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  引言

隨著電子技術的發(fā)展, 機電控制技術發(fā)展較快。然而, 在很多場合, 由于運行速度、 可靠性與價格等因素的限制, 傳統(tǒng)的機械控制方法仍將普遍使用。以凸輪機構為核心的控制機構, 在機械傳動中的應用非常廣泛, 而空間凸輪機構是工程中用以實現(xiàn)機械化和自動化的一種重要方法。

隨著我國工業(yè)化進程的不斷發(fā)展, 人們對產(chǎn)品質量和生產(chǎn)率的要求越來越高, 因而, 對機械設備的性能提出了更高的要求。就凸輪機構而言, 必須進一步提高其設計及制造水平, 同時我國工程技術人員在研制各種機械產(chǎn)品, 吸收、 消化、 引進世界先進技術的過程中, 會遇到各種各樣新的機構, 凸輪機構正是其中重要的一類。由于凸輪機構的設計理論和制造技術比較復雜, 因此, 研究凸輪機構的設計理論和制造方法已成為我國開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權產(chǎn)品的重要問題之一。

本文將對凸輪機構作一些簡單的介紹, 并設計空間凸輪機構在全自動灌裝機沖瓶機構中的應用。

1  空間凸輪概述

1. 1  空間凸輪的概念

所謂空間凸輪指凸輪和推桿之間的運動為空間運動, 凸輪的運動平面與從動件的運動平面不平行或重合, 它能同時實現(xiàn)多個方向上的直線運動或回轉運動。也可以定義為凸輪的輪廓線或輪廓面為空間曲線或曲面的凸輪機構?？臻g凸輪又可以分為圓柱凸輪、 圓錐凸輪、 圓弧凸輪以及球面凸輪等多種。當凸輪為原動件時, 從動件的運動方式有往復直動和往復擺動兩種。當凸輪為機架時, 從動件上的點一般按預期的軌跡作空間復雜運動。

1. 2   凸輪機構的設計步驟 [ 1]

凸輪機構的設計通常經(jīng)歷如下幾個步驟。

1、    機構傳動方案設計

2、 機構運動分配設計

3、 凸輪機構選型和尺寸設計

(1) 凸輪機構選型

(2) 計算從動件主要運動參數(shù)

(3) 確定從動件運動規(guī)律

4、 凸輪機構基本尺寸設計

5、 凸輪曲線設計

基于凸輪機構的基本尺寸和從動件的運動規(guī)律,求出凸輪的輪廓曲線坐標。

6、 凸輪、 從動件的結構設計

經(jīng)過上述各步驟的計算設計, 便能得到滿足性能要求的凸輪機構。

2  全自動灌裝機中空間凸輪的設計

2. 1   全自動灌裝機簡介

2. 1. 1  全自動灌裝機工作原理

全自動灌裝機是一種全自動、 全功能的液體灌裝機械。其用途廣, 可用于各種飲料的灌裝; 可調節(jié)性好, 通過調節(jié)可用于不同大小的瓶類容器的灌裝; 自動化程度高, 動作協(xié)調, 從瓶子的輸入到灌裝完畢的輸出的一系列動作無須人工的干預; 灌裝周期短, 生產(chǎn)效率高。它集洗瓶 — 灌裝—旋蓋功能于一體, 獨具洗瓶— 灌裝— 旋蓋一次性完成功能, 特別適用于采用耐熱 PET 瓶包裝鮮果汁、 茶等飲料。圖 1 是灌裝機的工作流程圖

2. 1. 2  全自動灌裝機組成

全自動灌裝機大致由以下幾部分組成: 機架部分、 輸送機構、 分瓶機構、 沖瓶機構、 灌裝機構、 旋蓋機構、 理蓋機構及傳動的拔瓶機構等。

2. 2   空間凸輪設計

本文只研究空間凸輪在沖洗瓶機構中的運用。

2. 2. 1  沖瓶機構的組成及動作過程

在灌裝機中,沖瓶機構完成飲料瓶的清洗工作, 其動作要求是: ① 抓瓶→②瓶子繞中心軸線回轉→③ 瓶子在繞中心軸線回轉的同時, 完成空間上下運動和繞空間凸輪軸線的旋轉運動。

2. 2. 2 凸輪設計

由圖 2 可知, 夾瓶組件的運動軌跡是空間曲線, 其主要任務是使飲料瓶在繞中心軸線回轉的同時, 完成瓶子的空間 180°翻轉。使瓶口由原始狀態(tài)的向上, 變?yōu)榍逑催^程中的向下, 清洗完畢后再使瓶口向下, 然后由傳動機構傳到下道工序。

夾瓶機構的夾瓶動作由圖 2 中的平面凸輪推頂圖3 所示的夾瓶機構的滾輪, 以實現(xiàn)夾瓶機構的開合運動。

2. 2. 3  凸輪運動軌跡的計算 ^{[ 2]}

圖 5 為空間凸輪在平面的投影, 該圖中, A 點為飲料瓶翻轉的開始點,C 點為瓶子翻轉的結束點, 即瓶子在繞中心軸線轉動65°的過程中, 瓶子在空間翻轉 180°

