一种汽车热保护器料带送料机构的设计*

顾志刚，卿宏军

(1.常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州 213164；2.湖大科瑞江苏检测技术有限公司，江苏 常州 213164)

0 引言

热保护器是一种对温度和(或)电流都敏感的装置[1]，当电机在异常条件下，可以防止电机超温引发火灾[2]。汽车热保护器被广泛运用于汽车车窗的升降器、座位调节器、雨刮器以及天窗电机的热保护中，当电机发生过载、堵转、短路、断相、漏电[3]等非正常工作状态时，及时切断电路，延长电机的使用寿命。

随着自动化产业的不断升级，对制造设备自动化的要求也逐步提高。汽车热保护器外壳一般由外协单位提供，按照生产厂家的要求，将一定厚度的轧制薄钢板经过冲床加工成长条状的料带，再由生产厂家切下进行组装。目前热保护器自动生产设备多采用气动元件和电机驱动，根据工步的划分及动作需求，利用PLC等作为控制单元对生产动作进行有序安排。本文设计了一种采用单驱动、多凸轮副机构进行料带送料的生产装置，利用SolidWorks软件完成了关键零件的建模，结合motion插件，对机构的运动进行仿真。

1 料带送料机构设计需求分析

图1为某公司生产的汽车热保护器外壳尺寸，它由一种表面镀Ni、Zn，厚度为0.3 mm的软钢板轧制而成。

图1 汽车热保护器外壳尺寸

外协供应商提供的外壳原料为长条形料带，料带上开有直径为Φ2.4 mm的牵引孔，以方便送料机送料，如图2所示。

外壳下料前，还需要对料带进行一系列再加工，例如冲压成形、贴标、喷码，最后切断下料。由于每个加工步骤只能针对一个外壳单元进行，因此要求料带送料机构每次只能以一个单元间距为标准产生移位，即图2中的尺寸20 mm。在移位过程中应避免出现错位，否则会导致废料的产生；同时在加工过程中，还必须保持料带位置的固定，否则同样会产生废料。

图2 料带外形规格

为保证料带在移动过程中的稳定性，在机构设计时，应考虑预先将料带装入特定轨道，以限制其自由度，使其只能进行横向移动，因此设置一推料杆来完成料带的横向移动送料。送料完成后，进行贴标、喷码及切割等一系列操作，此时如果没有定位元件，料带可能会由于震动等多种原因而产生错位，故还需设置一挡料杆锁定料带。送料过程中，推料杆将料带释放，加工过程中，挡料杆则将料带锁定，不产生移位。通过挡料杆和推料杆的相互配合，以实现料带移位的精确可靠。为了保证企业的生产效率，以60个/min为生产节拍进行机构的设计。

推料杆和挡料杆虽然是完成不同工作内容的从动件，但在一个生产周期内，需要相互之间紧密协作，不能出现干涉，为保证两者之间的运动协调，应尽量减少动力驱动元件的数量，故采用单驱动多凸轮传动方式进行动作设计。通过一台电动机带动安装在同一个转轴上的3个凸轮，从而使推料杆和挡料杆相互配合，以满足设计需求。送料机构的运动简图如图3所示。

图3 送料机构运动简图

主轴带动凸轮同步旋转，首先，推料杆上升，完成后挡料杆下降，随后推料杆牵引料带横向位移一个标准单元，当推料杆将料带移动至规定位置时，挡料杆上升对料带进行固定，然后推料杆下降，贴标机、喷码机、切割机产生动作，在动作过程中，推料杆退回，完成一个工作周期。根据以上分析，送料过程分为6个步骤，具体流程如图4所示。

图4 送料机构工作流程

设定各凸轮的基圆半径为100 mm，根据机构的生产节拍为60个/min，故周期为1 s，以时间(s)为横坐标，以各凸轮行程(mm)为纵坐标，设计并绘制各凸轮的时序图，如图5所示[4]。

图5 凸轮时序图

2 料带送料机构关键零件建模

料带送料机构主要关键零件的设计在于3个相互配合的凸轮，要求3个凸轮能够以图4中的方式运行，才能保证挡料杆和推料杆能相互配合完成料带的正确送料，因此凸轮轮廓的设计是机构设计的关键。

