串聯式凸輪連桿組合機構的分析及設計探討

摘 要：本文以方便針包裝機為例，從機構組合方案確定著手，分析了串聯式凸輪連桿組合機構的解析法設計和圖解法設計，并以計算機為輔助，探討了不同的設計方案，最后研究了串聯式凸輪連桿組合機構的系統結構設計，旨在為相關研究和設計實踐提供參考。

關鍵詞：串聯式；凸輪連桿；組合機構；設計

1 確定機構組合方案

方便針自動包裝機能夠有效提升包裝生產效率，降低生產成本，其共有六個不同規格的方便針，在工作的過程中，不同規格的方便針按照要求的順序排列并插入到包裝紙中，從而實現方便針包裝。

對于方便針自動包裝機切紙工位的串聯式凸輪連桿機構組合系統來說，其主要功能是將方便針帶狀包裝紙按照規定的寬度進行切斷處理，在方便針插入到包裝紙之前，需要保證切紙刀壓板壓緊，以此來保證插針動作完成[ 1 ]。凸輪軸位置與切紙刀拉桿位置之間的距離較大，因此簡單的直動從動件凸輪機構并不適用。根據包裝機結構特點，決定采用串聯式凸輪連桿機構組合，其包括兩個基本機構，分別是連桿機構和凸輪機構，在分配軸上安裝凸輪，帶動擺桿按照設定規律往復擺動，通過滑塊帶動切刀拉桿上下移動，完成切紙動作，在系統中，擺桿是凸輪機構和連桿機構的輸入構件，這種組合方式就是串聯式組合。

2 串聯式凸輪連桿機構的計算機輔助設計

2.1 解析法設計步驟分析

以從動件運動規律確定的凸輪廓線為基礎，對凸輪機構進行設計，采用解析法，通過計算機實現數值計算，確定凸輪廓線上各點的曲率半徑值、坐標值以及壓力角等參數數值。凸輪連桿組合機構設計步驟解析如下：1）根據機構運動圖給出的尺寸及拉桿位移來進行凸輪擺件最大擺角的計算；2）將推程許用壓力角設置為45度，以此來保證凸輪機構良好的受力情況，將凸輪實際廓線的許用曲率半徑設置為3毫米，以此來避免出現凸輪機構運動失真的現象，在設計的過程中，對凸輪理論廓線外凸部分曲率半徑有著一定的要求，其應當大于等于13毫米；3）進行凸輪機構的計算機輔助設計，對實際廓線和理論廓線各點的曲率半徑、壓力角以及坐標值等參數進行計算[ 2 ]；4）對凸輪結構設計進行運動仿真，驗證其運動的合理性，解析法設計結果如圖1所示：

其中最大壓力角為31.94度，小于45度，符合設計要求，運動仿真結果表明，此設計方案下的凸輪機構運動合理，能夠實現正常工作。

2.2 圖解法設計步驟分析

對于切紙用凸輪連桿組合機構來說，其凸輪的起始位置在升程后半段，擺桿擺動中心不在水平位置上，在設計的過程中，為了保證運動時序的準確性，就需要準確的確定凸輪上鍵槽位置，圖解法進行凸輪廓線設計有著方便直觀的特點，以CAXA電子圖版環境為基礎，利用圖解法進行設計，具體的設計步驟如下：首先，按照比例來進行從動件位移線圖的繪制，通過CAXA電子圖版來進行位移線圖繪制，比例尺為0.8°/毫米，利用CAXA電子圖版中的尺寸標注功能，能夠在位移線圖中直接量取各個等分點對應的角位移[ 3 ]，此外，還可以通過CAXA電子圖版中的查詢功能來直接查詢各個等分點對應的角位移。根據具體的需要來合理的設置尺寸精度，本設計設置的尺寸精度為小數點后兩位。第二，以50毫米為半徑來作出基圓，根據機構運動簡圖中的已知條件，對從動件轉軸中心點位置進行確定，以此位置為圓心，以擺桿長度為半徑畫出圓弧，擺桿長度為70.5毫米，圓弧與基圓相較于一點，此點則是假想的從動件尖端起始位置。第三，利用CAXA電子圖版的繪圖功能，以圖解法為基礎，對凸輪的理論廓線和實際廓線進行繪制。第四，將繪制的理論廓線和實際廓線進行順時針方向旋轉，旋轉角度為35度，獲得凸輪初始工作位置[ 4 ]。用上述方法進行凸輪廓線設計的過程中，尺寸精度為小數點后兩位，計算機精度也為小數點后兩位，手工圖解法設計精度為小數點后一位，由此可見，計算機輔助設計中圖解法的設計精度要遠遠高于手工圖解法設計精度，同時，相較于解析法設計來說，計算機輔助設計中的解析法設計雖然精度上與前者相同，但其有著更加形象、直觀的特點。

3 串聯式凸輪連桿組合機構的系統結構設計

在CAXA電子圖版環境下，進行串聯式凸輪連桿組合機構的系統結構設計，確定主要尺寸，以此來為凸輪機構的計算機輔助設計奠定基礎。串聯式凸輪連桿組合機構系統結構圖如圖2所示：

在圖2中，1代表分配軸，2代表擺桿，3代表銷軸，4代表拉桿，5代表擺桿軸，6代表支架，7代表導向塊，8代表彈簧，9代表切紙刀，10代表底板，11代表滾子，12代表凸輪，13代表鍵。為了防止擺桿和凸輪在工作的過程中互相影響，擺桿設計形狀如圖中所示，為了進一步簡化凸輪連桿組合機構系統結構，用圓柱銷軸來替換連接擺桿和拉桿的滑塊，在替換之后，凸輪連桿組合機構的自由度以及執行構件的運動規律沒有受到影響，通過彈簧來實現拉桿的向上運動。

4 結論

本文以方便針自動包裝機為例，通過圖解法和解析法結合的方式對包裝機切紙位的凸輪連桿組合機構進行了計算機輔助設計。通過圖解法完成了凸輪實際廓線的設計，通過解析法實現了凸輪廓線最大壓力角的確定。之后以CAXA電子圖版環境為基礎，對凸輪連桿機構系統結構進行了設計。

參考文獻：

[1] 薛小雯，蔡小華.基于UG軟件的串聯式凸輪連桿機構的設計方法與運動分析[J].輕工機械，2012（01）：31-34.

[2] 張繼忠，師忠秀.串聯式凸輪—連桿機構組合系統的運動分析[J].現代制造工程，2004（06）：96-98.

[3] 顧蓉蓉.凸輪連桿組合機構的特性分析和優化設計[D].南京理工大學，2006.

作者簡介：周子懿（1994-），男，漢族，江西九江人，南昌工程學院機械與電氣工程學院本科在讀，研究方向：機械制造及其自動化。