盤形凸輪機構(gòu)在自動化設(shè)備中的應用

連聚鍵

摘要：在自動化設(shè)備中，盤形凸輪控制機構(gòu)被廣泛的應用，只有保證所設(shè)計的凸輪輪廓正確，才能夠讓動件完成各種不同的運動，從而控制執(zhí)行機構(gòu)的自動工作循環(huán)，實現(xiàn)自動控制的動作;本文主要針對盤形凸輪機構(gòu)的特點，對其在自動化中的應用進行舉例分析。

關(guān)鍵詞：盤形凸輪;規(guī)律運動;自動化;輪廓曲線

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0102-02

1? 概述

1.1 盤形凸輪特點

對于盤形凸輪機構(gòu)而言，是將凸輪、動件和機架進行結(jié)合，進而所組成的機構(gòu)。而在這其中所使用的凸輪是具有曲線輪廓的一種構(gòu)件，是通過與動件的緊密接觸，進而確保在運動過程中能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)或者是不連續(xù)運動。

盤形凸輪機構(gòu)的優(yōu)點是其構(gòu)件少、而且結(jié)構(gòu)并不復雜，在設(shè)計上更加健康，能夠完成各種高難度的運行規(guī)律。但是問題就是因為凸輪時和動件實現(xiàn)點或者是線接觸，這樣就很容易出現(xiàn)磨損問題，一般情況下會將其應用于傳動力并不大的環(huán)境下。

1.2 盤形凸輪主要參數(shù)

①基圓：就是指凸輪的最小半徑所能夠畫出的圓;

②推程：則是從動件到凸輪的整個推動過程，按照相關(guān)規(guī)定來從中心向最遠的距離運動;

③行程：從動件在推程中上升的最大位移;

④推程運動角：與推程相應的凸輪轉(zhuǎn)角;

⑤遠停程：凸輪轉(zhuǎn)動向徑不變的圓弧段，從動件在最遠位置停止不動的過程;

⑥遠停程角：從動件在最遠位置停止不動所對應的凸輪轉(zhuǎn)角;

⑦回程：在重力或者是彈簧力的作用下，動件會按照相關(guān)的運動規(guī)律來進行運動，最終回到初始位置;

⑧回程運動角：是和回城相同的凸輪轉(zhuǎn)角;

⑨近停程角：與回程相應的凸輪轉(zhuǎn)角;

⑩近停程角：從動件在最近位置停止不動所對應的凸輪轉(zhuǎn)角;

？輥？輯？訛從動件位移線圖：移縱坐標作為基礎(chǔ)，讓動件進行移動，其橫向坐標在這其中代表時間或者是角度，最終所畫出的圖形就是位移曲線圖。

2? 盤形凸輪在自動化中的應用舉例

2.1 案例需求

基于新產(chǎn)品開發(fā)要求，需將工件M（圓柱形？準8×3）與工件N（桿料？準2×50）進行對接焊接成形，要求：①全自動控制工件送料、工件收料與焊接過程;②工件M與N焊接瞬間需施加給定壓力F。

2.2 動作分析

根據(jù)案例需求，結(jié)合工件M與工件N的結(jié)構(gòu)特點，我們進行動作分解分析，如圖1所示，具體如下：

①以工件N為定位基準，采用振動盤送料器將一整盤的工件N一根根按順序送至指定位置，再用氣缸將推至工件N工裝夾具處進行夾緊定位，焊接完成后，氣缸將后一件工件送至工裝夾具處，同步將前一件工件推至收料盒里，形成自動控制;

②采用振動盤送料器將一整盤的工件M正反面判別后一件件按順序送至分選位置P，基于工件M的圓柱形結(jié)構(gòu)特點，可用真空吸頭吸住裝夾;

③將真空吸頭吸住的工件M送至工件M工裝夾具機構(gòu)處進行裝夾定位（根據(jù)工藝要求，此夾具中心與工件N的夾具中心安裝位置在一條直線上），真空吸頭機構(gòu)復位回分選位置P處吸第2件工件M;

④將夾具裝夾后的工件M送至工件N處的焊接位置進行焊接，并根據(jù)要求施加給定壓力F，焊完松開工件M的夾具，工件M工裝夾具機構(gòu)復位;

⑤重復①～④動作，形成周期性動作，完成自動化動作的分解。

2.3 控制機構(gòu)設(shè)計

根據(jù)以上動作分析，如圖1動作分解圖所示，工件N依靠振動盤送料器與氣缸的組合機構(gòu)即可實現(xiàn);工件M從振動盤送料器出來后需通過動作A送至真空吸頭機構(gòu)處，動作B與C送至工裝夾具處裝夾定位，動作D送至焊接位置焊接，分別通過A1、B1、C1與D1四個動作復位，形成4組共3個方向的重復循環(huán)動作。我們可設(shè)計三個盤形凸輪分別通過滾子從動件與連桿機構(gòu)進行動作傳導，并將三個凸輪集成至同一件回轉(zhuǎn)軸上，依靠一個電機的轉(zhuǎn)動來提供動力，實現(xiàn)這3個方向共4組動作的周期循環(huán);同時，采用角度傳感器的角度識別來觸發(fā)每個動作的執(zhí)行，實現(xiàn)對各個動作的精準控制。

