我的毕设

齿轮-连杆组合机构的特性分

析及应用

学生姓名 梁子 学 号 1142525

专 业 机械工程及自动化 (机电一体化专业)

指导教师 张小莉

完成日期 2001年6月30 日

毕业设计（论文）任务书

I

指导教师

张小莉

课题名称 齿轮-连杆组合机构的特性分析及应用 作业期限 4 月 1 日起 7 月 8 日止 接受单位 学生姓名 杜昆 学 号 01122406 所在专业 机械工程及自动化（机电一体化）

上海理工大学

二O 0 一 年 三 月 二十 日

(一)课题来源、意义与主要内容：（注明自拟、科研、科技服务类别及任务提出单位） II

本课题源自上海精美印刷机械有限公司。鉴于组合机构容易实现多种复杂的运动规律、运动轨迹，因此在印刷机械中得到了广泛的应用。随着印刷机械的运转速度提高，采用解析法分析齿轮-连杆机构的运动和动力特性显得非常必要，而且可为今后进行印刷机械的振动力学研究打下一定的技术理论基础，以满足现代印刷机的工作、印刷质量要求。 (二)目的要求和主要技术指标: 1.了解组合机构、齿轮-连杆机构的分类、应用； 2.掌握齿轮-连杆机构的分析原理、方法； 3.对三轮四杆机构进行实例分析、计算； 4.编制程序，进行动态演示。 (三)进度计划: 4.1—4.15. 收集资料； 4.16—4.30. 初步确定设计方案； 5.1—5.15. 对机构进行分析、综合； 5.16—5.31. 对机构实例进行分析、计算； 6.1—6.15. 编制动态演示程序； 6.16—7.5. 写论文，准备答辩。 (四) 主要文献、资料和参考书： [1]华大年 唐立伟，机构分析与设计，北京:纺织工业出版社 III

[2]洪允楣，机构设计的组合与变异方法，北京:机械工业出版社 [3]熊弟霖，自动机械机构学，北京:国防工业出版社 [4]常用机构的原理和应用，《常用机构的原理和应用》编委会 （五）审批意见： 教研室主任（副主任） 系主任（副主任） 20 年 月 日 20 年 月 日 （六）学生意见 学生签名 20 年 月 日 （七）课题变动情况： 负责人 20 年 月 日 （八）注意事项： 1. 本任务书一式三份。（一）、（二）、（三）、（四）各项一般应在毕业作业开始前二周由指导教师认真填写，经教研室主任审查报系主任批准后，一份留系备查，一份由指导教师保存，一份下达给学生。 2. 学生应在导师指导下，根据本任务书的要求具体制订实施计划，并积极完成任务。 3. 课题内容如有变动，需经所属系或接受单位负责人同意。 IV

摘 要

为了满足现代工程对机械运动形式、运动规律和动力性能等方面多样化和复杂性的高要求，只有采用组合机构才能避开基本机构性能的局限性而综合应用和发挥他们各自的特点，从而达到上述要求。为此本文主要对实际应用较广泛的组合机构之一—齿轮-连杆机构进行结构分析和研究，以及对此机构的应用之一印刷机的输纸变速机构进行结构运动分析和初步设计。

研究内容主要包括：

1.组合机构、齿轮－连杆机构的分类，应用

2.齿轮－连杆机构及其应用之一—印刷机械的原理和结构 3.三轮四杆机构的实例分析，计算 4.单张纸印刷机输纸变速机构的分析和设计

[关键词] 齿轮-连杆 运动分析 印刷机 瞬时停歇

机构设计

V

Abstract

For satisfying the modern engineering to exercise to the machine high request of the aspects such as form、the sport regulation and the motive function etc. diversification and complexity，only adopting the mechanism organization then can avert from the limitation of basic mechanism function and attain the above-mentioned request.For this text is mainly on the structure analysis and researches to to one of the more extensively applied combination mechanisms—gear weel-connects the pole mechanism,

and is also on structure motion analysis and initial design to one of the applications of this mechanism—the mechanism which transport papers and can switch the velocity in printing machine.

The contents of the study mainly include:

1.The classification and application of combination mechanism and the gear weel-connects the pole mechanism

2.The principle and structure of the gear weel-connects the pole mechanism and one of its applications—the printing machine

3. The solid example analysis and calculation on the “three wheel four pole”mechanism

4.The analysis and design to the mechanism which

transport papers and can switch the velocity in the “single paper” printing machine

[Keywords] gear weel-connects the pole sport analysis

printing machine stop in a moment the mechanism design

VI

目 录

摘 要 .............................................................................................V Abstract ............................................................................................. VI 目 录 .......................................................................................... VII 0.前言 ................................................................................................. 1 第一章 组合机构概述 ..................................................................... 2

1．1组合机构的定义 ................................................................. 2 1．2机构的组合方式 ................................................................. 2 1．3组合机构的类型及功能 ..................................................... 4 第二章 齿轮-连杆组合机构 ........................................................... 6

2.1齿轮-连杆机构的组成规律 ................................................. 6 2.2齿轮-连杆组合机构的分类及应用 ..................................... 7

2.2.1齿轮-连杆机构的分类 .............................................. 7 2.2.2齿轮-连杆机构的应用 .............................................. 9

第三章 齿轮-连杆组合机构应用之一——印刷机 ..................... 13

3.1印刷机械概述及国内外发展 ............................................. 13

3.1.1印刷机的发展 .......................................................... 13 3.1.2我国印刷机械行业发展概况 .................................. 18 3.2印刷机的组成及分类 ......................................................... 21

3.2.1印刷机的组成 .......................................................... 21 3.2.2印刷机的种类 .......................................................... 22 3.3单张纸印刷机的组成装置 ................................................. 24

3.3.1单张纸印刷机的相关组成 ...................................... 24 3.3.2单张纸印刷机中齿轮-连杆组合机构的应用——输纸变速机构 ......................................................................... 28

第四章 三轮四杆组合机构的分析与设计 ................................... 30

4.1实现I=1变速回转运动的齿轮-曲柄摇杆机构设计 ....... 30

4.1.1具体机构的运动分析 .............................................. 30 4.1.2机构运动性质 .......................................................... 34 4.1.3关于改变机构相关尺寸从而改变机构运动性质的讨论 ..................................................................................... 39 4.1.4机构设计 .................................................................. 41 4.2单张纸印刷机齿轮-连杆变速机构的运动分析及设计 ... 47

4.2.1机构的运动分析 ...................................................... 47 4.2.2输出有一次暂时停顿的三轮四杆机构的设计 ...... 53

VII

4.2.3单张纸印刷机中输纸变速机构的具体设计 .......... 55

第五章 结论 ................................................................................... 58 鸣谢 ................................................................................................... 59 参考文献 ........................................................................................... 60

VIII

0.前言

本课题意义及主要研究内容：

由于现代工程对机械运动形式、运动规律和动力性能等方面要求的多样化和复杂性，以及各种基本机构性能的局限性，使得仅采用某种基本机构往往不能很好地满足设计要求。而利用组合机构能满足上述要求，而且能综合应用和发挥各种基本机构的特点，所以在印刷机械中得到了一定的采用。随着印刷机械的运转速度提高，采用解析法分析齿轮－连杆机构的运动和动力特性显得非常必要，而且可为今后进行印刷机械的振动力学研究打下一定的技术理论基础，以满足现代印刷机械的工作、印刷质量要求。齿轮-连杆机构由于其运动特性地多样性和组成它的齿轮和连杆便于加工、精度易保证和运转可靠，在工程实际中应用日渐广泛。齿轮连杆机构能实现多种复杂的运动，包括：实现大摆角运动、近似停歇运动、近似等速运动、瞬时停歇或后退的步进运动等。

本文主要研究内容如下：

⒈组合机构、齿轮－连杆机构的分类，应用；

⒉齿轮－连杆机构及其应用之一-印刷机械的原理和结构； ⒊三轮四杆机构的实例分析，计算； ⒋单张纸印刷机输纸变速机构的分析和设计。

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第一章 组合机构概述

1．1组合机构的定义

随着科学技术的日益进步和工业生产的迅猛发展，对生产过程的机械化和自动化程度的要求愈来愈高，许多过去用手工完成的复杂工作，迫切需要用机械来实现。单一的基本机构往往由于其本身所固有的局限性而无法满足多方面的要求。为了满足生产发展所提出的许多新的更高的要求，人们尝试将各种基本机构进行适当的组合，使各基本机构既能发挥其特长，又能避免其本身固有的局限性，从而形成结构简单、设计方便、性能优良的机构系统，以满足生产中所提出的多种要求和提高生产的自动化程度。

