凸輪式環(huán)形分度裝置的數(shù)字化設(shè)計(jì)與分析

葛正浩， 齊云云， 劉小琴

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

凸輪式環(huán)形分度裝置的數(shù)字化設(shè)計(jì)與分析

葛正浩， 齊云云， 劉小琴

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

以圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)為核心部件，設(shè)計(jì)出了一種新型凸輪式環(huán)形分度裝置.為了得到運(yùn)動(dòng)性能良好的圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)，首先對(duì)圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了完善，并用該系統(tǒng)軟件結(jié)合Creo 3.0建立了凸輪式環(huán)形分度裝置的數(shù)字化樣機(jī)，進(jìn)而得到系列化的凸輪式環(huán)形分度裝置.該裝置的設(shè)計(jì)采用分度凸輪與從動(dòng)盤不在同一箱體中的方法，并采用輕型回轉(zhuǎn)支撐軸承解決了設(shè)計(jì)過(guò)程中從動(dòng)盤的支撐和密封的難題，使整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單化.最后基于ADAMS軟件對(duì)簡(jiǎn)化的數(shù)字化樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過(guò)對(duì)其角位移、角速度、角加速度以及碰撞線和力矩曲線的分析驗(yàn)證了裝置設(shè)計(jì)的合理性與正確性，對(duì)該裝置的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值.

分度裝置； 圓柱分度凸輪； 數(shù)字化設(shè)計(jì)； 動(dòng)力學(xué)分析

0 引言

凸輪分度裝置在包裝機(jī)械、煙草機(jī)械、沖壓機(jī)械等一些重要機(jī)械中占據(jù)著重要地位[1].隨著現(xiàn)代生產(chǎn)力需求的不斷提高，在圓柱凸輪分度裝置、弧面凸輪分度裝置和平行凸輪分度裝置的基礎(chǔ)上，一種新型分度裝置-凸輪式環(huán)形分度裝置逐漸發(fā)展起來(lái).凸輪式環(huán)形分度裝置由圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)和環(huán)形從動(dòng)盤構(gòu)成，以環(huán)形從動(dòng)盤作為工作臺(tái)，具有分度范圍大，分度數(shù)較多，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性好，成本低，承載能力大等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)控制裝置中，特別是在印刷機(jī)、旋轉(zhuǎn)式自動(dòng)裝配機(jī)及大量工裝站的裝配系統(tǒng)等場(chǎng)合，凸輪式環(huán)形分度裝置具有較大的使用價(jià)值和意義.

目前，國(guó)外對(duì)凸輪式環(huán)形分度裝置的技術(shù)保密性做了很大控制，且國(guó)內(nèi)關(guān)于該裝置的研究很少，主要依賴于進(jìn)口，價(jià)格昂貴，不利于大批量生產(chǎn).凸輪式環(huán)形分度裝置的核心是圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)，國(guó)內(nèi)對(duì)該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)還基本停留在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，即選擇機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、確定結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)、設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲面、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)驗(yàn)算、優(yōu)化、繪制零件圖和裝配圖[2-4].此設(shè)計(jì)過(guò)程繁雜，工作量大，較易出錯(cuò)，研發(fā)周期長(zhǎng)，而且研發(fā)結(jié)果單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)系列化，阻礙了產(chǎn)品的發(fā)展速度，不益于推廣.

國(guó)外對(duì)圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，美國(guó)、英國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家已有了標(biāo)準(zhǔn)的的CAD/CAM系統(tǒng)軟件系列庫(kù).國(guó)內(nèi)對(duì)該機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的研究，以陜西科技大學(xué)最為突出，設(shè)計(jì)出各種圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)CAD/CAM軟件系統(tǒng)[5-7]，這些軟件可實(shí)現(xiàn)的功能和側(cè)重點(diǎn)不同，研究對(duì)象都比較單一，實(shí)體加工模擬結(jié)果較少，大多數(shù)軟件只針對(duì)圓柱分度凸輪的CAD/CAM系統(tǒng)，沒有將分度盤和機(jī)構(gòu)的CAD系統(tǒng)融入到CAD/CAM系統(tǒng)中，而且普遍都是對(duì)圓柱滾子式機(jī)構(gòu)的研究，對(duì)圓錐滾子圓柱分度凸輪的研究較少.

