陳 備,顧寄南

(江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引 言

全自動膠囊生產線能夠有效提高空心膠囊生產效率，大幅降低生產成本，提高利潤率。其中自動機模塊是生產線的核心模塊，生產線的技術水平也主要體現在自動機模塊，該模塊負責完成空心膠囊生產流程中80%以上的動作。自動機模塊又由更小的單元組成，其中主要包括夾囊單元、頂囊單元以及一些輔助單元，這些單元都由相應的凸輪驅動完成的，因此凸輪輪廓的精準設計直接關系到自動機及高速運行時的穩(wěn)定性。除此之外，各個凸輪系統(tǒng)的協調動作對整個設備的運行至關重要，即通常所說的協調設計，在設計過程中，運動循環(huán)圖能夠幫助設計人員完成這一過程。運動循環(huán)圖的主要能夠完成以下工作[1-2]：

(1)確保執(zhí)行構件的動作緊密配合、相互協調，使機器能夠按照預期的的工藝過程順利工作；

(2)為計算和提高機器生產效率提供依據；

(3)為具體設計各執(zhí)行機構提供初始數據；

(4)為裝配、調試機器提供依據。

然而，使用運動循環(huán)圖輔助協調設計雖然簡單明了，但在計算機實現輔助協調設計與優(yōu)化的過程中存在一些不足[3]：

(1)協調設計所需的模糊性、層次性和繼承性無法通過工作循環(huán)圖體現；

(2)無法從宏觀上指導設計，當工藝動作過程復雜時，工作循環(huán)圖無法向設計者提供相關修改信息；

(3)在計算機輔助協調設計過程中缺少理想算法，無法通過計算機輔助完成協調設計。

本研究將選擇統(tǒng)籌法對自動機進行協調設計[4-5]，并根據自動機械協調設計的特點以及統(tǒng)籌法的特點和基本要求，建立自動機械協調設計的搭接網絡模型。

1 自動膠囊生產線自動機的工作原理

自動機工作原理如圖1所示。

圖1 自動機工作原理1—前支架；2—夾套本體；3—頂桿；4—套合體；5—模條；6—夾鉗；7—導向軸；8—V形塊

在全自動膠囊生產線中，自動機的作用主要是將空心膠囊兩個獨立的部分即帽與體組合在一起，使其成為一個整體，如圖1(a)所示。

其工作過程為：當套有膠囊帽的模條5送到指定位置時，傳動軸7推動夾鉗6向右運動，使夾鉗6上方的鉗口套住模條5上的膠囊帽；然后V形塊8上升將夾鉗6的下方向兩側擠開，使得上方合在一起，從而將膠囊帽夾??；傳動軸7推動夾鉗6向左運動，將膠囊送入夾套本體2內，夾套本體2向左運動，使夾套本體2最右側與前支架1右側對齊；然后前支架1、夾套本體2、頂桿3一起向上運動，使得夾套本體2的中心與套合體4的中心處于同一水平面，如圖1(b)所示。然后夾套本體向右運動，與套合體4相接觸，與此同時，推桿3也一同向右運動，當夾套本體2與套合體4接觸之后，推桿3繼續(xù)運動，進而將膠囊帽推入套合體4內，與套合體4另一側送入的膠囊體組合成一個整體；然后前支架1、夾套本體2、頂桿3按原路返回，回到初始位置，進行下一個循環(huán)。

在整個運動過程中，其中夾套本體2與頂桿3起著至關重要的作用，且夾套本體2與頂桿3的驅動通過凸輪完成，并且在夾套本體2與頂桿3的運動過程中，為了避免頂桿3將夾套本體2內的膠囊帽頂出，則在夾套本體2運動到位之前，頂桿3的位移應小于夾套本體2的位移，這在下文凸輪的設計中會具體涉及到。

2 搭接網絡模型

在搭接網絡計劃中，工作間的邏輯關系是由相鄰兩件工作之間的不同搭接關系確定的[6-7]，故協調設計的多層網絡模型的邏輯關系也是通過搭接關系實現的，在搭接網絡技術中，搭接關系有4種基本形式，即FTS(完成到開始)型、STS(開始到開始)型FTF(完成到完成)型、STF(開始到完成)型[8-10]。

搭接關系形式如圖2所示。

圖2 搭接關系形式

C形搭接關系的表達形式中，T表示搭接關系，表示時距為5。為了適應協調設計的模糊性要求，增加了兩種形式，若工作和確有搭接關系，但具體類型和時距不可知或難以確定，用A型；若工作和搭接關系類型已知，但時距難以確定，則用B型。

