自動(dòng)裝盒機(jī)推料機(jī)構(gòu)凸輪的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

向 飛，李克天，何衛(wèi)鋒，利建華

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

自動(dòng)裝盒機(jī)推料機(jī)構(gòu)凸輪的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)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(xué)，廣州 510006；2.廣州利氏包裝設(shè)備有限公司，廣州 510450）

0 引言

凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是凸輪輪廓曲線(xiàn)的設(shè)計(jì),其決定著凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)行能否達(dá)到預(yù)定的運(yùn)動(dòng)要求[1]。傳統(tǒng)的凸輪輪廓曲線(xiàn)設(shè)計(jì)的基本原理是“反轉(zhuǎn)法”，主要有圖解法和解析法。圖解法簡(jiǎn)便、直觀(guān)，但作圖誤差較大，難以滿(mǎn)足凸輪機(jī)構(gòu)精度的要求；解析法則可以通過(guò)推導(dǎo)出凸輪輪廓曲線(xiàn)的方程式，精確地計(jì)算出凸輪廓線(xiàn)上各點(diǎn)的坐標(biāo)值，該方法可以獲得較高的精度，然而一旦運(yùn)動(dòng)規(guī)律改變，需要重新進(jìn)行推導(dǎo)設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線(xiàn)，致使工作量較大、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)[2～4]。作為生產(chǎn)企業(yè)，為了更快地將產(chǎn)品投入市場(chǎng)，本文提出利用SolidWorks Motion運(yùn)動(dòng)學(xué)分析軟件，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，根據(jù)預(yù)期的推料滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)自動(dòng)裝盒機(jī)推料機(jī)構(gòu)的凸輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本。

1 推料滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律的設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)裝盒機(jī)的推料機(jī)構(gòu)

如圖1所示的自動(dòng)裝盒機(jī)推料機(jī)構(gòu)是一種串聯(lián)式凸輪連桿機(jī)構(gòu)[5]，該機(jī)構(gòu)組合系統(tǒng)由凸輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)組成，該機(jī)構(gòu)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(kāi)的紙盒內(nèi)，以便進(jìn)行接下來(lái)的折舌、插舌等工序。圖中溝槽凸輪1固定在傳動(dòng)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(dòng)件帶動(dòng)擺桿3進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)，同時(shí)與擺桿另一端相連的連桿4在擺桿的帶動(dòng)下，驅(qū)動(dòng)推塊5在水平方向進(jìn)行往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了物料推送的動(dòng)作。

圖1 自動(dòng)裝盒機(jī)推料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

1.2 推料滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律的設(shè)計(jì)

結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題，對(duì)上述推料機(jī)構(gòu)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(xiàn)輸送來(lái)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(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)應(yīng)盡可能連續(xù)光滑，以保證推料過(guò)程平穩(wěn)、沖擊小。

2）入盒位置準(zhǔn)確。推料機(jī)構(gòu)在推料的過(guò)程中，具有較高推進(jìn)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(huì)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(jìn)入紙盒，偏離了正確的裝盒位置。為了防止所推產(chǎn)品不會(huì)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(shí)間的停留，以此確保產(chǎn)品準(zhǔn)確入盒，不會(huì)卡機(jī)。

3）急回特性。要求推料機(jī)構(gòu)返回行程比推料行程運(yùn)行快，縮短推料周期。

4）推料行程380mm-390mm，推料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)周期2s。

為滿(mǎn)足上述要求，考慮到五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律的類(lèi)加速度曲線(xiàn)無(wú)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(shè)計(jì)了如圖1所示的推料滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線(xiàn)。該運(yùn)動(dòng)規(guī)律由三段運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)組成，即0-1s、1.3s-2s為3-4-5多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律、1s-1.3s為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖2 推料滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線(xiàn)

2 凸輪輪廓曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)

SolidWorks Motion可以基于表格數(shù)據(jù)或者輸入函數(shù)的方式來(lái)創(chuàng)建凸輪輪廓[8]。本文通過(guò)輸入所需的運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件，利用逆向的求解，由從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)來(lái)生成凸輪輪廓。

首先，建立如圖3所示的推料機(jī)構(gòu)裝配體，該裝配體是簡(jiǎn)化后的三維模型。凸輪暫時(shí)先用圓盤(pán)代替，其固定在傳動(dòng)軸上；擺桿是由一長(zhǎng)一短兩段連桿組成，便于調(diào)整兩連桿的角度，運(yùn)動(dòng)時(shí)兩連桿是固定在一起的，并同時(shí)固定在帶有軸承座的銷(xiāo)軸上；圖中軸承座均未表示出，只是按照結(jié)構(gòu)尺寸要求約束了銷(xiāo)軸、傳動(dòng)軸以及軌道的位置關(guān)系。

