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(jī)構(gòu)，但大多采用氣缸升降帶動輸送線實(shí)現(xiàn)變向傳輸，此種方式雖然簡單，但也存在著一些缺陷，比如負(fù)載過大、物體體積過大時(shí)就需要輔助導(dǎo)向，而在此種情況下的導(dǎo)向一般是由兩組或者多組直線軸承或者直線導(dǎo)軌，此時(shí)對機(jī)加件的位置精度以及裝配精度就有一定的要求，在現(xiàn)有的生產(chǎn)環(huán)境下，加工和裝配精度很難達(dá)到，所以就會在機(jī)構(gòu)運(yùn)動時(shí)發(fā)生卡頓不流暢、產(chǎn)生震動、噪聲，甚至是卡死不動，機(jī)加件容易磨損，電機(jī)也有可能因頻繁卡頓造成負(fù)載過大而燒毀，直接影響到客戶生產(chǎn)效率。凸輪是一種可以做持續(xù)旋轉(zhuǎn)等速運(yùn)動，從動件貼合凸輪表面，實(shí)現(xiàn)一定規(guī)律的運(yùn)動，可以避免猶如氣缸缸體與頂桿在運(yùn)動過程中撞擊產(chǎn)生的震動以及噪音。連桿機(jī)構(gòu)可以將跨度過大的邊連接起來實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動，這就可以避免由于加工或裝配誤差引起的輔助導(dǎo)桿不平行造成的卡頓。若將凸輪機(jī)構(gòu)與連桿機(jī)構(gòu)結(jié)合起來就可以實(shí)現(xiàn)大體積物品的頂升，在配合適當(dāng)?shù)膭恿鬏斁涂梢詫?shí)現(xiàn)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(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

1 凸輪頂升機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)

凸輪頂升機(jī)構(gòu)主要包括頂層輸送線體、凸輪連桿機(jī)構(gòu)兩部分組成，其主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用2個(gè)電機(jī)分別獨(dú)立控制升降和傳輸機(jī)構(gòu)。

圖1 凸輪頂升機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)

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(jī)。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(nèi)六角沉頭螺釘以及支撐側(cè)板板固定在輸送線底板上；電機(jī)與支撐側(cè)板相連固定在輸送線底板上；側(cè)邊裝有漫反射檢測開關(guān)，檢測物體傳送狀態(tài)。傳送皮帶由電機(jī)驅(qū)動外側(cè)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(fù)合材料的平皮帶，平皮帶在機(jī)器過載時(shí)，平皮帶可在帶輪上打滑，從而起到保護(hù)機(jī)械設(shè)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(jī)構(gòu)在兩側(cè)立板內(nèi)側(cè)面，通過調(diào)節(jié)安裝在側(cè)板孔內(nèi)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(dá)到張緊平皮帶的作用，圖4為平皮帶的張緊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 平皮帶張緊結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 凸輪連桿機(jī)構(gòu)

如圖5所示，電機(jī)與電機(jī)座相連固定在底座上，電機(jī)帶動動力軸傳輸動力帶動凸輪做定速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)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(gòu)成連桿機(jī)構(gòu)。

圖5 凸輪連桿機(jī)構(gòu)主體示意圖

2 凸輪連桿頂升機(jī)構(gòu)的工作原理

凸輪機(jī)構(gòu)可以精確地實(shí)現(xiàn)提前預(yù)設(shè)的任意運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動軌跡的定速運(yùn)動，連桿機(jī)構(gòu)可以使目標(biāo)物體或結(jié)構(gòu)定向平行運(yùn)動，將兩者結(jié)合就會達(dá)到以某種特定的軌跡做定速定向運(yùn)動機(jī)構(gòu)。因此在自動化機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)用中具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。對凸輪連桿進(jìn)行組合設(shè)計(jì)時(shí)，需要掌握其運(yùn)行原理，即凸輪逆時(shí)針或順時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)，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(yùn)動，然后利用連桿作用，促使凸輪推桿可以按照提前設(shè)定好的運(yùn)動規(guī)律或者運(yùn)動軌跡進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。在對于凸輪連桿頂升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)當(dāng)建立凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型，通過對模型進(jìn)行分析和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，保證凸輪驅(qū)動面尺寸最小，在最大程度上提高機(jī)械傳動效率。在本設(shè)計(jì)中需要計(jì)算的參數(shù)為上工位（圖5）停留時(shí)間、下工位（圖6）停留時(shí)間。這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算需要確定頂層皮帶線傳送產(chǎn)品物體的時(shí)間以及物體橫向流進(jìn)頂層皮帶線的時(shí)間，通過這兩個(gè)時(shí)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性。

