顧志剛，卿宏軍

(1.常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.湖大科瑞江蘇檢測技術(shù)有限公司，江蘇 常州 213164)

0 引言

熱保護器是一種對溫度和(或)電流都敏感的裝置[1]，當(dāng)電機在異常條件下，可以防止電機超溫引發(fā)火災(zāi)[2]。汽車熱保護器被廣泛運用于汽車車窗的升降器、座位調(diào)節(jié)器、雨刮器以及天窗電機的熱保護中，當(dāng)電機發(fā)生過載、堵轉(zhuǎn)、短路、斷相、漏電[3]等非正常工作狀態(tài)時，及時切斷電路，延長電機的使用壽命。

隨著自動化產(chǎn)業(yè)的不斷升級，對制造設(shè)備自動化的要求也逐步提高。汽車熱保護器外殼一般由外協(xié)單位提供，按照生產(chǎn)廠家的要求，將一定厚度的軋制薄鋼板經(jīng)過沖床加工成長條狀的料帶，再由生產(chǎn)廠家切下進行組裝。目前熱保護器自動生產(chǎn)設(shè)備多采用氣動元件和電機驅(qū)動，根據(jù)工步的劃分及動作需求，利用PLC等作為控制單元對生產(chǎn)動作進行有序安排。本文設(shè)計了一種采用單驅(qū)動、多凸輪副機構(gòu)進行料帶送料的生產(chǎn)裝置，利用SolidWorks軟件完成了關(guān)鍵零件的建模，結(jié)合motion插件，對機構(gòu)的運動進行仿真。

1 料帶送料機構(gòu)設(shè)計需求分析

圖1為某公司生產(chǎn)的汽車熱保護器外殼尺寸，它由一種表面鍍Ni、Zn，厚度為0.3 mm的軟鋼板軋制而成。

圖1 汽車熱保護器外殼尺寸

外協(xié)供應(yīng)商提供的外殼原料為長條形料帶，料帶上開有直徑為Φ2.4 mm的牽引孔，以方便送料機送料，如圖2所示。

外殼下料前，還需要對料帶進行一系列再加工，例如沖壓成形、貼標(biāo)、噴碼，最后切斷下料。由于每個加工步驟只能針對一個外殼單元進行，因此要求料帶送料機構(gòu)每次只能以一個單元間距為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生移位，即圖2中的尺寸20 mm。在移位過程中應(yīng)避免出現(xiàn)錯位，否則會導(dǎo)致廢料的產(chǎn)生；同時在加工過程中，還必須保持料帶位置的固定，否則同樣會產(chǎn)生廢料。

圖2 料帶外形規(guī)格

為保證料帶在移動過程中的穩(wěn)定性，在機構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)考慮預(yù)先將料帶裝入特定軌道，以限制其自由度，使其只能進行橫向移動，因此設(shè)置一推料桿來完成料帶的橫向移動送料。送料完成后，進行貼標(biāo)、噴碼及切割等一系列操作，此時如果沒有定位元件，料帶可能會由于震動等多種原因而產(chǎn)生錯位，故還需設(shè)置一擋料桿鎖定料帶。送料過程中，推料桿將料帶釋放，加工過程中，擋料桿則將料帶鎖定，不產(chǎn)生移位。通過擋料桿和推料桿的相互配合，以實現(xiàn)料帶移位的精確可靠。為了保證企業(yè)的生產(chǎn)效率，以60個/min為生產(chǎn)節(jié)拍進行機構(gòu)的設(shè)計。

推料桿和擋料桿雖然是完成不同工作內(nèi)容的從動件，但在一個生產(chǎn)周期內(nèi)，需要相互之間緊密協(xié)作，不能出現(xiàn)干涉，為保證兩者之間的運動協(xié)調(diào)，應(yīng)盡量減少動力驅(qū)動元件的數(shù)量，故采用單驅(qū)動多凸輪傳動方式進行動作設(shè)計。通過一臺電動機帶動安裝在同一個轉(zhuǎn)軸上的3個凸輪，從而使推料桿和擋料桿相互配合，以滿足設(shè)計需求。送料機構(gòu)的運動簡圖如圖3所示。

圖3 送料機構(gòu)運動簡圖

主軸帶動凸輪同步旋轉(zhuǎn)，首先，推料桿上升，完成后擋料桿下降，隨后推料桿牽引料帶橫向位移一個標(biāo)準(zhǔn)單元，當(dāng)推料桿將料帶移動至規(guī)定位置時，擋料桿上升對料帶進行固定，然后推料桿下降，貼標(biāo)機、噴碼機、切割機產(chǎn)生動作，在動作過程中，推料桿退回，完成一個工作周期。根據(jù)以上分析，送料過程分為6個步驟，具體流程如圖4所示。

圖4 送料機構(gòu)工作流程

設(shè)定各凸輪的基圓半徑為100 mm，根據(jù)機構(gòu)的生產(chǎn)節(jié)拍為60個/min，故周期為1 s，以時間(s)為橫坐標(biāo)，以各凸輪行程(mm)為縱坐標(biāo)，設(shè)計并繪制各凸輪的時序圖，如圖5所示[4]。

圖5 凸輪時序圖

2 料帶送料機構(gòu)關(guān)鍵零件建模

料帶送料機構(gòu)主要關(guān)鍵零件的設(shè)計在于3個相互配合的凸輪，要求3個凸輪能夠以圖4中的方式運行，才能保證擋料桿和推料桿能相互配合完成料帶的正確送料，因此凸輪輪廓的設(shè)計是機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。