通常所说的组合机构，指的是用一种机构去约束和影响另一个多自由度机构所形成的封闭式机构系统，或者是由几种基本机构有机联系，互相协调和配合所组成的机构系统。

1．2机构的组合方式

机构有多种组合方式。在机构组合系统中，单个的基本机构称为组合系统的子机构。常见的机构组合方式有以下几种。 1．串联式组合 在机构组合系统中，若前一级子机构的输出构件位即为后一级子构的输入构件，则这种组合方式称为串联式组合（如图1-1）。

输入 图1-1 子机构I子机构II输出 2 2．并联式组合

在机构组合系统中，若几个机构共用同一个输入构件，而他们的输出运动又同时输入给一个多自由度的子机构，从而形成一个自由度为1的机构系统，则这种组合方式称为并联式组合（如图1-2） 子机构I输入子机构II子机构III输出。 图1-2 3．反馈式组合

在机构组合系统中，若其多自由度子机构的一个输入运动是通过单自由度子机构从该多自由度子机构的输出构件回授的，则这种组合方式称为反馈式组合（如图1-3）。

输入子机构I输出子机构II 图1-3 4．复合式组合

在机构组合系统，若由一个或几个串联的基本构件去封闭一个具有两个或多个自由度的基本机构，则这种组合方式称为复合

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式组合。在这种组合方式中，各种基本机构有机连接，互相依存，所以它与串联式组合和并联式组合都既有共同之处，又有不同之处（如图1-4）。 输入子机构I子机构II输出 图1-4 1．3组合机构的类型及功能

组合机构类型多种多样，常用的几种特点及功能如下。 1．联动凸轮组合机构

在许多自动机和自动机床中，为了实现预定的运动轨迹，常采用由两个凸轮机组成的所谓联动凸轮组合机构。 2．凸轮-连杆组合机构

凸轮-连杆组合机构是由自由度为2的连杆机构（作为基础机构）和自由度为1的凸轮机构（作为附加机构）组合而成。这种机构既发挥了两种基本机构的特长，又克服了它们各自的局限性。单一的连杆机构很难准确地实现任意复杂的预定运动规律，单一的凸轮机构也不能使从动件作整周回转，而利用上述组合机构，既实现了从动件的整周回转，又准确地实现了工作要求的复杂运动规律。这正是凸轮-连杆组合机构在工程实际中得到日益广泛应用的原因之一。

3．齿轮-连杆组合机构

齿轮-连杆组合机构是由定传动比的齿轮机构和变传动比的连杆机构组合而成。近年来，这类组合机构在工程实际中应用日

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渐广泛，这不仅是由于其运动特性多种多样，还因为组成它的齿轮和连杆便于加工、精度易保证和运转可靠。

4．凸轮-齿轮组合机构

凸轮-齿轮组合机构多是由自由度为2的差动轮系和自由度为1的凸轮机构组合而成。其中，差动轮系为基础机构，凸轮机构为附加机构，即用凸轮机构将差动轮系的两个自由度约束掉一个，从而形成自由度为1的机构系统。

凸轮-齿轮组合机构多用来使从动件产生多种复杂运动规律的转动。例如，在输入轴等速转动的情况下，可使输出轴按一定的规律作周期性的增速、减速、反转和步进运动；也可使从动件实现具有任意停歇时间的间歇运动；还可以实现机械传动校正装置中所要求的特殊的补偿运动等。

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第二章 齿轮-连杆组合机构

2.1齿轮-连杆机构的组成规律

齿轮-连杆机构是在连杆机构上装载齿轮的结果，它们都属封闭式或装载式组合机构。装在连杆机构上依次啮合的一串齿轮简称齿轮串。这些齿轮应如何装在连杆机构上，齿轮与连杆机构的构件是否要固联，应该怎样固联，固联齿轮的个数和齿轮串数与组合机构自由度数目的关系等问题讨论如下：

1.由于连杆机构各构件间都有相对运动，为了使装在各构件上的齿轮能始终保持啮合，齿轮应装在连杆机构转动副中心的销轴上。

2.在连杆机构上，按上述方法装有一个依次啮合的齿轮串，由于一般组合机构的自由度希望等于1，所以总需要有齿轮与连杆机构的构件相固联。

3.固联的齿轮必须是齿轮串两端的齿轮。

4.一个齿轮串最多可以有两个端部齿轮与连杆机构的构件固联。设一个齿轮串中固联的端部齿轮的个数为R，则在连杆机构的活动构件和连接它们的运动副外，由于装有一个齿轮串，又增加了（J-R）个活动构件，此处J为一个齿轮串的齿轮个数。(J-R)个低副和(J-1)个高副，于是自由度的增减值△F=3*（J-R）-2*(J-R)-(J-1),即△F=1-R。由此知，△F与一个齿轮串中齿轮的个数J无关，仅与固联的端部齿轮的个数R有关：

当R=0时，△F=1； 当R=1时，△F=0； 当R=2时，△F=-1。

（1）如被装载的连杆机构是自由度为1的四杆机构，若装R=0的一个齿轮串，则齿轮-连杆机构的自由度为2；若装R=2的一个齿轮串，则齿轮-连杆的自由度为0。故只能装载仅1个端部

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齿轮固联即R=1的齿轮串，才不影响原有机构的自由度。

（2）如被装载的连杆机构是自由度为2的五杆机构，则需要采用一个两端齿轮都固联即R=2的齿轮串。

(3)如被装载的连杆机构是自由度为3的6杆机构，则需要采用两个两端部齿轮都固联即R=2的齿轮串。

2.2齿轮-连杆组合机构的分类及应用

2.2.1齿轮-连杆机构的分类

齿轮-连杆组合机构可分为以下两大类： 1.实现复杂运动轨迹的齿轮-连杆组合机构

这类组合机构多是由自由度为2的连杆机构作为基础机构，自由度为1的齿轮机构作为附加机构组合而成。利用这类组合机构的连杆曲线，可方便地实现工作所要求的预定轨迹。

图2-1所示为工程实际中常用来实现复杂运动轨迹的一种齿轮-连杆组合机构，它是由定轴轮系1，4，5和自由度为2的五杆机构1，2，3，4，5经复合式组合而成。当改变两轮的传动比、相对相位角和各杆长度时，连杆上M点即可描绘出不同的轨迹。

M2345 图2-1

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2.实现复杂运动规律的齿轮-连杆组合机构

这类组合机构多是以自由度为2的差动轮系为基础机构，以自由度为1的连杆机构为附加机构组合而成。其中最具特色的是用曲柄摇杆机构来封闭自由度为2的差动轮系而形成的齿轮-连杆组合机构。 22B1W1A4D3C 图2-2 图2-2所示为一典型的两轮式齿轮-连杆组合机构。其基础机构为自由度为2的差动轮系（由齿轮5，2和系杆1组成），其附加机构为四杆机构（由构件1，2，3，4组成）。行星轮2与连杆2固联，中心轮5与曲柄1共轴线并且可分别转动，曲柄1同时充当差动轮系的系杆。

1由于 i525151z2

2121z5故 5z5z2z122 z5z5式中，2为连杆2的角速度，其值随四杆机构的运动作周期性变化。

由上式可以看出：当曲柄1等速度转动时，从动齿轮5作非

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匀速转动。其角速度5由两部分组成：一部分为等角速度部分

zz5z21，另一部分为周期性变化的角速度22。改变机构各z5z5构件的尺寸和两轮的齿数，就可使从动轮5获得各种不同的运动规律，在某种条件下，从动轮可以实现瞬时停歇。

2.2.2齿轮-连杆机构的应用

齿轮-连杆机构可实现及其多样的运动，因此引起机械设计者的兴趣。它与凸轮-齿轮机构相比，由于没有凸轮，制造方便，为人们乐于采用。它应用于如下多个方面。

一、实现变速回转运动

（1）单向变速运动。（2）短暂停歇的步进运动，它广泛应用于自动机的物料间歇供送，如冲床的间隙送料机构和包糖机的送纸和送糖条机构等，因为冲压零件、剪断纸和糖都只需短暂停歇一小段时间便能完成。

图2-3

如图2-3所示，此雪糕包装机的间歇输送链道就是应用齿轮

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连杆机构即三轮四杆机构来完成的。输送链道1将雪糕2送至推板3处时，由推板垂直拨入包装材料4中，热封包装。推板要把雪糕从链道上推入正在成型的包装材料中，就需要链道在推板处把雪糕从链道推出的这段时间内停止运动。即要求输出链道做间歇运动。

（3）长时间近似停歇的步进运动。（4）具有后退的步进运动。 二、实现定传动比的等速回转运动

摆线针轮行星减速器便是齿轮-连杆机构实现大定传动比回转运动的应用实例。

三、实现大摆角、大行程和一端停歇的往复运动 （一）实现大摆角

设计曲柄摇杆机构时，因许用传动角的关系，摇杆的摆角受到限制。在其上装有齿轮成如图2-4所示的齿轮-连杆机构后，输出齿轮5的摆角便会比摆杆3的摆角成倍增大。 2354 图2-4 （二）实现大行程

