基于凸轮分度器转盘的轻量化设计

徐铭 潘祥生

摘要：本文介绍了凸轮分度器在自动化领域应用、分类及工作原理，利用有限元软件对凸轮分度器进行受力分析，为转盘确定工艺孔的形状及位置作出初步的判定，为凸轮分度器负载的轻量化设计提供了一个简单可行的方法。

关键词：凸轮分度器;受力分析;轻量化设计

前言

随着我国制造水平和装备水平的不断提高，自动化装备的设计开发能力也在不断的提高[1]。凸轮分度器作为自动化生产线中不可缺少的一部分，它是一种高精度分度装置，广泛运用于各种自动化装配专机、自动化生产线上。主要的应用类型有与皮带或链条组成直线方向间歇输送的自动化生产线或转盘式多工位自动化装配专机、自动化间歇送料机构、摆动机械手等。

1.凸轮分度器的分类及原理

凸轮分度器有多种机构类型，包括圆柱分度凸轮机构、弧面分度凸轮机构、平行分度凸轮机构、球面分度凸轮机构、行星分度凸轮机构、包络蜗杆分度凸轮机构等。其中应用最广泛的机构类型为圆柱分度凸輪机构、弧面分度凸轮机构、平行分度凸轮机构。凸轮分度器的外部有两根轴，一根为输入轴、一根为输出轴，输入轴由电机直接或者是通过皮带驱动，输出轴则与作为负载的转盘或链轮连接在一起，带动转盘或者链轮旋转。凸轮分割器的输出轴与负载连接的之间一般安装扭矩限制器作为安全附件，扭矩限制器的扭矩可以根据情况来设定到合适的数值，防止无法预测的外部过大的载荷而损坏凸轮分度器。

2.凸轮分度器负载转盘的轻量化设计

凸轮分度器在工作过程中承受的负载越小越能充分发挥其性能，特别是负载转盘应尽量的轻。转盘一般采用45钢，并且在不影响强度和刚度要求下，应在转盘上开设不同形状的工艺孔，以减轻转盘自重。以往工艺孔的形状及大小的确定需依赖设计者个人的经验，然而负载转盘的强度是否能满足工作需求，或者是工艺孔过小造成不必要的过载都很难确定[2]。本文介绍利用有限元分析软件进行轻量化计算的方法来确定凸轮分度器的负载转盘。

2.1凸轮分度器转盘受力分析

本文设计的多工位自动化专机由一间歇回转分度器直接驱动，如图1所示：1—工件及定位家具、2—转盘、3—凸轮分度器。

设计条件为：

2.1.1工位数为：S=8;

2.1.2工件及定位夹具质量：M1=1kg/组;

2.1.3转盘直径：D=350mm，厚度t=10mm;

2.1.4材质为钢，密度ρ=7.8X103kg/m3;

2.1.5工件及定位夹具所在位置直径：D1=270mm;

根据以上设计条件转盘模型简化为如图2所示，工件及定位夹具重量为T=1×9.8=9.8N，设每个工位受力面积=2.83，则所受的压强P=3463N/m2。

图1 自动化专机    图2转盘三维简化模型

2.2凸轮分度器转盘轻量化分析

利用三维建模软件建立凸轮分度器转盘的三维模型[3]，如图2所示，然后将三维模型导入有限元分析软件中[4]，将转盘上的八个工位的负载加上，同时，在凸轮分度器的中心连接处加载旋转扭矩，获得受力分析如图3所示。

从图3受力分析可知，最小受力区域为4个圆形，均匀分布在转盘的圆周上。根据分析结果，在三维模型上标出转盘的对称线与最小受力区域形成的中心圆，以对称线和中心圆的交点1处为圆心，在转盘圆周方向均匀挖掉4个直径为60mm的圆孔，如图4所示。

图3 图4

根据图3受力分析，挖掉4个直径为60mm的圆孔后，把修改过的模型，如图4所示，导入有限元软件中，进行受力分析。4个圆孔沿直径方向的区域受力仍然很小，可以继续挖掉，根据转盘的应力分布可知，4个圆孔可以改成椭圆孔。

将修改后的转盘模型再次导入有限元分析软件中，加载分析，从分析结果可以看出，转盘在挖掉4个对称分布的椭圆孔后，强度分布均匀且满足设计要求。

3.总结

凸轮分度器已被广泛的运用到自动化生产线、自动化专机等当中，凸轮分度器转盘的轻量化设计对于提高分度器的精度显得十分重要。本文利用有限元分析软件对转盘进行受力分析，获得转盘在加载后的应力分布图，根据应力分布图，找出最小应力集中区域，然后将最小应力集中区域挖成工艺孔，该方法不仅能够满足转盘的强度要求，降低了转盘的质量，减小了凸轮分度器的负载，而且提高了设计的精度和效率。

参考文献：

[1]李绍炎.自动机与自动线[M].北京：清华大学出版社， 2007.

[2]胡宗武.非标准机械设备设计手册[M].北京：机械工业出版社， 2002.

[3]车林仙.摆动从动件圆锥凸轮实体参数化造型[J].机械设计，2004（5）.

[4]江洪，陈燎，王智等.Solidworks有限元分析实例解析[M].机械工业出版社，2007，1.