啤酒貼標(biāo)機(jī)取標(biāo)機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

2013-06-03 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

通過對啤酒貼標(biāo)機(jī)取標(biāo)機(jī)構(gòu)運(yùn)動誤差的分析,提出了機(jī)構(gòu)中各主要技術(shù)參數(shù)和凸輪曲線的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,并開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。
張杰方漪來源:機(jī)械
關(guān)鍵字:機(jī)構(gòu)學(xué) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 貼標(biāo)機(jī)取標(biāo)機(jī)構(gòu)

貼標(biāo)機(jī)是啤酒生產(chǎn)線上的一個(gè)重要設(shè)備,其主要功能是將商標(biāo)紙均勻地貼在啤酒瓶表面上。其中取標(biāo)機(jī)構(gòu)最為復(fù)雜,且運(yùn)動要求很高,是貼標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。取標(biāo)機(jī)構(gòu)的工作原理如圖1所示。在取標(biāo)過程中,轉(zhuǎn)盤1繞O0點(diǎn)作勻速轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)盤下方固定安裝一盤形凸輪2,當(dāng)扇形齒輪3隨轉(zhuǎn)盤1作公轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí),凸輪2的曲線可通過銷軸4控制扇形齒輪3繞O1點(diǎn)作自動運(yùn)動。取標(biāo)板5和齒輪6固連在一起,隨轉(zhuǎn)盤作公轉(zhuǎn)運(yùn)動,其繞O2點(diǎn)的自轉(zhuǎn)運(yùn)動是由扇形齒輪3驅(qū)動的。標(biāo)板7上安裝有商標(biāo)紙,在圖示位置固定不動。若取標(biāo)板5的復(fù)合運(yùn)動能使取標(biāo)板沿標(biāo)板7在長度L的范圍內(nèi)作純滾動,則可圓滿地完成取標(biāo)作業(yè)。

1.轉(zhuǎn)盤 2.凸輪 3.扇形齒輪 4.銷軸 5.齒輪 6.取標(biāo)板 7.標(biāo)板
圖1 取標(biāo)機(jī)構(gòu)工作原理

因此,貼標(biāo)機(jī)取標(biāo)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作主要為:(1)當(dāng)轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)半徑R、標(biāo)板長度L等參數(shù)給定后,求出取標(biāo)板的半徑r和偏心e的最佳值;(2)求出滿足運(yùn)動要求的凸輪曲線。

由于上述機(jī)構(gòu)運(yùn)動關(guān)系十分復(fù)雜,手工設(shè)計(jì)只能靠試湊的辦法來解決,無法得出最佳設(shè)計(jì)參數(shù),很難保證整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行效果。因此本文采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法,開發(fā)出了相應(yīng)的軟件,成功地解決了上述難題。

1 取標(biāo)過程運(yùn)動誤差分析

設(shè)取標(biāo)板沿標(biāo)板作純滾動,則取標(biāo)板回轉(zhuǎn)中心O2的運(yùn)動軌跡應(yīng)為擺線,見圖2。

圖2 取標(biāo)過程運(yùn)動誤差分析

圖中
x=rt-esint (1)
y=r-ecost (2)
其中,-L/2r≤t≤L/2r。然而,取標(biāo)板回轉(zhuǎn)中心O2的實(shí)際運(yùn)動軌跡為圓,因此與運(yùn)動要求存在誤差。由于機(jī)構(gòu)的對稱性,僅研究圖示位置(t≥0)的情況,可得

2 問題求解

由于機(jī)構(gòu)的原因,運(yùn)動誤差不可避免,當(dāng)x方向上產(chǎn)生誤差時(shí),取標(biāo)板將在標(biāo)板表面產(chǎn)生滑移;當(dāng)y方向上產(chǎn)生誤差時(shí),取標(biāo)板將擠壓標(biāo)板。所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)正確選擇取標(biāo)板半徑r和偏心e,使得誤差達(dá)到最小,即

(5)

式中:α1、α2為權(quán)因子系數(shù),分別代表了x和y方向上的誤差系數(shù),并且α1+α2=1。由于標(biāo)板在y方向?yàn)閺椥灾С?允許標(biāo)板產(chǎn)生一定范圍的法向位移,通常取α1>α2。