圖6 下工位示意圖

2.1 凸輪結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)

產(chǎn)品物體主流動方向總長X1，產(chǎn)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(shí)間不小于T1=（X1+X2）/V1；產(chǎn)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(shí)間不小于T2=X1/V2；T1+T2則為產(chǎn)品物體傳輸?shù)墓?jié)拍時(shí)間，同樣也是凸輪轉(zhuǎn)動一周的時(shí)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(shí)高于主方向線體的高度且產(chǎn)品物體完全脫離主方向線體，頂層皮帶線在下工位時(shí)要低于主方向線體的高度且留有安全距離；又因在運(yùn)行過程中需要在兩個(gè)工位分別保持一段時(shí)間，則凸輪的大園與小圓處于同一圓心，半徑差為H；根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖給出的尺寸及拉桿位移來進(jìn)行凸輪擺件最大擺角的計(jì)算；將推程許用壓力角設(shè)置為45度，以此來保證凸輪機(jī)構(gòu)良好的受力情況，將凸輪實(shí)際廓線的許用曲率半徑設(shè)置為3mm，以此來避免出現(xiàn)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動失真的現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)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(yīng)當(dāng)大于等于13毫米；其中壓力角為小于45度，符合設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)正常工作。設(shè)計(jì)時(shí)在保證工作強(qiáng)度的同時(shí)凸輪的截面要做到盡可能保證工作效率以及后續(xù)生產(chǎn)提速的可能。

2.2 輸送線的頂升

通過電機(jī)驅(qū)動凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪推桿貼合凸輪曲面運(yùn)動，當(dāng)凸輪推桿貼合小輪徑時(shí)，輸送線處于下工位；當(dāng)凸輪推桿貼合大輪徑時(shí)，輸送線處于上工位；周而復(fù)始，達(dá)到機(jī)構(gòu)要求定速往復(fù)升降運(yùn)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(nèi)的小段頂層輸送線。當(dāng)頂層輸送線體處于下工位時(shí)，物體通過主方向傳輸線體傳送到頂層傳輸線體工位，這時(shí)恰好由凸輪轉(zhuǎn)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(guān)給出到位信號，頂層皮帶線開始動作將物體運(yùn)送到側(cè)向，同時(shí)物體原擺放方向不發(fā)生改變。

圖7 輸送線變向機(jī)構(gòu)示意圖

3 凸輪連桿頂升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)以及使用范圍列舉

3.1 凸輪連桿頂升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在固定凸輪連桿頂升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)滿足工藝及性能要求以外，還要滿足位置空間要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，因此應(yīng)當(dāng)選取凸輪最大半徑為最小作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，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(jī)構(gòu)強(qiáng)度的情況下盡量避免選用全鋼件或硬對硬接觸，減少機(jī)構(gòu)運(yùn)行噪音的產(chǎn)生。

3.2 凸輪連桿頂升機(jī)構(gòu)的使用范圍列舉

目前凸輪機(jī)構(gòu)適用范圍較廣，比如光伏電池片生產(chǎn)行業(yè)硅片視覺分揀剔除設(shè)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(jī)構(gòu)、產(chǎn)品包裝機(jī)等自動化設(shè)備中。

4 結(jié)語

本文通過介紹分析的凸輪連桿頂升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行原理，得出此種機(jī)構(gòu)加工性能良好，裝配簡單，為自動化設(shè)計(jì)提供簡單模型，大幅度縮短自動化設(shè)備的設(shè)計(jì)周期，更為今后的設(shè)計(jì)搭建了很好的平臺。凸輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)在機(jī)械設(shè)計(jì)中屬于經(jīng)典結(jié)構(gòu)，兩者結(jié)合使用在實(shí)際應(yīng)用工程中具有穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單、成本底、效率提升空間大的優(yōu)點(diǎn)，提高了自動化設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性，對頂升變向運(yùn)動提供更多更可靠的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。