時間間隔及時間參數標注形式如圖3所示。

圖3 時間參數標注形式工作i的延續(xù)時間；工作i的最早開始時間工作i的最早完成時間；工作i的最遲開始時間；工作i的最遲完成時間

2.1 工藝流程與工藝動作層

由第一節(jié)分析得到自動機的工藝流程，即：(1)夾鉗進給；(2)V形塊上升；(3)夾鉗6后退；(4)V形塊下降；(5)夾套本體后退；(6)升降器上升；(7)夾套本體進給；(8)頂桿進給；(9)夾套本體后退；(10)頂桿后退；(11)升降器下降，即完成一個工作循環(huán)。

動作(1)夾鉗6進給與動作(3)夾鉗6后退通過剝囊凸輪驅動完成，分別用B11與B12代表動作(1)與動作(3)；動作(2)V形塊上升與動作(4)V形塊下降通過V形器凸輪驅動完成，分別用B21與B22代表動作(2)與動作(4)；動作(5)夾套本體后退、動作(7)夾套本體進給與動作(9)夾套本體后退通過夾囊凸輪驅動完成，分別用B31、B32與B33代表動作(5)、動作(7)與動作(9)；動作(6)升降器上升與動作(11)升降器下降通過升降凸輪驅動完成，分別用B41與B42代表動作(6)與動作(11)；動作(8)頂桿進給與動作(10)頂桿后退通過頂囊凸輪驅動完成，分別用B51與B52代表動作(8)與動作(10)。

工藝動作層如圖4所示。

圖4 動作層S、E—一個工作循環(huán)的開始和結束

2.2 添加時間關系

隨著工藝流程的確定，以及執(zhí)行機構的類型確定之后，此時各執(zhí)行動作的組成區(qū)段可以確定，其時間可憑經驗或實驗得到估計值，搭接關系的時距也可給出估計值，也就是說網絡模型的基本要素可以確定，其結果如圖5所示。

圖5 結構層

圖5中B32夾套本體進給與B51頂桿進給在工作過程中，應保證在夾套本體運動到位之前，頂桿位移小于夾套本體，故此時動作B32夾套本體進給的延續(xù)時間暫時未知，將在第四節(jié)凸輪設計過程中確定。

3 協調性解決措施

由上述的分析可知，自動機的各個單元都是通過凸輪驅動的，為了解決自動機各個單元的協調性問題，最重要的是設計合理的凸輪機構。本文擬采用解析法設計凸輪機構[11-14]，其基本思路：根據夾囊、頂囊運動要求及其結構尺寸，建立凸輪機構設計的數學模型，確定凸輪基圓半徑，末端執(zhí)行機構運動規(guī)律，凸輪行程等基本參數，再綜合考慮凸輪的運動要求(是否失真)、壓力角(小于許用值)、沖擊等因素，得到滿足要求的凸輪輪廓曲線。

3.1 頂囊單元

通過第三節(jié)的分析可知，頂囊單元驅動凸輪曲線選用單停留曲線，基圓半徑r0=70 mm，滾子半徑rr=28 mm。凸輪以等角速度沿順時針方向回轉，在凸輪轉過角δ1=75°的過程中，推桿上升h=45 mm；凸輪繼續(xù)轉過δ2=75°的過程中，推桿下降h=45 mm，在推桿上升與下降過程中，凸輪輪廓曲線采用五次樣條曲線；凸輪轉過一周的其余角度時，推桿靜止不動。

(1)推程階段。凸輪推程運動角δ1=5 π/12，既當δ=0°～75°時，凸輪輪廓曲線采用五次樣條曲線，s=h·[10(δ/δ1)3-15(δ/δ1)4+6(δ/δ1)5]，上升到h=45 mm，則凸輪理論輪廓曲線的極坐標參數方程為：

(1)

θ=δ

(2)

(2)回程階段。凸輪回程運動角δ2=5 π/12，既當δ=75°～150°時，凸輪輪廓曲線采用五次樣條曲線，s=h-h{10[(δ-δ1)/δ2]3-15[(δ-δ1)/δ2]4+6[(δ-δ1)/δ2]2}，下降到起始位置，則凸輪理論輪廓曲線的極坐標參數方程為：

(3)

θ=δ

(4)

(3)近休止段。凸輪近休止角δ3=7π/6，既當δ=150°～360°時，推桿在距凸輪回轉中心最近位置保持不動，則凸輪理論輪廓曲線的極坐標參數方程為：

ρ=r0

(5)

θ=δ

(6)

