凸轮式环形分度装置的数字化设计与分析

葛正浩， 齐云云， 刘小琴

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021)

凸轮式环形分度装置的数字化设计与分析

葛正浩， 齐云云， 刘小琴

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021)

以圆柱分度凸轮机构为核心部件，设计出了一种新型凸轮式环形分度装置.为了得到运动性能良好的圆柱分度凸轮机构，首先对圆柱分度凸轮机构的设计系统进行了完善，并用该系统软件结合Creo 3.0建立了凸轮式环形分度装置的数字化样机，进而得到系列化的凸轮式环形分度装置.该装置的设计采用分度凸轮与从动盘不在同一箱体中的方法，并采用轻型回转支撑轴承解决了设计过程中从动盘的支撑和密封的难题，使整个装置的结构更加简单化.最后基于ADAMS软件对简化的数字化样机进行运动学仿真，通过对其角位移、角速度、角加速度以及碰撞线和力矩曲线的分析验证了装置设计的合理性与正确性，对该装置的设计和工程应用具有一定的参考价值.

分度装置； 圆柱分度凸轮； 数字化设计； 动力学分析

0 引言

凸轮分度装置在包装机械、烟草机械、冲压机械等一些重要机械中占据着重要地位[1].随着现代生产力需求的不断提高，在圆柱凸轮分度装置、弧面凸轮分度装置和平行凸轮分度装置的基础上，一种新型分度装置-凸轮式环形分度装置逐渐发展起来.凸轮式环形分度装置由圆柱分度凸轮机构和环形从动盘构成，以环形从动盘作为工作台，具有分度范围大，分度数较多，结构简单，刚性好，成本低，承载能力大等诸多优点，被广泛应用在自动控制装置中，特别是在印刷机、旋转式自动装配机及大量工装站的装配系统等场合，凸轮式环形分度装置具有较大的使用价值和意义.

目前，国外对凸轮式环形分度装置的技术保密性做了很大控制，且国内关于该装置的研究很少，主要依赖于进口，价格昂贵，不利于大批量生产.凸轮式环形分度装置的核心是圆柱分度凸轮机构，国内对该机构的设计还基本停留在传统设计阶段，即选择机构运动规律、确定结构参数和运动参数、设计凸轮轮廓曲面、结构设计、动力学验算、优化、绘制零件图和装配图[2-4].此设计过程繁杂，工作量大，较易出错，研发周期长，而且研发结果单一，无法实现系列化，阻碍了产品的发展速度，不益于推广.

国外对圆柱分度凸轮机构的研究已经相当成熟，美国、英国、加拿大、日本等国家已有了标准的的CAD/CAM系统软件系列库.国内对该机构系统的研究，以陕西科技大学最为突出，设计出各种圆柱分度凸轮机构CAD/CAM软件系统[5-7]，这些软件可实现的功能和侧重点不同，研究对象都比较单一，实体加工模拟结果较少，大多数软件只针对圆柱分度凸轮的CAD/CAM系统，没有将分度盘和机构的CAD系统融入到CAD/CAM系统中，而且普遍都是对圆柱滚子式机构的研究，对圆锥滚子圆柱分度凸轮的研究较少.

本文基于VB6.0软件，完善了圆柱分度凸轮机构CAD/CAM软件，开发了圆柱分度凸轮机构从动件滚子类型选择模块和压力角数据及曲线输出模块.用户可根据设计要求，实现凸轮轮廓数据及加工数据的自动输出，并随时查看机构的压力角曲线和运动特性.使整个软件更加合理，设计结果更加直观方便.同时在此基础上，完成了环形分度装置的数字化设计并进行了动力学分析，为其后续的设计与加工奠定了基础.

1 圆柱分度凸轮机构设计软件

迄今为止，对圆柱分度凸轮机构数字化设计方法主要有以下两种：

(1)借助UG或Pro/E等三维软件，通过将大量的参数和曲线方程输入到三维CAD软件中来得到圆柱分度凸轮的数字化建模，该方法设计过程繁琐，效率较低，不能达到大多数企业对高效率作业方式的要求；

(2)基于不同的编程语言研究圆柱分度凸轮机构CAD/CAM软件系统，通过该系统可快速得到圆柱分度凸轮机构数字化模型，大大提高了产品的设计质量，缩短产品的设计开发周期.

本文将采用模块化设计思想，应用VB编程语言，结合Creo三维软件，针对两种滚子类型的圆柱分度凸轮机构的数字化设计进行研究(如图1所示)，不但能输出凸轮廓面坐标点，还能实现压力角数据及数据曲线、诱导法曲率数据的输出(如图2所示)以及两种加工数据的输出.

图1 滚子类型选择

图2 运动特性分析模块

该软件功能的实现，是对前人研究的圆柱分度凸轮机构设计系统进行了以下三个方面的补充与完善：(1)实现了圆锥滚子圆柱分度凸轮机构的设计与加工;(2)可自动输出压力角数据及曲线图，随时得知机构的设计情况，修正其不正确的地方；(3)可快速得到分度数最小为4，最大为60的两种滚子类型的不同圆柱分度凸轮的三维实体模型，并自动输出两种NC加工数据,对圆柱分度凸轮机构的设计提供了极大的便捷作用，提高了其设计和加工效率，为环形分度装置的系列化设计提供了一定基础.

