淺議高速頂升凸輪連桿機構的設計

張晉欽

（深圳市大族光伏裝備有限公司，廣東 深圳 518103）

目前市場上已有很多頂升機構，但大多采用氣缸升降帶動輸送線實現變向傳輸，此種方式雖然簡單，但也存在著一些缺陷，比如負載過大、物體體積過大時就需要輔助導向，而在此種情況下的導向一般是由兩組或者多組直線軸承或者直線導軌，此時對機加件的位置精度以及裝配精度就有一定的要求，在現有的生產環境下，加工和裝配精度很難達到，所以就會在機構運動時發生卡頓不流暢、產生震動、噪聲，甚至是卡死不動，機加件容易磨損，電機也有可能因頻繁卡頓造成負載過大而燒毀，直接影響到客戶生產效率。凸輪是一種可以做持續旋轉等速運動，從動件貼合凸輪表面，實現一定規律的運動，可以避免猶如氣缸缸體與頂桿在運動過程中撞擊產生的震動以及噪音。連桿機構可以將跨度過大的邊連接起來實現同步運動，這就可以避免由于加工或裝配誤差引起的輔助導桿不平行造成的卡頓。若將凸輪機構與連桿機構結合起來就可以實現大體積物品的頂升，在配合適當的動力傳輸就可以實現將重量大的物體頂升。從而能夠有效提升輸送線頂升變向傳輸生產效率，降低生產成本。

1 凸輪頂升機構的主要結構

凸輪頂升機構主要包括頂層輸送線體、凸輪連桿機構兩部分組成，其主體結構如圖1所示，采用2個電機分別獨立控制升降和傳輸機構。

圖1 凸輪頂升機構的主要結構

1.1 頂層輸送線體

如圖2所示，頂升架上裝有兩組傳動輪、傳輸皮帶以及提供動力的電機。傳動輪由軸承以及塞打螺絲固定在頂升架上；傳輸皮帶下方有PE耐磨條，由內六角沉頭螺釘以及支撐側板板固定在輸送線底板上；電機與支撐側板相連固定在輸送線底板上；側邊裝有漫反射檢測開關，檢測物體傳送狀態。傳送皮帶由電機驅動外側主動同步輪，通過同步帶帶動傳動軸上的從動同步輪帶動平皮帶。

圖2 頂層輸送線體

1.1.1 傳送皮帶

傳送帶選用PU、滌綸復合材料的平皮帶，平皮帶在機器過載時，平皮帶可在帶輪上打滑，從而起到保護機械設備的作用。提供動力的動力輪被平皮帶包裹的曲面比大于動力輪曲面的1/2，這樣才能提供足夠的摩擦力，避免平皮帶低載荷打滑的情況。其繞法如圖3所示。

圖3 平皮帶繞行示意圖

1.1.2 傳送帶的張緊

張緊機構在兩側立板內側面，通過調節安裝在側板孔內的張緊螺絲，向后拉動張緊輪座，使其張緊輪向后移動，增加平皮帶繞行周長，達到張緊平皮帶的作用，圖4為平皮帶的張緊結構示意圖。

圖4 平皮帶張緊結構示意圖

1.2 凸輪連桿機構

如圖5所示，電機與電機座相連固定在底座上，電機帶動動力軸傳輸動力帶動凸輪做定速旋轉，驅動凸輪推桿上下移動。異形連桿由連底座固定在底座上，直連桿、異形連桿與輸送線底板共同構成連桿機構。

圖5 凸輪連桿機構主體示意圖

2 凸輪連桿頂升機構的工作原理

凸輪機構可以精確地實現提前預設的任意運動規律和運動軌跡的定速運動，連桿機構可以使目標物體或結構定向平行運動，將兩者結合就會達到以某種特定的軌跡做定速定向運動機構。因此在自動化機械結構應用中具有相當大的優勢。對凸輪連桿進行組合設計時，需要掌握其運行原理，即凸輪逆時針或順時針轉動時，凸輪推桿上的滾動軸承將會貼合凸輪表面的曲面做定速運動，然后利用連桿作用，促使凸輪推桿可以按照提前設定好的運動規律或者運動軌跡進行往復運動。在對于凸輪連桿頂升機構的設計，首先應當建立凸輪連桿組合機構的設計模型，通過對模型進行分析和相關參數進行計算，保證凸輪驅動面尺寸最小，在最大程度上提高機械傳動效率。在本設計中需要計算的參數為上工位（圖5）停留時間、下工位（圖6）停留時間。這兩個參數的計算需要確定頂層皮帶線傳送產品物體的時間以及物體橫向流進頂層皮帶線的時間，通過這兩個時間以及頂升高度來確定大輪的曲線弧長和小輪的曲線弧長。就此建立凸輪連桿模型，從而確保機構設計的科學性與合理性。

