啤酒贴标机取标机构计算机辅助设计

2013-06-03 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

通过对啤酒贴标机取标机构运动误差的分析,提出了机构中各主要技术参数和凸轮曲线的设计计算方法,并开发了相应的计算机辅助设计软件。
张杰方漪来源:机械
关键字:机构学计算机辅助设计贴标机取标机构

贴标机是啤酒生产线上的一个重要设备,其主要功能是将商标纸均匀地贴在啤酒瓶表面上。其中取标机构最为复杂,且运动要求很高,是贴标机设计中的难点。取标机构的工作原理如图1所示。在取标过程中,转盘1绕O0点作匀速转动,转盘下方固定安装一盘形凸轮2,当扇形齿轮3随转盘1作公转运动时,凸轮2的曲线可通过销轴4控制扇形齿轮3绕O1点作自动运动。取标板5和齿轮6固连在一起,随转盘作公转运动,其绕O2点的自转运动是由扇形齿轮3驱动的。标板7上安装有商标纸,在图示位置固定不动。若取标板5的复合运动能使取标板沿标板7在长度L的范围内作纯滚动,则可圆满地完成取标作业。

1.转盘 2.凸轮 3.扇形齿轮 4.销轴 5.齿轮 6.取标板 7.标板
图1 取标机构工作原理

因此,贴标机取标机构的设计工作主要为:(1)当转盘回转半径R、标板长度L等参数给定后,求出取标板的半径r和偏心e的最佳值;(2)求出满足运动要求的凸轮曲线。

由于上述机构运动关系十分复杂,手工设计只能靠试凑的办法来解决,无法得出最佳设计参数,很难保证整个机构的运行效果。因此本文采用计算机辅助设计的方法,开发出了相应的软件,成功地解决了上述难题。

1 取标过程运动误差分析

设取标板沿标板作纯滚动,则取标板回转中心O2的运动轨迹应为摆线,见图2。

图2 取标过程运动误差分析

图中
x=rt-esint (1)
y=r-ecost (2)
其中,-L/2r≤t≤L/2r。然而,取标板回转中心O2的实际运动轨迹为圆,因此与运动要求存在误差。由于机构的对称性,仅研究图示位置(t≥0)的情况,可得

2 问题求解

由于机构的原因,运动误差不可避免,当x方向上产生误差时,取标板将在标板表面产生滑移;当y方向上产生误差时,取标板将挤压标板。所以在设计时应正确选择取标板半径r和偏心e,使得误差达到最小,即

(5)

式中:α1、α2为权因子系数,分别代表了x和y方向上的误差系数,并且α1+α2=1。由于标板在y方向为弹性支承,允许标板产生一定范围的法向位移,通常取α1>α2。

由于式(5)定义的是一个泛函极值的问题,且需要求解非线形方程组,十分困难。因此,本文采用了优化算法。以r、e为变量,以式(5)为目标函数进行求解。在目标函数计算时,以t为变量,以一定的步长扫描0~L/(2r)的范围,求出最大值。这里没有采用一维搜索的方法,主要是担心由于函数关系复杂而导致计算失败。尽管如此,在实际计算时,速度仍然很快,无须等待。

3 计算凸轮曲线

如图3所示,设当O2随转盘转于p{xp,yp}点时
xp=Rsinθp yp=Rcosθp
式中:θ为转盘的转角。
根据式(1)、式(2)得
xp=rtx-esintx (6)
yp=r-R-ecosty (7)
根据式(6)、式(7)可求tx,ty,令
tp=α1tx+α2ty (8)
可求出θp与tp之间的对应关系,根据t的转角以及扇形齿3与齿轮5之间的传动比以及销轴孔的位置完全确定后,可方便地求出凸轮曲线。

图3 取标板转角计算

4 软件编程

为实现以上设计计算,在AutoCAD环境下,用ADS开发出了计算机辅助设计软件,该软件共分以下几个模块:(1)用户输入模块主要提供一个用户输入数据的界面,其中包括标板长度、转盘回转半径、齿轮齿数等几何参数,以及取标板半径和偏心距的最大、最小值,权系数α1、α2等参数的输入。(2)r、e计算模块根据用户输入数据,利用优化算法计算出r、e的值,并将计算结果显示于屏幕。(3)凸轮曲线计算模块根据以上计算结果和拥护输入的数据,计算凸轮曲线,并将计算结果保存于数据文件。(4)动态仿真模块根据以上数据模拟显示取标运动过程,并可显示在运动过程的中法向和切向误差。(5)绘图模块用于绘制凸轮曲线、机构原理图、运动误差分析等的图形显示等。

5 应用实例

青岛机床厂是生产啤酒设备的专业生产厂,该厂在生产中需要开发取标板长度L=130mm的贴标机,该贴标机转盘回转半径R=135mm,扇形齿齿数Z1=64,齿轮Z2=18,中心距a=103.5mm,销轴偏心h=50mm,销轴偏角f=9.75°,最小半径r=40mm,最大半径r=80mm,最小间距D=38mm,最大间距D=40mm。应用本文所属计算机辅助设计软件的计算结果为:半径r=56.11mm,间距为D=40mm。α1=1、α2=0时(无滑动),最大法向误差为0.726mm,切向误差为零;α1=0.9、α2=0.1时,法向误差为0.692mm,切向误差为0.296mm;α1=0.5、α2=0.5时,法向误差为0.357mm,切向误差为1.476mm;α1=0、α2=1时(无挤压),法向误差为零,最大切向误差为2.941mm。该数据在贴标机设计中得到了应用。

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