基于凸輪分度器轉(zhuǎn)盤的輕量化設計

徐銘 潘祥生

摘要：本文介紹了凸輪分度器在自動化領(lǐng)域應用、分類及工作原理，利用有限元軟件對凸輪分度器進行受力分析，為轉(zhuǎn)盤確定工藝孔的形狀及位置作出初步的判定，為凸輪分度器負載的輕量化設計提供了一個簡單可行的方法。

關(guān)鍵詞：凸輪分度器;受力分析;輕量化設計

前言

隨著我國制造水平和裝備水平的不斷提高，自動化裝備的設計開發(fā)能力也在不斷的提高[1]。凸輪分度器作為自動化生產(chǎn)線中不可缺少的一部分，它是一種高精度分度裝置，廣泛運用于各種自動化裝配專機、自動化生產(chǎn)線上。主要的應用類型有與皮帶或鏈條組成直線方向間歇輸送的自動化生產(chǎn)線或轉(zhuǎn)盤式多工位自動化裝配專機、自動化間歇送料機構(gòu)、擺動機械手等。

1.凸輪分度器的分類及原理

凸輪分度器有多種機構(gòu)類型，包括圓柱分度凸輪機構(gòu)、弧面分度凸輪機構(gòu)、平行分度凸輪機構(gòu)、球面分度凸輪機構(gòu)、行星分度凸輪機構(gòu)、包絡蝸桿分度凸輪機構(gòu)等。其中應用最廣泛的機構(gòu)類型為圓柱分度凸輪機構(gòu)、弧面分度凸輪機構(gòu)、平行分度凸輪機構(gòu)。凸輪分度器的外部有兩根軸，一根為輸入軸、一根為輸出軸，輸入軸由電機直接或者是通過皮帶驅(qū)動，輸出軸則與作為負載的轉(zhuǎn)盤或鏈輪連接在一起，帶動轉(zhuǎn)盤或者鏈輪旋轉(zhuǎn)。凸輪分割器的輸出軸與負載連接的之間一般安裝扭矩限制器作為安全附件，扭矩限制器的扭矩可以根據(jù)情況來設定到合適的數(shù)值，防止無法預測的外部過大的載荷而損壞凸輪分度器。

2.凸輪分度器負載轉(zhuǎn)盤的輕量化設計

凸輪分度器在工作過程中承受的負載越小越能充分發(fā)揮其性能，特別是負載轉(zhuǎn)盤應盡量的輕。轉(zhuǎn)盤一般采用45鋼，并且在不影響強度和剛度要求下，應在轉(zhuǎn)盤上開設不同形狀的工藝孔，以減輕轉(zhuǎn)盤自重。以往工藝孔的形狀及大小的確定需依賴設計者個人的經(jīng)驗，然而負載轉(zhuǎn)盤的強度是否能滿足工作需求，或者是工藝孔過小造成不必要的過載都很難確定[2]。本文介紹利用有限元分析軟件進行輕量化計算的方法來確定凸輪分度器的負載轉(zhuǎn)盤。

2.1凸輪分度器轉(zhuǎn)盤受力分析

本文設計的多工位自動化專機由一間歇回轉(zhuǎn)分度器直接驅(qū)動，如圖1所示：1—工件及定位家具、2—轉(zhuǎn)盤、3—凸輪分度器。

設計條件為：

2.1.1工位數(shù)為：S=8;

2.1.2工件及定位夾具質(zhì)量：M1=1kg/組;

2.1.3轉(zhuǎn)盤直徑：D=350mm，厚度t=10mm;

2.1.4材質(zhì)為鋼，密度ρ=7.8X103kg/m3;

2.1.5工件及定位夾具所在位置直徑：D1=270mm;

根據(jù)以上設計條件轉(zhuǎn)盤模型簡化為如圖2所示，工件及定位夾具重量為T=1×9.8=9.8N，設每個工位受力面積=2.83，則所受的壓強P=3463N/m2。

圖1?自動化專機????圖2轉(zhuǎn)盤三維簡化模型

2.2凸輪分度器轉(zhuǎn)盤輕量化分析

利用三維建模軟件建立凸輪分度器轉(zhuǎn)盤的三維模型[3]，如圖2所示，然后將三維模型導入有限元分析軟件中[4]，將轉(zhuǎn)盤上的八個工位的負載加上，同時，在凸輪分度器的中心連接處加載旋轉(zhuǎn)扭矩，獲得受力分析如圖3所示。

從圖3受力分析可知，最小受力區(qū)域為4個圓形，均勻分布在轉(zhuǎn)盤的圓周上。根據(jù)分析結(jié)果，在三維模型上標出轉(zhuǎn)盤的對稱線與最小受力區(qū)域形成的中心圓，以對稱線和中心圓的交點1處為圓心，在轉(zhuǎn)盤圓周方向均勻挖掉4個直徑為60mm的圓孔，如圖4所示。

圖3 圖4

根據(jù)圖3受力分析，挖掉4個直徑為60mm的圓孔后，把修改過的模型，如圖4所示，導入有限元軟件中，進行受力分析。4個圓孔沿直徑方向的區(qū)域受力仍然很小，可以繼續(xù)挖掉，根據(jù)轉(zhuǎn)盤的應力分布可知，4個圓孔可以改成橢圓孔。

將修改后的轉(zhuǎn)盤模型再次導入有限元分析軟件中，加載分析，從分析結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)盤在挖掉4個對稱分布的橢圓孔后，強度分布均勻且滿足設計要求。

3.總結(jié)

凸輪分度器已被廣泛的運用到自動化生產(chǎn)線、自動化專機等當中，凸輪分度器轉(zhuǎn)盤的輕量化設計對于提高分度器的精度顯得十分重要。本文利用有限元分析軟件對轉(zhuǎn)盤進行受力分析，獲得轉(zhuǎn)盤在加載后的應力分布圖，根據(jù)應力分布圖，找出最小應力集中區(qū)域，然后將最小應力集中區(qū)域挖成工藝孔，該方法不僅能夠滿足轉(zhuǎn)盤的強度要求，降低了轉(zhuǎn)盤的質(zhì)量，減小了凸輪分度器的負載，而且提高了設計的精度和效率。

參考文獻：

[1]李紹炎.自動機與自動線[M].北京：清華大學出版社，?2007.

[2]胡宗武.非標準機械設備設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，?2002.

[3]車林仙.擺動從動件圓錐凸輪實體參數(shù)化造型[J].機械設計，2004（5）.

[4]江洪，陳燎，王智等.Solidworks有限元分析實例解析[M].機械工業(yè)出版社，2007，1.