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多工位回转式自动翻转与复位机构的优化设计

归档日期:07-16       文本归类:回转盘      文章编辑:爱尚语录

  文章编号:1004-2539(2016)07 -0071 -05 DOI:10. 16578 issn.1004. 2539. 2016. 07. 015 多工位回转式自动翻转与复位机构的优化设计 中南大学机电工程学院, 湖南 长沙 410083) 中南大学高性能复杂制造国家重点实验室, 湖南 长沙 410083) 摘要 以实现工位台自动翻转与复位功能为目标,提出了一种由圆柱凸轮驱动的多工位回转式 自动翻转与复位机构。每个工位均由曲柄滑块机构组成,通过凸轮曲线的变化控制滑块的位移变化, 从而驱动曲柄旋转,完成工位台的翻转与复位动作。建立了自动翻转与复位机构的数学模型,通过 改变机构的设计参数可以满足不同的工程实际要求。以预制硬质卷烟条盒的自动清空为例,研究了 满足清空要求的多工位回转式自动翻转与复位机构的参数设计。以凸轮升程最小、翻转角度最大和 竖直方向高度最小为多目标函数,以曲柄、连杆、凸轮升程等相关参数为自变量,进行了自动翻转 与复位机构的优化计算,优化效果明显,并通过仿真分析验证了机构参数设计的合理性。 关键词 自动翻转与复位 曲柄滑块机构 自动清空装置 圆柱凸轮 Optimization Design MultiStation Rotary Automatic Turning ResettingMechanism Zhao Haiming 1,2 Zhang Linlin LiaoXiaole ElectricalEngineering,Central South University,ChangSha 410083,China) StateKey Laboratory HighPerformance Complex Manufacturing,Central South University,Changsha 410083,China) Abstract workingstation automatic turning resetting,themulti station rotary automatic turning resettingmechanism which cylindricalcam proposed.Each working station crankslider mechanism,the displacement camcurve which drives workingstation. mathematicalmodel designparameters can meet differentengineering requirements. multistation automatic turning resettingmechanism fitting emptyrequest,the case automaticallyempty prefab-ricated hard cigarette automaticturning resettingmechanism which carriedout. minimumcam lift verticalheight,the maximum flip angle independentvariables connectingrod,the cam lift optimizationeffect de-sign parameter simulationanalysis. Key words Automatic turning resettingCrank slider mechanism Automatic emptying device Cylindrical cam 引言在自动化生产线中有很多产品需要实现产品自 动翻转与复位功能,比如包装箱体的清空、容器内 部标签的贴附、食品的烘烤、自动焊接等等。