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  引言

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

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷發(fā)展, 人們對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的要求越來越高, 因而, 對機(jī)械設(shè)備的性能提出了更高的要求。就凸輪機(jī)構(gòu)而言, 必須進(jìn)一步提高其設(shè)計(jì)及制造水平, 同時(shí)我國工程技術(shù)人員在研制各種機(jī)械產(chǎn)品, 吸收、 消化、 引進(jìn)世界先進(jìn)技術(shù)的過程中, 會遇到各種各樣新的機(jī)構(gòu), 凸輪機(jī)構(gòu)正是其中重要的一類。由于凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和制造技術(shù)比較復(fù)雜, 因此, 研究凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論和制造方法已成為我國開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品的重要問題之一。

本文將對凸輪機(jī)構(gòu)作一些簡單的介紹, 并設(shè)計(jì)空間凸輪機(jī)構(gòu)在全自動灌裝機(jī)沖瓶機(jī)構(gòu)中的應(yīng)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(yùn)動為空間運(yùn)動, 凸輪的運(yùn)動平面與從動件的運(yùn)動平面不平行或重合, 它能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)方向上的直線運(yùn)動或回轉(zhuǎn)運(yùn)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(jī)構(gòu)?？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(dāng)凸輪為原動件時(shí), 從動件的運(yùn)動方式有往復(fù)直動和往復(fù)擺動兩種。當(dāng)凸輪為機(jī)架時(shí), 從動件上的點(diǎn)一般按預(yù)期的軌跡作空間復(fù)雜運(yùn)動。

1. 2   凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟 [ 1]

凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常經(jīng)歷如下幾個(gè)步驟。

1、    機(jī)構(gòu)傳動方案設(shè)計(jì)

2、 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分配設(shè)計(jì)

3、 凸輪機(jī)構(gòu)選型和尺寸設(shè)計(jì)

(1) 凸輪機(jī)構(gòu)選型

(2) 計(jì)算從動件主要運(yùn)動參數(shù)

(3) 確定從動件運(yùn)動規(guī)律

4、 凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸設(shè)計(jì)

5、 凸輪曲線設(shè)計(jì)

基于凸輪機(jī)構(gòu)的基本尺寸和從動件的運(yùn)動規(guī)律,求出凸輪的輪廓曲線坐標(biāo)。

6、 凸輪、 從動件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過上述各步驟的計(jì)算設(shè)計(jì), 便能得到滿足性能要求的凸輪機(jī)構(gòu)。

2  全自動灌裝機(jī)中空間凸輪的設(shè)計(jì)

2. 1   全自動灌裝機(jī)簡介

2. 1. 1  全自動灌裝機(jī)工作原理

全自動灌裝機(jī)是一種全自動、 全功能的液體灌裝機(jī)械。其用途廣, 可用于各種飲料的灌裝; 可調(diào)節(jié)性好, 通過調(diào)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(diào), 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(yù); 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(dú)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(jī)的工作流程圖

2. 1. 2  全自動灌裝機(jī)組成

全自動灌裝機(jī)大致由以下幾部分組成: 機(jī)架部分、 輸送機(jī)構(gòu)、 分瓶機(jī)構(gòu)、 沖瓶機(jī)構(gòu)、 灌裝機(jī)構(gòu)、 旋蓋機(jī)構(gòu)、 理蓋機(jī)構(gòu)及傳動的拔瓶機(jī)構(gòu)等。

2. 2   空間凸輪設(shè)計(jì)

本文只研究空間凸輪在沖洗瓶機(jī)構(gòu)中的運(yùn)用。

2. 2. 1  沖瓶機(jī)構(gòu)的組成及動作過程

在灌裝機(jī)中,沖瓶機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)→③ 瓶子在繞中心軸線回轉(zhuǎn)的同時(shí), 完成空間上下運(yùn)動和繞空間凸輪軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

2. 2. 2 凸輪設(shè)計(jì)

由圖 2 可知, 夾瓶組件的運(yùn)動軌跡是空間曲線, 其主要任務(wù)是使飲料瓶在繞中心軸線回轉(zhuǎn)的同時(shí), 完成瓶子的空間 180°翻轉(zhuǎn)。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(jī)構(gòu)傳到下道工序。