本文基于VB6.0軟件，完善了圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)CAD/CAM軟件，開發(fā)了圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件滾子類型選擇模塊和壓力角數(shù)據(jù)及曲線輸出模塊.用戶可根據(jù)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)凸輪輪廓數(shù)據(jù)及加工數(shù)據(jù)的自動(dòng)輸出，并隨時(shí)查看機(jī)構(gòu)的壓力角曲線和運(yùn)動(dòng)特性.使整個(gè)軟件更加合理，設(shè)計(jì)結(jié)果更加直觀方便.同時(shí)在此基礎(chǔ)上，完成了環(huán)形分度裝置的數(shù)字化設(shè)計(jì)并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，為其后續(xù)的設(shè)計(jì)與加工奠定了基礎(chǔ).

1 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件

迄今為止，對(duì)圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)方法主要有以下兩種：

(1)借助UG或Pro/E等三維軟件，通過(guò)將大量的參數(shù)和曲線方程輸入到三維CAD軟件中來(lái)得到圓柱分度凸輪的數(shù)字化建模，該方法設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣，效率較低，不能達(dá)到大多數(shù)企業(yè)對(duì)高效率作業(yè)方式的要求；

(2)基于不同的編程語(yǔ)言研究圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)CAD/CAM軟件系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可快速得到圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)數(shù)字化模型，大大提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期.

本文將采用模塊化設(shè)計(jì)思想，應(yīng)用VB編程語(yǔ)言，結(jié)合Creo三維軟件，針對(duì)兩種滾子類型的圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究(如圖1所示)，不但能輸出凸輪廓面坐標(biāo)點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)壓力角數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)曲線、誘導(dǎo)法曲率數(shù)據(jù)的輸出(如圖2所示)以及兩種加工數(shù)據(jù)的輸出.

圖1 滾子類型選擇

圖2 運(yùn)動(dòng)特性分析模塊

該軟件功能的實(shí)現(xiàn)，是對(duì)前人研究的圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了以下三個(gè)方面的補(bǔ)充與完善：(1)實(shí)現(xiàn)了圓錐滾子圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與加工;(2)可自動(dòng)輸出壓力角數(shù)據(jù)及曲線圖，隨時(shí)得知機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)情況，修正其不正確的地方；(3)可快速得到分度數(shù)最小為4，最大為60的兩種滾子類型的不同圓柱分度凸輪的三維實(shí)體模型，并自動(dòng)輸出兩種NC加工數(shù)據(jù),對(duì)圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了極大的便捷作用，提高了其設(shè)計(jì)和加工效率，為環(huán)形分度裝置的系列化設(shè)計(jì)提供了一定基礎(chǔ).

2 凸輪式環(huán)形分度裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)

2.1 裝置的方案設(shè)計(jì)

常用的凸輪分度裝置有圓柱凸輪分度裝置、弧面凸輪分度裝置和平行凸輪分度裝置三大類[8-11].凸輪式環(huán)形分度裝置是在圓柱凸輪分度裝置的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置，是分度凸輪機(jī)構(gòu)的一種新的應(yīng)用形式[12-16].因國(guó)外對(duì)其設(shè)計(jì)的保密性以及國(guó)內(nèi)研究的匱乏，特設(shè)計(jì)了凸輪式環(huán)形分度裝置方案，如圖3所示.