（三）实现一端停歇的往复运动

齿轮-连杆滑块组合机构如图2-5所示，它是由0-1-2-3-4-5五杆机构为基础机构与行星轮123混联而成的组合机构，从图 可以看出由于行星轮做平面复合运动，其上每一点都具有不同的轨

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迹和运动规律，当行星轮在内齿轮上作纯滚动时，节圆上一点形成内摆线。如内齿轮3的节圆直径为行星轮节圆直径的3倍时，行星轮节圆上一点的轨迹形成三支内摆线，图上双点划线表示，每支摆线

图2-5

近似一圆弧，如取连杆4的长度等于该圆弧的半径，即滑块5的铰链中心正处于圆弧中心时，滑块将作较长时期的近似停歇。随着生产机械化、自动化程度不断提高，间隙运动和不均匀运动是不可缺少的要求，这种机构可以实现单向步进运动和带反向的步进运动，周期性的不均匀运动，因此引用日益广泛。

图2-6

目前在机械中广泛采用的间歇机构，基本上都属于主动件回转

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一周，从动件实现一次或几次停歇，其停歇时间较短，运动系数较大。然而，随着科学技术的发展以及生产实际的需要，也将伴随出现一些要求主动件工作多次，而从动件工作一次的机器。特别是一次成型铸件产品机械，铸件需要较长的保压时间，这样就要求采用一种停歇时间较长的新型机构。

如图2-6所示，这是一种由四杆机构、齿轮机构和不完全齿轮机构等根据运动要求组成的一种新型组合机构—定传动比停歇机构，它的突出特点是可以实现工作机输出构件任意时间的停歇。

四、实现两连架杆数对对应位置和再现函数 2345 图2-7 齿轮-五杆机构 如图2-7所示，齿轮-连杆机构在实现构件1和4的数对对应位置时，与自由度为1的铰链四杆机构相比有较多的设计变量，故能满足较多对的精确位置。

五、近似实现给定的轨迹 六、实现刚体导引

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第三章 齿轮-连杆组合机构应用之一——

印刷机

3.1印刷机械概述及国内外发展

3.1.1印刷机的发展

印刷术是我国古代四大发明之一，对人类的文明、社会的进

步做出了巨大贡献。印刷是信息交流、传播文化和科技知识的手段，同时也是一个国家的重要的宣传工具，它与人们的日常生活密切相关。印刷工业是一个朝阳产业，不会衰落。 印刷工业的发展水平可以看成是一个国家经济发达和精神文明程度的标志。在发达国家，印刷工业产值按工业产值排位，均排在前十位，其产值占国民经济总产值的1%以上。因此，印刷工业不仅本身创造了经济利益，而且为推动本国及其其他国家的经济发展，促进商业销售，对内对外交流做出了重要贡献。

在印刷发展史上，凸版印刷是最先使用的印刷方法，自1439年德国人谷登堡作出了世界上第一台印刷机——凸版印刷机（属垂直螺旋手板式的凸版印刷机），经过5个多世纪的不断摸索、研究和发展，已经形成了凸版、平板、凹版等主要类型的传统印刷机。随着近代的电子技术、计算机技术、光电技术、信息技术、网络技术等迅猛发展，又产生了不同于传统印刷机概念的数字印刷机。

1.凸版印刷机

凸版印刷机包括柔性版印刷机，所用印版的图文部分高于空白部分。印刷过程中，先有着墨辊把油墨涂布于印版的图文部分，然后通过压力作用，使印版图文部分直接与承印物接触，图文部

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分的油墨便转印到承印物表面。所以凸版印刷机采用直接印刷方式。

凸版印刷机在20世纪60年代以前一直占据着印刷工业的主导地位。随着印刷的发展、社会的进步，以活字（铅字）版、铅版、铜版、锌版等为印版的凸版印刷机，由于印刷的制版和装版工艺复杂、生产周期长、印刷压力大、印刷速度低，这类印刷机已被淘汰，有的已搬进了印刷博物馆。但是以橡皮版、塑料版、感光版（如树脂版、尼龙版）等作为印刷的凸版印刷机即柔性印刷机，由于板材版面的柔软性、传墨性、稳定性比较好，制版速度快，制版精度、分辨率高，操作方便，生产成本低，印刷速度快，承印材料也由纸张发展到软包装方面的塑料薄膜、铝箔、玻璃纸等材料，因此柔性版印刷机一跃成为新的凸版印刷机出现在包装印刷领域里，发展趋势十分好。

2.平板印刷机

平板印刷机是一种将印版上的图文先印在中间载体（橡皮布滚筒）上，再转印到承印物上的间接印刷方式的印刷机。它的印版图文部分与空白部分几乎处于同一平面，利用油、水不相容的自然规律，通过对版材的技术处理，使图文部分亲油疏水。空白部分亲水疏油。印刷过程中先用水辊润湿版面，再由墨辊对图文部分上墨。

1797年德国人塞纳菲尔德制成的世界上第一台平版印刷机采用直接印刷的方式，经过70多年的发展，变为采用橡皮布作为中间载体的间接印刷方式，一直延续到现在。由于平版印刷机印版的制作、装版工艺简单，操作方便，又采用间接印刷的方式，以较小的压力就能获得结实、清晰的印迹，印刷速度快，效率高，印刷质量好，因此平版占整个印刷机数量的比例是最大的，得到了空前的发展。平版印刷机利用油、水不相溶的规律，在实际印刷生产过程中，会产生油墨的乳化、纸张伸缩等现象，这对印刷质量带来了不良影响。近30年来，人们发明了无水平版印刷机，是在印刷上用斥墨的硅橡胶层作为印刷空白部分，不需润版液，

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用特制油墨印刷的一种平版印刷方式的印刷机。这种印刷机印刷的产品，印刷质量得到了进一步提高，但油墨、印版是专用的，成本较高。

胶印机一般指平版印刷机，是印版滚筒通过橡皮布滚筒（即胶皮滚筒）将图文转印在承印物上进行印刷的。随着印刷机的发展，有的凸版、凹版印刷机也采用了橡皮布滚筒，有时也被称作胶印机。

3.凹版印刷机

凹版印刷机所用印版的图文部分低于印版版面。印刷过程中，首先使整个印版着墨，然后用刮墨刀将版面（空白部分）的油墨挂出，只留图文部分的油墨。印版版面直接于承印物接触，通过压力作用，使图文的油墨转印到承印物的表面，它采用直接印刷的方式。

凹版印刷术技术大约在1430年被发明，约在1910年后推广使用。凹版印刷的印刷品色彩鲜艳，墨层厚实，印版耐印率高，但印版滚筒的制作工艺复杂，周期长，成本高，而且它是以有机溶剂为原料的油墨，污染环境，发展受到制约。

4.孔版印刷机

孔版印刷机所用印版的图文由大小不同或大小相同但数量不等的孔洞或网眼组成。印刷时，在压力的作用下，油墨透过空洞或网眼印到承印物的表面。

孔版印刷是一种古老的印刷方式，它包括丝网印刷、眷写版印刷、打字蜡版印刷、镂空版印刷，最常用的是丝网印刷机，它能在不同的材料和成品上印刷图文，印刷品上的墨层厚，印刷幅面大。丝网印刷机也得到了一定的发展。

5.特种印刷机

特种印刷机采用不同于一般制版、印刷、印后加工方式和材料，生产供特殊用途的印刷方式之总和的印刷机。按工艺原理、承印材料、印刷品种类可分为：热转印机、发泡印刷机、软管印刷机、曲面印刷机、贴花印刷机、液晶印刷机、磁性印刷机、立

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体印刷机、盲文印刷机、全息印刷机、移印机、木刻水印机、拓印机等。

6.数字印刷机

数字印刷机是利用数字技术将数字化的图文信息转移到承印物上的印刷机。

随着电子计算机与通讯技术的高度发达，导致传统印刷业的“面目全非”。印前工艺率先与电子技术接轨，引发了印前技术的彻底革命，而且至今意犹未尽，新系统不断被推出，品质不断提高。DTP已成为印前工序的代名词，印前革命的成功可谓是一石激起千层浪。95Drupa展览会掀起的又一浪将是开创印刷新领域的全新的数字印刷机。

这些数字印刷机，一旦输入经由Mac等DTP系统处理的数字数据，既能瞬间输出印刷物而无需经过制版工序。这确是革新之梦寐以求的印刷机械。当然这些数字印刷机目前尚不可能完全代替传统的印刷方式，印刷质量虽已可以达到某一程度，但仍不能与胶印、凹印的水平同质而语，还未能用于高级产品及书籍等的领域。此外印刷速度也还有待提高，可是数字印刷机的出现无疑是开拓了一个全新的印刷市场。