能够 实现自动翻转的机构多种多样,例如由斜齿轮啮合 传动来带动轴的旋转 ,虽能实现自动翻转功能,但它却受到润滑条件、传动速度等多方面的限制而 无法广泛应用于自动化翻转设备中;在输液塑瓶的 自动清洗生产线中用齿轮齿条方式实现塑料瓶的翻 转,实现对瓶口的清洗,但可能产生的冲击振动较 。本文介绍一种由圆柱凸轮驱动的多工位回转式自动翻转与复位机构,它具有结构紧凑、定位准 确、整机性能稳定可靠等许多优点,在实现间歇分 多工位回转式自动翻转与复位机构的优化设计度运动、较大运动升程或其他任意运动方面也具有 很强的适应性 ,可实现曲柄旋转过程中不同的姿态要求。 自动翻转与复位机构的工作原理多工位回转式自动翻转与复位机构的原理图如 自动翻转与复位机构原理图该机构主要由圆柱凸轮、回转盘、滑块、曲柄、 连杆、翻转平台组成。回转盘置于圆柱凸轮的上方, 并围绕圆柱凸轮的中心轴线做周向旋转(主运动); 曲柄、连杆、滑块组成了一组对心曲柄滑块机构, 并以滑块为主动件来驱动曲柄的旋转;当回转盘围 绕圆柱凸轮做周向旋转时,回转盘会带动曲柄滑块 机构随之旋转,同时滑块也会沿着圆柱凸轮的凹槽 实现上下运动,通过连杆带动曲柄的旋转;曲柄与 翻转平台固定连接,曲柄的旋转可以实现翻转平台 的翻转,通过对凸轮曲线的设计可以实现任意位置 处翻转平台姿态的控制。 在实际的工程应用中,自动翻转与复位的要求 一般为曲柄旋转角度的大小、最大凸轮升程的限制、 曲柄旋转时的动态性能要求、休止阶段工位台的姿 态波动大小等等。因此在设计时必须解决如下关键 问题: 1)进行机构运动学分析,建立滑块运动与曲柄 翻转之间的运动学关系,实现翻转与复位动作的精 确,保证在特定的时间段翻转平台以特定的姿态置 于生产线)优化机构参数,实现滑块与曲柄的柔性运动 以及凸轮机构的结构最优化。 多工位回转式机构的数学模型依据图1 所示的物理模型,可建立自动翻转与复 位机构的机构简图,如图2 所示,其中圆柱凸轮5 大地固结,曲柄滑块机构的支架4与回转盘6 固结。 以圆柱凸轮下端面的圆心为原点建立如图2 示的坐标系,在平面XOY 坐标系中,设曲柄1 长度 为r,连杆2 长度为 L,曲柄旋转中心距滑块3 距离 为h,曲柄1 dhdt dhdt dhdt 自动翻转与复位机构的简图因为在该曲柄滑块机构中滑块是主动件,为了 保证机构的传力特性,需要限制曲柄与连杆之间的 最小传动角γ min 凸轮曲线在设计时受到压力角和曲率半径的限制,需要满足凸轮曲线最大升程要求,即 滑块与曲柄翻转之间运动参数的对应关系,可作为将凸轮与曲柄滑块组合成系统进行设计的 重要纽带。利用该关系式可以设计凸轮曲线,通 过控制滑块 向位移(由凸轮曲线保证)来精确控制曲柄的转动,并可将其应用到自动化机械装 备中,实现工位台的翻转。凸轮机构常用的运动 规律主要有等速运动、等加速等减速运动、余弦 加速度、正弦加速度、五次多项式运动等 在凸轮曲线设计时常根据工况的具体特点来选择合适的运动规律。 按照常用运动规律设计的凸轮廓线所驱动的滑 块运动的一般表达式为 机械传动2016 dsdt 圆柱凸轮在设计时需满足压力角要求,外圆柱半径r 式(8)组成了自动翻转与复位机构的运动关系,联合求解即可求得符合工程实际需要的机构。 自动翻转与复位机构的应用实例多工位回转式自动翻转与复位机构的结构设计 主要包括凸轮机构和曲柄滑块机构的设计,下面以 自动翻转与复位机构在预制硬质卷烟条盒自动清空 中的应用为例来分析该机构的设计。 条盒自动翻转与复位机构的设计要求现设计一条回转型条盒自动包装生产线 位台围绕回转中心均匀布置,如图3所示。该生产 线 处将空条盒打开,在工位台5 的回转空间内完成翻转与复位动作。 工位分布图经试验,在自动清空的 过程中,条盒的翻转角度至 少应需要达到 130 才能将 干燥剂顺利清出。