SolidWorks是基于Windows平台面向产品级的三维CAD软件，可以十分方便地实现复杂三维零件的实体造型、复杂装配和生成工程图。该软件以其优异的性能、易用性和创新性极大地提高了机械工程师的设计效率[5]，因此送料机构关键零件的三维建模采用了SolidWorks软件。

根据机构运动简图，对料带送料机构进行关键零件建模，其三维模型如图6所示。

图6 机构三维模型

模型建立完成后，根据机构的运动原理，添加配合，使各构件处于正确的初始位置，接着利用SolidWorks中的motion插件对所设计的机构进行动作模拟[6]。在软件设计主界面中将“模型”选项卡切换到“运动算例”选项卡，给主轴添加“旋转马达”，转速为60 r/min。然后分别对3个推杆添加“直线马达”，并使每个马达的运动与时序图中运动情况对应，表1为1号推杆的“直线马达”运动参数，其中“值”指的是相对正方向的位移，由于凸轮运转周期为1 s，推杆送料的载荷很小，故“分段类型”采用3-4-5次多项式，以减少从动件速度和加速度的突变，减少柔性和刚性冲击[7]。马达的运动方式设置完成后，单击“计算”，通过仿真动画观察挡料杆和推料杆的运动，满足设计要求。

表1 1号推杆“直线马达”运动参数

根据以上分析，当凸轮作圆周运动、滚子以设定值作直线往复运动时，滚子质心与凸轮基圆之间的相对运动路径为一封闭曲线，该曲线就是实际凸轮的轮廓曲线，接下来需要提取每个凸轮的轮廓曲线。以1号凸轮为例，将滚子的质心作为追踪点，设定相对于基圆圆柱面进行追踪，生成追踪曲线，通过反求法[8]得出凸轮轮廓。为了将曲线转换成凸轮实体，单击仿真工具栏中的“结果和图解”按钮，在得到的“结果”文件夹中右键单击“图解”，选择“在参考零件中生成曲线”，可以将上述追踪曲线复制到凸轮零件的一张草图中。然后打开凸轮零件，由于在设计时选定的滚子半径为12 mm，而上述操作过程中的追踪对象为滚子质心，其处于滚子几何中心，所以需要将追踪曲线向内偏置12 mm，得到凸轮实际轮廓，在将曲线转换为实体之前，再对轮廓曲线进行必要的校核，包括轮廓曲线的最小曲率半径等。核算结果满足设计需求后，对凸轮轮廓进行拉伸，得到凸轮实体，完成建模。最后完成的1号凸轮轮廓曲线如图7所示。

图7 1号凸轮轮廓曲线

3 料带送料机构的运动仿真

凸轮建模完成后，需要考察其以实际轮廓曲线运动时机构的运转情况。对模型进行重新装配，在每个凸轮和滚子之间添加“凸轮配合”，同时给主轴添加“旋转马达”，速度为60 r/min，在推料杆和挡料杆及料带之间添加“接触”，使推料杆能正确模拟送料过程，接触材料使用“刚性”。完成后，新建运动算例，单击“计算”，对运动进行仿真。从运动仿真过程可以得出，挡料杆和推料杆能互相配合，推动料带以每次一个单元间距移动，料带的送料情况符合设计需求。

再次单击“运动结果和图解”，对3个推料杆的运动位移、速度、加速度进行校核。图8为3个凸轮推杆的线性位移曲线，可以看出，推杆的位移与时序图设计的位移相对应，挡料杆和推料杆能按照预定设计完成料带的送料，且位移曲线采用了3-4-5次多项式运动规律，较时序图中的位移曲线更加优越，减少了冲击。

图8 凸轮推杆位移曲线

4 结语

本文设计了一种汽车热保护器料带的送料机构，首先分析了送料机构的工作过程，给出各个构件的运动顺序，以SolidWorks为设计工具，结合凸轮运动的时序图，完成了主要零件的建模与运动仿真分析。该方法较常规凸轮设计方法最大的不同在于从装配体角度，通过自上而下的设计方法设计了凸轮轮廓，并验证了设计符合预期效果。当凸轮设计完成后，可以进一步对机构进行力学分析，进行从动件速度、加速度及机构的最小曲率半径等的校核工作。如果校核结果满足设计参数，则可以将凸轮轮廓输入CNC数控加工程序，对其进行加工，省去了常规凸轮设计过程中繁杂的部分，缩短了开发周期，节约了成本，同时也为该类自动化设备的设计提供了一种思路。