引言

随着电子技术的发展, 机电控制技术发展较快。然而, 在很多场合, 由于运行速度、 可靠性与价格等因素的限制, 传统的机械控制方法仍将普遍使用。以凸轮机构为核心的控制机构, 在机械传动中的应用非常广泛, 而空间凸轮机构是工程中用以实现机械化和自动化的一种重要方法。

随着我国工业化进程的不断发展, 人们对产品质量和生产率的要求越来越高, 因而, 对机械设备的性能提出了更高的要求。就凸轮机构而言, 必须进一步提高其设计及制造水平, 同时我国工程技术人员在研制各种机械产品, 吸收、 消化、 引进世界先进技术的过程中, 会遇到各种各样新的机构, 凸轮机构正是其中重要的一类。由于凸轮机构的设计理论和制造技术比较复杂, 因此, 研究凸轮机构的设计理论和制造方法已成为我国开发具有自主知识产权产品的重要问题之一。

本文将对凸轮机构作一些简单的介绍, 并设计空间凸轮机构在全自动灌装机冲瓶机构中的应用。

1  空间凸轮概述

1. 1  空间凸轮的概念

所谓空间凸轮指凸轮和推杆之间的运动为空间运动, 凸轮的运动平面与从动件的运动平面不平行或重合, 它能同时实现多个方向上的直线运动或回转运动。也可以定义为凸轮的轮廓线或轮廓面为空间曲线或曲面的凸轮机构。空间凸轮又可以分为圆柱凸轮、 圆锥凸轮、 圆弧凸轮以及球面凸轮等多种。当凸轮为原动件时, 从动件的运动方式有往复直动和往复摆动两种。当凸轮为机架时, 从动件上的点一般按预期的轨迹作空间复杂运动。

1. 2   凸轮机构的设计步骤 [ 1]

凸轮机构的设计通常经历如下几个步骤。

1、    机构传动方案设计

2、 机构运动分配设计

3、 凸轮机构选型和尺寸设计

(1) 凸轮机构选型

(2) 计算从动件主要运动参数

(3) 确定从动件运动规律

4、 凸轮机构基本尺寸设计

5、 凸轮曲线设计

基于凸轮机构的基本尺寸和从动件的运动规律,求出凸轮的轮廓曲线坐标。

6、 凸轮、 从动件的结构设计

经过上述各步骤的计算设计, 便能得到满足性能要求的凸轮机构。

2  全自动灌装机中空间凸轮的设计

2. 1   全自动灌装机简介

2. 1. 1  全自动灌装机工作原理

全自动灌装机是一种全自动、 全功能的液体灌装机械。其用途广, 可用于各种饮料的灌装; 可调节性好, 通过调节可用于不同大小的瓶类容器的灌装; 自动化程度高, 动作协调, 从瓶子的输入到灌装完毕的输出的一系列动作无须人工的干预; 灌装周期短, 生产效率高。它集洗瓶 — 灌装—旋盖功能于一体, 独具洗瓶—灌装— 旋盖一次性完成功能, 特别适用于采用耐热 PET 瓶包装鲜果汁、 茶等饮料。图 1 是灌装机的工作流程图。

2. 1. 2  全自动灌装机组成

全自动灌装机大致由以下几部分组成: 机架部分、 输送机构、 分瓶机构、 冲瓶机构、 灌装机构、 旋盖机构、 理盖机构及传动的拔瓶机构等。

2. 2   空间凸轮设计

本文只研究空间凸轮在冲洗瓶机构中的运用。

2. 2. 1  冲瓶机构的组成及动作过程

在灌装机中,冲瓶机构完成饮料瓶的清洗工作, 其动作要求是: ① 抓瓶→②瓶子绕中心轴线回转→③ 瓶子在绕中心轴线回转的同时, 完成空间上下运动和绕空间凸轮轴线的旋转运动。其

2. 2. 2 凸轮设计

夹瓶组件的运动轨迹是空间曲线, 其主要任务是使饮料瓶在绕中心轴线回转的同时, 完成瓶子的空间 180°翻转。使瓶口由原始状态的向上, 变为清洗过程中的向下, 清洗完毕后再使瓶口向下, 然后由传动机构传到下道工序。