同时在工 位台翻转的过程中增加二次 清空功能,即在翻转一定角 度后继续增加小角度的翻 转,利用干燥剂的惯性使其 能够完全脱离条盒。为保证机构的机械性能,实现 工位台与其下游机构的柔性对接,要求机构在运动 时既无刚性冲击又无柔性冲击 。在凸轮曲线常用运动规律中,五次多项式曲线综合性能较好。基于 这一特点,该凸轮曲线选用五次多项式运动规律。 为保证工位台以水平的姿态进入工位5,且不与 工位5 上方的装烟机构发生干涉,在进行不干涉模 拟之后最终确定工位需要在从工位 位置处旋转103后完成复位。整个回转周期内工位台在各个区 域内的姿态变化如图4 所示。 曲柄滑块机构的优化设计为使自动清空装置竖直方向尺寸较小、凸轮机 构传动时压力角及可能产生的冲击较小,凸轮曲线 升程应尽可能小,同时为保证清空的可靠性,要求 曲柄的翻转角度尽可能大。因此需要建立滑块滑动 位移、翻转角度和装置竖直高度的多目标优化函数, 即目标函数设为 回转运动循环图min 式中,h、h分别为滑块在凸轮槽最高点和最低点时与曲柄旋转中心的垂直距离;θ、θ 分别为初始位置 和滑块在凸轮槽最低点时曲柄与竖直方向的夹角; 为加权因子,依据这两个目标函数的重要程度,可将加权因子设为 进行优化设计的约束条件为:(1)边界条件 200;(为保证曲柄有一定的结构强度,曲柄长度不低于20 mm) +1700;(因为回转支承和回转盘的安装需要预留至少170 mm 的竖直空间) (2)数学关系 1318 min:最小传动角) -8]进行非线性约束的优化 计算,根据约束条件选取一组初始值为 =30,h=150,可根据式(1)推导出初始值 =204.5。优化计算后的结果为θ 26,r=20,h =130,h =167,L =147. 6。优化前 翻转角度最大达到 130,优化后翻转角度达到 134. 6,提高了清空的可靠性,优化前后目标函数的 值分别为f 凸轮曲线的设计根据清空要求,可将凸轮曲线,远休止阶段,推程阶段2,回程阶段,近休止阶段。在远休止后增加小角度的二次推程,实 现工位台在原有的翻转角度下继续增加小角度的翻 转,达到快速抖动的效果,增加清空的可靠性。五 次多项式凸轮曲线设计的通用方程如下 分别代表始点的位移、速度和加速度,s,v,a分别代表终点处的位移、速度和加速度,δ 为初始点的角度值,δ为终点处的角度值,c 方程待定系数。因为待定系数有6个,故可在各个 阶段的始点和终点处设定6 个边界条件。由于凸轮 曲线的升程和回程近似相等,因此可设置凸轮升程 和回程阶段的转角相等,各取为45(翻转阶段回转 盘总的旋转角度为 103)。为了保证各段曲线无冲 击,将各段曲线初始点和终点处的速度和加速度取 为0,其余参数值如表1 所示。 凸轮曲线边界条件各段曲线 名称 初始点转角 终点转角 初始点 位移值s 终点位移值 推程阶段1 -35远休止阶段 15-35 -35 推程阶段2 1529π 90 -35 -37 回程阶段 29π 90 103π 180 -37 近休止阶段103π 180 中的数据代入式(8),可得各段曲线方程系数值,各段曲线)推程阶段2:δ 29π90 =48678. 56 266447. 93δ 581261. 57δ 632136. 06δ +342702. -74095. 94δ 29π90 103π180 12300. 24δ 18993. 14δ 14282. 06δ -5218. +742.85δ 103π180 凸轮外圆柱半径的确定凸轮外圆柱半径 的确定主要是受凸轮压力角的限制。在凸轮曲线 个阶段中,凸轮升程 与对应的凸轮转角的比值在翻转阶段最小。因此在 相同运动规律下,该段曲线的最大压力角也为最大, 应优先满足复位阶段的压力角要求。 五次多项式凸轮曲线tan max为凸轮许用压力角,根据经验可取为40 回转支承安装在圆柱凸轮上方,依据受力条件进行回转支承的标准件选型。所选回转支承的安装 尺寸为 Φ264 mm,为保证安装余量凸轮外径至少取 为Φ270 mm。 