一種汽車熱保護(hù)器料帶送料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)*

顧志剛，卿宏軍

(1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.湖大科瑞江蘇檢測(cè)技術(shù)有限公司，江蘇 常州 213164)

0 引言

熱保護(hù)器是一種對(duì)溫度和(或)電流都敏感的裝置[1]，當(dāng)電機(jī)在異常條件下，可以防止電機(jī)超溫引發(fā)火災(zāi)[2]。汽車熱保護(hù)器被廣泛運(yùn)用于汽車車窗的升降器、座位調(diào)節(jié)器、雨刮器以及天窗電機(jī)的熱保護(hù)中，當(dāng)電機(jī)發(fā)生過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、短路、斷相、漏電[3]等非正常工作狀態(tài)時(shí)，及時(shí)切斷電路，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

隨著自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的不斷升級(jí)，對(duì)制造設(shè)備自動(dòng)化的要求也逐步提高。汽車熱保護(hù)器外殼一般由外協(xié)單位提供，按照生產(chǎn)廠家的要求，將一定厚度的軋制薄鋼板經(jīng)過(guò)沖床加工成長(zhǎng)條狀的料帶，再由生產(chǎn)廠家切下進(jìn)行組裝。目前熱保護(hù)器自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備多采用氣動(dòng)元件和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)工步的劃分及動(dòng)作需求，利用PLC等作為控制單元對(duì)生產(chǎn)動(dòng)作進(jìn)行有序安排。本文設(shè)計(jì)了一種采用單驅(qū)動(dòng)、多凸輪副機(jī)構(gòu)進(jìn)行料帶送料的生產(chǎn)裝置，利用SolidWorks軟件完成了關(guān)鍵零件的建模，結(jié)合motion插件，對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真。

1 料帶送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需求分析

圖1為某公司生產(chǎn)的汽車熱保護(hù)器外殼尺寸，它由一種表面鍍Ni、Zn，厚度為0.3 mm的軟鋼板軋制而成。

圖1 汽車熱保護(hù)器外殼尺寸

外協(xié)供應(yīng)商提供的外殼原料為長(zhǎng)條形料帶，料帶上開(kāi)有直徑為Φ2.4 mm的牽引孔，以方便送料機(jī)送料，如圖2所示。

外殼下料前，還需要對(duì)料帶進(jìn)行一系列再加工，例如沖壓成形、貼標(biāo)、噴碼，最后切斷下料。由于每個(gè)加工步驟只能針對(duì)一個(gè)外殼單元進(jìn)行，因此要求料帶送料機(jī)構(gòu)每次只能以一個(gè)單元間距為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生移位，即圖2中的尺寸20 mm。在移位過(guò)程中應(yīng)避免出現(xiàn)錯(cuò)位，否則會(huì)導(dǎo)致廢料的產(chǎn)生；同時(shí)在加工過(guò)程中，還必須保持料帶位置的固定，否則同樣會(huì)產(chǎn)生廢料。

圖2 料帶外形規(guī)格

為保證料帶在移動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮預(yù)先將料帶裝入特定軌道，以限制其自由度，使其只能進(jìn)行橫向移動(dòng)，因此設(shè)置一推料桿來(lái)完成料帶的橫向移動(dòng)送料。送料完成后，進(jìn)行貼標(biāo)、噴碼及切割等一系列操作，此時(shí)如果沒(méi)有定位元件，料帶可能會(huì)由于震動(dòng)等多種原因而產(chǎn)生錯(cuò)位，故還需設(shè)置一擋料桿鎖定料帶。送料過(guò)程中，推料桿將料帶釋放，加工過(guò)程中，擋料桿則將料帶鎖定，不產(chǎn)生移位。通過(guò)擋料桿和推料桿的相互配合，以實(shí)現(xiàn)料帶移位的精確可靠。為了保證企業(yè)的生產(chǎn)效率，以60個(gè)/min為生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