SolidWorks是基于Windows平臺面向產(chǎn)品級的三維CAD軟件，可以十分方便地實現(xiàn)復(fù)雜三維零件的實體造型、復(fù)雜裝配和生成工程圖。該軟件以其優(yōu)異的性能、易用性和創(chuàng)新性極大地提高了機械工程師的設(shè)計效率[5]，因此送料機構(gòu)關(guān)鍵零件的三維建模采用了SolidWorks軟件。

根據(jù)機構(gòu)運動簡圖，對料帶送料機構(gòu)進行關(guān)鍵零件建模，其三維模型如圖6所示。

圖6 機構(gòu)三維模型

模型建立完成后，根據(jù)機構(gòu)的運動原理，添加配合，使各構(gòu)件處于正確的初始位置，接著利用SolidWorks中的motion插件對所設(shè)計的機構(gòu)進行動作模擬[6]。在軟件設(shè)計主界面中將“模型”選項卡切換到“運動算例”選項卡，給主軸添加“旋轉(zhuǎn)馬達”，轉(zhuǎn)速為60 r/min。然后分別對3個推桿添加“直線馬達”，并使每個馬達的運動與時序圖中運動情況對應(yīng)，表1為1號推桿的“直線馬達”運動參數(shù)，其中“值”指的是相對正方向的位移，由于凸輪運轉(zhuǎn)周期為1 s，推桿送料的載荷很小，故“分段類型”采用3-4-5次多項式，以減少從動件速度和加速度的突變，減少柔性和剛性沖擊[7]。馬達的運動方式設(shè)置完成后，單擊“計算”，通過仿真動畫觀察擋料桿和推料桿的運動，滿足設(shè)計要求。

表1 1號推桿“直線馬達”運動參數(shù)

根據(jù)以上分析，當(dāng)凸輪作圓周運動、滾子以設(shè)定值作直線往復(fù)運動時，滾子質(zhì)心與凸輪基圓之間的相對運動路徑為一封閉曲線，該曲線就是實際凸輪的輪廓曲線，接下來需要提取每個凸輪的輪廓曲線。以1號凸輪為例，將滾子的質(zhì)心作為追蹤點，設(shè)定相對于基圓圓柱面進行追蹤，生成追蹤曲線，通過反求法[8]得出凸輪輪廓。為了將曲線轉(zhuǎn)換成凸輪實體，單擊仿真工具欄中的“結(jié)果和圖解”按鈕，在得到的“結(jié)果”文件夾中右鍵單擊“圖解”，選擇“在參考零件中生成曲線”，可以將上述追蹤曲線復(fù)制到凸輪零件的一張草圖中。然后打開凸輪零件，由于在設(shè)計時選定的滾子半徑為12 mm，而上述操作過程中的追蹤對象為滾子質(zhì)心，其處于滾子幾何中心，所以需要將追蹤曲線向內(nèi)偏置12 mm，得到凸輪實際輪廓，在將曲線轉(zhuǎn)換為實體之前，再對輪廓曲線進行必要的校核，包括輪廓曲線的最小曲率半徑等。核算結(jié)果滿足設(shè)計需求后，對凸輪輪廓進行拉伸，得到凸輪實體，完成建模。最后完成的1號凸輪輪廓曲線如圖7所示。

圖7 1號凸輪輪廓曲線

3 料帶送料機構(gòu)的運動仿真

凸輪建模完成后，需要考察其以實際輪廓曲線運動時機構(gòu)的運轉(zhuǎn)情況。對模型進行重新裝配，在每個凸輪和滾子之間添加“凸輪配合”，同時給主軸添加“旋轉(zhuǎn)馬達”，速度為60 r/min，在推料桿和擋料桿及料帶之間添加“接觸”，使推料桿能正確模擬送料過程，接觸材料使用“剛性”。完成后，新建運動算例，單擊“計算”，對運動進行仿真。從運動仿真過程可以得出，擋料桿和推料桿能互相配合，推動料帶以每次一個單元間距移動，料帶的送料情況符合設(shè)計需求。

再次單擊“運動結(jié)果和圖解”，對3個推料桿的運動位移、速度、加速度進行校核。圖8為3個凸輪推桿的線性位移曲線，可以看出，推桿的位移與時序圖設(shè)計的位移相對應(yīng)，擋料桿和推料桿能按照預(yù)定設(shè)計完成料帶的送料，且位移曲線采用了3-4-5次多項式運動規(guī)律，較時序圖中的位移曲線更加優(yōu)越，減少了沖擊。

圖8 凸輪推桿位移曲線

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種汽車熱保護器料帶的送料機構(gòu)，首先分析了送料機構(gòu)的工作過程，給出各個構(gòu)件的運動順序，以SolidWorks為設(shè)計工具，結(jié)合凸輪運動的時序圖，完成了主要零件的建模與運動仿真分析。該方法較常規(guī)凸輪設(shè)計方法最大的不同在于從裝配體角度，通過自上而下的設(shè)計方法設(shè)計了凸輪輪廓，并驗證了設(shè)計符合預(yù)期效果。當(dāng)凸輪設(shè)計完成后，可以進一步對機構(gòu)進行力學(xué)分析，進行從動件速度、加速度及機構(gòu)的最小曲率半徑等的校核工作。如果校核結(jié)果滿足設(shè)計參數(shù)，則可以將凸輪輪廓輸入CNC數(shù)控加工程序，對其進行加工，省去了常規(guī)凸輪設(shè)計過程中繁雜的部分，縮短了開發(fā)周期，節(jié)約了成本，同時也為該類自動化設(shè)備的設(shè)計提供了一種思路。