很快的，以色列的E print、爱克发公司的Chroma press、比利时Xeikon公司的DCP-1都成为较成熟的产品，可以大量稳定输出。紧接着，新一代数字化胶印轮转机随着数字技术革命出现了。今后的印刷机械由于数字技术而更趋高速化及大大缩短准备时间，因此纳入由电子计算机综合管理的生产计划系统而得到统一管理。即未来的印刷机将是数字化的高速自动化机械。具备如此形象的胶印轮转印刷机最近已取得成功，并已投入生产。

新一代的Sunday Press胶印轮转机，最高速度为每分钟3000英尺，比以往的印刷机速度提高了50%，纸幅也扩大了50%。生产率提高2倍以上。为了实现这个目标，必须全面引进数字技术。

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主要特点如下： （1）无间隙橡皮滚筒

为了在高速运转下实现无振动，采用管状的橡皮布，成为无间隙胶印轮转机。正因如此，每分钟3000英尺的高速运转才成为可能。同时，以前总有10mm左右印刷不到的部分，缩小到仅只有印刷滚筒1.5mm间隙无法印刷到而已，可大大节约用纸。

（2）宽幅化与带式折页机

实现幅宽为传统机的1.5倍，开发了将切纸迭成三列后裁切的带式折页机，可高速输出。

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（3）数字式无轴驱动

迄今为止的印刷机在传动部的下侧都安装着一根驱动轴。然而Sunday Press中安装有多个定时马达，以数字化替代了传动轴。一般印刷机的输纸部、印刷机组、冷却辊、折页机都由一根主轴连接，因而易发生扭转振动。而Sunday Press上述各部都是分别驱动，都由各个数字控制的马达传动。

数字化无轴传动的优点之一就是能消除由于扭转振动引起的重影故障，另一个顺带的优点即是张力控制能力，全机的张力能始终保持在100磅左右。

（4）数字控制自动化

Sunday Press胶印轮转应用数字化技术，使机器达到高度的自动化，印版交换、橡皮布清洗、续纸、张力控制、折页带控制装置等都自动进行。印前部门开始的数字革命，带来了数字印刷机、数字化加工机的登场，不久的将来就会进入用数字信息综合管理这些机器、管理从业务部门、生产直到发货的时代。

3.1.2我国印刷机械行业发展概况

改革开放以来，我国国民经济的迅速增长与人民生活的不断提高，促进了印刷业快速发展，同时也带动了印刷机械产业的快速增长。印刷机械制造业在国家“印刷专项技术改造计划”支持下，产业规模成倍增长，不但满足了日益增长的市场需求，而且产品的科技水平也取得了长足发展。我国印刷机械产业在快速发展的同时，要认清印刷机械科技发展的走势，认真适时制定应对措施，进一步满足市场对高档印刷机械设备的迫切需求，缩小与国外印刷机械产品的差距，努力扩大印刷机械在国内、国际的市场份额，努力开创印刷机械制造业的新局面。

根据我国印刷机械制造业现状，印刷机械科技发展趋势可以从发展性和传统性两方面分析如下:

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1.网络化印刷工作流程已经启动

网络化印刷工作流程是通过若干个供应商的解决方案推动集成化生产的过程。该项工作方式利用一个开放式的结构网络化、自动化的设备通过开放式的标准智能集成，采用工业标准JOF和PDF (便携式文档格式)实现信息无缝流动并智能地通过各个系统，从而实现从桌面设计到印刷车间地面，使印品的全部设计信息借助网络由出版社、广告公司或制作中心跨时空、跨地区传递到直接制版机、印刷机及印后设备。 2.CTP技术代表印刷设备发展方向

CTP术包括3个概念，即计算机—纸(computer to paper)，计算机—版(computer to plate)计算机—印刷机(computer to press)。西方发达国家已相继批量生产由CTP技术研发出的直接制版机、直接打样机、数字印刷机和喷墨印刷机。我国CTP设备仍在研发阶段，虽然沈阳博集、大华通、东方通信、营口冠华、北京四通、北京多元等企业已经推出直接制版机样机，但与之配套的激光成像系统、特殊版材、专用油墨开发滞后，因此CTP技术产业化还有一段较长的路程。国际CTP技术的产业化，将对我国传统印刷机械设备产生强大的冲击。 3.绿色环保印刷方式市场扩大

柔性版印刷是凸版印刷方式它的产生是在解决感光树脂版材及制版设备、水性油墨、网纹辊及其雕刻设备之后发展起来的。柔性版印刷机是一条以柔性版印刷为主集多种印刷方式和辅助功能为一体的自动生产线。它的试制成功主要解决了柔性版印刷和上光涂布、丝网印刷、纵横模切、烫金的组合配置，能够一次完成特定商标、折叠纸盒、软包装产品的生产要求。这种设备没有水墨平衡问题，墨路相对简单，定量传墨、水性油墨符合绿色环保要求。

国内柔性版印刷机现在主要用于折叠纸盒、瓦楞纸箱、纸袋商标及标签的包装印刷，国外已经向新闻出版、软包装领域拓展，尤其是欧美地区，60%的报纸印刷采用了柔性版印刷，在这个领域

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我国还是空白，应该积极组织柔性版报版印刷机的研制开发。

4.印刷机械工作效率不断提高 ①自动化水平提高

②印刷机械运转速度普遍提高 ③无轴技术广泛应用 5.印刷机械产品工作精度提高

随着数控技术的发展，印刷机械产品的工作精度和零部件的加工精度有很大提高。有关单位检测国外产品得到有关数据表明:印版滚筒、橡皮滚筒、压印滚筒装配后相互间平行度、径向跳动已经达到O.001-0.003毫米，机组间套印精度已经达到0.01毫米，而国内产品一般是这个精度的10倍。印钞、印邮票设备均采用高精度纸凹印机,现在造币厂、邮票厂印刷主要设备一直依赖进口，国内只能提供胶印和打号设备。

我国属于发展中国家，经济发达地区与落后地区的市场需求不同，因而形成了大量进口印刷机械占领高档印刷市场，国产印刷机供应中低档市场的局面。可以预测，这一状况将继续维持较长一段时期，这说明我国印刷机械制造业赶上国际先进水平还有较为广阔的市场空间和时间。但是从现在起，有关政府部门及行业领导应当高度重视，充分认识问题的严重性与迫切性通过认真规划，采取切实有效措施，使我国印机制造业无论在质量上还是机型上都能不断缩小与世界先进水平的差距，最终改变高档印刷机械依赖进口的局面。

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3.2印刷机的组成及分类

3.2.1印刷机的组成

一、印刷机的组成 1.按机器本身性能来分

（1）原动部分 是提供印刷机运转所需的功率和运动的动力来源。现代印刷机的原动机均采用可控硅直流调速电动机，能在额定的转速范围内，进行无级调速，满足印刷机转速选择的需要。 （2）传动部分 是将电动机输出的功率及转动传递到印刷机工作部分的中间装置。印刷机的工作部分由许多装置组成，需采用多种形式的传动（如皮带传动、链传动、齿轮传动等）改变转速；用凸轮机构、连杆机构等改变运动形式，以实现工作部分中各种机件所需要的机械运动。

（3）工作部分 是直接完成印刷工艺动作的部分，分为主要工作部分和辅助工作部分。主要工作部分是印刷装置，辅助工作部分是输纸装置、定位与递纸装置、输墨装置（润湿装置）、收纸装置等。

2.按印刷工艺流程分

（1）单张纸印刷机 输纸装置、定位与递纸装置、输墨装置（润湿装置）、印刷装置、收纸装置（可包括上光与干燥、模切与压痕）等。

（2）卷筒印刷机 供纸装置、输墨装置（润湿装置）印刷装置、收纸装置（可包括折页与复卷、上光与干燥、模切与压痕）等。

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3.2.2印刷机的种类

印刷机种类繁多，按印刷种类分：凸版印刷机、平版印刷机、凹版印刷机、孔版印刷机；按印刷装置类型分：平压平型印刷机、圆压平型印刷机、圆压圆形印刷机。

1.平压平型印刷机

平压平型印刷机是指压印机构和装版机构均呈平面形的印刷机，即平压平型凸版印刷机。印刷时，整个牙印机构与印版全面接触，因此这类印刷机牙印时间长，总的工作压力大，印刷幅面小，印刷速度慢，印刷质量差。作为传统印刷机已较少使用，但稍加改装可被用来作为烫金机或模切机，仍有一定的占有量。

2.圆压平型印刷机

圆压平型印刷机是指压印机构呈圆筒形、装版机构呈平面形的印刷机，即圆压平型凸版印刷机。印刷时，压印滚筒咬牙咬住纸张并带其旋转，与固定在做往复运动版台上的印版接触，是线接触，循环完成印刷，每当版台往复运动一次，完成一个工作循环，印刷一张产品。相对平压平型印刷机总的工作压力要小、印刷幅面要大、印刷速度要快、印刷质量要好。同样，圆压平型的传统印刷机也很少使用，但作为平板打样机或用来作为烫金机或模切机，还是有一定的占有量。

