自动装盒机推料机构凸轮的设计及运动仿真

向 飞，李克天，何卫锋，利建华

（1.广东工业大学，广州 510006；2.广州利氏包装设备有限公司，广州 510450）

自动装盒机推料机构凸轮的设计及运动仿真

向 飞1，李克天1，何卫锋1，利建华2

（1.广东工业大学，广州 510006；2.广州利氏包装设备有限公司，广州 510450）

0 引言

凸轮机构设计的关键是凸轮轮廓曲线的设计,其决定着凸轮机构的运行能否达到预定的运动要求[1]。传统的凸轮轮廓曲线设计的基本原理是“反转法”，主要有图解法和解析法。图解法简便、直观，但作图误差较大，难以满足凸轮机构精度的要求；解析法则可以通过推导出凸轮轮廓曲线的方程式，精确地计算出凸轮廓线上各点的坐标值，该方法可以获得较高的精度，然而一旦运动规律改变，需要重新进行推导设计凸轮的轮廓曲线，致使工作量较大、设计周期长[2～4]。作为生产企业，为了更快地将产品投入市场，本文提出利用SolidWorks Motion运动学分析软件，结合实际生产情况，根据预期的推料滑块运动规律，对自动装盒机推料机构的凸轮进行了设计与验证，缩短了开发周期，降低了生产成本。

1 推料滑块运动规律的设计

1.1 自动装盒机的推料机构

如图1所示的自动装盒机推料机构是一种串联式凸轮连杆机构[5]，该机构组合系统由凸轮机构和连杆机构组成，该机构的目的主要是将已经基本包装好的物料（如饼干摞等）从物料输送带推送入撑开的纸盒内，以便进行接下来的折舌、插舌等工序。图中沟槽凸轮1固定在传动轴上，摆杆3一端的滚子2嵌在凸轮槽中，沟槽凸轮1作为原动件带动摆杆3进行往复摆动，同时与摆杆另一端相连的连杆4在摆杆的带动下，驱动推块5在水平方向进行往复直线运动，实现了物料推送的动作。

图1 自动装盒机推料机构运动简图

1.2 推料滑块运动规律的设计

结合企业实际生产中遇到的问题，对上述推料机构提出了如下工作要求：

1）推程平稳。为了提高生产效率,推料滑块要先以较大速度接近物料输送线输送来的产品，如保鲜膜筒、袋装饼干摞和袋装玩具摞等, 考虑到不同被推产品的材料性能，推料运动曲线应尽可能连续光滑，以保证推料过程平稳、冲击小。

2）入盒位置准确。推料机构在推料的过程中，具有较高推进速度的产品与垂直于推料方向的纸盒输送轨道侧面的挡板往往会发生刚性冲撞，造成产品反弹回推料轨道，使得产品不能完全进入纸盒，偏离了正确的装盒位置。为了防止所推产品不会出现反弹，要求推块在将产品推入纸盒后仍能保持一段时间的停留，以此确保产品准确入盒，不会卡机。

3）急回特性。要求推料机构返回行程比推料行程运行快，缩短推料周期。

4）推料行程380mm-390mm，推料机构运动周期2s。

为满足上述要求，考虑到五次多项式运动规律的类加速度曲线无突变，且其幅值较小，能有效地避免刚性冲击和柔性冲击[6,7]，设计了如图1所示的推料滑块运动规律曲线。该运动规律由三段运动曲线组成，即0-1s、1.3s-2s为3-4-5多项式运动规律、1s-1.3s为直线运动规律。

图2 推料滑块的运动规律曲线

2 凸轮轮廓曲线的设计

SolidWorks Motion可以基于表格数据或者输入函数的方式来创建凸轮轮廓[8]。本文通过输入所需的运动来驱动从动件，利用逆向的求解，由从动件的运动来生成凸轮轮廓。

首先，建立如图3所示的推料机构装配体，该装配体是简化后的三维模型。凸轮暂时先用圆盘代替，其固定在传动轴上；摆杆是由一长一短两段连杆组成，便于调整两连杆的角度，运动时两连杆是固定在一起的，并同时固定在带有轴承座的销轴上；图中轴承座均未表示出，只是按照结构尺寸要求约束了销轴、传动轴以及轨道的位置关系。

其次，在SolidWorks Motion中创建一个新的运动算例，给推料滑块定义一个线性马达，具体参数设定如图3所示，在表格中输入数据并选择分段曲线类型，生成图2所示运动规律，并给凸轮圆盘添加一个速度为30r/min的旋转运动，在设置完引力方向和仿真算例属性后，运行算例进行求解，持续时间为2s。

