自動裝盒機推料機構凸輪的設計及運動仿真

向 飛，李克天，何衛(wèi)鋒，利建華

（1.廣東工業(yè)大學，廣州 510006；2.廣州利氏包裝設備有限公司，廣州 510450）

自動裝盒機推料機構凸輪的設計及運動仿真

向 飛1，李克天1，何衛(wèi)鋒1，利建華2

（1.廣東工業(yè)大學，廣州 510006；2.廣州利氏包裝設備有限公司，廣州 510450）

0 引言

凸輪機構設計的關鍵是凸輪輪廓曲線的設計,其決定著凸輪機構的運行能否達到預定的運動要求[1]。傳統(tǒng)的凸輪輪廓曲線設計的基本原理是“反轉(zhuǎn)法”，主要有圖解法和解析法。圖解法簡便、直觀，但作圖誤差較大，難以滿足凸輪機構精度的要求；解析法則可以通過推導出凸輪輪廓曲線的方程式，精確地計算出凸輪廓線上各點的坐標值，該方法可以獲得較高的精度，然而一旦運動規(guī)律改變，需要重新進行推導設計凸輪的輪廓曲線，致使工作量較大、設計周期長[2～4]。作為生產(chǎn)企業(yè)，為了更快地將產(chǎn)品投入市場，本文提出利用SolidWorks Motion運動學分析軟件，結合實際生產(chǎn)情況，根據(jù)預期的推料滑塊運動規(guī)律，對自動裝盒機推料機構的凸輪進行了設計與驗證，縮短了開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本。

1 推料滑塊運動規(guī)律的設計

1.1 自動裝盒機的推料機構

如圖1所示的自動裝盒機推料機構是一種串聯(lián)式凸輪連桿機構[5]，該機構組合系統(tǒng)由凸輪機構和連桿機構組成，該機構的目的主要是將已經(jīng)基本包裝好的物料（如餅干摞等）從物料輸送帶推送入撐開的紙盒內(nèi)，以便進行接下來的折舌、插舌等工序。圖中溝槽凸輪1固定在傳動軸上，擺桿3一端的滾子2嵌在凸輪槽中，溝槽凸輪1作為原動件帶動擺桿3進行往復擺動，同時與擺桿另一端相連的連桿4在擺桿的帶動下，驅(qū)動推塊5在水平方向進行往復直線運動，實現(xiàn)了物料推送的動作。

圖1 自動裝盒機推料機構運動簡圖

1.2 推料滑塊運動規(guī)律的設計

結合企業(yè)實際生產(chǎn)中遇到的問題，對上述推料機構提出了如下工作要求：

1）推程平穩(wěn)。為了提高生產(chǎn)效率,推料滑塊要先以較大速度接近物料輸送線輸送來的產(chǎn)品，如保鮮膜筒、袋裝餅干摞和袋裝玩具摞等, 考慮到不同被推產(chǎn)品的材料性能，推料運動曲線應盡可能連續(xù)光滑，以保證推料過程平穩(wěn)、沖擊小。

2）入盒位置準確。推料機構在推料的過程中，具有較高推進速度的產(chǎn)品與垂直于推料方向的紙盒輸送軌道側(cè)面的擋板往往會發(fā)生剛性沖撞，造成產(chǎn)品反彈回推料軌道，使得產(chǎn)品不能完全進入紙盒，偏離了正確的裝盒位置。為了防止所推產(chǎn)品不會出現(xiàn)反彈，要求推塊在將產(chǎn)品推入紙盒后仍能保持一段時間的停留，以此確保產(chǎn)品準確入盒，不會卡機。

3）急回特性。要求推料機構返回行程比推料行程運行快，縮短推料周期。

4）推料行程380mm-390mm，推料機構運動周期2s。

為滿足上述要求，考慮到五次多項式運動規(guī)律的類加速度曲線無突變，且其幅值較小，能有效地避免剛性沖擊和柔性沖擊[6,7]，設計了如圖1所示的推料滑塊運動規(guī)律曲線。該運動規(guī)律由三段運動曲線組成，即0-1s、1.3s-2s為3-4-5多項式運動規(guī)律、1s-1.3s為直線運動規(guī)律。

圖2 推料滑塊的運動規(guī)律曲線

2 凸輪輪廓曲線的設計

SolidWorks Motion可以基于表格數(shù)據(jù)或者輸入函數(shù)的方式來創(chuàng)建凸輪輪廓[8]。本文通過輸入所需的運動來驅(qū)動從動件，利用逆向的求解，由從動件的運動來生成凸輪輪廓。

首先，建立如圖3所示的推料機構裝配體，該裝配體是簡化后的三維模型。凸輪暫時先用圓盤代替，其固定在傳動軸上；擺桿是由一長一短兩段連桿組成，便于調(diào)整兩連桿的角度，運動時兩連桿是固定在一起的，并同時固定在帶有軸承座的銷軸上；圖中軸承座均未表示出，只是按照結構尺寸要求約束了銷軸、傳動軸以及軌道的位置關系。