圖6 下工位示意圖

2.1 凸輪結構的尺寸設計

產品物體主流動方向總長X1，產品物體之間間隔為X2主方向傳送速度為V1，則下工位停留的時間不小于T1=（X1+X2）/V1；產品物體主流動方向總寬X3，主方向傳送速度為V2，則在上工位停留的時間不小于T2=X1/V2；T1+T2則為產品物體傳輸的節拍時間，同樣也是凸輪轉動一周的時間。

頂層輸送線皮帶在上工位與下工位的高度差為H，H要盡可能的小，即保證頂層皮帶線在上工位時高于主方向線體的高度且產品物體完全脫離主方向線體，頂層皮帶線在下工位時要低于主方向線體的高度且留有安全距離；又因在運行過程中需要在兩個工位分別保持一段時間，則凸輪的大園與小圓處于同一圓心，半徑差為H；根據機構運動圖給出的尺寸及拉桿位移來進行凸輪擺件最大擺角的計算；將推程許用壓力角設置為45度，以此來保證凸輪機構良好的受力情況，將凸輪實際廓線的許用曲率半徑設置為3mm，以此來避免出現凸輪機構運動失真的現象，在設計的過程中，對凸輪理論廓線外凸部分曲率半徑有著一定的要求，其應當大于等于13毫米；其中壓力角為小于45度，符合設計要求，能夠實現正常工作。設計時在保證工作強度的同時凸輪的截面要做到盡可能保證工作效率以及后續生產提速的可能。

2.2 輸送線的頂升

通過電機驅動凸輪旋轉，凸輪推桿貼合凸輪曲面運動，當凸輪推桿貼合小輪徑時，輸送線處于下工位；當凸輪推桿貼合大輪徑時，輸送線處于上工位；周而復始，達到機構要求定速往復升降運動。

2.3 輸送線的變向

采用與主方向傳輸線體成90度角，并嵌套在線體內的小段頂層輸送線。當頂層輸送線體處于下工位時，物體通過主方向傳輸線體傳送到頂層傳輸線體工位，這時恰好由凸輪轉動帶動凸輪推桿將頂層輸送線體和物體一起頂升至頂層輸送線體上工位，位置檢測開關給出到位信號，頂層皮帶線開始動作將物體運送到側向，同時物體原擺放方向不發生改變。

圖7 輸送線變向機構示意圖

3 凸輪連桿頂升機構的設計注意事項以及使用范圍列舉

3.1 凸輪連桿頂升機構的設計注意事項

在固定凸輪連桿頂升機構的設計中應當滿足工藝及性能要求以外，還要滿足位置空間要求，結構設計緊湊，因此應當選取凸輪最大半徑為最小作為優化設計的目標，除幾何尺寸以外壓力角及凸輪曲率半徑作為約束條件。另外還需考慮凸輪與凸輪推桿滾動件接觸面在保證機構強度的情況下盡量避免選用全鋼件或硬對硬接觸，減少機構運行噪音的產生。

3.2 凸輪連桿頂升機構的使用范圍列舉

目前凸輪機構適用范圍較廣，比如光伏電池片生產行業硅片視覺分揀剔除設備、輸送對接線體單道變雙道或多道，自動化倉儲貨物堆疊斜體對接機構、產品包裝機等自動化設備中。

4 結語

本文通過介紹分析的凸輪連桿頂升機構的結構以及運行原理，得出此種機構加工性能良好，裝配簡單，為自動化設計提供簡單模型，大幅度縮短自動化設備的設計周期，更為今后的設計搭建了很好的平臺。凸輪機構和連桿機構在機械設計中屬于經典結構，兩者結合使用在實際應用工程中具有穩定性高、結構簡單、成本底、效率提升空間大的優點，提高了自動化設備可靠性和穩定性，對頂升變向運動提供更多更可靠的運動機構。