自動物料定量分裝機(jī)構(gòu)控制凸輪設(shè)計(jì)

文萍，馬正鵬，潘秀石，劉勇，屠晶晶

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215009）

0 引言

在自動化設(shè)備中，凸輪機(jī)構(gòu)常用于實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動部件動作的精準(zhǔn)運(yùn)動控制。相對于其他運(yùn)動控制機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律。按照凸輪機(jī)構(gòu)形狀進(jìn)行分類可以分為平面凸輪和空間凸輪，其中空間凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性和動力特性更為優(yōu)良，因此在機(jī)械式自動化機(jī)構(gòu)和自動控制裝置中應(yīng)用廣泛[1]。但是，由于當(dāng)前自動化設(shè)備的精準(zhǔn)控制的要求，對于凸輪的設(shè)計(jì)要求越來越高。對于平面凸輪來講，由于結(jié)構(gòu)比較簡單，因此使用一般的CAD軟件即可輕易完成設(shè)計(jì)任務(wù)，但是空間凸輪輪廓多為復(fù)雜的空間曲面，在進(jìn)行空間凸輪輪廓設(shè)計(jì)時(shí)，往往都需要借助較為復(fù)雜的三維CAD軟件及其他的計(jì)算軟件來完成空間凸輪的三維設(shè)計(jì)。本文以高端CAD/CAE/CAM一體化軟件UG NX為設(shè)計(jì)平臺，介紹了自動物料定量分裝機(jī)構(gòu)中物料口開閉裝置空間凸輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)思路清晰、方法簡單，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)高精度凸輪三維設(shè)計(jì)。

1 裝置功能分析與設(shè)計(jì)思路

1.1 裝置功能分析

自動物料定量分裝機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，所設(shè)計(jì)的自動物料定量分裝機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)物料的定量分裝功能。不完全齒輪機(jī)構(gòu)2主動輪勻速轉(zhuǎn)動帶動從動齒輪輪、花鍵軸3及上物料盤6間歇轉(zhuǎn)動，上物料盤6上有2個(gè)物料桶，下物料盤5的物料桶套在上物料盤6的物料桶上，下物料盤5可以隨著上物料盤6一起轉(zhuǎn)動。調(diào)節(jié)齒輪齒條機(jī)構(gòu)8中轉(zhuǎn)動主動齒輪可以帶動齒條叉架7在機(jī)架1中上下移動，齒條叉架7通過支叉可以帶動下物料盤5在花鍵軸3上移動，以調(diào)節(jié)兩物料盤上物料桶所圍成容積的大小。下物料盤5上物料桶的下端裝有物料蓋4，物料蓋4可以擺動以實(shí)現(xiàn)物料桶的開關(guān)。需分裝的物料從物料進(jìn)口進(jìn)入，物料盤旋轉(zhuǎn)180°后，再從物料出口卸出。物料蓋4的開關(guān)動作由齒條叉架7上的空間凸輪控制。為了保證空間凸輪機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中進(jìn)料與出料位置的準(zhǔn)確性及機(jī)構(gòu)運(yùn)動的平穩(wěn)性，同時(shí)避免從動件在運(yùn)動過程中出現(xiàn)較大的沖擊，就要求凸輪的輪廓能控制從動件按照規(guī)定的運(yùn)動規(guī)律準(zhǔn)確運(yùn)動，這也對凸輪的輪廓設(shè)計(jì)提出了較高的要求。

圖1 自動物料定量分裝機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖

1.2 設(shè)計(jì)思路

凸輪機(jī)構(gòu)傳動件的運(yùn)動規(guī)律一般有等速運(yùn)動規(guī)律、等加速等減速運(yùn)動規(guī)律及余弦加速度運(yùn)動規(guī)律。其中，凸輪機(jī)構(gòu)從動件按照余弦加速度運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動時(shí)會產(chǎn)生較小的柔性沖擊，適合用于中速、中載的場合，滿足此機(jī)構(gòu)中機(jī)構(gòu)運(yùn)動的要求[2]。

1）機(jī)構(gòu)運(yùn)動要求分析。

根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，物料蓋板在卸料時(shí)張開的角度為30°，經(jīng)測量從動件升程h=12.7685 mm，機(jī)構(gòu)的推程角φ=45°，遠(yuǎn)休止角φs=0°，回程角φ′=45° ，近休止角φs′=270°，凸輪基圓半徑Rb1=52 mm。其運(yùn)動規(guī)律曲線如圖2所示。

圖2 凸輪從動件運(yùn)動規(guī)律曲線

2）確定從動件運(yùn)動規(guī)律。式中：x、y、z為凸輪輪廓曲線坐標(biāo)；Rb為凸輪基圓半徑；φ為凸輪轉(zhuǎn)角，φ∈[0，2π]。

2 空間凸輪輪廓設(shè)計(jì)

1）將上述運(yùn)動方程式和參數(shù)轉(zhuǎn)化成UG NX可以識別的表達(dá)式，選擇系統(tǒng)中選擇“工具”菜單下“表達(dá)式”命令，在彈出的“表達(dá)式”對話框中依次添加下面的公式：

2）使用UG NX的規(guī)律曲線命令，按照上一步建立的表達(dá)式繪制凸輪輪廓曲線。點(diǎn)擊UG NX工具欄上“規(guī)律曲線”命令，在彈出的“規(guī)律曲線”對話框中輸入所建立的變量，點(diǎn)擊“確定”命令獲得曲線[3]。在用“曲線/圓”命令以坐標(biāo)系原點(diǎn)為圓心，規(guī)律曲線兩端點(diǎn)為圓弧端點(diǎn)繪制圓弧，得到空間凸輪輪廓曲線，如圖3所示。用同樣的方法繪制一個(gè)Rb2=66 mm的凸輪輪廓曲線，完成后如圖3所示。

3）應(yīng)用UG NX通過曲線組創(chuàng)建曲面。基于圖3中坐標(biāo)系創(chuàng)建直徑分別為108 mm和128 mm的圓柱并求差，獲得空間凸輪毛坯，如圖4所示。最后應(yīng)用UG NX修剪體命令，用凸輪輪廓曲線創(chuàng)建的曲面修建凸輪毛坯得到如圖5所示的空間凸輪三維實(shí)體。

圖3 空間凸輪輪廓曲線

圖4 凸輪毛坯

圖5 空間凸輪三維模型

3 結(jié)語

文中闡述了空間凸輪理論輪廓曲線的建模思路，并通過自動物料定量分裝機(jī)構(gòu)中用于控制物料蓋開閉的凸輪為例，詳細(xì)介紹了基于UG NX表達(dá)式的空間凸輪精確建模的方法。該方法不僅能滿足空間凸輪的設(shè)計(jì)精度，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動部件的運(yùn)動要求，而且設(shè)計(jì)思路清晰，建模過程簡單，易于掌握和應(yīng)用；同時(shí)此設(shè)計(jì)思路和方法具有較強(qiáng)的通用性，可用于不同需求空間凸輪的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)僅需修改對應(yīng)的幾何參數(shù)和運(yùn)動方程即可，提高了空間凸輪的設(shè)計(jì)效率；所設(shè)計(jì)的凸輪也可為后續(xù)機(jī)構(gòu)的裝配、運(yùn)動仿真、運(yùn)動分析及數(shù)控加工奠定良好的基礎(chǔ)。