其次，在SolidWorks Motion中創(chuàng)建一個新的運動算例，給推料滑塊定義一個線性馬達，具體參數(shù)設定如圖3所示，在表格中輸入數(shù)據(jù)并選擇分段曲線類型，生成圖2所示運動規(guī)律，并給凸輪圓盤添加一個速度為30r/min的旋轉(zhuǎn)運動，在設置完引力方向和仿真算例屬性后，運行算例進行求解，持續(xù)時間為2s。

圖3 推料滑塊線性馬達的設定

最后，得到如圖4和表1所示的滾子中心點的跟蹤路徑曲線形狀與數(shù)據(jù)，即凸輪的理論輪廓曲線。將此跟蹤曲線直接輸出到SolidWorks中快速生成如圖5所示的凸輪零件。

圖4 推料機構裝配體

圖5 生成的凸輪零件

3 推料機構的運動仿真

為了驗證凸輪的輪廓是否準確，需要模擬真實的凸輪工作狀況，進行實時運動學仿真。推料機構在實際工作時，根據(jù)所推產(chǎn)品的質(zhì)量和外包裝材料的不同，會對推料滑塊產(chǎn)生不同大小的摩擦阻力，設定推料機構實際工作時的阻力隨時間的變化如下：

新的推料機構裝配體如圖6所示，

圖6 新的推料機構裝配體

為了能更真實的反應推料機構的工作狀況，需要對第一次的運動仿真參數(shù)作如下修改：

1）在滾子和凸輪之間添加實體接觸，材料均指定為steel（greasy），其主要的接觸參數(shù)如表2所示。

表1 滾子和凸輪之間的主要接觸參數(shù)[9]

2）移除推料滑塊的線性馬達，致使推料機構僅在旋轉(zhuǎn)馬達的驅(qū)動下進行運動，并給滑塊添加工作阻力，其函數(shù)表示為：IF(time-0.1:0,1,IF(time-1:1,0,IF(time-2:0,0,0)))；

3）設置運動算例屬性為精確接觸。

再次進行運動仿真計算，可得到推料滑塊的位移、速度及加速度的特性曲線，如圖7～圖9所示。分析這些曲線，可得到如下結論：

（1）推料滑塊在凸輪驅(qū)動下，具有與圖2完全相同的運動圖解形狀，且推料滑塊的運動行程為297-（-84）=381mm＜390mm。

（2）返回行程時間0.7s小于推料行程時間1s,說明該機構具有急回特性,即推料行程運行慢保證推料質(zhì)量，返回行程運行快，降低工作周期。

（3）整個推料過程中，推塊的位移、速度變化光滑連續(xù)平緩，加速度也基本沿著一條連續(xù)的曲線變化，存在瞬時波動，這是實際運行時凸輪與滾子碰撞時可能會產(chǎn)生的情況，而這種碰撞是剛性的，實際上凸輪等其他構件都是彈性的。總體來說，推料過程較平穩(wěn)，沖擊小。

目前，設計的凸輪已應用在實際生產(chǎn)中，未出現(xiàn)產(chǎn)品彈回而卡機的現(xiàn)象，入盒位置準確，達到了預期的設計要求。

圖7 推料滑塊的位移-時間曲線

圖8 推料滑塊的速度-時間曲線

圖9 推料滑塊的加速度-時間曲線

4 結束語

本文運用SolidWorks Motion對自動裝盒機推料機構的凸輪進行了設計與運動仿真，得到了凸輪的理論輪廓數(shù)據(jù)和推料滑塊的運動特性曲線，達到了預期的設計要求，并在實際應用中驗證了所求凸輪輪廓的準確性，為企業(yè)提供了一種方便高效的凸輪設計方法，也可以為其他凸輪的設計提供一定的參考。

[1]郭利鋒,郭順生.凸輪輪廓的設計與仿真[J].機械研究與應用,2005,18(3):95-97.

[2]溫建民,付本國.擺動滾子從動件盤形凸輪的自動化設計[J].中國工程機械學報,2006,4(4):465-469,473.

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[6]石永剛,吳央芳.凸輪機構設計與應用創(chuàng)新[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007:20-49.

[7]彭文生,李志明,黃華梁.機械設計[M].2版.北京:高等教育出版社,2008:54-77.

[8]陳超祥,胡其登.SolidWorks Motion運動仿真教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012:107-115.

[9]張晉西,郭學琴.SolidWorks及COMOSMotion機械仿真設計[M].北京:清華大學出版社,2007:17-43.

Design and kinematic simulation of pusher mechanism in automatic cartoning machine

XIANG Fei1，LI Ke-tian1，HE Wei-feng1，LI Jian-hua2

根據(jù)自動裝盒機推料滑塊機構的運動規(guī)律，運用運動學逆向求解出凸輪的輪廓曲線，將得到的凸輪進行實時運動學仿真，驗證所求凸輪輪廓的準確性，最后求解滑塊的位移、速度、加速度曲線，滿足推料滑塊的運動規(guī)律。

推料機構；凸輪輪廓設計；運動仿真

向飛（1988 -），男，碩士研究生，主要從事機械結構設計等方面的研究。

TH161

A

1009-0134(2014)05(下)-0137-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).39

2014-02-24

廣東省科技計劃項目資助（2012B091000028；2012B011300027）