综上所述,凸轮外圆柱半径 可取为135mm。 运用该设计参数进行计算,所得的凸轮曲线不同位 置处的压力角分布如图5 所示,只截取横坐标为0 420mm 段曲线. mm开始进入水平阶段)。 可知最大压力角发生在横坐标为189. mm处,最大压力角为33. 2,符合设计要求。 动力学仿真模型的建立依据机构原理及相关尺寸的优化求解,运用 ADAMS 软件建立机构优化后的仿真模型,验证机构 设计的合理性。为简化计算,作以下假设: (1)忽略滑块与凸轮槽间的间隙对滑块位移的 影响。 (2)因回转盘旋转速度属低速,故可将条盒自 机械传动2016 动翻转与复位机构各构件视为刚体。(3)回转盘匀速转动。 Solidworks里面进行建模和各个零件的装配 后,通过ADAMS 软件接口将建好的装配体 文件导入ADAMS 中建立的自动清空装置的虚拟样机 模型,如图6 所示,添加重力,定义各个构件的质 量属性。根据传动机构的特性设置各项约束,其中 滚子与凸轮槽之间采用 CONTACT 中的基于 IMPACT 函数接触的方法仿真计算滚子在凸轮槽中的运动。 滚动轴承的旋转动摩擦因数设置为 01,静摩擦因数设置为C 0025,回转盘 旋转设为匀速,旋转角速度为6. 25 仿真结果分析在ADAMS 软件中采用交互式控制进行动力学仿 线 s,仿线 对优化后的凸轮机构关键参数进行测试,主要包括滚子的纵向位移、纵向加速度随时间的变化情况如 所示,工位台的翻转角度、角加速度随时间的变化情况如图8 所示。 翻转平台的翻转特性仿真结果显示滑块遵循二次推程的设计,工位 台也相应地实现了二次翻转的效果。在1. 时间段内,由于凸轮槽存在建模上的误差,凸轮槽与滚子之间采用接触力约束,滚子与凸轮槽之间有 一定的嵌入深度,加之仿真算法上的误差,导致了 加速度值有一定的跳动。最优化尺寸使最大翻转角 度可达到134. 7,滑块最大加速度为160 mm/ 柄最大角加速度值发生在二次翻转阶段,最大值换算单位后为20. 。在二次翻转阶段翻转角加速度呈递增的趋势,增加了清空的可靠性,证明了 条盒自动翻转与复位机构各项设计参数的合理性。 总结(1)提出了一种由圆柱凸轮驱动的自动翻转与 复位机构,可将其应用于多工位回转式生产线)以自动翻转机构在预制硬质条盒自动清空 中的应用为例,进行了以凸轮升程最小、工位台翻 转角度最大和机构竖直高度最小为目标的自动翻转 与复位机构多目标优化设计,优化效果明显,并用 五次多项式运动规律设计了凸轮曲线;建立了动力 学仿真模型,仿真模型运行良好,验证了机构设计 的合理性。 火力与指挥控制,2015,40(4):158-160. 2012-05 -30. 基于SolidWorks的圆柱凸轮 CAD/ CAM 系统的研究[J]. 现代制造工程,2011(7):54 -57. 双凸轮联动自动换刀技术的研究[D].大连:大连理工大 学,2008. 成大先.机械设计手册:第1 北京:化学工业出版社,2007:91 -92. 棒料高速变节距柔性交接装置设计与优化[J]. 湖南大学学报,2013,40(11):51 -57. 陶海,沈祥福.斜拉桥索力优化的强次可行序列二次规划法 力学学报,2006,38(3):381-384. 基于改进遗传算法和序列二次规划的再入轨迹优化[J]. 浙江大学学报(工学版),2014,48(1):161 -167. 凸轮许用压力角的合理确定[J].青岛 科技大学学报(自然科学版),2003,24(1):53 -55. 收稿日期:2015 -11 -09 收修改稿日期:2015 -12 -13 基金项目:国家863 高技术研究发展计划资助项目(2014AA041602) 作者简介:赵海鸣(1966— ),男,湖南邵阳隆回人,副教授,硕士。 通信作者:张林林(1989— ),男,河南商丘人,硕士研究生。

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