輕載沖壓檢測機槽輪機構的優化設計

雒鈺花，趙 茲

(陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710302)

0 引 言

輕載沖壓檢測機是一種用于自動化生產線的六工位圓形工件檢測裝置。槽輪機構是保證該裝置正確工作的關鍵部件，其停歇時間是檢測機的工作行程時間。要求設計出的槽輪機構傳動力小、裝卸方便，以適應輕載(≤20 N)和主從動輪中心間距為90 mm的間歇運動場合。在檢測機中，槽輪機構的平穩運動是直接影響輕載沖壓檢測機的工作精度和效率的關鍵因素。

1 輕載沖壓檢測機的槽輪機構優化分析

沖壓檢測機槽輪機構(見圖1)為直線槽輪機構(槽數Z=6)，由于該直線槽輪機構的槽輪在進入嚙合和退出嚙合的瞬間，撥銷的向心加速度使槽輪角加速度發生突變，從而出現柔性沖擊。同時，在槽輪轉動過程中加速度變化的瞬間，由于間隙的存在，出現橫越間隙的沖擊，檢測機工作時產生抖動。為了避免沖擊，撥銷應可能實現切向進、出槽輪，即徑向槽與轉臂在此瞬間位置要保持互相垂直。但目前的檢測機直線槽輪機構無法實現切向進、出槽輪，本文對其進行結構優化設計，解決了直線槽輪機構在輕載運動狀態下的沖擊抖動現象，使輕載沖壓檢測機平穩正常工作，提高了工作效率。

2 槽輪機構優化設計原理

2.1 優化設計思想

2.2 優化設計方法

先根據輕載沖壓檢測機工作要求、安裝尺寸和承載情況, 設計槽輪機構(圖2)的主要參數，參數如表1所示，然后根據設計思想建立優化槽輪機構的槽輪曲線[3]數學模型，應用Matlab可視化程序設計槽輪輪廓曲線，應用Pro/E軟件機構運動功能仿真優化的槽輪機構運動過程，分析組合輪廓線槽輪的運動速度，驗證優化的組合輪廓線槽輪機構運動狀態。

圖2 直線槽輪機構工作示意圖

表1 槽輪機構優化設計參數

3 槽輪結構的優化設計

3.1 槽輪曲線的數學模型建立

在槽輪機構運動過程中，撥銷是沿著槽輪中心運動的，撥銷中心的實際運動軌跡則為槽輪曲線的輪廓線形狀[4]。根據槽輪組合輪廓線設計原理和槽輪機構優化設計條件，建立槽輪曲線數學模型[5]。圖3是含有曲線輪槽的槽輪機構[6],P代表撥銷與輪槽的接觸(不考慮圓銷的尺寸), 則在任一位置上，具有以下運動規律：

1) 槽輪轉角

(1)

2) 槽輪運動角速度

(2)

3) 槽輪運動角加速度

(3)

式(1)～(3)中，ω1為轉臂轉動角速度，ω2為槽輪轉動角速度。

4) 槽輪曲線理論輪廓線極坐標方程

(4)

根據式(4)可推導出直角坐標方程：

②考慮需求方特征——企業是否虧損。如表中第二列和第三列回歸系數所示，分組檢驗發現：虧損企業組，審計定價與企業內控缺陷雖然存在正相關關系，卻不顯著；盈利企業組，審計定價與企業內控缺陷存在正相關關系，在1%水平上顯著。即其他條件相同時，與虧損企業相比，盈利企業存在內控缺陷時的審計定價更高，H2得到驗證。從全樣本回歸中可以看出，企業是否虧損對應的回歸系數是0.058，在1%水平上顯著，這說明其他條件不變時，盈利企業相比虧損企業審計定價較低。

(5)

5) 槽輪曲線實際輪廓線極坐標方程

(6)

根據(6)式可推導出直角坐標方程：

(7)

圖3 含曲線的槽輪機構示意圖

3.2 槽輪曲線的設計

按主動件的撥輪前半程和撥銷進入槽輪槽口位置時的沖擊為0的邊界條件設計槽輪曲線[7]，曲線根據槽輪機構運動條件和數學模型，以撥盤轉角為變量，將設計條件(圖4)和數學模型程序(圖5)在Matlab軟件中運行，以plot(x,y,?r.?,xp,yp,?b.?) 繪制槽輪五次運動項曲線。