2.4 凸輪輪廓曲線的設(shè)計

2.4.1 從動件位移線圖的設(shè)計

凸輪機構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容就是為了能夠根據(jù)相應的要求，來保證凸輪機構(gòu)形式的合理，從運動規(guī)律的具體內(nèi)容，來明確動件運動下凸輪的輪廓曲線內(nèi)容。

從動件的運動上能夠看出，不管是位移s、速度v還是加速度a等等，都是隨著轉(zhuǎn)角變化而不斷變化，這樣也就是動件自身的運動規(guī)律內(nèi)容。常見的有等速、等加速和等減速等不同的運動規(guī)律。結(jié)合工件特點與實際的動作分析，本案例的運動場合屬于低速、輕載場合，因此，我們可以應用等速運動規(guī)律進行計算，計算位移的運動方程如下圖2所示。根據(jù)工作條件要求與整機的位置布局，結(jié)合凸輪機構(gòu)的壓力角選擇推薦值（移動從動件壓力角選取30°;擺動從動件壓力角選取45°），計算并繪制從動件的位移曲線圖，詳見圖3。

2.4.2 凸輪輪廓曲線的設(shè)計

在凸輪機構(gòu)設(shè)計中，從動件的運動內(nèi)容上能夠看出，通常都是以使用要求來決定其具體運動內(nèi)容，根據(jù)要求來為其設(shè)計凸輪的輪廓，讓其能夠滿足生產(chǎn)需求。因此，根據(jù)從動件的位移線圖可以導推出凸輪輪廓線曲線。

我們可以采用反轉(zhuǎn)法來繪制出凸輪的輪廓曲線，根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，如果凸輪不運動，那么就會讓動件按照中心來進行反方向運動。與此同時，動件的滾子也會向其導軌內(nèi)進行預期運動，通過明確滾子的相關(guān)位置，就能夠確定凸輪的理論輪廓曲線，凸輪的實際輪廓曲線是與理論輪廓曲線相距滾子半徑的一條等距曲線。

根據(jù)整機的位置布局，結(jié)合從動件位移曲線圖、凸輪的轉(zhuǎn)動方向與基圓半徑等參數(shù)，進而用幾何作圖的方法對凸輪輪廓曲線進行設(shè)計，以凸輪一為例，具體步驟如下：

①作基圓取分點。

取與位移曲線相同比例尺寸，任取一點O為軸心，作出基圓和滾子從動件離心位置最近時的初始位置B;在基圓上從初始位置OB開始，延ω方向取推程角、回程角和近停程角，并分成與位移曲線圖對應的相同等分，得到位置點B1、B2、…、B19。過凸輪軸心O作出各等分的射線OB1、OB2、…、OB19，這些射線就是反轉(zhuǎn)后滾子從動件在各個位置的軸線。

②畫輪廓曲線。

根據(jù)凸輪一的位移曲線計算得出各等分的位移值，在各射線OB1、OB2、…、OB19的射線上取對應的位移位置點，將各點連接成一條光滑的曲線，即可畫出凸輪一輪廓曲線，如圖4所示。

2.5 凸輪的材料與滾子從動件結(jié)構(gòu)

凸輪工作時，往往承受的是沖擊載荷，凸輪輪廓表面會有磨損，本案例屬于低速、輕載場合，選用45材料，并對表面進行淬火處理，使硬度達到HRC45～55，以提升耐磨性與使用壽命。

滾子從動件直接選用標準的螺栓型軌跡滾輪，其是整體式滾動軸承，轉(zhuǎn)動自由，自身具有很充分的潤滑。

2.6 小結(jié)

在本案例中，通過設(shè)計一個電機帶動三個盤形凸輪作為控制機構(gòu)，結(jié)合連桿、導軌等機構(gòu)完全實現(xiàn)了工件M與工件N的自動焊接過程;整機制作完成后，通過調(diào)試與試生產(chǎn)，該結(jié)構(gòu)完全達到設(shè)計要求，實現(xiàn)了自動化控制，不僅降低了設(shè)備制造成本，還提高了工作效率。

3? 結(jié)束語

21世紀世界逐漸進入智能制造時代，工業(yè)自動化是啟動智能制造的前提之一。盤形凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，只要適當?shù)脑O(shè)計凸輪輪廓曲線，就能準確實現(xiàn)各種預期的運動規(guī)律;同時，近年來隨著數(shù)控機床和計算機輔助設(shè)計與制造的廣泛應用，凸輪輪廓的精確加工比較容易實現(xiàn)，因此，我們可將其廣泛應用到自動化的機器中。

參考文獻：

[1]聞邦椿.機械設(shè)計手冊[M].五版.機械工業(yè)出版社，2010.

[2]成大先.機械設(shè)計手冊[M].四版.化學工業(yè)出版社，2001.

[3]張久成.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京機械工業(yè)出版社，2006.

[4]羅玉福.機械設(shè)計基礎(chǔ)[M].大連理工工業(yè)出版社，2010.

[5]哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學（I）[M].高等教育出版社，2002.

[6]華大年，等.連桿機構(gòu)設(shè)計與應用創(chuàng)新[M].北京機械工業(yè)出版社，2008.

[7]石永剛，徐振華.凸輪機構(gòu)設(shè)計[M].上海科技出版社，1995.

[8]孟憲源.現(xiàn)代機構(gòu)手冊[M].北京機械工業(yè)出版社，1994.

[9]張信群.機械制圖[M].合肥工業(yè)大學出版社，2005.

[10]中國機械設(shè)計大典編委會.機械設(shè)計大典[M].南昌江西科技出版社，2002.