3. 圆压圆型印刷机

圆压圆型印刷机是指压印机构和装版机构均呈圆筒形的印刷机。印刷时，压印机构和装版机构是线接触，印刷压力较小，运转平稳，速度快。印刷质量好。按其承印材料的形式分为单张和卷筒两大类。按印版的形式可分为凸版印刷机、凹版印刷机、孔版印刷机和平版印刷机。

（1）单张纸圆压圆型印刷机（如图3-1 ） 印刷装置结构简单，操作方便，容易组合成双面印刷机或多面印刷机；滚筒空隙较小，各个滚筒连续均匀旋转，运转平稳，印刷质量好，现代单

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张纸平版印刷机的印刷速度最高已超过20000r/h；适用于各种印刷方法，还可加装其他辅助装置，成为具有印号码、分切、上光、模切、折页等多种功能的印刷机。

图3-1 单张纸圆压圆型印刷机 （2）卷筒纸圆压圆型印刷机 滚筒空隙很小，各个滚筒连续均匀旋转，运转稳定性比单张纸圆压圆型印刷机更好，生产效率更高；现代卷筒纸印刷机的印刷速度最高已超过1000m/min，适用于各种印刷方法，还可以组成凸版和平版联合印刷机，或加装其他辅助装置，成为具有印号码、分切、上光、模切、折页等多种功能的印刷机但纸卷幅面受到限制，纸耗较大，噪声大，印刷速度较快，印刷质量受到影响。如图3-2所示

图3-2 卷筒纸圆压圆型印刷机

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3.3单张纸印刷机的组成装置

3.3.1单张纸印刷机的相关组成

印刷机（包括单张纸印刷机和卷筒纸印刷机）的各部分名称如图3-3所示。印刷机两侧分别为操作面和传动面。操作面（俗称靠身）是操作人员控制印刷机的主要位置，设有控制印刷机运转的控制台或操作手柄；印刷机的另一侧称为传动面（俗称朝外），大部分传动机械设置在这一侧。操作面的右侧，称印刷机的后面，设有输纸装置；左侧称为前面，是收纸装置。 前收纸装置印刷装置输纸装置后 图3-3 印刷机各个部位名称示意 一、输纸装置 单张纸输纸装置又称给纸机，俗称飞达。现代单张纸印刷机的自动输纸机已成为一个相对独立的工作装置，它的功能是自动、准确、平稳，与印刷装置同步有节奏地将纸逐张自纸堆分离，并将他们输送到定位部件进行定位，继而送入印刷装置进行印刷。输纸装置包括其传动装置、分纸机构、纸台升降机构、纸张输送装置、气泵和气路系统以及自动监测机构等。

自动输纸装置根据分离纸张的方法可分为摩擦式输纸机和启动式输纸机。摩擦式自动输纸机是依靠摩擦力的作用把纸张从纸堆中分离出来，完成纸张的分离工作，同时通过相应的传送机构把纸输送到规矩部件。而气动式自动输纸机是依靠吹风和吸气工

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作把纸张从纸堆中分离出来。其纸张的分离工作是利用空气压缩机构来完成的。气动式自动输纸机工作平稳、可靠、噪声小。气动式输纸机根据它们的输送方式可分为间歇式输纸（也称序列式）和连续式输纸（又称重叠式输纸）两种类型。

气动式输纸机上纸张与纸堆的分离和传送是由气泵所产生的吹风及吸气工作，利用相应的吹嘴、吸嘴机构共同配合来完成。有些印刷机的吸气带输送装置，其负压气体也有气泵提供，在印刷部分，传纸滚筒表面形成的气垫以及在收纸装置中，减速机构的吸气和喷粉装置的吹气也是由气泵提供气体。气泵供给的气体气流通过气路系统到达各个吹嘴和吸嘴。为使气嘴按一定顺序和时间吸气和吹气，在气路中应配备有吸气和吹气分配阀。

二、分纸机构及齐纸机构 1.分纸机构

气动式连续输纸机分纸机构又称给纸头。其功能是周期性地将单张纸从纸堆上逐张分离出来并向前传递给送纸辊。分纸机构在工作过程中要求准确、无误，各机构工作要正确、协调，在分离纸张时即不能出现双长或多张，也不能有空张的出现。同时还要求能适应各种不同规格和品种的纸张。

2。齐纸机构

齐纸机构又称前齐纸板机构，它位于纸堆前边缘。它的主要供功能是保持纸堆前缘的整齐。在送纸吹嘴吹松纸堆上面十几张纸时，齐纸机构中的齐纸板立起挡住被吹松的纸张，以免纸向前错动。而当递纸吸嘴吸住纸向前递送纸时，齐纸板则向后摆动，以便让纸通过。

三、纸堆升降机构及不停机续纸机构 1.纸堆升降机构

随着印刷的不断进行，纸堆高度逐渐降低，为了使给纸头能连续正常工作，必须不断地提升纸堆，使其纸堆表面与分纸吸嘴之间相对距离始终保持在一定范围内，为此自动输纸机设置有纸堆自动升降机构。此外，根据输纸装置的工作要求，纸堆能快速

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升降，以便装纸和调整时缩短辅助工作时间；纸堆能进行手动升降操作，以便必要时使用；纸堆能自锁，以使其稳定地停在所需位置；同时。纸堆升降应有安全互锁装置，以保证纸堆自动上升，快速升降以及手动升降时不发生动作相互干涉。

2.不停机续纸机构

高速印刷机在印刷过程中，给纸机把纸一张一张地输送到印刷部件，输送台上的纸输送完就要更换新的纸堆，为了减少机器的停顿时间，缩短印刷机的辅助工作时间，提高机器的效率，在输纸机上设置有不停机续纸装置。

四、输纸机构

纸张由分纸机构逐张分离出纸堆后，在输纸机构的控制台下平稳而准确的输送到定位部件进行定位。现代单张纸平板印刷机输纸机构常用的有两种形式：一种是传送带式纸张输送机构；另一种是真空吸气带式纸张输送机构。

五、自动检测控制机构

输纸机在纸张输送的过程中，由于各种原因可能产生双张、多张、断张、斜张、折角、杂物进入输纸板及纸张早到或晚到前规处等故障。如果不能及时处理这些故障，就会出现废品，影响印刷质量，甚至可能造成机械设备事故。为此，在各种印刷机上都设有自动检测控制机构，无论上述哪种故障的出现，输纸机都应立即停止输纸。同时印刷机相应的机构完成联动的工作（滚筒离压，前规和递纸机构停止传纸，传墨辊与出墨辊脱离接触，出水辊停止转动以及机器由高速运转至低速运转）。现代印刷机在输纸机上设置的自动检测控制机构主要分为双张检测控制机构，空位检测控制机构和安全杠装置。

1.双张检测控制机构

双张检测控制机构是检查输纸机误送双张或多张的机构，在检查出双张或多张后，控制机构立即发出信号，输纸机停止输纸工作，防止双张或多张进入滚筒造成事故。其检测原理是利用单张纸和多张纸厚度的不同来进行控制工作。双张纸检测控制机构

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可分为机械式、光电式、电容式及气动式等。

2.空位检测控制装置

纸张经过输纸板输送到前规时，由检测装置检测纸张到达位置的准确性，是否符合印刷要求，如发现纸张早到、晚到、空张、歪斜、折角和破损应立即发出信号，输纸机停止输纸。同时滚筒离压，前规和递纸牙停止传纸，停止给印版输水输墨，印刷机由高速运转降速到低速运转。这种检测装置称为空位检测装置。空位检测控制装置主要有电触片式、光电式和光栅式三种。

3.安全杠装置

为了防止纸张夹带物、杂物和多张纸进入滚筒，造成机器损坏事故，在印刷机上装有安全杠装置，它设在输纸板前部。 1-1.5321O5 图3-5 安全杠装置原理 1—调节螺钉；2—限位螺钉；3—安全杠； 4—输纸板；5—微动开关 如图3-5所示，安全杠3与输纸台的距离约为1—1.5mm,当乱纸或杂物撞击安全杠时，安全杠绕O支点旋转，使调解螺钉1顶动微动开关5发出电信号，通过控制电路切断主机电路，使全机迅速制动停下来。限位螺钉2可用来改变安全杠与输纸板之间

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的间隙，调节螺钉1是调节顶动微动开关的距离。

有些输纸机的安全杠装置，设有微动开关，安全杠是固定不动的，当杂物或多张纸机进入安全杠时，经过安全杠拦截。由前规处的空张信号使输纸机停止输纸。

3.3.2单张纸印刷机中齿轮-连杆组合机构的应用——输纸变速机构

对于高速单张纸印刷机，其高速运行的纸张到达前规定位时会产生很大的冲击力，而造成纸边卷曲或纸张回弹等现象，影响定位的准确性，为解决这个问题，现代的印刷机采用了纸张在输送过程中变速的方法，即在保证工作循环周期不变的情况下，纸张在输纸的前段时间内高速运行，在靠近前规的一段距离内则作慢速输送，这样纸张就能以较缓慢的速度靠近并与前规接触，增加定位的稳定性，保证印刷质量。 1ABG26CFD345987 图3-4 齿轮-连杆变速机构传动原理 如图3-4所示，该机构的特点是主动件作匀速运动，而从动