其次，在SolidWorks Motion中創(chuàng)建一個(gè)新的運(yùn)動(dòng)算例，給推料滑塊定義一個(gè)線(xiàn)性馬達(dá)，具體參數(shù)設(shè)定如圖3所示，在表格中輸入數(shù)據(jù)并選擇分段曲線(xiàn)類(lèi)型，生成圖2所示運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并給凸輪圓盤(pán)添加一個(gè)速度為30r/min的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在設(shè)置完引力方向和仿真算例屬性后，運(yùn)行算例進(jìn)行求解，持續(xù)時(shí)間為2s。

圖3 推料滑塊線(xiàn)性馬達(dá)的設(shè)定

最后，得到如圖4和表1所示的滾子中心點(diǎn)的跟蹤路徑曲線(xiàn)形狀與數(shù)據(jù)，即凸輪的理論輪廓曲線(xiàn)。將此跟蹤曲線(xiàn)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(jī)構(gòu)裝配體

圖5 生成的凸輪零件

3 推料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

為了驗(yàn)證凸輪的輪廓是否準(zhǔn)確，需要模擬真實(shí)的凸輪工作狀況，進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。推料機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作時(shí)，根據(jù)所推產(chǎn)品的質(zhì)量和外包裝材料的不同，會(huì)對(duì)推料滑塊產(chǎn)生不同大小的摩擦阻力，設(shè)定推料機(jī)構(gòu)實(shí)際工作時(shí)的阻力隨時(shí)間的變化如下：

新的推料機(jī)構(gòu)裝配體如圖6所示，

圖6 新的推料機(jī)構(gòu)裝配體

為了能更真實(shí)的反應(yīng)推料機(jī)構(gòu)的工作狀況，需要對(duì)第一次的運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)作如下修改：

1）在滾子和凸輪之間添加實(shí)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(xiàn)性馬達(dá)，致使推料機(jī)構(gòu)僅在旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，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(shè)置運(yùn)動(dòng)算例屬性為精確接觸。

再次進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算，可得到推料滑塊的位移、速度及加速度的特性曲線(xiàn)，如圖7～圖9所示。分析這些曲線(xiàn)，可得到如下結(jié)論：

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

（2）返回行程時(shí)間0.7s小于推料行程時(shí)間1s,說(shuō)明該機(jī)構(gòu)具有急回特性,即推料行程運(yùn)行慢保證推料質(zhì)量，返回行程運(yùn)行快，降低工作周期。

（3）整個(gè)推料過(guò)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(xiàn)變化，存在瞬時(shí)波動(dòng)，這是實(shí)際運(yùn)行時(shí)凸輪與滾子碰撞時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生的情況，而這種碰撞是剛性的，實(shí)際上凸輪等其他構(gòu)件都是彈性的。總體來(lái)說(shuō)，推料過(guò)程較平穩(wěn)，沖擊小。

目前，設(shè)計(jì)的凸輪已應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中，未出現(xiàn)產(chǎn)品彈回而卡機(jī)的現(xiàn)象，入盒位置準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

圖7 推料滑塊的位移-時(shí)間曲線(xiàn)

圖8 推料滑塊的速度-時(shí)間曲線(xiàn)

圖9 推料滑塊的加速度-時(shí)間曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用SolidWorks Motion對(duì)自動(dòng)裝盒機(jī)推料機(jī)構(gòu)的凸輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真，得到了凸輪的理論輪廓數(shù)據(jù)和推料滑塊的運(yùn)動(dòng)特性曲線(xiàn)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，并在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證了所求凸輪輪廓的準(zhǔn)確性，為企業(yè)提供了一種方便高效的凸輪設(shè)計(jì)方法，也可以為其他凸輪的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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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(dòng)裝盒機(jī)推料滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆向求解出凸輪的輪廓曲線(xiàn)，將得到的凸輪進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證所求凸輪輪廓的準(zhǔn)確性，最后求解滑塊的位移、速度、加速度曲線(xiàn)，滿(mǎn)足推料滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

推料機(jī)構(gòu)；凸輪輪廓設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)仿真

向飛（1988 -），男，碩士研究生，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)劃項(xiàng)目資助（2012B091000028；2012B011300027）