平面凸輪實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制在設(shè)計(jì)與工藝中的細(xì)節(jié)

傅唐繁

摘 要：在高速輕載機(jī)構(gòu)中，用平面凸輪來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，對于超大批量產(chǎn)品的加工或裝配，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低的巨大優(yōu)勢。但是，凸輪在加工、裝配過程中的誤差不可避免，造成點(diǎn)位誤差非常大，達(dá)不到預(yù)期的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)；加工方法

中圖分類號：TH112.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-5312（2017）11-0052-01

一、設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

平面凸輪在設(shè)計(jì)中的首要任務(wù)是如何消除加工和裝配中的誤差，其次是在高速運(yùn)行中解決引起設(shè)備振動(dòng)的問題，三是在實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位的同時(shí)，如何處理好電機(jī)頻繁的停頓、起動(dòng)問題以及引起的慣性。

1.凸輪數(shù)量：一個(gè)凸輪控制一個(gè)方向的坐標(biāo)值。也就是說有X、Y、Z三根軸的話就有三個(gè)凸輪。最多凸輪數(shù)不得大于3。

2.點(diǎn)位數(shù)量N： 在每一個(gè)凸輪360度的圓周上對點(diǎn)位數(shù)勻分。即每一凸輪上有360/N個(gè)等分點(diǎn)。雖然每一點(diǎn)位的極徑不等，兩極點(diǎn)間曲線的弧長不等，但當(dāng)凸輪勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其角速度相等，即每一極點(diǎn)間轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間相等，用時(shí)間繼電器來完成凸輪的啟動(dòng)和停止創(chuàng)造了一有利條件。

3.凸輪輪廓曲線的處理：（1）先定義極點(diǎn)。以回轉(zhuǎn)中心為圓心，以極徑（極徑=該軸坐標(biāo)值）為半徑，以極點(diǎn)為對稱點(diǎn)，畫一圓弧（等分點(diǎn)小于80，圓弧角度為0.6度，等分點(diǎn)小于120，圓弧角度為1度，等分點(diǎn)大于120，圓弧角度為1.5度）。用一段小圓弧來代替極點(diǎn)是凸輪實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制的關(guān)鍵所在，加工和裝配中的誤差將大大消除；（2）用樣條線連接各圓弧的端點(diǎn)，將圓弧之間的曲線剪掉；（3）調(diào)整樣條線。依據(jù)從動(dòng)件滾動(dòng)體的半徑（建議用滾動(dòng)體與凸輪接觸，如銷、軸承等）調(diào)整樣條線的曲率半徑。先將樣條線在PRO/E軟件中加以整合，將樣條線變?yōu)閺?fù)合曲線。方法是：INSERT（插入） DATUM（基準(zhǔn)） CURVES（曲線） COMPOSITE（復(fù)合）。

其次是分析復(fù)合曲線的曲率半徑。方法是：ANALYSIS（分析） CURVE ANALYSIS（曲線分析） RADIUS（曲率半徑）。

點(diǎn)選上述復(fù)合曲線，由曲率圖找尋小于滾動(dòng)體半徑的對應(yīng)曲線段，加以調(diào)整，直至大于或等于滾動(dòng)體半徑為止。

4.死點(diǎn)：即凸輪第一個(gè)點(diǎn)（起點(diǎn)）的確定。根據(jù)載荷的大小，合理選擇該點(diǎn)的位置。如果從動(dòng)件在此處的力矩為零或趨近于零，在起動(dòng)或運(yùn)行到此點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊，引起設(shè)備的振動(dòng)和噪音。三個(gè)凸輪的起點(diǎn)應(yīng)一致。

5.凸輪定位：以“兩銷（一圓柱銷，一菱形銷）一面”定位為最佳。故動(dòng)力軸上可設(shè)計(jì)一法蘭盤與其聯(lián)接，法蘭盤上設(shè)計(jì)兩銷釘，凸輪與動(dòng)力軸可采用平鍵聯(lián)接，以實(shí)現(xiàn)力矩的傳遞。定位銷不得承受任何載荷。

6.電機(jī)與動(dòng)力軸的傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)：為緩沖傳動(dòng)過程中機(jī)構(gòu)部件的沖擊，宜采用柔性傳動(dòng)，同步帶是首先。同步帶輪的齒數(shù)等于凸輪的等分點(diǎn)數(shù)。電機(jī)與動(dòng)力軸的傳動(dòng)比為1：1。為適應(yīng)同一設(shè)備實(shí)現(xiàn)不同點(diǎn)位的要求，在同步帶上可用張緊輪來完成中心距的調(diào)節(jié)，故同步帶輪有三個(gè)，且齒數(shù)相同。

