动；上面的汽
缸伸缩驱动机械手指
摆动，完成夹、放动
作。
、间歇运动机构
按运动方式划分，常用间歇运动可分为间歇直线运动间歇直线运动和间歇转间歇转
动动两种。
间歇转动获得比较方便，槽轮机构棘轮机构、圆柱分度凸轮机
构等都可以可靠地实现间歇转动，甚至还可以使用步进电机等
通过合理的控制方式实现。
直接能够实现间歇直线运动的机构几乎没有，因此通常通过一
定的传动方式将间歇转动转换为直线间歇运动。如直线式自动
生产线，通常由槽轮机构带动链轮，利用链传动，在链条上获
得直线间歇运动。
一、槽轮机构
槽轮机构也称马耳他机构，是分度、转位步进、间歇传动中应
用最普遍的一种机构，特别是在分工序进行作业的自动机、自
动生产线中广泛采用槽轮机构作为运动的基础传动机构。
如图4-30所示，槽轮
机构由槽轮和驱动轮
组成。槽轮机构可实
现将连续运动转换为
间歇旋转运动，转臂
脱离轮槽的行程越
长，间歇的时间比例
越大；槽轮上开槽越
多，间歇频率越高，
在圆周内实现分度位
置越多。
图4-30所示的外槽轮
是槽轮机构的最简单
和基本形式。
图4-31为内槽轮的
结构，其工作原理
与外槽轮相似。
外槽轮主要用于转速较高、间歇短及机构负荷比较重的场合。
内槽轮机构运动内冲击小、动力性能好，适于要求运转平稳的
场合。特殊槽轮主要用于对转、停时间比例有特殊要求及不等
速间歇转动等场合。
图4-32为一种球面槽轮，其转动与间歇时间相等。
图4-33、图4-34所示的两种多销外槽轮动停比为1。
转臂脱离槽轮期间，
槽轮处于停止状态
时，也是自由状态。
对于定位精度要求较
高或存在扰动载荷的
场合，需考虑槽轮的
定位问题。图4-35为
两种配合槽轮使用的
常用定位机构。
下面介绍一些槽轮在实践中的应用实例。
图4-36为槽轮在齿轮磨床上的应用，槽轮机构用于磨齿分度运
动。分度时，电机17的转动经齿轮16、15和蜗杆2、蜗轮3使凸
轮5转动，抬起滚子6和杠杆8，将定位齿块9从分度盘10中拔出。
滚子6在凸轮5表面滑动，凸轮5上的拔销4带动槽轮12回转，经
交换齿轮及齿轮13、14和分度盘10，使工件11转过一个齿。凸
轮5转过180度后，槽轮转过1/6转，定位齿块9在弹簧7作用下重
新插入分度盘10的定位槽中。至此，完成一个齿的分度。
图4-37为一种采用槽
轮机构的重型回转台。
动力由驱动轴1经蜗杆
5同时传递给蜗轮2及
15，两蜗轮分别带动
驱动臂14与凸轮3，凸
轮3经过滚子4控制定
位锁栓6，当6脱开工
作台时，驱动臂带动
驱动销13使槽轮分度
经齿轮传动工作台转
位。
图4-38为录音磁带盒自动包装机中使用的内槽轮步进输送机构。动力传给曲柄5，带动内槽
轮4，经齿轮3使回转盘2作间歇回转。
二、棘轮机构
棘轮机构有棘轮和棘爪组成，如图4-39 。
棘轮机构结构简单、加工制造方便、工作可靠、应用很广。为
防止棘轮逆转，棘爪上安装有弹簧，常见棘轮机构有外啮合外啮合、
内啮合内啮合两种。
当棘轮作为主动件时，棘轮机构为单向转动机构。通常棘轮机
构由棘爪驱动，棘轮实现单向间歇转动。
图4-40为棘轮
机构的常见驱
动方式。
图4-41为几种较特殊的棘爪形式。
图4-42为棘轮机构