圖4 曲線槽輪機構初始條件代碼

圖5 槽輪曲線方程代碼

3.2.1 優化設計方案1

由于槽輪輪廓線在槽口端部分設計成曲線,優化設計的主動件轉位角是可調整的, 設計時應選取適當的撥盤轉角α0, 使撥銷進入槽輪時滿足曲線部分的極經與機架的夾角φ0小于β0,當α0確定以后，應在滿足接觸強度和加工條件下, 對輪廓線曲線與直線交點位置ap進行選取,以達到降低加速度峰值的目的。如圖6所示，撥銷從槽輪口[8]切向切入槽輪時，撥銷中心運動軌跡與直線槽輪中心相差5.09°，此時，可取αp=5.09°為輪廓曲線與直線的交點，繪制槽輪曲線，如圖7所示。

圖6 實際曲線槽輪運動示意圖

圖7 αp=5.09°槽輪曲線

3.2.2 優化設計方案2

在Matlab繪制曲線中，按照槽輪曲線數學模型，撥盤轉角的允許變化范圍為60°～36°。與優化方案1相似，在撥盤轉角變化的范圍內取αp=15°繪制槽輪曲線，如圖8所示。

對比圖5和圖6可知：隨著αp的增加，實際輪廓曲線和理論輪廓線型區別較大，實際輪廓曲線特征較明顯。

4 優化槽輪結構的驗證

設計的組合輪廓線槽輪如圖9所示，采用Pro/E軟件對優化槽輪機構進行運動仿真[9]，分析組合輪廓線槽輪的運動速度，下面以設計的實際輪廓線槽輪為例分析優化槽輪結構在機構中的工作狀態，驗證其工作的可靠性。

圖9 組合輪廓線槽輪結構

新設計的槽輪機構運動仿真過程如圖10所示，以槽輪轉動360°為一個周期對其進行運動仿真，初始位置如圖10(a)所示，當αp=5.09°和αp=15°時，槽輪運動速度[10]分別如圖11和圖12所示，圖11中槽輪加速度最大值為30.5 mm·s-2，速度最大值為40.6 mm·s-1，在撥銷進出槽口時無沖擊，整個運動速度平穩。圖10中加速度最大值為43.5 mm·s-2，速度最大值為42.0 mm·s-1，加速度最大值大于速度最大值，在撥銷進出槽口時有跳動現象，運動過程有沖擊。對比圖11和圖12可知：方案1的加速度和速度均比方案2的小，也就說明，當αp越大，槽輪運動時越容易跳動。因此，在設計槽輪曲線輪廓時，αp不宜取大值，而應以運動軌跡的角度差值為準，選取αp值。故該槽輪曲線設計中αp取5.09°為宜。

(a) 運動初始位置

(a) αp=5.09°優化后的組合輪廓線槽輪加速度運動軌跡

(b) αp=5.09°優化后的組合輪廓線槽輪速度隨時間變化圖

(a) αp=15°優化后的組合輪廓線槽輪加速度運動軌跡

(b) αp=15°優化后的組合輪廓線槽輪速度隨時間變化圖

5 結 語

本文以槽輪機構需求條件為設計依據，根據凸輪機構從動件五次多項多類型運動規律原理，以撥盤轉角為變量建立了槽輪曲線數學模型，應用Matlab可視化程序模塊繪制槽輪輪廓曲線，采用Pro/E軟件對組合輪廓線槽輪機構進行運動仿真，分析組合輪廓線槽輪運動速度，驗證了優化的槽輪機構工作的可靠性。得到如下結輪。

1) 撥銷中心實際輪廓線運動軌跡和理論輪廓線運動軌跡的角度差為組合輪廓線αp的精確設計值，解決了槽輪組合輪廓線曲線和直線的交點確定問題。

2) 應用Matlab數學模型程序繪制優化的槽輪輪廓線曲線，簡化了槽輪曲線設計的計算和步驟，提高了槽輪曲線設計效率，對含有曲線輪廓的槽輪機構在實際工程中的應用設計具有參考作用。

3) 優化設計的槽輪機構運動加速度小于直線槽輪運動加速度，改善了槽輪機構工作時的沖擊現象，提高了輕載沖壓檢測機工作的可靠性。