A 点为饮料瓶翻转的开始点,C 点为瓶子翻转的结束点, 即瓶子在绕中心轴线转动65°的过程中, 瓶子在空间翻转180°。R 为空间凸轮的在轴向投影上的半径, 它为系统的旋转中心线到空间凸轮中心的距离。r 为系统的旋转中心线到夹瓶机构旋转中心的距离, r 1 为夹瓶机构的旋转中心线到空间凸轮中心的距离。令 Z 为空间凸轮的中心点位置从起始状态上升的高度。

在凸轮的径向投影图上取 θ = 0°( 即 A 点对应的角度)、 夹瓶组件处于即将旋转上升的位置为起始状态, 夹瓶组件绕回转轴转过的角度为α , 其中 θ为夹瓶机构在旋转运动的过程中绕中心轴线转过的角度。则

0°≤α≤180°； 0°≤θ≤65°

已知: r= 392mm, r 1 = 132mm

根据空间几何关系, 可有如下等式

当α≤100°时有

R= r+ r 1 sin(α－ 10°)             (1)

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

当α> 100°时有

R= r+ r 1 cos(α－ 100°)          (3)

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

由设计可知, 整个系统(大盘结构) 是匀速转动的,即θ均匀发生的, 当大盘机构绕中心轴匀速旋转, 且当0°≤θ≤65°时, 夹瓶机构也将绕回转轴转动。

即0°≤θ≤65°的发生引起了0°≤α≤180°的发生。

故θ、α的数学几何关系为

θ/α= 65 °/ 180°= 13/ 65

联立上述等式, 可以得到空间凸轮的空间曲线方程为

当α≤100°时有

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

当α> 100°时有

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

代入常数可以将上式化为

当α≤100°时有

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

当α>100°时有

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

式(7)、 式(8)两式即为空间凸轮的空间轨迹曲线。

2. 2. 4 凸轮曲线图的研究研究几个特殊点

当θ = 0°, α= 0 °时, ( R, Z, θ)= {370, 0, 0°};

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

当α= 100°, θ = 36° 时, Rmax = 524mm

当α= 180°, θ = 65° 时, Zmax = 260mm

当α= 0 ° , θ = 0° 时, Rmin = 370mm

当α= 10° , θ = 3. 6°时, Zmin = - 2mm

在θ∈ ( 65 °, 205°) ∪( 270°, 360°) 时空间凸轮分别

为R= 414, Z= 260; R= 370, Z= 0 的平面圆弧段。在θ∈ ( 0°, 65°) ∪ ( 205°, 270°) 时两段圆弧是一样的且在轴向投影图上呈对称分布。

通过研究曲线上的各点可以得到空间凸轮的具体的几何参数, 此处略。

2. 2. 5  凸轮的轴向高度变化投影曲线

通过对凸轮曲线的计算, 可得到图 6 所示的凸轮高度曲线图。
 

2. 2. 6  凸轮实际投影图

3 结论

空间凸轮的轨迹是比较复杂的空间曲线, 设计计算比较复杂。本文仅就全自动灌装机中的冲瓶机构做出一个具体的设计实例, 至于空间凸轮曲线的设计规律, 本文没有讨论。但从本文的设计可知, 空间凸轮在有些场合是平面凸轮无法替代的。

本文中夹瓶机构有 3 个运动, 即绕中心轴线的回转运动, 绕回转轴的旋转运动和自身的开合运动, 本设计使用一个空间凸轮再加上一个平面凸轮, 即能很好地实现上述运动, 若不采用空间凸轮, 要实现这样的运动将非常困难。所以, 在机械设计中, 灵活使用各种机构, 如适当地使用空间凸轮机构, 将极大地简化设计, 降低成本, 并提高机械的使用效果。

参 考 文 献

[ 1] 刘昌祺, 牧野洋, 曹西京. 凸轮机构设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005: 214- 219.

[ 2]  彭国勋, 肖正扬. 自动机械的凸轮机构设计[ M] . 北京: 机械工业出版社, 1990: 114- 125.

 

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