引言

隨著電子技術的發展, 機電控製技術發展較快。然而, 在很多場合, 由於運行速度、 可靠性與價格等因素的限製, 傳統的機械控製方法仍將普遍使用。以凸輪機構為核心的控製機構, 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機械化和自動化的一種重要方法。

隨著我國工業化進程的不斷發展, 人們對產品質量和生產率的要求越來越高, 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製造水平, 同時我國工程技術人員在研製各種機械產品, 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。由於凸輪機構的設計理論和製造技術比較複雜, 因此, 研究凸輪機構的設計理論和製造方法已成為我國開發具有自主知識產權產品的重要問題之一。

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

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杆之間的運動為空間運動, 凸輪的運動平麵與從動件的運動平麵不平行或重合, 它能同時實現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麵為空間曲線或曲麵的凸輪機構。空間凸輪又可以分為圓柱凸輪、 圓錐凸輪、 圓弧凸輪以及球麵凸輪等多種。當凸輪為原動件時, 從動件的運動方式有往複直動和往複擺動兩種。當凸輪為機架時, 從動件上的點一般按預期的軌跡作空間複雜運動。

1. 2   凸輪機構的設計步驟 [ 1]

凸輪機構的設計通常經曆如下幾個步驟。

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

(3) 確定從動件運動規律

4、 凸輪機構基本尺寸設計

5、 凸輪曲線設計

基於凸輪機構的基本尺寸和從動件的運動規律,求出凸輪的輪廓曲線坐標。

6、 凸輪、 從動件的結構設計

經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, 可用於各種飲料的灌裝; 可調節性好, 通過調節可用於不同大小的瓶類容器的灌裝; 自動化程度高, 動作協調, 從瓶子的輸入到灌裝完畢的輸出的一係列動作無須人工的幹預; 灌裝周期短, 生產效率高。它集洗瓶 — 灌裝—旋蓋功能於一體, 獨具洗瓶—灌裝— 旋蓋一次性完成功能, 特別適用於采用耐熱 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、 衝瓶機構、 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

本文隻研究空間凸輪在衝洗瓶機構中的運用。

2. 2. 1  衝瓶機構的組成及動作過程

在灌裝機中,衝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。其

2. 2. 2 凸輪設計

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。使瓶口由原始狀態的向上, 變為清洗過程中的向下, 清洗完畢後再使瓶口向下, 然後由傳動機構傳到下道工序。

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°。R 為空間凸輪的在軸向投影上的半徑, 它為係統的旋轉中心線到空間凸輪中心的距離。r 為係統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)、 夾瓶組件處於即將旋轉上升的位置為起始狀態, 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

根據空間幾何關係, 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, 整個係統(大盤結構) 是勻速轉動的,即θ均勻發生的, 當大盤機構繞中心軸勻速旋轉, 且當0°≤θ≤65°時, 夾瓶機構也將繞回轉軸轉動。

即0°≤θ≤65°的發生引起了0°≤α≤180°的發生。

故θ、α的數學幾何關係為

θ/α= 65 °/ 180°= 13/ 65

聯立上述等式, 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 的平麵圓弧段。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, 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

3 結論

空間凸輪的軌跡是比較複雜的空間曲線, 設計計算比較複雜。本文僅就全自動灌裝機中的衝瓶機構做出一個具體的設計實例, 至於空間凸輪曲線的設計規律, 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麵凸輪無法替代的。

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麵凸輪, 即能很好地實現上述運動, 若不采用空間凸輪, 要實現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, 如適當地使用空間凸輪機構, 將極大地簡化設計, 降低成本, 並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: 機械工業出版社, 2005: 214- 219.

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

 

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