自動物料定量分裝機構控制凸輪設計

文萍，馬正鵬，潘秀石，劉勇，屠晶晶

（蘇州經貿職業技術學院機電技術學院，江蘇蘇州 215009）

0 引言

在自動化設備中，凸輪機構常用于實現對運動部件動作的精準運動控制。相對于其他運動控制機構，凸輪機構結構簡單緊湊，能夠實現復雜的運動規律。按照凸輪機構形狀進行分類可以分為平面凸輪和空間凸輪，其中空間凸輪機構的運動特性和動力特性更為優良，因此在機械式自動化機構和自動控制裝置中應用廣泛[1]。但是，由于當前自動化設備的精準控制的要求，對于凸輪的設計要求越來越高。對于平面凸輪來講，由于結構比較簡單，因此使用一般的CAD軟件即可輕易完成設計任務，但是空間凸輪輪廓多為復雜的空間曲面，在進行空間凸輪輪廓設計時，往往都需要借助較為復雜的三維CAD軟件及其他的計算軟件來完成空間凸輪的三維設計。本文以高端CAD/CAE/CAM一體化軟件UG NX為設計平臺，介紹了自動物料定量分裝機構中物料口開閉裝置空間凸輪結構的設計，該設計思路清晰、方法簡單，可獨立實現高精度凸輪三維設計。

1 裝置功能分析與設計思路

1.1 裝置功能分析

自動物料定量分裝機構三維結構圖如圖1所示，所設計的自動物料定量分裝機構主要實現物料的定量分裝功能。不完全齒輪機構2主動輪勻速轉動帶動從動齒輪輪、花鍵軸3及上物料盤6間歇轉動，上物料盤6上有2個物料桶，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6一起轉動。調節齒輪齒條機構8中轉動主動齒輪可以帶動齒條叉架7在機架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，以調節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可以擺動以實現物料桶的開關。需分裝的物料從物料進口進入，物料盤旋轉180°后，再從物料出口卸出。物料蓋4的開關動作由齒條叉架7上的空間凸輪控制。為了保證空間凸輪機構在運行過程中進料與出料位置的準確性及機構運動的平穩性，同時避免從動件在運動過程中出現較大的沖擊，就要求凸輪的輪廓能控制從動件按照規定的運動規律準確運動，這也對凸輪的輪廓設計提出了較高的要求。

圖1 自動物料定量分裝機構三維結構圖

1.2 設計思路

凸輪機構傳動件的運動規律一般有等速運動規律、等加速等減速運動規律及余弦加速度運動規律。其中，凸輪機構從動件按照余弦加速度運動規律進行運動時會產生較小的柔性沖擊，適合用于中速、中載的場合，滿足此機構中機構運動的要求[2]。

1）機構運動要求分析。

根據機構設計要求，物料蓋板在卸料時張開的角度為30°，經測量從動件升程h=12.7685 mm，機構的推程角φ=45°，遠休止角φs=0°，回程角φ′=45° ，近休止角φs′=270°，凸輪基圓半徑Rb1=52 mm。其運動規律曲線如圖2所示。

圖2 凸輪從動件運動規律曲線

2）確定從動件運動規律。式中：x、y、z為凸輪輪廓曲線坐標；Rb為凸輪基圓半徑；φ為凸輪轉角，φ∈[0，2π]。

2 空間凸輪輪廓設計

1）將上述運動方程式和參數轉化成UG NX可以識別的表達式，選擇系統中選擇“工具”菜單下“表達式”命令，在彈出的“表達式”對話框中依次添加下面的公式：

2）使用UG NX的規律曲線命令，按照上一步建立的表達式繪制凸輪輪廓曲線。點擊UG NX工具欄上“規律曲線”命令，在彈出的“規律曲線”對話框中輸入所建立的變量，點擊“確定”命令獲得曲線[3]。在用“曲線/圓”命令以坐標系原點為圓心，規律曲線兩端點為圓弧端點繪制圓弧，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Rb2=66 mm的凸輪輪廓曲線，完成后如圖3所示。

3）應用UG NX通過曲線組創建曲面。基于圖3中坐標系創建直徑分別為108 mm和128 mm的圓柱并求差，獲得空間凸輪毛坯，如圖4所示。最后應用UG NX修剪體命令，用凸輪輪廓曲線創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構中用于控制物料蓋開閉的凸輪為例，詳細介紹了基于UG NX表達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計精度，實現機構運動部件的運動要求，而且設計思路清晰，建模過程簡單，易于掌握和應用；同時此設計思路和方法具有較強的通用性，可用于不同需求空間凸輪的設計，設計時僅需修改對應的幾何參數和運動方程即可，提高了空間凸輪的設計效率；所設計的凸輪也可為后續機構的裝配、運動仿真、運動分析及數控加工奠定良好的基礎。