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        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

        2014-05-11 03:10:08李克天何衛(wèi)鋒利建華
        制造業(yè)自動(dòng)化 2014年10期
        關(guān)鍵詞:裝盒滾子凸輪

        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,但作圖誤差較大,難以滿足凸輪機(jī)構(gòu)精度的要求;解析法則可以通過(guò)推導(dǎo)出凸輪輪廓曲線的方程式,精確地計(jì)算出凸輪廓線上各點(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,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。

        為滿足上述要求,考慮到五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律的類加速度曲線無(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。該運(yùn)動(dòng)規(guī)律由三段運(yùn)動(dòng)曲線組成,即0-1s、1.3s-2s為3-4-5多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律、1s-1.3s為直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

        圖2 推料滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

        2 凸輪輪廓曲線的設(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)并選擇分段曲線類型,生成圖2所示運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并給凸輪圓盤添加一個(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(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,如圖7~圖9所示。分析這些曲線,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??傮w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

        圖8 推料滑塊的速度-時(shí)間曲線

        圖9 推料滑塊的加速度-時(shí)間曲線

        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,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。

        [1]郭利鋒,郭順生.凸輪輪廓的設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2005,18(3):95-97.

        [2]溫建民,付本國(guó).擺動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪的自動(dòng)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2006,4(4):465-469,473.

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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,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,滿足推料滑塊的運(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)

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