图3 推料滑块线性马达的设定

最后，得到如图4和表1所示的滚子中心点的跟踪路径曲线形状与数据，即凸轮的理论轮廓曲线。将此跟踪曲线直接输出到SolidWorks中快速生成如图5所示的凸轮零件。

图4 推料机构装配体

图5 生成的凸轮零件

3 推料机构的运动仿真

为了验证凸轮的轮廓是否准确，需要模拟真实的凸轮工作状况，进行实时运动学仿真。推料机构在实际工作时，根据所推产品的质量和外包装材料的不同，会对推料滑块产生不同大小的摩擦阻力，设定推料机构实际工作时的阻力随时间的变化如下：

新的推料机构装配体如图6所示，

图6 新的推料机构装配体

为了能更真实的反应推料机构的工作状况，需要对第一次的运动仿真参数作如下修改：

1）在滚子和凸轮之间添加实体接触，材料均指定为steel（greasy），其主要的接触参数如表2所示。

表1 滚子和凸轮之间的主要接触参数[9]

2）移除推料滑块的线性马达，致使推料机构仅在旋转马达的驱动下进行运动，并给滑块添加工作阻力，其函数表示为：IF(time-0.1:0,1,IF(time-1:1,0,IF(time-2:0,0,0)))；

3）设置运动算例属性为精确接触。

再次进行运动仿真计算，可得到推料滑块的位移、速度及加速度的特性曲线，如图7～图9所示。分析这些曲线，可得到如下结论：

（1）推料滑块在凸轮驱动下，具有与图2完全相同的运动图解形状，且推料滑块的运动行程为297-（-84）=381mm＜390mm。

（2）返回行程时间0.7s小于推料行程时间1s,说明该机构具有急回特性,即推料行程运行慢保证推料质量，返回行程运行快，降低工作周期。

（3）整个推料过程中，推块的位移、速度变化光滑连续平缓，加速度也基本沿着一条连续的曲线变化，存在瞬时波动，这是实际运行时凸轮与滚子碰撞时可能会产生的情况，而这种碰撞是刚性的，实际上凸轮等其他构件都是弹性的。总体来说，推料过程较平稳，冲击小。

目前，设计的凸轮已应用在实际生产中，未出现产品弹回而卡机的现象，入盒位置准确，达到了预期的设计要求。

图7 推料滑块的位移-时间曲线

图8 推料滑块的速度-时间曲线

图9 推料滑块的加速度-时间曲线

4 结束语

本文运用SolidWorks Motion对自动装盒机推料机构的凸轮进行了设计与运动仿真，得到了凸轮的理论轮廓数据和推料滑块的运动特性曲线，达到了预期的设计要求，并在实际应用中验证了所求凸轮轮廓的准确性，为企业提供了一种方便高效的凸轮设计方法，也可以为其他凸轮的设计提供一定的参考。

[1]郭利锋,郭顺生.凸轮轮廓的设计与仿真[J].机械研究与应用,2005,18(3):95-97.

[2]温建民,付本国.摆动滚子从动件盘形凸轮的自动化设计[J].中国工程机械学报,2006,4(4):465-469,473.

[3]刘静,汪中厚,黄德杰.基于ADAMS的包裹机推料机构凸轮轮廓曲线设计[J].包装工程,2011,32(13):14-16,34.

[4]黄尚兵,金光,安源,王栋.滚子摆动从动件盘形凸轮的设计及优化[J].工程设计学报,2012,19(6):449-453.

[5]张晓玲,沈韶华.实用机构设计与分析[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010:67-68.

[6]石永刚,吴央芳.凸轮机构设计与应用创新[M].北京:机械工业出版社,2007:20-49.

[7]彭文生,李志明,黄华梁.机械设计[M].2版.北京:高等教育出版社,2008:54-77.

[8]陈超祥,胡其登.SolidWorks Motion运动仿真教程[M].北京:机械工业出版社,2012:107-115.

[9]张晋西,郭学琴.SolidWorks及COMOSMotion机械仿真设计[M].北京:清华大学出版社,2007:17-43.

Design and kinematic simulation of pusher mechanism in automatic cartoning machine

XIANG Fei1，LI Ke-tian1，HE Wei-feng1，LI Jian-hua2

根据自动装盒机推料滑块机构的运动规律，运用运动学逆向求解出凸轮的轮廓曲线，将得到的凸轮进行实时运动学仿真，验证所求凸轮轮廓的准确性，最后求解滑块的位移、速度、加速度曲线，满足推料滑块的运动规律。

推料机构；凸轮轮廓设计；运动仿真

向飞（1988 -），男，硕士研究生，主要从事机械结构设计等方面的研究。

TH161

A

1009-0134(2014)05(下)-0137-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).39

2014-02-24

广东省科技计划项目资助（2012B091000028；2012B011300027）