基于運動仿真的雙層凸輪曲線設(shè)計與分析

賴厚安

（上海沛愉機械制造有限公司，西安710077）

基于運動仿真的雙層凸輪曲線設(shè)計與分析

賴厚安

（上海沛愉機械制造有限公司，西安710077）

在分析凸輪曲線傳統(tǒng)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上提出了新的設(shè)計理念，運用Autodesk Inventor設(shè)計軟件中的運動仿真模塊進行零部件的三維動態(tài)模擬，將形成的運動軌跡曲線轉(zhuǎn)化成草圖并修剪得到凸輪曲線。經(jīng)設(shè)計加工出來的凸輪機構(gòu)在多臺回轉(zhuǎn)式貼標機上生產(chǎn)運行后，證明了運用運動仿真來設(shè)計雙層凸輪曲線方法的可行性與正確性。

回轉(zhuǎn)式貼標機；運動仿真；雙層凸輪曲線；Autodesk Inventor

0 引言

近些年，隨著人們對產(chǎn)品外包裝的認識更加深化，促使著我國食品飲料包裝機械取得了較快發(fā)展。但相對國外同行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)較為落后，大部分仍采用陳舊的通用設(shè)備加工，機械零部件精度較低；其次我國包裝機械的設(shè)計主要還是測繪、仿制及稍加國產(chǎn)化改進，獨立開發(fā)新產(chǎn)品能力不足，產(chǎn)品開發(fā)缺少創(chuàng)新，設(shè)計方法主要依賴于傳統(tǒng)算法，其計算量大，經(jīng)運行發(fā)現(xiàn)，設(shè)計出的凸輪存在較大柔性沖擊且易磨損。針對諸多難題，我公司設(shè)計人員從更新設(shè)計理念出發(fā)，運用Autodesk Inventor中的運動仿真模塊完成貼標機凸輪曲線的設(shè)計。

1 傳統(tǒng)設(shè)計方法分析

1.1 凸輪機構(gòu)工作要求分析

圖1 凸輪機構(gòu)平面布局圖

圖2 凸輪機構(gòu)裝配圖

如圖2所示，工作中，從動件十字撥叉隨回轉(zhuǎn)大盤轉(zhuǎn)動，同時在雙層凸輪的作用下產(chǎn)生與回轉(zhuǎn)大盤旋轉(zhuǎn)方向相反的自轉(zhuǎn)運動，且分為勻加速、勻速和勻減速三個階段。如圖1所示，當回轉(zhuǎn)大盤轉(zhuǎn)過θ1區(qū)域時，十字撥叉自轉(zhuǎn)角速度從零勻加速至最大角速度ωmax，自轉(zhuǎn)角度α1；轉(zhuǎn)過θ2區(qū)域時，其以角速度ωmax勻速自轉(zhuǎn)角度α2；轉(zhuǎn)過θ3區(qū)域時，其角速度從ωmax勻減速至零，自轉(zhuǎn)角度α3。由于在方瓶貼標過程中標簽接縫相對瓶身要求精準定位，為滿足貼標要求，十字撥叉進入θ1區(qū)域時要求有一條邊指向回轉(zhuǎn)大盤中心，轉(zhuǎn)出θ3區(qū)域時也要有一邊指向大盤中心。即：

表1 數(shù)據(jù)參數(shù)化表

1.2 十字撥叉上任意一點軌跡曲線的計算

如圖1，以任意一點為原點，水平方向為x軸，豎直方向為y軸建立直角坐標系，各參數(shù)見表1。

十字撥叉中心點O1（x01，y01）運動軌跡方程為：

將式（2）和式（3）所形成的軌跡曲線進行一定的修改即為凸輪曲線。

2 基于運動仿真設(shè)計凸輪曲線的計算與建模

2.1 凸輪曲線設(shè)計的參數(shù)計算

為滿足整機貼標要求，即吸標轉(zhuǎn)鼓線速度V吸應(yīng)等于回轉(zhuǎn)大盤線速度V盤與瓶身自轉(zhuǎn)線速度V瓶之和；同時十字撥叉應(yīng)滿足凸輪機構(gòu)工作要求分析中的式（1）。