用于射砂自动线浇
铸和输送装置的实
例。工作时，气缸
使带有棘爪8的摆杆
10摆动一定角度，
棘爪推动棘轮9及与
之固连的输送辊11
转过一定角度，输
送带完成一次步进。
图4-43为一棘
轮驱动的回转
工作台，适于
从下向上的装
配操纵，工作
速度达每小时
2400次。
图4-44为一种
适合于加工、
组装等作业自
动机或生产线
的启动棘轮步
进传送机构。
其中，气缸通
过齿条、齿轮
驱动棘轮机构
间歇运动，棘
轮再场将运动
传给同轴链
轮，从而使固
于链条上的工
件存放架进行
间歇直线移动。
图4-45为另一种
常见于轻工、包
装自动生产线的
直线转位机构。
其中，气缸为驱
动源，棘轮4上有
摩擦止回装置，
链轮系统有尼龙
张紧滚轮。
三、针轮机构
针轮机构由针轮和星
轮组成，如图4-46所
示。沿圆周装有针销
的称为针轮，具有摆
线齿廓的称为星轮。
一般情况下，针轮是
机构的主动件，作等
速连续转动，星轮作
间歇运动。
针轮机构有内啮合型
和外啮合型之分，常
见外啮合型针轮的种
类如图4-46所示。
针轮机构运转平稳、可靠，在很多涉及瓶、灌类自动生产线上
使用针轮机构实现转位，如啤酒、饮料罐装机和筒、罐类贴标
机等。
图4-47为使用
星轮实现转位
的筒形容器加
盖机构。
图4-48为一利
用星轮的分度
工作装置的送
料机构。
四、不完全齿轮机构
不完全齿轮机构也称欠齿轮机构，由一对特殊设计、加工的齿
轮组成，如图4-49所示。
不完全齿轮机构分为内啮合和外啮合两种类型。图4-49所示的
外啮合机构，主动轮转一周，从动轮反向转90度后停歇，即传
动轮一周有四次停歇；图中的内啮合型机构，主动轮上有两个
齿，主动齿转半周，从动轮同向转45度，即传动轮每周有八次
停歇。
不完全齿轮机构上
设置缓冲装置可改
变其首、末齿啮合
时的传动性，使其
啮合能逐渐加速和
逐渐减速，特别是
在传动速度高或传
动平稳性要求较高
时，图4-50为两种
常用的缓冲装置。
图4-51所示结构为
采用不完全齿轮机
构驱动的间歇回转
工作台，结构简
单，但精度不高，
只能用于轻载作业。
图4-52为一种
采用不完全齿
轮的分度装置。
五、圆柱分度凸轮机构
圆柱分度凸轮运动精度高、运动平稳可靠、动力特性好适用性
强，特别适合于高速、高精度要求的场合。但其加工一般在数
控设备上完成，加工制造精度要求高，成本较高。圆柱分度凸
轮机构的工作原理类似蜗轮蜗杆机构，凸轮相当于一个变螺旋
角弧面蜗杆，因此也称其为蜗杆凸轮机构。
如图4-53所示为垂直交错轴布局的圆柱分度凸轮分度过程图，凸轮轮廓曲线的曲线部分对
应推动滚子的运动分度，直线部分对应从动盘停歇位置。在停歇位置，两个滚子跨夹在凸
轮直线段环面凸脊上，定位稳定，不需要附加定位装置，且可通过调整中心距消除间隙并
施加预紧。
图4-54表示了两种圆
柱分度凸轮圆环定位
面的形式。图4-54（a
）图机构，装盘在停
歇时，相邻两滚子跨
夹在位于凸轮中央的
圆环面上单位，这种
形式最常用，适合于
高速、轻载荷滚子数
较少的场合。图4-54
（b）图机构，转盘停
歇定位环面位于凸轮
的两端并夹着一个滚
子，此形式适合滚子
数较多的中、低速和
中、重载场合。