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件则做周期性的变速运动。利用这个特点，单张纸印刷机传送纸张的输送带驱动辊由齿轮-连杆机构的从动件带动，实现输送带驱动辊的周期性变速转动，从而最终实现传送带做周期性变速运动。该机构主要是由定传动比的齿轮机构和变传动比的连杆机构组成。图3-4中偏心轮1安装在轴A上，偏心距为e。齿轮3与齿轮1啮合，它们的内孔分别与连杆2的两个铰链B、C活套。齿轮3又与齿轮5啮合，摆杆4与齿轮5是活套的。齿轮5是齿轮-连杆机构的从动件，它的轴上装有链轮7，经过链条8带动输送带驱动辊9转动。

在这个机构中动力由轴A输入，它以等角速度绕轴A转动，也就是杆AB作等角速度旋转，因齿轮1与杆AB是一个零件，故它以等角速度绕轴A做整周转动（即输入运动），通过齿轮3作平面复合运动，带动齿轮5绕轴D作变速回转（即输出运动），最后使输送带实现变速运动的要求。在具体应用中要根据输送带作周期性变速的特性，同时，依据前面叙述到的输纸要求相应的选择应用和合理安排输纸台上输纸带的输纸速度段。

（该齿轮-连杆变速机构的分析及设计详见论文第四章）

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第四章 三轮四杆组合机构的分析与设计

4.1实现I=1变速回转运动的齿轮-曲柄摇杆机构设计

4.1.1具体机构的运动分析

在齿轮-四杆机构中，当原动件1为曲柄时，它转一圈，输出

T齿轮5转过的角度5其中T为原动件转一圈四杆机构5dt，

0TT完成一个循环所需要的时间。对于步进运动，5即为步进角。

TdtI （4-1）令

dt0T051I称平均角速度，它表示原动件转一圈时，输出齿轮5所转y2ψ1Al1o14υol2Bγβτβ63ψfl4δσ5x o2 图4-1 简单型式的齿轮-曲柄摇杆机构

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T的圈数。5=2I,如I=0，表明输出齿轮5作往复摆动。I的正T负，还表明5与原动件专向是相同还是相反。这样，I成为设计

的原始条件，用来作为机构选型的依据。

如图4-1所示，通过计算可知

5i2i31(1i2)i32(1i3)3

其中I=i2i3=1

所以 51(i31)2(1i3)3

52 （4-2） 1(1i3)311

由图4-1知

ddd32ddd12l2l32f2 在ABO2中 cos

2l2l32其中 f2l12l42l1l4cos

22l2l32l12l4ll于是 cos（4-3） 14cos

2l2l3l2l3此处l1,l2,l3和l4分别表示铰链四杆机构4个构件的杆长。 将式（4-3）对求导，得

dl1l4sin dl2l3sin 31

即

32l1l4sin （ 4-4） 1l2l3sin在设计时，为了使机构的动力性能良好，要求为最小和最大处的传动角大小相等，即

min180max和minmin

cosmincosmax由式（4-3）知

cosmin22l2l32l12l4ll14

2l2l3l2l322l2l32l12l4ll14

2l2l3l2l3 cosmax222将他们代入上式，得l2=0 （4-5） l3l12l4在这情况下，式（4-3）便成 cosl1l4（4-6） cos

l2l3由于铰链四杆机构的4个杆长的比不变时，其

23及与11的关系也不变，为了简化起见，令

ll2lb,3c,4d, 于是式（4-5）l1l1l1又可以写成

b2c21d2 （4-7） 在以后的齿轮-铰链四杆机构设计中，只要杆长比有任选的可能时，总使它们满足式（4-7）的关系。这样，相应的式（4-6）和（4-4）便成

cosdcos （4-8） bc32

32dsin （4-9） 221(bc)(dcos)又因I=1，可如图4-1所示，采用两对外啮合齿轮 Ii2i3所以 Z1=Z5

Z1Z6Z1 Z6Z5Z5Z6可任意选择。同时，两对齿轮都可以采用标准齿轮传动，于是b=c。将它代入式（4-7），得

1d2 bc （4-10）

222这样cos和 cos32的计算式便成 12dcos （4-11）1d322dsin2dsin（4-12） 2222221(1d)(2dcos)(d1)(2dsin)将它代入式（4-2），得

52d（1-i3)sin （4-13） 12221(d1)(2dsin)给定i3和d,便可由式（4-13）算得各不同时的5/1值。

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4.1.2机构运动性质

5—曲线。当=0和1801按式（4-13），在图4-2中画出

时，由式（4-13）知，其

5=1。将式（4-13）对求导，得5/11为极值时的是90和270。

512 1 o0 9180 (1)270 (2)360  图4-2

5—曲线 190 (52(1i3)d )max11d21270 (52(1i3)d )min121d134

由式（4-13）可看出：

5—曲线对图中90和2701的直线呈轴对称；对图中O点呈点对称；当(d21)(2dsin)时，式（4-13）等号右边第二项趋近于正弦函数。

当

52(1i3)d5<1时，为正值，—曲线如图4-2中()mind2111虚线所示。它与横坐标不相交，输出齿轮5作单向变速运动。

当

52(1i3)d5=1时，=0，—曲线如图4-2中点划线()mind2111所示。它与横坐标只有一个交点，输出齿轮5作有一个瞬时停歇的单向变速步进运动。

当

52(1i3)d5>1时，为负值，—曲线如图4-2中()mind2111实现所示。它与横坐标有两个交点，设其值分别为(1)和(2)，输出齿轮5作有后退的双向变速步进运动。其5—曲线如图4-3所示。此处5表示输出齿轮5的转角。

(1)和(2)值可在式（4-13）中，令

5=0来求得，即 122d（1-i3)sin(d1)(2dsin)22=-1

将上式两边平方，整理后得

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5360 12(5)1 (5)2 135(2)0 90 180 (1) 270 (3)360  图4-3 5—曲线 d212d(1i3)21sin

根号前取“+”为平方后得增根，故

sin

d212d(1i3)12 （4-14）

sin为负值，其解有两个，(1)在第三象限， (2)在第四象限。

输出齿轮后退时，原动件1相应的转角12(2)(1)。由上

面分析知(1)270122,(2)270122，将这关系代入式

（4-14），得

cos122d212d(1i3)136

2 （4-15）

设0，输出齿轮5的转角50，如图4-3所示。原动件从(1)转到(2)，输出齿轮从((5))1转到((5))2。由图4-3知，输出齿轮的后退角5(5)2(5)1。当I为正时，

(5)2(5)10；I为负时，(5)2(5)10。

由式（4-2）得

51(1i3)(32)

t2t15dt1dt(1i3)(32)dtt1t1t2t2其中t=t1时，(1)；t=t2时，(2)。又因

,d32，故上式的积分和式（4-11）可得 dt2dcos(2)2dcos(1)21arccos()arccos()

1d21d2将(1)270122,(2)270122代入上式，得

21arccos(12122d2dsin)arccos(sin)

221d21d2因只能是0~180，所以

2112122d2darcsin(sin)arcsin(sin)222221d1d2122d2arcsin(sin)221d 于是

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122d52(1i3)arcsin(sin)12 （4-16）

21d2此处5(5)2(5)1为理论值。由于实际机构的运动副存在着间隙和构件具有弹性，当5甚小时，输出齿轮5的后退会表现不出来。由图4-3知，此时原动件从(1)转到(3)，输出齿轮呈现停歇现象。有时输出齿轮虽有些后退，也会因后退角度甚小，后退速度很低。在不需要严格保证静止不动的情况下，仍可近似地看作停止不动。这便是这类齿轮-连杆机构能用来实现短暂停歇的步进运动的理由。

当机构的输出件呈现近似停歇时，原动件相应的转角13称机构的停歇角，13(3)(1)。其中(3)由图4-3知，(5)3(5)1。这样可由上述计算5的方法求3，由于计算繁琐，而输出件又是近似停歇，故可采用以下的近似计算公式

3 1312 （4-17）

2它是用三次函数拟合从(1)到(2)的一段5—曲线所得的结果（推导略）。经证明I1,i32时，这机构13的近似值和精确值相等。即使1290,I1,i31时，13的误差仅为+2.66%;I1,i33时，13的误差仅为-1.1%。实现近似停歇时，

12都还较小。因此用式（4-17）作近似计算，有很高的精确程度。

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4.1.3关于改变机构相关尺寸从而改变机构运动性质的讨论