a為勻加速段的加速度。

由式（6）、（7）得t加＝2α1/ωmax。勻減速段同于勻加速段，可得t減=2α3/ωmax。

2.2 運動仿真的建立與三維建模

2.2.1 運動仿真模型建立及驅(qū)動條件與優(yōu)化方式的選擇

首先將十字撥叉與回轉(zhuǎn)大盤建立三維模型并正確約束組裝為一裝配體，通過Autodesk Inventor菜單【環(huán)境】選項中的【運動仿真】模塊建立仿真運動。其次，Autodesk Inventor運動仿真中所需驅(qū)動條件分為位置、速度和加速度三種，根據(jù)上述參數(shù)計算，十字撥叉經(jīng)過勻加速、勻速和勻減速段所需時間已知，故可選【速度】為運動仿真的驅(qū)動條件。根據(jù)設(shè)計要求，可在【選定扇區(qū)的特性】的下拉菜單中選擇合適的修正曲線。

2.2.2 十字撥叉自轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)大盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動條件參數(shù)設(shè)定

在滿足式（1）的要求下，根據(jù)設(shè)計要求分別設(shè)定十字撥叉自轉(zhuǎn)角度值α1、α2和α3，且ω、ωmax、t加、t勻和t減通過上述算式可知。十字撥叉速度驅(qū)動條件應(yīng)分為三段：1）勻加速段。如圖3黃色區(qū)域，起始點速度和時間均為零，運動結(jié)束點速度為ωmax，時間為t加；2）勻速段。起始速度為ωmax，運動時間為t加+t勻；3）勻減速段。起始點速度為ωmax，時間為t加+t勻，運動結(jié)束點速度為零，時間為t加+t勻+t減。將三段運動參數(shù)（勻加速前和勻減速后分別增加了一段無自轉(zhuǎn)運動）分別對應(yīng)輸入驅(qū)動條件參數(shù)表（如圖3所示）。同理設(shè)定回轉(zhuǎn)大盤驅(qū)動條件參數(shù)。

圖3 十字撥叉驅(qū)動條件參數(shù)設(shè)定

2.2.3 凸輪曲線的生成與建模

將仿真生成的四條運行軌跡導(dǎo)出至草圖經(jīng)修剪和向中心外方向偏移d1/2距離得到生產(chǎn)加工的凸輪曲線。運動仿真的生成和凸輪三維實體建模如圖4所示。

圖4 運動仿真軌跡和三維實體建模

3 結(jié)論

基于運動仿真設(shè)計出的雙層凸輪曲線經(jīng)加工成零部件，裝機并通過長時間生產(chǎn)運行證明，凸輪機構(gòu)柔性沖擊小，使用壽命長。體現(xiàn)了其設(shè)計方法的合理性與正確性，設(shè)計過程避免了大量的軌跡方程的計算，降低誤差累積的同時很大程度上提高了工作效率，對回轉(zhuǎn)式貼標機雙層凸輪曲線的設(shè)計具有一定的實際指導(dǎo)意義。

［1］ 唐湘民.Autodesk inventor有限元分析和運動仿真詳解［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］ 張俊玲.回轉(zhuǎn)式貼標機凸輪的設(shè)計與研究［D］.濟南：山東大學(xué)，2006.

［3］ 成大先.機械設(shè)計手冊［M］.4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

（編輯黃 荻）

Double Cam Curve Design and Analysis Based on Motion Simulation

LAI Houan
（Shanghai Peiyu Machine Manufacturing Co.,Ltd.,Xi’an 710077,China）

A new design conception is proposed based on traditional design method.Motion simulation module of Autodesk Inventor software is used to simulate the 3D dynamic components and parts.The motion trajectory formed in the simulation process is transformed into sketch and trimmed to get cam curve.The new designed cam mechanism works well in large number of rotary labeling machines,so the feasibility and correctness of the new design method is proved.

rotary labeling machine;motion simulation;double cam curve;Autodesk Inventor

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0179－02

賴厚安（1985—），男，助理工程師，從事食品飲料包裝機械的設(shè)計與研究。

2014-03-07