推料桿和擋料桿雖然是完成不同工作內(nèi)容的從動(dòng)件，但在一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)，需要相互之間緊密協(xié)作，不能出現(xiàn)干涉，為保證兩者之間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，應(yīng)盡量減少動(dòng)力驅(qū)動(dòng)元件的數(shù)量，故采用單驅(qū)動(dòng)多凸輪傳動(dòng)方式進(jìn)行動(dòng)作設(shè)計(jì)。通過(guò)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)安裝在同一個(gè)轉(zhuǎn)軸上的3個(gè)凸輪，從而使推料桿和擋料桿相互配合，以滿足設(shè)計(jì)需求。送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 送料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

主軸帶動(dòng)凸輪同步旋轉(zhuǎn)，首先，推料桿上升，完成后擋料桿下降，隨后推料桿牽引料帶橫向位移一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元，當(dāng)推料桿將料帶移動(dòng)至規(guī)定位置時(shí)，擋料桿上升對(duì)料帶進(jìn)行固定，然后推料桿下降，貼標(biāo)機(jī)、噴碼機(jī)、切割機(jī)產(chǎn)生動(dòng)作，在動(dòng)作過(guò)程中，推料桿退回，完成一個(gè)工作周期。根據(jù)以上分析，送料過(guò)程分為6個(gè)步驟，具體流程如圖4所示。

圖4 送料機(jī)構(gòu)工作流程

設(shè)定各凸輪的基圓半徑為100 mm，根據(jù)機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)節(jié)拍為60個(gè)/min，故周期為1 s，以時(shí)間(s)為橫坐標(biāo)，以各凸輪行程(mm)為縱坐標(biāo)，設(shè)計(jì)并繪制各凸輪的時(shí)序圖，如圖5所示[4]。

圖5 凸輪時(shí)序圖

2 料帶送料機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零件建模

料帶送料機(jī)構(gòu)主要關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)在于3個(gè)相互配合的凸輪，要求3個(gè)凸輪能夠以圖4中的方式運(yùn)行，才能保證擋料桿和推料桿能相互配合完成料帶的正確送料，因此凸輪輪廓的設(shè)計(jì)是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

SolidWorks是基于Windows平臺(tái)面向產(chǎn)品級(jí)的三維CAD軟件，可以十分方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維零件的實(shí)體造型、復(fù)雜裝配和生成工程圖。該軟件以其優(yōu)異的性能、易用性和創(chuàng)新性極大地提高了機(jī)械工程師的設(shè)計(jì)效率[5]，因此送料機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零件的三維建模采用了SolidWorks軟件。

根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，對(duì)料帶送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行關(guān)鍵零件建模，其三維模型如圖6所示。

圖6 機(jī)構(gòu)三維模型

模型建立完成后，根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，添加配合，使各構(gòu)件處于正確的初始位置，接著利用SolidWorks中的motion插件對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作模擬[6]。在軟件設(shè)計(jì)主界面中將“模型”選項(xiàng)卡切換到“運(yùn)動(dòng)算例”選項(xiàng)卡，給主軸添加“旋轉(zhuǎn)馬達(dá)”，轉(zhuǎn)速為60 r/min。然后分別對(duì)3個(gè)推桿添加“直線馬達(dá)”，并使每個(gè)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)與時(shí)序圖中運(yùn)動(dòng)情況對(duì)應(yīng)，表1為1號(hào)推桿的“直線馬達(dá)”運(yùn)動(dòng)參數(shù)，其中“值”指的是相對(duì)正方向的位移，由于凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)周期為1 s，推桿送料的載荷很小，故“分段類型”采用3-4-5次多項(xiàng)式，以減少?gòu)膭?dòng)件速度和加速度的突變，減少柔性和剛性沖擊[7]。馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方式設(shè)置完成后，單擊“計(jì)算”，通過(guò)仿真動(dòng)畫觀察擋料桿和推料桿的運(yùn)動(dòng)，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 1號(hào)推桿“直線馬達(dá)”運(yùn)動(dòng)參數(shù)