1.從動(dòng)盤 2.輕型回轉(zhuǎn)支撐軸承 3.機(jī)架 4.箱體 5.減速器 6.電動(dòng)機(jī) 7.凸輪軸 8.聯(lián)軸器

其工作原理簡(jiǎn)述如下：中空直角型減速電機(jī)作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)凸輪軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)，在凸輪軸的驅(qū)動(dòng)下凸輪勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，凸輪的工作輪廓曲面和從動(dòng)盤滾子兩者相嚙合，帶動(dòng)工作臺(tái)做間歇運(yùn)動(dòng).

從設(shè)計(jì)方案可以看出，該凸輪式環(huán)形分度裝置實(shí)現(xiàn)了分度凸輪與從動(dòng)盤不在同一箱體中的設(shè)計(jì)，而且在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用輕型回轉(zhuǎn)支撐軸承解決了從動(dòng)盤的支撐和密封的難題，使整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單化，該裝置目前已獲批國(guó)家專利.

該凸輪式環(huán)形分度裝置與常用的三大分度裝置相比，具有以下特點(diǎn)：(1)從動(dòng)盤作為傳動(dòng)部件，也作為工作臺(tái)，減少了裝置的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，提高了整個(gè)裝置的分度精度；(2)從動(dòng)盤中間為大型通孔，可以將其他輔助裝置放入通孔內(nèi)，一起完成作業(yè)，減小了整體空間占用面積；(3)同種型號(hào)裝置，有多種分度數(shù)可供選擇.

2.2 裝置的數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)

(1)裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸輪式環(huán)形分度裝置的核心部件是圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)，該裝置的圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)基本參數(shù)如表1所示.

表1 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)

續(xù)表1

名稱數(shù)據(jù)值許用壓力角/(°)[α]=40°滾子與凸輪槽底部間隙/mme=5mm凸輪定位環(huán)面兩側(cè)夾角/(°)β=0°凸輪寬度/mml=300mm轉(zhuǎn)盤外圓直徑/mmD2=750mm

應(yīng)用圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)CAD/CAM系統(tǒng)軟件，輸入相關(guān)參數(shù)，輸出凸輪的廓面數(shù)據(jù)點(diǎn)(文件格式為.ibl)，將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Creo 3.0中得到輪廓曲線，按照“點(diǎn)-線-面”的建模方法，得到圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的數(shù)字化模型，如圖4所示.

圖4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)字化模型

壓力角影響著凸輪節(jié)圓直徑和機(jī)構(gòu)運(yùn)行效率，因此，有必要對(duì)其分布進(jìn)行分析并得到壓力角最大值，圖5是本次設(shè)計(jì)的壓力角數(shù)據(jù)輸出界面和曲線.

(a)壓力角數(shù)據(jù)

(b) 壓力角曲線

為了得到兩個(gè)相互嚙合曲面之間的性質(zhì)，對(duì)構(gòu)成嚙合曲面上的嚙合曲線上的曲率進(jìn)行了分析；誘導(dǎo)法曲率是判別兩嚙合曲面有沒有根切的重要指標(biāo)，圖6為此次設(shè)計(jì)中圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的誘導(dǎo)法曲率值的輸出界面.

圖6 誘導(dǎo)法曲率數(shù)據(jù)輸出

根據(jù)壓力角數(shù)據(jù)和曲率數(shù)據(jù)可隨時(shí)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行修改完善，為得到正確的凸輪機(jī)構(gòu)提供了便利.

(2)裝置的數(shù)字化樣機(jī)

裝置的潤(rùn)滑采用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，箱體底部設(shè)有放油孔，并放置油標(biāo)來(lái)檢測(cè)油面高度.機(jī)架起支撐作用，要求其具有良好的剛度，選用45鋼作為機(jī)架材料.完成凸輪式環(huán)形分度裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其他輔助零件的設(shè)計(jì)后，按照裝置的設(shè)計(jì)方案，在Creo 3.0中，對(duì)其零部件進(jìn)行建模和裝配，最終得到凸輪式環(huán)形分度裝置數(shù)字化樣機(jī)如圖7所示.