5曲线知 11.由式（4-13）和图4-2

52d（1-i3)sin 12221(d1)(2dsin)52(1i3)d )max11d2190 (270 (52(1i3)d )min121d1输出齿轮5一直作着变速运动，假设某一时刻（为定值），

i3也为给定值不变时，则转速比

5的大小完全由d决定。 1从图4-2可以看出，由于原动件匀速转动1固定不变，

(5)max越大，图中表示为5—曲线的顶点越高，曲线越“陡

11峭”，则表明5的角加速度越大，机构的变速运动进行的越剧烈。在实际的应用中，必须根据对具体的运动机构所要求的运动特点选择恰当尺寸的齿轮-连杆组合机构。

对式(52(1i3)d进行分析发现，由于i3设为不变)max11d21l4dd（其中d=）。设y=，可22d1d1l139

量，式中的变量部分即为

画出不同d时的y—d曲线。 y10.80.60.40.21234d 图4-4 y—d曲线 如图4-4所示，当d>1时，y值随着d的增大而减小，则相应的(5)max也随之减小，即5的角加速度减小。所以在机构设1计时，如果该机构稳定性要求比较高，需要从动件在加速或减速时保持较小的加速度以避免过大的冲击和振动，则应该使d值较大，在机构尺寸的选择中体现为选取较长的机架长度l4；反之亦成立。

2.同样的，由式(52(1i3)d也可以看出，如果假)max11d21定式中d为不变量，改变i3的数值一样可以达到改变5的角加速度大小的效果。

40

而如图4-1所示，i3Z6，齿轮5和齿轮6为摇杆3连接的Z5一对外啮合齿轮，通过改变齿轮5、6的齿数就可以得到机构所需要的i3值。

i3增大，5的角加速度减小；相反的，i3减小，5的角加速度则增大。

4.1.4机构设计

下面将就实现短暂近似停歇的具有后退的步进运动机构和单向变速运动机构分别叙述其设计

（一）短暂近似停歇的步进运动机构设计

已知条件为原动件转一圈，输出齿轮应转多少圈（即I值）和原动件在多大转角范围内，输出齿轮的运动为近似停歇（即13值）。

1.设计计算 由式（4-15）得

d2i3(i32)2dcos12210di3(i32)cos122i3(i32)cos2122 1 （4-18）

上式等号右边第二项根号前的“-”号，因其解d<0,不合题意，所以略去。

设计时给定机构停歇角13，则可由式（4-17）求得12。再选择一个i3，便可以由式（4-18）求得d.

41

2.i3的合理选择

为了便于合理选择i3，根据式（4-18）的计算结果在一张图中画出不同的d-i3曲线（即12的等值线，图略），形成I=1简单型式的齿轮-曲柄摇杆机构设计线图。由这些12的等值线知，i3愈大，即i3愈小，d愈小，随之b和c也愈小，机构尺寸将愈小。除此以外，i3值还与5、机构的最小传动角及非啮合的齿轮1和齿轮5是否相碰有关。

选取i3的原则，应是在齿轮不相碰和曲柄摇杆机构的最小传动角min不小于许用值的条件下选取尽可能小的i3，以使5和机构尺寸减小。

（二）具有后退的步进运动机构设计

设计的已知条件是平均角速度比I（或步进角），输出齿轮的后退角5和后退时原动件的转角12。

由式（4-16）

122dsin)12 52(1i3)arcsin(21d2又由式（4-15）

cos

122d212d(1i)213

联立解以上两式消d，得

42

12sin252(1i3)arcsin(1i3)2cos212sin2122212 122 sin5 2(1i3)(1i3)2tg2122tg125122tg2(1i3)1i3 

tg12570601212050401003020103001280345i3 图4-5 I=1简单型式的齿轮-曲柄摇杆机构不同12值时的5—i3曲线

43

12tg252(1i3)arctg1i312 （4-19） 可以证明i3愈小，5愈小。给定12，取不同的i3，可以由式（4-19）算得相应的5。图4-5是按此画出的不同12的5—i3曲线。给出12和5，便可以很容易由图4-5查出i3值，使设计方便。

下面举例说明设计过程。

例1 已知I=1,（即步进角为360）,输出齿轮的后退角设计如图4-1所示的简520和相应的原动件转角1290，单型式的齿轮-曲柄摇杆机构。

（1）确定i3和齿轮齿数 按520和1290，由图4-5可以查得i3=-1.8。

将i3=-1.8和1290代入式（4-19），算得520.0614，它与20相差甚小，故借助图4-5确定的i3可以满足实际需要。

如果Z540,m2，则Z1Z540,Z61.84072 （2）计算d、b和c 由式（4-18）求得

d1.8(3.8)cos451.8(3.8)cos4513.95170 （3）确定各杆长度

44

m(Z5Z6)112mm2 l2l3112mm

l3因为cll3mm l1338.85718cl1 l4l1d153.5519281mm (三)单向变速运动机构设计

对I=1的情况，由式（4-13）知其1/5等于1，加一个近于正弦变化的函数，故动。

机构转动得不均匀系数d5将较好，它宜用作单向变速的回转运dt(5)max(5)min

(5)m此处(5)m为5的的平均值，因为I=1, (5)m=1,则 (由式（4-13）知 (2(1i3)d5 )max=1+

d2112(1i3)d5 )max=1-2d115)max(5)min 11 (将它们代入上式，得 4(1i3)d （4-20）

d2145

给定，选取i3,则可由上式求得d.同样为了便于选择i3，可以如图4-5所示画出不同的d—i3曲线。对=2即12=0的情况，它们在图4-6中的d—i3曲线是同一条曲线。

d120.4100.5812021642012345i3 图4-6 d—i3曲线

下面举例说明设计过程。 例

2

已

知

单

向

变

速

运

动

的

设计如图4-1所nmin100r/min,nmax300r/min,Z520,m2。示的I=1简单型式的齿轮-曲柄摇杆机构。

解：n5的平均值等于200/min，因为I=1,故

46

n1n5200r/min,

3001001。由图4-5知，在1的d—i3曲线上选取200i3=-1.05，该点的d为8，它可使机构尺寸最小，并保证齿轮1和5不仅不会相碰，还有3m的间隙，保证最小传动角大于60。

如果希望d值精度高些，则可用式（4-20）计算。变换式（4-20）得

d24(1i3)d10

将1,i1.05代入，得

d28.2d10 d4.1(4.1)218.076 根号前用“-”算得的d小于1，不合题意，略去。 确定曲柄摇杆机构各杆长的方法同例1。

4.2单张纸印刷机齿轮-连杆变速机构的运动分析及设计

4.2.1机构的运动分析

如图3-4所示，对于高速单张纸印刷机，为了保证高速运行的纸张到达前规定位时能够保持一定的定位准确性和稳定性，采用了从动件作周期性变速运动的输纸变速机构。此机构可以使纸张在输纸的前段时间内高速运行，在靠近前规的一段距离内则作慢速输送，更可以在到达前规时有短时间的停歇。

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能实现间歇运动的机构有很多，包括槽轮机构、棘转机构、凸轮机构等。之所以选择齿轮-连杆机构（三轮四杆），是由于槽轮机构、棘轮机构的结构、运动和动力特性的限制，它们的运转速度不能很高，每分钟的间歇次数不能超过100—200次。否则，动载荷很大，冲击和振动很强烈，可靠性很差，机构的工作准确度就难以保证。而凸轮式间歇机构加工比较复杂，而且高速运转的凸轮加工精度要求很高，装配调整要求也高。而齿轮-连杆机构加工方便、在高速运转中精度易于保证，运转可靠。高速单张纸印刷机在连续运转只需要有瞬间的暂停，即暂停时间比较短。因此采用此三轮四杆机构来完成它的间歇运动。

图4-7

如图4-7所示，这就是实现间歇运动的齿轮连杆机构。它是由3个相互啮合的齿轮1、3、5和一个曲柄摇杆机构ABCD组成的

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复合机构。连杆2连接齿轮1、3的中心，连接齿轮3、5的是摇杆4。

齿轮1偏心固联在偏心轴块6上，以键联结。齿轮3自由地回转在连杆2上与摇杆4的连接轴上。当齿轮1绕偏心轴6作匀速转动时，一方面通过啮合使齿轮3转动，另一方面因为它是偏心安装的，又通过连杆2使摇杆4摆动，所以齿轮5输出的运动是两个运动的复合，是按一定规律变化的有间歇的运动。这样就满足了输送带实现带间歇的变速运动的要求。

图4-8所示为此三轮四杆机构的结构简图。设曲柄摇杆机构中的曲柄AB=a，连杆BC=b，摇杆CD=c，机架AD=d，齿轮1、3、5的节圆半径分别为r1、r3、r5。