2 凸轮式环形分度装置数字化设计

2.1 装置的方案设计

常用的凸轮分度装置有圆柱凸轮分度装置、弧面凸轮分度装置和平行凸轮分度装置三大类[8-11].凸轮式环形分度装置是在圆柱凸轮分度装置的基础上发展起来的一种新型装置，是分度凸轮机构的一种新的应用形式[12-16].因国外对其设计的保密性以及国内研究的匮乏，特设计了凸轮式环形分度装置方案，如图3所示.

1.从动盘 2.轻型回转支撑轴承 3.机架 4.箱体 5.减速器 6.电动机 7.凸轮轴 8.联轴器

其工作原理简述如下：中空直角型减速电机作为动力源，驱动凸轮轴匀速转动，传动机构为圆柱分度凸轮机构，在凸轮轴的驱动下凸轮匀速运转，凸轮的工作轮廓曲面和从动盘滚子两者相啮合，带动工作台做间歇运动.

从设计方案可以看出，该凸轮式环形分度装置实现了分度凸轮与从动盘不在同一箱体中的设计，而且在设计过程中采用轻型回转支撑轴承解决了从动盘的支撑和密封的难题，使整个装置的结构更加简单化，该装置目前已获批国家专利.

该凸轮式环形分度装置与常用的三大分度装置相比，具有以下特点：(1)从动盘作为传动部件，也作为工作台，减少了装置的复杂结构，提高了整个装置的分度精度；(2)从动盘中间为大型通孔，可以将其他辅助装置放入通孔内，一起完成作业，减小了整体空间占用面积；(3)同种型号装置，有多种分度数可供选择.

2.2 装置的数字化样机设计

(1)装置的传动机构设计

凸轮式环形分度装置的核心部件是圆柱分度凸轮机构，该装置的圆柱凸轮分度机构基本参数如表1所示.

表1 圆柱分度凸轮机构基本参数

续表1

名称数据值许用压力角/(°)[α]=40°滚子与凸轮槽底部间隙/mme=5mm凸轮定位环面两侧夹角/(°)β=0°凸轮宽度/mml=300mm转盘外圆直径/mmD2=750mm

应用圆柱分度凸轮机构CAD/CAM系统软件，输入相关参数，输出凸轮的廓面数据点(文件格式为.ibl)，将数据文件导入Creo 3.0中得到轮廓曲线，按照“点-线-面”的建模方法，得到圆柱分度凸轮机构的数字化模型，如图4所示.

图4 传动机构数字化模型

压力角影响着凸轮节圆直径和机构运行效率，因此，有必要对其分布进行分析并得到压力角最大值，图5是本次设计的压力角数据输出界面和曲线.

(a)压力角数据

(b) 压力角曲线

为了得到两个相互啮合曲面之间的性质，对构成啮合曲面上的啮合曲线上的曲率进行了分析；诱导法曲率是判别两啮合曲面有没有根切的重要指标，图6为此次设计中圆柱分度凸轮机构的诱导法曲率值的输出界面.

图6 诱导法曲率数据输出

根据压力角数据和曲率数据可随时对机构进行修改完善，为得到正确的凸轮机构提供了便利.

(2)装置的数字化样机

装置的润滑采用润滑油润滑，箱体底部设有放油孔，并放置油标来检测油面高度.机架起支撑作用，要求其具有良好的刚度，选用45钢作为机架材料.完成凸轮式环形分度装置的传动机构及其他辅助零件的设计后，按照装置的设计方案，在Creo 3.0中，对其零部件进行建模和装配，最终得到凸轮式环形分度装置数字化样机如图7所示.

图7 16分度750CRID凸轮式环形分度装置

2.3 装置的系列化设计

本次设计的凸轮式环形分度装置有四个型号：750CRID、1100CRID、1550CRID和2000CRID.型号前的数字代表工作台的直径，用户可以根据需求自行选择.每一种型号的凸轮式环形分度装置的传动机构有不同的分度数和凸轮的头数，750CRID可以实现从I=4～36的分度运动，1100CRID型号的凸轮式环形分度装置可以实现I=6～48的分度运动.对于每一型号的分度装置，当分度数改变时，需改变传动机构的结构形式，其他零部件装配关系不变，零件结构尺寸会相应调整.但当分度数较小时，一般不采用单头分度凸轮，因为对于同一型号的分度装置，从动盘的节圆半径保持不变，通过计算可知，分度数越小，凸轮结构尺寸越大，凸轮箱体及其他零部件尺寸根据装配尺寸会发生变化.故为了满足该装置和其他装置的装配关系，当分度数较小时，通常将机构设计为多头圆柱分度凸轮机构.图8为750CRID型号的凸轮式环形分度装置数字化样机，其核心传动机构是选用修正正弦运动规律的双头8分度左旋凸脊型圆柱分度凸轮机构.

