賴厚安

（上海沛愉機(jī)械制造有限公司，西安710077）

基于運(yùn)動(dòng)仿真的雙層凸輪曲線設(shè)計(jì)與分析

賴厚安

（上海沛愉機(jī)械制造有限公司，西安710077）

在分析凸輪曲線傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上提出了新的設(shè)計(jì)理念，運(yùn)用Autodesk Inventor設(shè)計(jì)軟件中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊進(jìn)行零部件的三維動(dòng)態(tài)模擬，將形成的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線轉(zhuǎn)化成草圖并修剪得到凸輪曲線。經(jīng)設(shè)計(jì)加工出來(lái)的凸輪機(jī)構(gòu)在多臺(tái)回轉(zhuǎn)式貼標(biāo)機(jī)上生產(chǎn)運(yùn)行后，證明了運(yùn)用運(yùn)動(dòng)仿真來(lái)設(shè)計(jì)雙層凸輪曲線方法的可行性與正確性。

回轉(zhuǎn)式貼標(biāo)機(jī)；運(yùn)動(dòng)仿真；雙層凸輪曲線；Autodesk Inventor

0 引言

近些年，隨著人們對(duì)產(chǎn)品外包裝的認(rèn)識(shí)更加深化，促使著我國(guó)食品飲料包裝機(jī)械取得了較快發(fā)展。但相對(duì)國(guó)外同行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)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(jī)械零部件精度較低；其次我國(guó)包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)主要還是測(cè)繪、仿制及稍加國(guó)產(chǎn)化改進(jìn)，獨(dú)立開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品能力不足，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)缺少創(chuàng)新，設(shè)計(jì)方法主要依賴于傳統(tǒng)算法，其計(jì)算量大，經(jīng)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)出的凸輪存在較大柔性沖擊且易磨損。針對(duì)諸多難題，我公司設(shè)計(jì)人員從更新設(shè)計(jì)理念出發(fā)，運(yùn)用Autodesk Inventor中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊完成貼標(biāo)機(jī)凸輪曲線的設(shè)計(jì)。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法分析

1.1 凸輪機(jī)構(gòu)工作要求分析

圖1 凸輪機(jī)構(gòu)平面布局圖

圖2 凸輪機(jī)構(gòu)裝配圖

如圖2所示，工作中，從動(dòng)件十字撥叉隨回轉(zhuǎn)大盤轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)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(yùn)動(dòng)，且分為勻加速、勻速和勻減速三個(gè)階段。如圖1所示，當(dāng)回轉(zhuǎn)大盤轉(zhuǎn)過(guò)θ1區(qū)域時(shí)，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(guò)θ2區(qū)域時(shí)，其以角速度ωmax勻速自轉(zhuǎn)角度α2；轉(zhuǎn)過(guò)θ3區(qū)域時(shí)，其角速度從ωmax勻減速至零，自轉(zhuǎn)角度α3。由于在方瓶貼標(biāo)過(guò)程中標(biāo)簽接縫相對(duì)瓶身要求精準(zhǔn)定位，為滿足貼標(biāo)要求，十字撥叉進(jìn)入θ1區(qū)域時(shí)要求有一條邊指向回轉(zhuǎn)大盤中心，轉(zhuǎn)出θ3區(qū)域時(shí)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(diǎn)軌跡曲線的計(jì)算

如圖1，以任意一點(diǎn)為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸建立直角坐標(biāo)系，各參數(shù)見(jiàn)表1。

十字撥叉中心點(diǎn)O1（x01，y01）運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：

將式（2）和式（3）所形成的軌跡曲線進(jìn)行一定的修改即為凸輪曲線。

2 基于運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)凸輪曲線的計(jì)算與建模

2.1 凸輪曲線設(shè)計(jì)的參數(shù)計(jì)算

為滿足整機(jī)貼標(biāo)要求，即吸標(biāo)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(shí)十字撥叉應(yīng)滿足凸輪機(jī)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(yùn)動(dòng)仿真的建立與三維建模

2.2.1 運(yùn)動(dòng)仿真模型建立及驅(qū)動(dòng)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(guò)Autodesk Inventor菜單【環(huán)境】選項(xiàng)中的【運(yùn)動(dòng)仿真】模塊建立仿真運(yùn)動(dòng)。其次，Autodesk Inventor運(yùn)動(dòng)仿真中所需驅(qū)動(dòng)條件分為位置、速度和加速度三種，根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算，十字撥叉經(jīng)過(guò)勻加速、勻速和勻減速段所需時(shí)間已知，故可選【速度】為運(yùn)動(dòng)仿真的驅(qū)動(dòng)條件。根據(jù)設(shè)計(jì)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(dòng)條件參數(shù)設(shè)定

在滿足式（1）的要求下，根據(jù)設(shè)計(jì)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(guò)上述算式可知。十字撥叉速度驅(qū)動(dòng)條件應(yīng)分為三段：1）勻加速段。如圖3黃色區(qū)域，起始點(diǎn)速度和時(shí)間均為零，運(yùn)動(dòng)結(jié)束點(diǎn)速度為ωmax，時(shí)間為t加；2）勻速段。起始速度為ωmax，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t加+t勻；3）勻減速段。起始點(diǎn)速度為ωmax，時(shí)間為t加+t勻，運(yùn)動(dòng)結(jié)束點(diǎn)速度為零，時(shí)間為t加+t勻+t減。將三段運(yùn)動(dòng)參數(shù)（勻加速前和勻減速后分別增加了一段無(wú)自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）分別對(duì)應(yīng)輸入驅(qū)動(dòng)條件參數(shù)表（如圖3所示）。同理設(shè)定回轉(zhuǎn)大盤驅(qū)動(dòng)條件參數(shù)。

圖3 十字撥叉驅(qū)動(dòng)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(yùn)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(yùn)動(dòng)仿真的生成和凸輪三維實(shí)體建模如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)仿真軌跡和三維實(shí)體建模

3 結(jié)論

基于運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)出的雙層凸輪曲線經(jīng)加工成零部件，裝機(jī)并通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)運(yùn)行證明，凸輪機(jī)構(gòu)柔性沖擊小，使用壽命長(zhǎng)。體現(xiàn)了其設(shè)計(jì)方法的合理性與正確性，設(shè)計(jì)過(guò)程避免了大量的軌跡方程的計(jì)算，降低誤差累積的同時(shí)很大程度上提高了工作效率，對(duì)回轉(zhuǎn)式貼標(biāo)機(jī)雙層凸輪曲線的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

［1］ 唐湘民.Autodesk inventor有限元分析和運(yùn)動(dòng)仿真詳解［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］ 張俊玲.回轉(zhuǎn)式貼標(biāo)機(jī)凸輪的設(shè)計(jì)與研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2006.

［3］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［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(jī)械的設(shè)計(jì)與研究。

2014-03-07