平面凸轮实现点位控制在设计与工艺中的细节

傅唐繁

摘 要：在高速轻载机构中，用平面凸轮来实现点位控制，对于超大批量产品的加工或装配，结构紧凑，成本低的巨大优势。但是，凸轮在加工、装配过程中的误差不可避免，造成点位误差非常大，达不到预期的结果。

关键词：设计细节；加工方法

中图分类号：TH112.2 文献标识碼：A 文章编号：1005-5312（2017）11-0052-01

一、设计细节

平面凸轮在设计中的首要任务是如何消除加工和装配中的误差，其次是在高速运行中解决引起设备振动的问题，三是在实现点位的同时，如何处理好电机频繁的停顿、起动问题以及引起的惯性。

1.凸轮数量：一个凸轮控制一个方向的坐标值。也就是说有X、Y、Z三根轴的话就有三个凸轮。最多凸轮数不得大于3。

2.点位数量N： 在每一个凸轮360度的圆周上对点位数匀分。即每一凸轮上有360/N个等分点。虽然每一点位的极径不等，两极点间曲线的弧长不等，但当凸轮匀速运动时，其角速度相等，即每一极点间转动的时间相等，用时间继电器来完成凸轮的启动和停止创造了一有利条件。

3.凸轮轮廓曲线的处理：（1）先定义极点。以回转中心为圆心，以极径（极径=该轴坐标值）为半径，以极点为对称点，画一圆弧（等分点小于80，圆弧角度为0.6度，等分点小于120，圆弧角度为1度，等分点大于120，圆弧角度为1.5度）。用一段小圆弧来代替极点是凸轮实现点位控制的关键所在，加工和装配中的误差将大大消除；（2）用样条线连接各圆弧的端点，将圆弧之间的曲线剪掉；（3）调整样条线。依据从动件滚动体的半径（建议用滚动体与凸轮接触，如销、轴承等）调整样条线的曲率半径。先将样条线在PRO/E软件中加以整合，将样条线变为复合曲线。方法是：INSERT（插入） DATUM（基准） CURVES（曲线） COMPOSITE（复合）。

其次是分析复合曲线的曲率半径。方法是：ANALYSIS（分析） CURVE ANALYSIS（曲线分析） RADIUS（曲率半径）。

点选上述复合曲线，由曲率图找寻小于滚动体半径的对应曲线段，加以调整，直至大于或等于滚动体半径为止。

4.死点：即凸轮第一个点（起点）的确定。根据载荷的大小，合理选择该点的位置。如果从动件在此处的力矩为零或趋近于零，在起动或运行到此点时，会产生较大的冲击，引起设备的振动和噪音。三个凸轮的起点应一致。

5.凸轮定位：以“两销（一圆柱销，一菱形销）一面”定位为最佳。故动力轴上可设计一法兰盘与其联接，法兰盘上设计两销钉，凸轮与动力轴可采用平键联接，以实现力矩的传递。定位销不得承受任何载荷。

6.电机与动力轴的传动链设计：为缓冲传动过程中机构部件的冲击，宜采用柔性传动，同步带是首先。同步带轮的齿数等于凸轮的等分点数。电机与动力轴的传动比为1：1。为适应同一设备实现不同点位的要求，在同步带上可用张紧轮来完成中心距的调节，故同步带轮有三个，且齿数相同。

凸轮在实现点位的同时，从动件有两种作用结果：一是连续运动，一是间歇运动。连续运动可采用普通电机与减速器组合的方式。间歇运动选用伺服电机可能是最佳选择，但由于启动频繁，尤其是等份数较多时，则电控复杂，成本太大，且不易实现。下面结合本人的工程实践，谈一下解决凸轮间歇运动的方案。普通电机：2KW；2100转/分；点位数：96；停顿时间：2.5秒。电机轴与同步带轮轴用摩擦片连接，其结构类似于车床主轴摩擦片的设计方案，利用杠杆原理作用于摩擦片，其动力来源是采用两个同步气缸（气缸行程：8毫米），用时间继电器来控制气缸松开的时间。

二、平面凸轮的加工工艺

由于平面凸轮可实现三轴点位，且每一轴各用一个凸轮，故平面凸轮的厚度不能太厚，为减小设备空间，凸轮厚度宜为6-8毫米（最大极径小于300 毫米，厚度为6 毫米； 最大极径大于300 毫米，厚度为8毫米）。故加工凸轮，若工艺不当，加工误差极大。

1.凸轮材料：可选用45或50号钢，调质到HB280-320。

2.加工安排：先在车床上粗车凸轮内孔和外圆（板料矫曲变形大，若先调质，则增大平面磨削的困难）；调质；热处理完后，用垫片和塞尺，反复在平面磨床上粗、精磨凸轮两平面，保证凸轮上下两面的平行度小于0.03 毫米、平面度小于0.05 毫米（若平行度和平面度达不到该要求，其一：在铣削加工的装夹中会产生变形；其二：从动件滚动体与凸轮的接触面较小，若变形较大，在运行过程中滚动体受力不均，易疲劳，加剧磨损）。再在车床或镗上精加工凸轮内孔，保证轴线与端面的垂直度小于0.03 毫米。

3.以凸轮内孔和其中一面为基准，校正凸轮内孔，在数控铣床上粗、精加工凸轮两销孔（注意两销孔轴线与凸轮内孔轴线的对称度小于0.01 毫米），保证孔距精度在±0.01 毫米以内。再以两销孔为精基准，在线切割机床上粗加工凸轮轮廓，留0.3-0.5 毫米余量，凸轮内孔处的键槽直接割成（三个凸轮内孔上的键槽与动力轴上的键槽用一平键相连接，故线割凸轮内孔键槽时必须用专用夹具，且与内孔轴线对称度小于0.02毫米，否则三个凸轮在装配时会产生较大的误差）。

4.在数控铣削中心上，以两销孔为基准，采用两销一面定位，精加工凸轮轮廓（切削力不宜太大，谨防加工中出现振动），选用与凸轮从动件滚动体直径相同的精加工刀具；表面粗糙度Ra<0.8。在此道工序中，不要用慢走丝或中走丝机床加工，因附着其表面上的硬层易脱落。钳工将锐边倒圆。涂防锈油。

5.凸轮在转输、运输和装配过程中切忌碰撞，轻拿轻放。