圖4 所示的數(shù)學關系圖中, R 為空間凸輪的在軸向投影上的半徑, 它為系統(tǒng)的旋轉中心線到空間凸輪中心的距離。r 為系統(tǒng)的旋轉中心線到夾瓶機構旋轉中心的距離, r ₁ 為夾瓶機構的旋轉中心線到空間凸輪中心的距離。令 Z 為空間凸輪的中心點位置從起始狀態(tài)上升的高度。

在凸輪的徑向投影圖上取 θ = 0°( 即 A 點對應的角度)、 夾瓶組件處于即將旋轉上升的位置為起始狀態(tài), 夾瓶組件繞回轉軸轉過的角度為α , 其中 θ為夾瓶機構在旋轉運動的過程中繞中心軸線轉過的角度。則

0°≤α≤180°； 0°≤θ≤65°

已知: r= 392mm, r 1 = 132mm

根據(jù)空間幾何關系, 可有如下等式

當α≤100°時有

R= r+ r ₁ sin(α－ 10°)             (1)

Z= r ₁ [ cos10°－ cos(α－ 10°) ]         (2)

當α> 100°時有

R= r+ r ₁ cos(α－ 100°)          (3)

Z= r ₁ [ cos10°+ sin(α－ 100°)]            (4)

由設計可知, 整個系統(tǒng)(大盤結構) 是勻速轉動的,即θ均勻發(fā)生的, 當大盤機構繞中心軸勻速旋轉, 且當0°≤θ≤65°時, 夾瓶機構也將繞圖 3 中的回轉軸轉動。

即0°≤θ≤65°的發(fā)生引起了0°≤α≤180°的發(fā)生。

故θ、α的數(shù)學幾何關系為

θ/α= 65 °/ 180°= 13/ 65

聯(lián)立上述等式, 可以得到空間凸輪的空間曲線方程為

當α≤100°時有

(R, Z, θ) = { r+ r ₁ sin(α－ 10°), r ₁ [ cos10°－cos(10°－α)] ,13/36α}            (5)

當α> 100°時有

(R, Z, θ) = { r+ r ₁ cos(α－ 100°), r 1 [ cos10°+sin(α－ 100°)] ,13/16α}              (6)

代入常數(shù)可以將上式化為

當α≤100°時有

(R, Z, θ) = { 392+ 132 cos(α－ 10°),132 [ cos10°+cos(10°－α)] ,13/16α}            (7)

當α>100°時有

(R, Z, θ) = { 392+ 132 cos(α－ 100°),132 [ cos10°+sin(α－100°)] ,13/16α}          (8)

式(7)、 式(8)兩式即為空間凸輪的空間軌跡曲線。

2. 2. 4 凸輪曲線圖的研究研究幾個特殊點

當θ = 0°, α= 0 °時, ( R, Z, θ)= {370, 0, 0°};

當θ= 65°, α= 180°時, ( R, Z, θ) = { 414, 260,65°};

當α= 100°, θ = 36° 時, Rmax = 524mm

當α= 180°, θ = 65° 時, Zmax = 260mm

當α= 0 ° , θ = 0° 時, Rmin = 370mm

當α= 10° , θ = 3. 6°時, Zmin = - 2mm

在θ∈ ( 65 °, 205°) ∪( 270°, 360°) 時空間凸輪分別

為R= 414, Z= 260; R= 370, Z= 0 的平面圓弧段。在θ∈ ( 0°, 65°) ∪ ( 205°, 270°) 時兩段圓弧是一樣的且在軸向投影圖上呈對稱分布。

通過研究曲線上的各點可以得到空間凸輪的具體的幾何參數(shù), 此處略。

2. 2. 5  凸輪的軸向高度變化投影曲線

通過對凸輪曲線的計算, 可得到圖 6 所示的凸輪高度曲線圖。

2. 2. 6  凸輪實際投影圖

所設計的空間凸輪的實際投影如圖 7 所示。

3 結論

空間凸輪的軌跡是比較復雜的空間曲線, 設計計算比較復雜。本文僅就全自動灌裝機中的沖瓶機構做出一個具體的設計實例, 至于空間凸輪曲線的設計規(guī)律, 本文沒有討論。但從本文的設計可知, 空間凸輪在有些場合是平面凸輪無法替代的。

本文中夾瓶機構有 3 個運動, 即繞中心軸線的回轉運動, 繞回轉軸的旋轉運動和自身的開合運動, 本設計使用一個空間凸輪再加上一個平面凸輪, 即能很好地實現(xiàn)上述運動, 若不采用空間凸輪, 要實現(xiàn)這樣的運動將非常困難。所以, 在機械設計中, 靈活使用各種機構, 如適當?shù)厥褂每臻g凸輪機構, 將極大地簡化設計, 降低成本, 并提高機械的使用效果。

參 考 文 獻

[ 1] 劉昌祺, 牧野洋, 曹西京. 凸輪機構設計[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005: 214- 219.

[ 2]  彭國勛, 肖正揚. 自動機械的凸輪機構設計[ M] . 北京: 機械工業(yè)出版社, 1990: 114- 125.
 

 

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