圖7 16分度750CRID凸輪式環(huán)形分度裝置

2.3 裝置的系列化設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的凸輪式環(huán)形分度裝置有四個(gè)型號(hào)：750CRID、1100CRID、1550CRID和2000CRID.型號(hào)前的數(shù)字代表工作臺(tái)的直徑，用戶可以根據(jù)需求自行選擇.每一種型號(hào)的凸輪式環(huán)形分度裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有不同的分度數(shù)和凸輪的頭數(shù)，750CRID可以實(shí)現(xiàn)從I=4～36的分度運(yùn)動(dòng)，1100CRID型號(hào)的凸輪式環(huán)形分度裝置可以實(shí)現(xiàn)I=6～48的分度運(yùn)動(dòng).對(duì)于每一型號(hào)的分度裝置，當(dāng)分度數(shù)改變時(shí)，需改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，其他零部件裝配關(guān)系不變，零件結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)相應(yīng)調(diào)整.但當(dāng)分度數(shù)較小時(shí)，一般不采用單頭分度凸輪，因?yàn)閷?duì)于同一型號(hào)的分度裝置，從動(dòng)盤的節(jié)圓半徑保持不變，通過(guò)計(jì)算可知，分度數(shù)越小，凸輪結(jié)構(gòu)尺寸越大，凸輪箱體及其他零部件尺寸根據(jù)裝配尺寸會(huì)發(fā)生變化.故為了滿足該裝置和其他裝置的裝配關(guān)系，當(dāng)分度數(shù)較小時(shí)，通常將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為多頭圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu).圖8為750CRID型號(hào)的凸輪式環(huán)形分度裝置數(shù)字化樣機(jī)，其核心傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是選用修正正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律的雙頭8分度左旋凸脊型圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu).

圖8 8分度750CRID凸輪式環(huán)形分度裝置

3 凸輪式環(huán)形分度裝置動(dòng)力學(xué)分析

3.1 建立動(dòng)力學(xué)仿真模型

凸輪式環(huán)形分度裝置是由核心部件圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)和其他輔助部件組成，可以把該裝置的運(yùn)動(dòng)仿真分析簡(jiǎn)化為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析.

以750CRID型號(hào)的凸輪式環(huán)形分度裝置為例，將Creo 3.0中建立的裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型另存為".x_t"格式的文件，并導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析.整個(gè)機(jī)構(gòu)需要添加的約束有：(1)凸輪與大地之間的旋轉(zhuǎn)副，(2)從動(dòng)盤與大地之間的旋轉(zhuǎn)副.添加約束后的凸輪式環(huán)形分度裝置的動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖9所示.

圖9 動(dòng)力學(xué)仿真模型

3.2 確定接觸載荷

為簡(jiǎn)化模型計(jì)算過(guò)程，通常在建模時(shí)把從動(dòng)盤和滾子建為一體，將弧面凸輪與從動(dòng)盤之間的接觸等效為兩個(gè)變曲率半徑柱體的碰撞問(wèn)題.由于凸輪與圓柱滾子是依靠一側(cè)的接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此，選用沖擊函數(shù)法來(lái)計(jì)算凸輪與滾子的碰撞力，其計(jì)算公式如下式[17,18]：

(1)

式(1)中：STEP為階躍函數(shù)；q0為兩物體間初始距離；q為構(gòu)件碰撞過(guò)程中的實(shí)際距離；q0-q即碰撞過(guò)程中的變形量.

兩個(gè)曲率不同的圓柱體撞擊時(shí)接觸法向力P和變形δ之間關(guān)系為：P=Kδ3/2.接觸剛度計(jì)算公式為：

K=(4/3)R1/2·E*

(2)

圓柱分度凸輪材料取20 CrMnTi，從動(dòng)盤的材料取20 Cr，查閱手冊(cè)可得到材料參數(shù)，帶入上述公式中可得：K=6.83×105N/mm2.