根據(jù)以上分析，當(dāng)凸輪作圓周運(yùn)動(dòng)、滾子以設(shè)定值作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾子質(zhì)心與凸輪基圓之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑為一封閉曲線，該曲線就是實(shí)際凸輪的輪廓曲線，接下來(lái)需要提取每個(gè)凸輪的輪廓曲線。以1號(hào)凸輪為例，將滾子的質(zhì)心作為追蹤點(diǎn)，設(shè)定相對(duì)于基圓圓柱面進(jìn)行追蹤，生成追蹤曲線，通過(guò)反求法[8]得出凸輪輪廓。為了將曲線轉(zhuǎn)換成凸輪實(shí)體，單擊仿真工具欄中的“結(jié)果和圖解”按鈕，在得到的“結(jié)果”文件夾中右鍵單擊“圖解”，選擇“在參考零件中生成曲線”，可以將上述追蹤曲線復(fù)制到凸輪零件的一張草圖中。然后打開(kāi)凸輪零件，由于在設(shè)計(jì)時(shí)選定的滾子半徑為12 mm，而上述操作過(guò)程中的追蹤對(duì)象為滾子質(zhì)心，其處于滾子幾何中心，所以需要將追蹤曲線向內(nèi)偏置12 mm，得到凸輪實(shí)際輪廓，在將曲線轉(zhuǎn)換為實(shí)體之前，再對(duì)輪廓曲線進(jìn)行必要的校核，包括輪廓曲線的最小曲率半徑等。核算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)需求后，對(duì)凸輪輪廓進(jìn)行拉伸，得到凸輪實(shí)體，完成建模。最后完成的1號(hào)凸輪輪廓曲線如圖7所示。

圖7 1號(hào)凸輪輪廓曲線

3 料帶送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

凸輪建模完成后，需要考察其以實(shí)際輪廓曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。對(duì)模型進(jìn)行重新裝配，在每個(gè)凸輪和滾子之間添加“凸輪配合”，同時(shí)給主軸添加“旋轉(zhuǎn)馬達(dá)”，速度為60 r/min，在推料桿和擋料桿及料帶之間添加“接觸”，使推料桿能正確模擬送料過(guò)程，接觸材料使用“剛性”。完成后，新建運(yùn)動(dòng)算例，單擊“計(jì)算”，對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真。從運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程可以得出，擋料桿和推料桿能互相配合，推動(dòng)料帶以每次一個(gè)單元間距移動(dòng)，料帶的送料情況符合設(shè)計(jì)需求。

再次單擊“運(yùn)動(dòng)結(jié)果和圖解”，對(duì)3個(gè)推料桿的運(yùn)動(dòng)位移、速度、加速度進(jìn)行校核。圖8為3個(gè)凸輪推桿的線性位移曲線，可以看出，推桿的位移與時(shí)序圖設(shè)計(jì)的位移相對(duì)應(yīng)，擋料桿和推料桿能按照預(yù)定設(shè)計(jì)完成料帶的送料，且位移曲線采用了3-4-5次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，較時(shí)序圖中的位移曲線更加優(yōu)越，減少了沖擊。

圖8 凸輪推桿位移曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種汽車熱保護(hù)器料帶的送料機(jī)構(gòu)，首先分析了送料機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程，給出各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)順序，以SolidWorks為設(shè)計(jì)工具，結(jié)合凸輪運(yùn)動(dòng)的時(shí)序圖，完成了主要零件的建模與運(yùn)動(dòng)仿真分析。該方法較常規(guī)凸輪設(shè)計(jì)方法最大的不同在于從裝配體角度，通過(guò)自上而下的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了凸輪輪廓，并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)符合預(yù)期效果。當(dāng)凸輪設(shè)計(jì)完成后，可以進(jìn)一步對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，進(jìn)行從動(dòng)件速度、加速度及機(jī)構(gòu)的最小曲率半徑等的校核工作。如果校核結(jié)果滿足設(shè)計(jì)參數(shù)，則可以將凸輪輪廓輸入CNC數(shù)控加工程序，對(duì)其進(jìn)行加工，省去了常規(guī)凸輪設(shè)計(jì)過(guò)程中繁雜的部分，縮短了開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約了成本，同時(shí)也為該類自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了一種思路。