凸輪式環形分度裝置的數字化設計與分析

葛正浩， 齊云云， 劉小琴

(陜西科技大學 機電工程學院， 陜西 西安 710021)

凸輪式環形分度裝置的數字化設計與分析

葛正浩， 齊云云， 劉小琴

(陜西科技大學 機電工程學院， 陜西 西安 710021)

以圓柱分度凸輪機構為核心部件，設計出了一種新型凸輪式環形分度裝置.為了得到運動性能良好的圓柱分度凸輪機構，首先對圓柱分度凸輪機構的設計系統進行了完善，并用該系統軟件結合Creo 3.0建立了凸輪式環形分度裝置的數字化樣機，進而得到系列化的凸輪式環形分度裝置.該裝置的設計采用分度凸輪與從動盤不在同一箱體中的方法，并采用輕型回轉支撐軸承解決了設計過程中從動盤的支撐和密封的難題，使整個裝置的結構更加簡單化.最后基于ADAMS軟件對簡化的數字化樣機進行運動學仿真，通過對其角位移、角速度、角加速度以及碰撞線和力矩曲線的分析驗證了裝置設計的合理性與正確性，對該裝置的設計和工程應用具有一定的參考價值.

分度裝置； 圓柱分度凸輪； 數字化設計； 動力學分析

0 引言

凸輪分度裝置在包裝機械、煙草機械、沖壓機械等一些重要機械中占據著重要地位[1].隨著現代生產力需求的不斷提高，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上，一種新型分度裝置-凸輪式環形分度裝置逐漸發展起來.凸輪式環形分度裝置由圓柱分度凸輪機構和環形從動盤構成，以環形從動盤作為工作臺，具有分度范圍大，分度數較多，結構簡單，剛性好，成本低，承載能力大等諸多優點，被廣泛應用在自動控制裝置中，特別是在印刷機、旋轉式自動裝配機及大量工裝站的裝配系統等場合，凸輪式環形分度裝置具有較大的使用價值和意義.

目前，國外對凸輪式環形分度裝置的技術保密性做了很大控制，且國內關于該裝置的研究很少，主要依賴于進口，價格昂貴，不利于大批量生產.凸輪式環形分度裝置的核心是圓柱分度凸輪機構，國內對該機構的設計還基本停留在傳統設計階段，即選擇機構運動規律、確定結構參數和運動參數、設計凸輪輪廓曲面、結構設計、動力學驗算、優化、繪制零件圖和裝配圖[2-4].此設計過程繁雜，工作量大，較易出錯，研發周期長，而且研發結果單一，無法實現系列化，阻礙了產品的發展速度，不益于推廣.

國外對圓柱分度凸輪機構的研究已經相當成熟，美國、英國、加拿大、日本等國家已有了標準的的CAD/CAM系統軟件系列庫.國內對該機構系統的研究，以陜西科技大學最為突出，設計出各種圓柱分度凸輪機構CAD/CAM軟件系統[5-7]，這些軟件可實現的功能和側重點不同，研究對象都比較單一，實體加工模擬結果較少，大多數軟件只針對圓柱分度凸輪的CAD/CAM系統，沒有將分度盤和機構的CAD系統融入到CAD/CAM系統中，而且普遍都是對圓柱滾子式機構的研究，對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構CAD/CAM軟件，開發了圓柱分度凸輪機構從動件滾子類型選擇模塊和壓力角數據及曲線輸出模塊.用戶可根據設計要求，實現凸輪輪廓數據及加工數據的自動輸出，并隨時查看機構的壓力角曲線和運動特性.使整個軟件更加合理，設計結果更加直觀方便.同時在此基礎上，完成了環形分度裝置的數字化設計并進行了動力學分析，為其后續的設計與加工奠定了基礎.

1 圓柱分度凸輪機構設計軟件

迄今為止，對圓柱分度凸輪機構數字化設計方法主要有以下兩種：

(1)借助UG或Pro/E等三維軟件，通過將大量的參數和曲線方程輸入到三維CAD軟件中來得到圓柱分度凸輪的數字化建模，該方法設計過程繁瑣，效率較低，不能達到大多數企業對高效率作業方式的要求；

(2)基于不同的編程語言研究圓柱分度凸輪機構CAD/CAM軟件系統，通過該系統可快速得到圓柱分度凸輪機構數字化模型，大大提高了產品的設計質量，縮短產品的設計開發周期.