3.3 仿真參數(shù)的設(shè)置

由于凸輪與從動(dòng)盤滾子屬于面與面的接觸，為了提高求解精度，將Geometry Library項(xiàng)設(shè)置為Parasolids形式，為了得到精確度較高的速度曲線、加速度曲線，提高求解的穩(wěn)定性，選擇Wstiff積分器和SI2積分形式，在仿真步長(zhǎng)很小的情況下能保證雅克比矩陣的穩(wěn)定性.

3.4 仿真結(jié)果分析

在ADAMS中完成該圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型各參數(shù)設(shè)定后，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析(電機(jī)轉(zhuǎn)速為360 °/s，動(dòng)程角為300 °)，通過(guò)后處理模塊可以輸出從動(dòng)盤的角位移(THETA)、角速度(WZ)和角加速度(WDZ)三條曲線結(jié)果如圖10所示，碰撞力和碰撞力矩的曲線如圖11所示.

圖10 角位移、角速度和角加速度曲線

圖11 碰撞力和碰撞力矩曲線

根據(jù)從動(dòng)盤的位移、角速度、角加速度、碰撞力及力矩的仿真結(jié)果可知，整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)周期為1 s，在分度階段，從動(dòng)盤一個(gè)周期的轉(zhuǎn)位角為22.5 °，速度的最大值出現(xiàn)在分度段的中點(diǎn)，且位移、速度和加速度曲線與修正正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律理論曲線相符；在機(jī)構(gòu)的停留階段，速度、加速度、碰撞力和碰撞力矩均為零.整體情況均在合理范圍內(nèi)，凸輪式環(huán)形分度裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)滿足要求.

4 結(jié)論

本文基于VB 6.0軟件，在圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)CAD/CAM軟件中，完善了圓錐滾子圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)壓力角、曲率數(shù)據(jù)的輸出.設(shè)計(jì)了凸輪式環(huán)形分度裝置方案，應(yīng)用完善后的軟件，聯(lián)合Creo 3.0軟件，建立了圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)模型以及凸輪式環(huán)形分度裝置數(shù)字化模型，并對(duì)裝置進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了同一型號(hào)不同分度數(shù)的凸輪式環(huán)形分度裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)以及不同型號(hào)的凸輪式環(huán)形分度裝置的數(shù)字化設(shè)計(jì)，并已獲批國(guó)家專利.最后利用Adams軟件，對(duì)該數(shù)字化模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，輸出其角位移、角速度、角加速度、碰撞力及力矩曲線，模擬裝置的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，分析結(jié)果的合理性驗(yàn)證了裝置設(shè)計(jì)的正確性.

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【責(zé)任編輯：陳佳】

Digitaldesignandanalysisofcamringindexingdevice

GE Zheng-hao, QI Yun-yun, LIU Xiao-qin

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi′an 710021, China)

In this paper,a new cam ring indexing device is designed with the cylindrical indexing cam mechanism as the core part.In order to obtain a cylindrical indexing cam mechanism with good motion performance,the design system of the cylindrical indexing cam mechanism is improved,and the digital prototype of the cam ring indexing device is established by using the system software and Creo 3.0.The design method of the device adopts indexing cam and the driven disc are not in the same cabinet,and the use of light rotary support bearings to solve the problems of the drive plate support and sealing in design process,so that the whole device structure is more simple.Finally,based on the ADAMS software,the kinematic simulation of the simplified virtual prototype is carried out.The rationality and correctness of the device design are verified by analyzing the angular displacement,angular velocity,angular acceleration and the collision line and torque curve.The design and engineering application of the device has a certain reference value.

indexing device; cylindrical indexing cam; digital design; dynamic simulation

2017-07-02

陜西省教育廳服務(wù)地方專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(15JF010)； 西安市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目(CXY1431(3))

葛正浩(1964-)，男，上海人，教授，博士生導(dǎo)師,研究方向：機(jī)構(gòu)學(xué)、復(fù)合材料、模具CAD/CAE/CAM

2096-398X(2017)06-00140-05

TH122

A