丁小兵

（湖南兵器工業(yè)高級(jí)技工學(xué)校,湖南益陽(yáng) 413000）

DSP-1型酊劑灌裝線灌裝裝置的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

丁小兵

（湖南兵器工業(yè)高級(jí)技工學(xué)校,湖南益陽(yáng) 413000）

針對(duì)DSP-1型酊劑灌裝線灌裝裝置的工作要求,設(shè)計(jì)一個(gè)平底直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu),用于對(duì)灌裝頭的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制。由于凸輪軸利用了灌裝線主軸,剛度和強(qiáng)度足夠,因此不必另外對(duì)凸輪軸的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算與校核?？紤]到凸輪機(jī)構(gòu)的負(fù)荷和壽命要求,對(duì)凸輪的材料進(jìn)行了選擇,對(duì)熱處理要求進(jìn)行了規(guī)定。

灌裝頭;凸輪機(jī)構(gòu);控制

凸輪機(jī)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,工作可靠,能實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)代工業(yè)中,隨著數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步與應(yīng)用,凸輪的加工制造變得越來(lái)越容易,凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用也越來(lái)越普及。

凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理是利用凸輪輪廓曲線上點(diǎn)的向徑的變化,推動(dòng)從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)給定的行程,而從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是凸輪機(jī)構(gòu)工作狀況的決定因素。[1]凸輪機(jī)構(gòu)的類(lèi)型很多,從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也很多,一般應(yīng)根據(jù)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)速度和載荷大小、機(jī)構(gòu)是否允許存在沖擊和噪聲、機(jī)構(gòu)的使用壽命等進(jìn)行綜合考慮,選擇合理的凸輪機(jī)構(gòu)類(lèi)型,然后根據(jù)從動(dòng)件的具體工作要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。[2]

本文針對(duì)DSP-1型酊劑灌裝線灌裝頭的運(yùn)動(dòng)要求,結(jié)合灌裝線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一個(gè)直動(dòng)平底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu),用于對(duì)灌裝頭的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

1 凸輪機(jī)構(gòu)類(lèi)型的選擇

灌裝頭是一直線運(yùn)動(dòng)型送進(jìn)機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)工作原理圖如圖1所示,已知從動(dòng)件工作行程為120mm,機(jī)構(gòu)進(jìn)給采用凸輪機(jī)構(gòu)控制,回程由彈簧復(fù)位;凸輪回轉(zhuǎn)軸徑50mm,轉(zhuǎn)速5r/m in,并且位置和方向已固定。凸輪回轉(zhuǎn)一周的時(shí)間分配為：近停程2秒,推程4秒,遠(yuǎn)停程2秒,回程4秒。

從圖1可以看出,此機(jī)構(gòu)具備凸輪機(jī)構(gòu)的三要素：凸輪（7）、從動(dòng)件（連接板4）、機(jī)架（固定板1）。由于從動(dòng)件4直接與凸輪7接觸,從從動(dòng)件的結(jié)構(gòu)形狀和運(yùn)動(dòng)形式可判定其類(lèi)型為直動(dòng)平底從動(dòng)件。常用凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪輪廓有三種：盤(pán)形凸輪、移動(dòng)凸輪、圓柱凸輪,從動(dòng)件為平底從動(dòng)件,不能采用移動(dòng)凸輪,也不能采用槽形圓柱凸輪,而端面圓柱凸輪不符合已知凸輪回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)方向,因此只能采用盤(pán)形凸輪。[3]由此可以確定需要設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)的類(lèi)型為直動(dòng)平底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)。

圖1 灌裝頭送進(jìn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)工作原理圖

2 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的確定

選擇從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,主要從機(jī)器的工作要求、凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能、凸輪輪廓的易加工性三個(gè)方面考慮。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,凸輪的加工變得越來(lái)越容易,凸輪輪廓的易加工性這個(gè)方面可不予考慮。[4]而從機(jī)器的工作要求和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能兩方面來(lái)考慮,從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇原則是：在滿足機(jī)器工作要求的前提下,選擇動(dòng)力特性較好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律;機(jī)器對(duì)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律無(wú)要求時(shí),可根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度、載荷、從動(dòng)件重量來(lái)選擇運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本例的送進(jìn)機(jī)構(gòu),只需要考慮工作的準(zhǔn)確性,對(duì)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律沒(méi)有要求;由已知條件可求得機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度為0.03m/s,采用直線型滾動(dòng)軸承導(dǎo)向,載荷較小,屬于低速輕載的應(yīng)用場(chǎng)合。從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律可選擇為等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律或等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,二者比較,采用等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的始末兩端產(chǎn)生的是柔性沖擊,更有利于提高機(jī)構(gòu)的使用壽命,減小噪聲。由此可確定本機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律,等加速等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律可在較短的時(shí)間內(nèi)完成從動(dòng)件的推程,但凸輪輪廓曲線設(shè)計(jì)和制造都比較困難。[5]

3 凸輪輪廓的設(shè)計(jì)

根據(jù)送進(jìn)機(jī)構(gòu)具體工作要求提供的參數(shù)和選定的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律,按適當(dāng)比例作出從動(dòng)件位移線,如圖2所示。

圖2 凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的位移—時(shí)間曲線圖（s-t線圖）

3.1 確定凸輪基圓半徑rb

方法一：根據(jù)諾模圖用許用壓力角確定rb。方法二：根據(jù)凸輪的結(jié)構(gòu)確定rb。

因?yàn)槠降讖膭?dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角始終為零,不能采用方法一,因此采用方法二來(lái)確定凸輪基圓半徑。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式rb≥1.8r+（7-10）mm,r為回轉(zhuǎn)軸半徑,r=50÷2=25mm。