夾瓶機(jī)構(gòu)的夾瓶動作由圖 2 中的平面凸輪推頂圖3 所示的夾瓶機(jī)構(gòu)的滾輪, 以實(shí)現(xiàn)夾瓶機(jī)構(gòu)的開合運(yùn)動。

2. 2. 3  凸輪運(yùn)動軌跡的計(jì)算 ^{[ 2]}

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

圖4 所示的數(shù)學(xué)關(guān)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(zhuǎn)中心線到空間凸輪中心的距離。r 為系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)中心線到夾瓶機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)中心的距離, r ₁ 為夾瓶機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心線到空間凸輪中心的距離。令 Z 為空間凸輪的中心點(diǎn)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(diǎn)對應(yīng)的角度)、 夾瓶組件處于即將旋轉(zhuǎn)上升的位置為起始狀態(tài), 夾瓶組件繞回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度為α , 其中 θ為夾瓶機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的過程中繞中心軸線轉(zhuǎn)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(guān)系, 可有如下等式

當(dāng)α≤100°時(shí)有

R= r+ r ₁ sin(α－ 10°)             (1)

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

當(dāng)α> 100°時(shí)有

R= r+ r ₁ cos(α－ 100°)          (3)

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

由設(shè)計(jì)可知, 整個(gè)系統(tǒng)(大盤結(jié)構(gòu)) 是勻速轉(zhuǎn)動的,即θ均勻發(fā)生的, 當(dāng)大盤機(jī)構(gòu)繞中心軸勻速旋轉(zhuǎn), 且當(dāng)0°≤θ≤65°時(shí), 夾瓶機(jī)構(gòu)也將繞圖 3 中的回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)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(xué)幾何關(guān)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(dāng)α≤100°時(shí)有

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

當(dāng)α> 100°時(shí)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(dāng)α≤100°時(shí)有

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

當(dāng)α>100°時(shí)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(gè)特殊點(diǎn)

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

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

當(dāng)α= 100°, θ = 36° 時(shí), Rmax = 524mm

當(dāng)α= 180°, θ = 65° 時(shí), Zmax = 260mm

當(dāng)α= 0 ° , θ = 0° 時(shí), Rmin = 370mm

當(dāng)α= 10° , θ = 3. 6°時(shí), Zmin = - 2mm

在θ∈ ( 65 °, 205°) ∪( 270°, 360°) 時(shí)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(shí)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(diǎn)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(jì)算, 可得到圖 6 所示的凸輪高度曲線圖。

2. 2. 6  凸輪實(shí)際投影圖

所設(shè)計(jì)的空間凸輪的實(shí)際投影如圖 7 所示。

3 結(jié)論

空間凸輪的軌跡是比較復(fù)雜的空間曲線, 設(shè)計(jì)計(jì)算比較復(fù)雜。本文僅就全自動灌裝機(jī)中的沖瓶機(jī)構(gòu)做出一個(gè)具體的設(shè)計(jì)實(shí)例, 至于空間凸輪曲線的設(shè)計(jì)規(guī)律, 本文沒有討論。但從本文的設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)有 3 個(gè)運(yùn)動, 即繞中心軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動, 繞回轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和自身的開合運(yùn)動, 本設(shè)計(jì)使用一個(gè)空間凸輪再加上一個(gè)平面凸輪, 即能很好地實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動, 若不采用空間凸輪, 要實(shí)現(xiàn)這樣的運(yùn)動將非常困難。所以, 在機(jī)械設(shè)計(jì)中, 靈活使用各種機(jī)構(gòu), 如適當(dāng)?shù)厥褂每臻g凸輪機(jī)構(gòu), 將極大地簡化設(shè)計(jì), 降低成本, 并提高機(jī)械的使用效果。

參 考 文 獻(xiàn)

[ 1] 劉昌祺, 牧野洋, 曹西京. 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005: 214- 219.

[ 2]  彭國勛, 肖正揚(yáng). 自動機(jī)械的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[ M] . 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1990: 114- 125.
 

 

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