图8 8分度750CRID凸轮式环形分度装置

3 凸轮式环形分度装置动力学分析

3.1 建立动力学仿真模型

凸轮式环形分度装置是由核心部件圆柱分度凸轮机构和其他辅助部件组成，可以把该装置的运动仿真分析简化为传动机构的运动仿真分析.

以750CRID型号的凸轮式环形分度装置为例，将Creo 3.0中建立的装置传动机构三维模型另存为".x_t"格式的文件，并导入ADAMS中进行运动仿真分析.整个机构需要添加的约束有：(1)凸轮与大地之间的旋转副，(2)从动盘与大地之间的旋转副.添加约束后的凸轮式环形分度装置的动力学仿真模型如图9所示.

图9 动力学仿真模型

3.2 确定接触载荷

为简化模型计算过程，通常在建模时把从动盘和滚子建为一体，将弧面凸轮与从动盘之间的接触等效为两个变曲率半径柱体的碰撞问题.由于凸轮与圆柱滚子是依靠一侧的接触来实现运动，因此，选用冲击函数法来计算凸轮与滚子的碰撞力，其计算公式如下式[17,18]：

(1)

式(1)中：STEP为阶跃函数；q0为两物体间初始距离；q为构件碰撞过程中的实际距离；q0-q即碰撞过程中的变形量.

两个曲率不同的圆柱体撞击时接触法向力P和变形δ之间关系为：P=Kδ3/2.接触刚度计算公式为：

K=(4/3)R1/2·E*

(2)

圆柱分度凸轮材料取20 CrMnTi，从动盘的材料取20 Cr，查阅手册可得到材料参数，带入上述公式中可得：K=6.83×105N/mm2.

3.3 仿真参数的设置

由于凸轮与从动盘滚子属于面与面的接触，为了提高求解精度，将Geometry Library项设置为Parasolids形式，为了得到精确度较高的速度曲线、加速度曲线，提高求解的稳定性，选择Wstiff积分器和SI2积分形式，在仿真步长很小的情况下能保证雅克比矩阵的稳定性.

3.4 仿真结果分析

在ADAMS中完成该圆柱分度凸轮机构动力学仿真模型各参数设定后，进行动态仿真分析(电机转速为360 °/s，动程角为300 °)，通过后处理模块可以输出从动盘的角位移(THETA)、角速度(WZ)和角加速度(WDZ)三条曲线结果如图10所示，碰撞力和碰撞力矩的曲线如图11所示.

图10 角位移、角速度和角加速度曲线

图11 碰撞力和碰撞力矩曲线

根据从动盘的位移、角速度、角加速度、碰撞力及力矩的仿真结果可知，整个机构的运动周期为1 s，在分度阶段，从动盘一个周期的转位角为22.5 °，速度的最大值出现在分度段的中点，且位移、速度和加速度曲线与修正正弦运动规律理论曲线相符；在机构的停留阶段，速度、加速度、碰撞力和碰撞力矩均为零.整体情况均在合理范围内，凸轮式环形分度装置的参数设计满足要求.

4 结论

本文基于VB 6.0软件，在圆柱分度凸轮机构CAD/CAM软件中，完善了圆锥滚子圆柱分度凸轮机构的设计和圆柱分度凸轮机构压力角、曲率数据的输出.设计了凸轮式环形分度装置方案，应用完善后的软件，联合Creo 3.0软件，建立了圆柱分度凸轮机构模型以及凸轮式环形分度装置数字化模型，并对装置进行系列化设计，实现了同一型号不同分度数的凸轮式环形分度装置数字化设计以及不同型号的凸轮式环形分度装置的数字化设计，并已获批国家专利.最后利用Adams软件，对该数字化模型进行动态仿真，输出其角位移、角速度、角加速度、碰撞力及力矩曲线，模拟装置的真实运动，分析结果的合理性验证了装置设计的正确性.

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【责任编辑：陈佳】

Digitaldesignandanalysisofcamringindexingdevice

GE Zheng-hao, QI Yun-yun, LIU Xiao-qin

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi′an 710021, China)

In this paper,a new cam ring indexing device is designed with the cylindrical indexing cam mechanism as the core part.In order to obtain a cylindrical indexing cam mechanism with good motion performance,the design system of the cylindrical indexing cam mechanism is improved,and the digital prototype of the cam ring indexing device is established by using the system software and Creo 3.0.The design method of the device adopts indexing cam and the driven disc are not in the same cabinet,and the use of light rotary support bearings to solve the problems of the drive plate support and sealing in design process,so that the whole device structure is more simple.Finally,based on the ADAMS software,the kinematic simulation of the simplified virtual prototype is carried out.The rationality and correctness of the device design are verified by analyzing the angular displacement,angular velocity,angular acceleration and the collision line and torque curve.The design and engineering application of the device has a certain reference value.

indexing device; cylindrical indexing cam; digital design; dynamic simulation

2017-07-02

陕西省教育厅服务地方专项科研计划项目(15JF010)； 西安市科技局科技计划项目(CXY1431(3))

葛正浩(1964-)，男，上海人，教授，博士生导师,研究方向：机构学、复合材料、模具CAD/CAE/CAM

2096-398X(2017)06-00140-05

TH122

A