凸輪在實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位的同時(shí)，從動(dòng)件有兩種作用結(jié)果：一是連續(xù)運(yùn)動(dòng)，一是間歇運(yùn)動(dòng)。連續(xù)運(yùn)動(dòng)可采用普通電機(jī)與減速器組合的方式。間歇運(yùn)動(dòng)選用伺服電機(jī)可能是最佳選擇，但由于啟動(dòng)頻繁，尤其是等份數(shù)較多時(shí)，則電控復(fù)雜，成本太大，且不易實(shí)現(xiàn)。下面結(jié)合本人的工程實(shí)踐，談一下解決凸輪間歇運(yùn)動(dòng)的方案。普通電機(jī)：2KW；2100轉(zhuǎn)/分；點(diǎn)位數(shù)：96；停頓時(shí)間：2.5秒。電機(jī)軸與同步帶輪軸用摩擦片連接，其結(jié)構(gòu)類似于車床主軸摩擦片的設(shè)計(jì)方案，利用杠桿原理作用于摩擦片，其動(dòng)力來源是采用兩個(gè)同步氣缸（氣缸行程：8毫米），用時(shí)間繼電器來控制氣缸松開的時(shí)間。

二、平面凸輪的加工工藝

由于平面凸輪可實(shí)現(xiàn)三軸點(diǎn)位，且每一軸各用一個(gè)凸輪，故平面凸輪的厚度不能太厚，為減小設(shè)備空間，凸輪厚度宜為6-8毫米（最大極徑小于300 毫米，厚度為6 毫米； 最大極徑大于300 毫米，厚度為8毫米）。故加工凸輪，若工藝不當(dāng)，加工誤差極大。

1.凸輪材料：可選用45或50號鋼，調(diào)質(zhì)到HB280-320。

2.加工安排：先在車床上粗車凸輪內(nèi)孔和外圓（板料矯曲變形大，若先調(diào)質(zhì)，則增大平面磨削的困難）；調(diào)質(zhì)；熱處理完后，用墊片和塞尺，反復(fù)在平面磨床上粗、精磨凸輪兩平面，保證凸輪上下兩面的平行度小于0.03 毫米、平面度小于0.05 毫米（若平行度和平面度達(dá)不到該要求，其一：在銑削加工的裝夾中會(huì)產(chǎn)生變形；其二：從動(dòng)件滾動(dòng)體與凸輪的接觸面較小，若變形較大，在運(yùn)行過程中滾動(dòng)體受力不均，易疲勞，加劇磨損）。再在車床或鏜上精加工凸輪內(nèi)孔，保證軸線與端面的垂直度小于0.03 毫米。

3.以凸輪內(nèi)孔和其中一面為基準(zhǔn)，校正凸輪內(nèi)孔，在數(shù)控銑床上粗、精加工凸輪兩銷孔（注意兩銷孔軸線與凸輪內(nèi)孔軸線的對稱度小于0.01 毫米），保證孔距精度在±0.01 毫米以內(nèi)。再以兩銷孔為精基準(zhǔn)，在線切割機(jī)床上粗加工凸輪輪廓，留0.3-0.5 毫米余量，凸輪內(nèi)孔處的鍵槽直接割成（三個(gè)凸輪內(nèi)孔上的鍵槽與動(dòng)力軸上的鍵槽用一平鍵相連接，故線割凸輪內(nèi)孔鍵槽時(shí)必須用專用夾具，且與內(nèi)孔軸線對稱度小于0.02毫米，否則三個(gè)凸輪在裝配時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差）。

4.在數(shù)控銑削中心上，以兩銷孔為基準(zhǔn)，采用兩銷一面定位，精加工凸輪輪廓（切削力不宜太大，謹(jǐn)防加工中出現(xiàn)振動(dòng)），選用與凸輪從動(dòng)件滾動(dòng)體直徑相同的精加工刀具；表面粗糙度Ra<0.8。在此道工序中，不要用慢走絲或中走絲機(jī)床加工，因附著其表面上的硬層易脫落。鉗工將銳邊倒圓。涂防銹油。

5.凸輪在轉(zhuǎn)輸、運(yùn)輸和裝配過程中切忌碰撞，輕拿輕放。