本文將采用模塊化設計思想，應用VB編程語言，結合Creo三維軟件，針對兩種滾子類型的圓柱分度凸輪機構的數字化設計進行研究(如圖1所示)，不但能輸出凸輪廓面坐標點，還能實現壓力角數據及數據曲線、誘導法曲率數據的輸出(如圖2所示)以及兩種加工數據的輸出.

圖1 滾子類型選擇

圖2 運動特性分析模塊

該軟件功能的實現，是對前人研究的圓柱分度凸輪機構設計系統進行了以下三個方面的補充與完善：(1)實現了圓錐滾子圓柱分度凸輪機構的設計與加工;(2)可自動輸出壓力角數據及曲線圖，隨時得知機構的設計情況，修正其不正確的地方；(3)可快速得到分度數最小為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體模型，并自動輸出兩種NC加工數據,對圓柱分度凸輪機構的設計提供了極大的便捷作用，提高了其設計和加工效率，為環形分度裝置的系列化設計提供了一定基礎.

2 凸輪式環形分度裝置數字化設計

2.1 裝置的方案設計

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].凸輪式環形分度裝置是在圓柱凸輪分度裝置的基礎上發展起來的一種新型裝置，是分度凸輪機構的一種新的應用形式[12-16].因國外對其設計的保密性以及國內研究的匱乏，特設計了凸輪式環形分度裝置方案，如圖3所示.

1.從動盤 2.輕型回轉支撐軸承 3.機架 4.箱體 5.減速器 6.電動機 7.凸輪軸 8.聯軸器

其工作原理簡述如下：中空直角型減速電機作為動力源，驅動凸輪軸勻速轉動，傳動機構為圓柱分度凸輪機構，在凸輪軸的驅動下凸輪勻速運轉，凸輪的工作輪廓曲面和從動盤滾子兩者相嚙合，帶動工作臺做間歇運動.

從設計方案可以看出，該凸輪式環形分度裝置實現了分度凸輪與從動盤不在同一箱體中的設計，而且在設計過程中采用輕型回轉支撐軸承解決了從動盤的支撐和密封的難題，使整個裝置的結構更加簡單化，該裝置目前已獲批國家專利.

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

2.2 裝置的數字化樣機設計

(1)裝置的傳動機構設計

凸輪式環形分度裝置的核心部件是圓柱分度凸輪機構，該裝置的圓柱凸輪分度機構基本參數如表1所示.

表1 圓柱分度凸輪機構基本參數

續表1

名稱數據值許用壓力角/(°)[α]=40°滾子與凸輪槽底部間隙/mme=5mm凸輪定位環面兩側夾角/(°)β=0°凸輪寬度/mml=300mm轉盤外圓直徑/mmD2=750mm

應用圓柱分度凸輪機構CAD/CAM系統軟件，輸入相關參數，輸出凸輪的廓面數據點(文件格式為.ibl)，將數據文件導入Creo 3.0中得到輪廓曲線，按照“點-線-面”的建模方法，得到圓柱分度凸輪機構的數字化模型，如圖4所示.

圖4 傳動機構數字化模型

壓力角影響著凸輪節圓直徑和機構運行效率，因此，有必要對其分布進行分析并得到壓力角最大值，圖5是本次設計的壓力角數據輸出界面和曲線.

(a)壓力角數據

(b) 壓力角曲線

為了得到兩個相互嚙合曲面之間的性質，對構成嚙合曲面上的嚙合曲線上的曲率進行了分析；誘導法曲率是判別兩嚙合曲面有沒有根切的重要指標，圖6為此次設計中圓柱分度凸輪機構的誘導法曲率值的輸出界面.

圖6 誘導法曲率數據輸出

根據壓力角數據和曲率數據可隨時對機構進行修改完善，為得到正確的凸輪機構提供了便利.

(2)裝置的數字化樣機

裝置的潤滑采用潤滑油潤滑，箱體底部設有放油孔，并放置油標來檢測油面高度.機架起支撐作用，要求其具有良好的剛度，選用45鋼作為機架材料.完成凸輪式環形分度裝置的傳動機構及其他輔助零件的設計后，按照裝置的設計方案，在Creo 3.0中，對其零部件進行建模和裝配，最終得到凸輪式環形分度裝置數字化樣機如圖7所示.