求得rb=50mm。

3.2 用圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓

此機(jī)構(gòu)為對(duì)心直動(dòng)平底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu),平底長(zhǎng)度為連接板寬度200mm。

設(shè)計(jì)步驟：

1）用與s-t線圖相同的比例尺,以rb=50mm為半徑作基圓,由于從動(dòng)件的移動(dòng)導(dǎo)路有兩條,取其對(duì)稱(chēng)中心作從動(dòng)件移動(dòng)導(dǎo)路中心線位置OAo,并取交點(diǎn)Ao為從動(dòng)件平底的初始位置。

2）假定凸輪順時(shí)針（或逆時(shí)針）方向回轉(zhuǎn),利用相對(duì)反轉(zhuǎn)原理,根據(jù)s-t線圖,作出從動(dòng)件的一系列軌跡。

3）作與這些平底軌跡都相切的包絡(luò)線,即為所求平底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪的實(shí)際輪廓曲線,如圖3所示。

圖3 凸輪輪廓曲線圖

4 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題

4.1 凸輪機(jī)構(gòu)傳力性能的校核

為了保證凸輪機(jī)構(gòu)有良好的傳力性能,避免產(chǎn)生自鎖,必須限制凸輪的最大壓力角。由于直動(dòng)從動(dòng)件的凸輪機(jī)構(gòu),其壓力角始終為零,故傳力性能最好,不需要對(duì)壓力角進(jìn)行校驗(yàn)。

4.2 凸輪的結(jié)構(gòu)與材料

1）凸輪的結(jié)構(gòu)

考慮到凸輪的裝拆與更換的方便,通常應(yīng)當(dāng)將凸輪與凸輪軸分開(kāi)加工制造,只有凸輪的基圓半徑較?。ㄖ富鶊A半徑與凸輪回轉(zhuǎn)軸半徑的差值比較小,具體數(shù)值視機(jī)構(gòu)的載荷而定,這種情況僅僅局限于凸輪回轉(zhuǎn)軸位置已定,而凸輪的結(jié)構(gòu)尺寸又受到限制的時(shí)候）時(shí),將凸輪與軸做成一體。本文設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)的凸輪為單獨(dú)零件。

2）凸輪的材料

凸輪機(jī)構(gòu)的主要失效形式是磨損和疲勞點(diǎn)蝕,因此凸輪的材料應(yīng)具有較高的表面硬度和耐磨性,并且有足夠的表面接觸強(qiáng)度。通常凸輪用的材料,選用45鋼或40Cr,淬火硬度52～58HRC;本文設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)屬于經(jīng)常受到?jīng)_擊載荷的情況,要求凸輪芯部有足夠的韌性,考慮到凸輪的使用壽命要求較長(zhǎng),材料可選用20Cr,滲碳淬火硬度至62HRC,滲碳深度0.8-1.5mm。[6]

3）凸輪厚度的確定

目前使用的各種教科書(shū)和資料,就凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中如何確定盤(pán)形凸輪和端面凸輪的厚度的問(wèn)題,都沒(méi)有提供明確的設(shè)計(jì)方法。其主要原因是不同的凸輪機(jī)構(gòu),傳遞載荷的大小各不相同,需要的凸輪厚度當(dāng)然也不同,而凸輪的厚度與載荷之間并不存在確定的設(shè)計(jì)公式,這給凸輪厚度的確定帶來(lái)不小的麻煩。筆者總結(jié)多年凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),采用估算法確定凸輪厚度,即凸輪厚度取機(jī)構(gòu)行程的1/5,載荷減小時(shí),厚度可適當(dāng)減小。例如本實(shí)例的盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu),工作行程為120mm,凸輪厚度可取1/5×120=24mm;由于機(jī)構(gòu)采用了滾動(dòng)軸承導(dǎo)向套,使機(jī)構(gòu)載荷減小,凸輪厚度實(shí)際可取20mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文是在酊劑灌裝線灌裝頭的工作要求的基礎(chǔ)上,根據(jù)灌裝頭的工作特點(diǎn),設(shè)計(jì)了利用灌裝線主軸為動(dòng)力的凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)對(duì)灌裝頭的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。本文設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：1）使凸輪軸與機(jī)床主軸巧妙的結(jié)合為一體;2）為了保證運(yùn)動(dòng)精度,選用了更具耐磨性的凸輪材料;3）將凸輪機(jī)構(gòu)工作時(shí)的沖擊和噪聲降至最低。此設(shè)計(jì)已轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用,實(shí)踐檢驗(yàn)證明使用效果比較理想,達(dá)到了預(yù)期目的。

[1]柴鵬飛.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[2]丁洪生.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[3]俞正為.機(jī)構(gòu)與零件[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2000.

[4]朱曉春.數(shù)控技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[5]陳?？?機(jī)械基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2001.

[6]單小君.金屬材料與熱處理[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2001.

[編校：劉 敏]

Cam Mechanism Design of DSP-1 Type Tincture Filling Line Filling Device

DING Xiaobing
（Hunan Ordnance advanced technical schools,Yiyang Hunan 413000）

In view of DSP-1 type tincture filling line fillingdevices'swork requirements,this article designs a flat straightmoving follower cam mechanism,used for controllingmotion trajectory of filling head.As the camshaft axis uses the filling line and the stiffnessand strength are enough,there is no need to calculate and check additional stiffnessand strength of the camshaft.Taking into account the load and life requirements of cam mechanism,thematerials of the cam are selected,and heat treatment requirementsare required.

filling head;cam mechanism;control

TH 112.2

A

1671-9654（2010）02-044-03

2010-04-13

丁小兵（1968-）,男,湖南益陽(yáng)人,工程師,研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。