由于式(5)定義的是一個(gè)泛函極值的問題,且需要求解非線形方程組,十分困難。因此,本文采用了優(yōu)化算法。以r、e為變量,以式(5)為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。在目標(biāo)函數(shù)計(jì)算時(shí),以t為變量,以一定的步長掃描0~L/(2r)的范圍,求出最大值。這里沒有采用一維搜索的方法,主要是擔(dān)心由于函數(shù)關(guān)系復(fù)雜而導(dǎo)致計(jì)算失敗。盡管如此,在實(shí)際計(jì)算時(shí),速度仍然很快,無須等待。

3 計(jì)算凸輪曲線

如圖3所示,設(shè)當(dāng)O2隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)于p{xp,yp}點(diǎn)時(shí)
xp=Rsinθp yp=Rcosθp
式中:θ為轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)角。
根據(jù)式(1)、式(2)得
xp=rtx-esintx (6)
yp=r-R-ecosty (7)
根據(jù)式(6)、式(7)可求tx,ty,令
tp=α1tx+α2ty (8)
可求出θp與tp之間的對應(yīng)關(guān)系,根據(jù)t的轉(zhuǎn)角以及扇形齒3與齒輪5之間的傳動比以及銷軸孔的位置完全確定后,可方便地求出凸輪曲線。

圖3 取標(biāo)板轉(zhuǎn)角計(jì)算

4 軟件編程

為實(shí)現(xiàn)以上設(shè)計(jì)計(jì)算,在AutoCAD環(huán)境下,用ADS開發(fā)出了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件,該軟件共分以下幾個(gè)模塊:(1)用戶輸入模塊主要提供一個(gè)用戶輸入數(shù)據(jù)的界面,其中包括標(biāo)板長度、轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)半徑、齒輪齒數(shù)等幾何參數(shù),以及取標(biāo)板半徑和偏心距的最大、最小值,權(quán)系數(shù)α1、α2等參數(shù)的輸入。(2)r、e計(jì)算模塊根據(jù)用戶輸入數(shù)據(jù),利用優(yōu)化算法計(jì)算出r、e的值,并將計(jì)算結(jié)果顯示于屏幕。(3)凸輪曲線計(jì)算模塊根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果和擁護(hù)輸入的數(shù)據(jù),計(jì)算凸輪曲線,并將計(jì)算結(jié)果保存于數(shù)據(jù)文件。(4)動態(tài)仿真模塊根據(jù)以上數(shù)據(jù)模擬顯示取標(biāo)運(yùn)動過程,并可顯示在運(yùn)動過程的中法向和切向誤差。(5)繪圖模塊用于繪制凸輪曲線、機(jī)構(gòu)原理圖、運(yùn)動誤差分析等的圖形顯示等。

5 應(yīng)用實(shí)例

青島機(jī)床廠是生產(chǎn)啤酒設(shè)備的專業(yè)生產(chǎn)廠,該廠在生產(chǎn)中需要開發(fā)取標(biāo)板長度L=130mm的貼標(biāo)機(jī),該貼標(biāo)機(jī)轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)半徑R=135mm,扇形齒齒數(shù)Z1=64,齒輪Z2=18,中心距a=103.5mm,銷軸偏心h=50mm,銷軸偏角f=9.75°,最小半徑r=40mm,最大半徑r=80mm,最小間距D=38mm,最大間距D=40mm。應(yīng)用本文所屬計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算結(jié)果為:半徑r=56.11mm,間距為D=40mm。α1=1、α2=0時(shí)(無滑動),最大法向誤差為0.726mm,切向誤差為零;α1=0.9、α2=0.1時(shí),法向誤差為0.692mm,切向誤差為0.296mm;α1=0.5、α2=0.5時(shí),法向誤差為0.357mm,切向誤差為1.476mm;α1=0、α2=1時(shí)(無擠壓),法向誤差為零,最大切向誤差為2.941mm。該數(shù)據(jù)在貼標(biāo)機(jī)設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用。

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