圖7 16分度750CRID凸輪式環形分度裝置

2.3 裝置的系列化設計

本次設計的凸輪式環形分度裝置有四個型號：750CRID、1100CRID、1550CRID和2000CRID.型號前的數字代表工作臺的直徑，用戶可以根據需求自行選擇.每一種型號的凸輪式環形分度裝置的傳動機構有不同的分度數和凸輪的頭數，750CRID可以實現從I=4～36的分度運動，1100CRID型號的凸輪式環形分度裝置可以實現I=6～48的分度運動.對于每一型號的分度裝置，當分度數改變時，需改變傳動機構的結構形式，其他零部件裝配關系不變，零件結構尺寸會相應調整.但當分度數較小時，一般不采用單頭分度凸輪，因為對于同一型號的分度裝置，從動盤的節圓半徑保持不變，通過計算可知，分度數越小，凸輪結構尺寸越大，凸輪箱體及其他零部件尺寸根據裝配尺寸會發生變化.故為了滿足該裝置和其他裝置的裝配關系，當分度數較小時，通常將機構設計為多頭圓柱分度凸輪機構.圖8為750CRID型號的凸輪式環形分度裝置數字化樣機，其核心傳動機構是選用修正正弦運動規律的雙頭8分度左旋凸脊型圓柱分度凸輪機構.

圖8 8分度750CRID凸輪式環形分度裝置

3 凸輪式環形分度裝置動力學分析

3.1 建立動力學仿真模型

凸輪式環形分度裝置是由核心部件圓柱分度凸輪機構和其他輔助部件組成，可以把該裝置的運動仿真分析簡化為傳動機構的運動仿真分析.

以750CRID型號的凸輪式環形分度裝置為例，將Creo 3.0中建立的裝置傳動機構三維模型另存為".x_t"格式的文件，并導入ADAMS中進行運動仿真分析.整個機構需要添加的約束有：(1)凸輪與大地之間的旋轉副，(2)從動盤與大地之間的旋轉副.添加約束后的凸輪式環形分度裝置的動力學仿真模型如圖9所示.

圖9 動力學仿真模型

3.2 確定接觸載荷

為簡化模型計算過程，通常在建模時把從動盤和滾子建為一體，將弧面凸輪與從動盤之間的接觸等效為兩個變曲率半徑柱體的碰撞問題.由于凸輪與圓柱滾子是依靠一側的接觸來實現運動，因此，選用沖擊函數法來計算凸輪與滾子的碰撞力，其計算公式如下式[17,18]：

(1)

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

兩個曲率不同的圓柱體撞擊時接觸法向力P和變形δ之間關系為：P=Kδ3/2.接觸剛度計算公式為：

K=(4/3)R1/2·E*

(2)

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

3.3 仿真參數的設置

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

3.4 仿真結果分析

在ADAMS中完成該圓柱分度凸輪機構動力學仿真模型各參數設定后，進行動態仿真分析(電機轉速為360 °/s，動程角為300 °)，通過后處理模塊可以輸出從動盤的角位移(THETA)、角速度(WZ)和角加速度(WDZ)三條曲線結果如圖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

根據從動盤的位移、角速度、角加速度、碰撞力及力矩的仿真結果可知，整個機構的運動周期為1 s，在分度階段，從動盤一個周期的轉位角為22.5 °，速度的最大值出現在分度段的中點，且位移、速度和加速度曲線與修正正弦運動規律理論曲線相符；在機構的停留階段，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，凸輪式環形分度裝置的參數設計滿足要求.

4 結論

本文基于VB 6.0軟件，在圓柱分度凸輪機構CAD/CAM軟件中，完善了圓錐滾子圓柱分度凸輪機構的設計和圓柱分度凸輪機構壓力角、曲率數據的輸出.設計了凸輪式環形分度裝置方案，應用完善后的軟件，聯合Creo 3.0軟件，建立了圓柱分度凸輪機構模型以及凸輪式環形分度裝置數字化模型，并對裝置進行系列化設計，實現了同一型號不同分度數的凸輪式環形分度裝置數字化設計以及不同型號的凸輪式環形分度裝置的數字化設計，并已獲批國家專利.最后利用Adams軟件，對該數字化模型進行動態仿真，輸出其角位移、角速度、角加速度、碰撞力及力矩曲線，模擬裝置的真實運動，分析結果的合理性驗證了裝置設計的正確性.

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【責任編輯：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

陜西省教育廳服務地方專項科研計劃項目(15JF010)； 西安市科技局科技計劃項目(CXY1431(3))

葛正浩(1964-)，男，上海人，教授，博士生導師,研究方向：機構學、復合材料、模具CAD/CAE/CAM

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

TH122

A