3.2 夾囊單元

通過第二節(jié)的分析可知，夾囊單元基圓半徑r0=80 mm，滾子半徑rr=28 mm。凸輪以等角速度沿順時針方向回轉，在凸輪轉過角δ1=52°的過程中，推桿上升h1=38 mm；凸輪繼續(xù)轉過δ2=23°，推桿靜止不動，凸輪繼續(xù)轉過δ3=75°的過程中，推桿下降h2=35.5 mm，凸輪繼續(xù)轉過δ4=119°的過程中，推桿靜止不動，凸輪繼續(xù)轉過δ5=21°的過程中，推桿下降h3=2.5 mm，回到初始位置。為了克服推桿在推程與回程過程中的震動問題，夾囊單元凸輪擬采用五次樣條曲線。

(1)推程階段。凸輪推程運動角δ1=13 π/45，既當δ=0°～52°時，凸輪輪廓曲線采用五次樣條曲線，s=h1·[10(δ/δ1)3-15(δ/δ1)4+6(δ/δ1)5]，上升到h1=38 mm，則凸輪理論輪廓曲線的極坐標參數方程為：

(7)

θ=δ

(8)

(2)遠休階段。凸輪遠休止角δ2=23 π/180，既當δ=52°～75°時，推桿在距凸輪回轉中心最遠位置保持不動，s=h1=38 mm，則凸輪理論廓線的極坐標參數方程為：

ρ=118

(9)

θ=δ

(10)

(3)回程Ⅰ階段。凸輪回程運動角δ3=5 π/12，既當δ=75°～150°時，凸輪輪廓曲線采用五次樣條曲線，s=h1-h2{10[(δ-δ1)/δ2]3-15[(δ-δ1)/δ2]4+6[(δ-δ1)/δ2]5}，下降h2=35.5 mm，則凸輪理論輪廓曲線的極坐標參數方程為：

(11)

θ=δ

(12)

(4)近休Ⅰ階段。凸輪近休Ⅰ階段休止角δ4=119 π/180，既當δ=150°～269°時，推桿在s=h1-h2=2.5 mm位置保持靜止，則凸輪理論廓線的極坐標參數方程為：

ρ=82.5

(13)

θ=δ

(14)

(5)回程Ⅱ階段。凸輪回程運動角δ5=7 π/60，既當δ=269°～290°時，凸輪輪廓曲線采用五次樣條曲線，s=h3-h3{10[(δ-δ1-δ2-δ3-δ4)/δ5]3-15[(δ-δ1-δ2-δ3-δ4)/δ5]4+6[(δ-δ1-δ2-δ3-δ4)/δ5]5}，下降到起始位置，則凸輪理論輪廓曲線的極坐標參數方程為：

(15)

θ=δ

(16)

(6)近休止段。凸輪近休止角δ6=7 π/18，既當δ=290°～360°時，推桿在距凸輪回轉中心最近位置保持不動，s=0，則凸輪理論輪廓曲線的極坐標參數方程為：

ρ=80

(17)

θ=δ

(18)

3.3 建模與分析

本研究借助Excel的數據計算功能對凸輪各坐標數據進行計算，得到各個點的坐標，利用CAD的樣條曲線功能得到凸輪的理論輪廓曲線，如圖6所示。

圖6 凸輪輪廓曲線

頂囊凸輪與夾囊凸輪的了理論輪廓曲線如圖6中1、3所示，因為滾子半徑rr=28 mm，將理論輪廓曲線向內偏移14 mm；圖6中2、4為實際輪廓曲線。

本研究通過creo對凸輪進行三維建模，得到凸輪的三維實體模型，并通過CREO對機構進行運動學分析，得到末端執(zhí)行機構的加速度曲線，如圖7所示。

圖7 凸輪的加速度曲線

由曲線圖可以看出，執(zhí)行機構的加速度曲線連續(xù)，故自動機在運動過程中理論上不存在沖擊，有效地避免了震動。

因為頂桿位于夾套本體內部，為了避免頂桿與夾套本體在運動過程中，頂桿將膠囊頂出，故在凸輪轉角0°≤δ≤52°的過程中，頂桿位移應小于夾套本體位移，即Δs≤0。

令：

(19)

易求得在0°≤δ≤52°的過程中，f(δ)<0恒成立，故設計的凸輪滿足使用要求。

4 結束語

本研究通過搭接網絡模型直觀地表達出自動機的

工藝動作過程及各動作持續(xù)時間，為通過計算機實現計算機輔助協調設計提供了一定的基礎；通過凸輪輪廓線的設計實現自動機各單元的協調運行，能夠滿足自動機的使用要求。

下一階段，本研究將基于自動機搭接網絡模型，通過相應算法以實現對自動機時序關系進行優(yōu)化。

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