图4-8

摇杆CD上分别装有齿轮3和5，组成一个周转轮系，且有：

54r3 43r5

式中：5、4、3分别为齿轮5、3及摇杆4的角速度，则

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有

5(1r3r（4-21） )433

r5r5同样，在齿轮1和齿轮3及连杆BC组成的周转轮系中有:

32r1 21r3

r1r )211 （4-22）

r3r3则有： 3(1将式（4-22）代入式（4-21）得 5rrrrr1（4-23） 1132534

r5r3r5

5r1r1r3rr（4-24） 2/1534/1

1r5r3r5对式（4-24）进行微分可得角加速度，因1=常数（曲柄作匀速转动），所以：

5r1r3r3r52（4-25） /4/12 212r3r51式中：5、2、4分别为齿轮5及杆2、杆4的角加速度。只有在5=0时机构处于暂停状态，因此可知，这种机构在起停瞬时角速度和角加速度都为零，冲击、振动小。

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3C(P13)(P15)A(P61)B1图4-9 24(P35)65D(P65) 速度瞬心法分析： 如图4-9所示，P61，P56，P13及P53分别为构件6和1、构件5和6、构件1和3及构件5和3的瞬心，由三心定理可得，连接直线P61P56和直线P13P53，则两直线的交点即为构件1和5的相对瞬心，故有

vp151AP155DP15 由此可得 i515AP15 1DP15从图4-9和上式可以看出：当P15落在AD延长线上，主、从动件转向相同；当P15落在A,D之间时，两轮转向相反；而当P15落在A点时，从动件角速度5=0，这表明此时从动件处于瞬时停顿状态。但由于在实际机构中，相互啮合的齿轮之间通常存在着齿侧间隙，故此时表现为从动件作片刻停歇。

由图4-9可以看出，瞬心P15的位置与A,D之间的距离有着很

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大的关系。根据式（4-13）：

52d（1-i3)nis，12221(d1)(2dnis)(52(1i3)d )min11d211.当AD的长度大于某一值，即当

2(1i3)d5>1时，()min为2d11负值，在主动轮转动的一周内，P15先从AD延长线上某一点逐渐移过A点到达A,D之间，然后再移回A点回到AD延长线上。在这种情况下，也正如在图4-2

5—曲线中体现出来的一样，在1主动轮转动的一周内，从动轮5先向一个方向转动，然后减速到停止，随即反向转动，再减速停止，又回复到原来的转向，即在主动轮转动一周期间，从动轮转向改变两次，有两次瞬时停歇。

2.当A,D之间的距离小于某一值，即当

2(1i3)d5<1时，()min2d11为正值，在主动轮转动的一周内，P15总落在AD延长线上。在这种情况下，从动轮转向不变，只做周期性的增速、减速运动。

2(1i3)d3.当A,D之间的距离等于某一值，即当=1时，2d1(5)min=0，在主动轮转动的一周内，P15先从AD延长线上某一点1逐渐移到A点，然后返回原处。在这种情况下，在主动轮转动的一周期间，从动轮只有一次瞬时停歇。食品厂糖果包装机上的糖条送进机构，就是利用这种齿轮-连杆组合机构实现复杂运动规律的一个实例。糖条的松进有两点要求：其一是在切断糖条的瞬间，要求糖条瞬时不动，以防止糖条弓起；其二是切断后的糖条速度

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要从零平稳增加，然后再平稳的降低到零，以防止传动机构产生冲击。上述的三轮四杆齿轮-连杆组合机构，当AD长度等于某一值时，正好能满足糖条送进运动的要求，中心轮5瞬时停歇时，就相当于糖条停止不动。在实际的机构中，在通常的制造偏差范围内，间歇时间约等于齿轮1转过45角的时间，即相当于1/8周期。

根据单张纸印刷机输纸机构的运动特点，此种情况下A,D之间的距离等于特定值时，恰能满足印刷机的工作需要，故选用输出有一次暂时停顿的三轮四杆机构。

4.2.2输出有一次暂时停顿的三轮四杆机构的设计

图4-10

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输出有暂时停顿也就是如图4-9的机构简图所示，齿轮5有瞬时的停歇，也就是说此种机构在偏心轴以1的匀角速度旋转时，齿轮5在某一瞬时有的5=O。

图4-10所示为机构处于暂停的位置。在这个位置，不论齿轮1的角速度1有多大，齿轮5的角速度5都为零。条件是l、3齿轮的啮合点F，3、5齿轮的啮合点E和输入轴A点在一条直线上。

上图中F点也是齿轮1、3的相对运动瞬时中心P13，E点是齿轮3、5的相对运动瞬时中心P53，A点为齿轮1的绝对瞬时中心P61，D点为齿轮5的绝对瞬心P65，所以当A、E、F共线时，A点就是齿轮1和齿轮5的相对运动瞬时中心P15的位置。 根据瞬时中心的定义，两个运动着的构件上与相对瞬时中心位置一致的点的绝对速度相等，而相对运动速度为零。所以齿轮5上位于A处的点的速度应和齿轮1上的A点速度相等，而齿轮1上的A点速度为零，即也有齿轮5此时不动，速度为零。

从前面的速度瞬心法分析可知，在AD较大的情况下，在机构运转过程中EF连线两次通过A点，即机构在一个运动周期中有两次停歇。在AD较小的情况下，EF连线在机构的运转过程中始终不通过A点(即EF与AD的交点总是在A点的一侧)，那么必定在EF共线且AD有一个最小值，机构才有一次停歇，这样才能满足本机构的设计。分析表明，此时连杆与AEF连线之间的夹角就满足如下方程式:

Kcos4Lcos2M0 （4-26) 式中：K(r52r12)2(r52r12)(r12r3r5)2(r12r3r5)4r12

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e2 L1 rK （4-27）

1 M(r12r3r5)2(r12e2)2 eABa

由式（4-26）求，再根据正弦定理分别求出： sinr1sin （4-28） e AFr1cosecos （4-29）

FE2r3co s （4-30） EGr5co s （4-31） GDr5sin  （4-32）

在ADG中：

AD(AFFEEG)2GD2 （4-33） 这样求出的AD使三轮四杆机构可以满足齿轮5有一次瞬时停歇的条件。

4.2.3单张纸印刷机中输纸变速机构的具体设计

为了使单张纸印刷机的输纸变速机构在输纸过程中能够达到变速、并能实现间歇的目的，我所设计的三轮四杆机构必须满足公式（4-26）的结构要求。设已知条件为齿轮模数m=2.5,z1=20,

z3=20, z5=60,e=AB=18，则有

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b=1/2mz1+1/2mz3=50 c=1/2mz3+1/2mz5=100 现在求d:

根据公式（4-27）可分别求得：

K3.23241011 L1.55671011 M2.0385109

将K、L、M值代入公式(4-26)可求得：

cos20.4943

4519 将4519代入式（4-28），得： 80.977 从式（4-29）—（4-32）可得： AF=14.754 FE=35.155 EG=52.7325 GD=53.331 则由式（4-33）得 d=AD=121.4

到此机构设计完毕，还应检验齿轮1和齿轮5在0时是否相撞。不相碰的条件是d应大于齿轮1和齿轮3尺顶圆半径之和：

因为ra11/2z1mm27.5

ra51/2z5mm77.5

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ra1ra527.577.5105 而 d=121.4 即：ra1ra5d

所以齿轮1和齿轮5不会相碰，检验合格。

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第五章 结论

本文首先从组合机构的概念和特点出发，论述了其相对于单一的基本机构的优点，所以目前被广泛地应用到实际生产和制造中去。然后文章谈到组合机构的分类及其功能，从而引出本文的重点——组合机构之一的齿轮-连杆组合机构。

下文紧接着开始论述齿轮-连杆机构的分类及应用。此机构可以实现很多方面的应用，文章重点论述它在印刷机械中的应用。 单张纸印刷机中齿轮-连杆机构用于输纸变速装置中，可以使纸张在输纸过程中根据具体要求变换速度。这里用的正是典型的三轮四杆机构，它能使输出有一次暂时停顿。接下来就是具体的机构运动和机构分析，最后进行机构的初步设计。

论文的主要篇幅放在对机构的分析和大量的计算中，通过这整个过程，我不但巩固了自己机械方面的专业知识，大大增强了计算能力，也培养了自己独立思考、设计的能力，必将对以后的工作和发展提供很好的帮助。

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鸣谢

衷心感谢导师王师华老师给予我的悉心指导和关怀，在整个毕业设计过程中，他用渊博的知识和风趣的言语将我从无知引向认知，再到深刻理解直至独立的设计。他帮我度过了设计中的重重难关，顺利地冲过这大学最后一道也是最重要的一道关卡。作为一个即将脱离校园的人，我从王老师这里学到的不光是专业知识，还有宝贵的工作之道和乐观的生活态度，使我受益匪浅。

此外，张小莉老师也给予了我极大的支持和帮助，在此，特意向她也表示诚挚的谢意。

作者 梁子

2001年6月 于上海理工大学

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