串联式凸轮连杆组合机构的分析及设计探讨

摘 要：本文以方便针包装机为例，从机构组合方案确定着手，分析了串联式凸轮连杆组合机构的解析法设计和图解法设计，并以计算机为辅助，探讨了不同的设计方案，最后研究了串联式凸轮连杆组合机构的系统结构设计，旨在为相关研究和设计实践提供参考。

关键词：串联式；凸轮连杆；组合机构；设计

1 确定机构组合方案

方便针自动包装机能够有效提升包装生产效率，降低生产成本，其共有六个不同规格的方便针，在工作的过程中，不同规格的方便针按照要求的顺序排列并插入到包装纸中，从而实现方便针包装。

对于方便针自动包装机切纸工位的串联式凸轮连杆机构组合系统来说，其主要功能是将方便针带状包装纸按照规定的宽度进行切断处理，在方便针插入到包装纸之前，需要保证切纸刀压板压紧，以此来保证插针动作完成[ 1 ]。凸轮轴位置与切纸刀拉杆位置之间的距离较大，因此简单的直动从动件凸轮机构并不适用。根据包装机结构特点，决定采用串联式凸轮连杆机构组合，其包括两个基本机构，分别是连杆机构和凸轮机构，在分配轴上安装凸轮，带动摆杆按照设定规律往复摆动，通过滑块带动切刀拉杆上下移动，完成切纸动作，在系统中，摆杆是凸轮机构和连杆机构的输入构件，这种组合方式就是串联式组合。

2 串联式凸轮连杆机构的计算机辅助设计

2.1 解析法设计步骤分析

以从动件运动规律确定的凸轮廓线为基础，对凸轮机构进行设计，采用解析法，通过计算机实现数值计算，确定凸轮廓线上各点的曲率半径值、坐标值以及压力角等参数数值。凸轮连杆组合机构设计步骤解析如下：1）根据机构运动图给出的尺寸及拉杆位移来进行凸轮摆件最大摆角的计算；2）将推程许用压力角设置为45度，以此来保证凸轮机构良好的受力情况，将凸轮实际廓线的许用曲率半径设置为3毫米，以此来避免出现凸轮机构运动失真的现象，在设计的过程中，对凸轮理论廓线外凸部分曲率半径有着一定的要求，其应当大于等于13毫米；3）进行凸轮机构的计算机辅助设计，对实际廓线和理论廓线各点的曲率半径、压力角以及坐标值等参数进行计算[ 2 ]；4）对凸轮结构设计进行运动仿真，验证其运动的合理性，解析法设计结果如图1所示：

其中最大压力角为31.94度，小于45度，符合设计要求，运动仿真结果表明，此设计方案下的凸轮机构运动合理，能够实现正常工作。

2.2 图解法设计步骤分析

对于切纸用凸轮连杆组合机构来说，其凸轮的起始位置在升程后半段，摆杆摆动中心不在水平位置上，在设计的过程中，为了保证运动时序的准确性，就需要准确的确定凸轮上键槽位置，图解法进行凸轮廓线设计有着方便直观的特点，以CAXA电子图版环境为基础，利用图解法进行设计，具体的设计步骤如下：首先，按照比例来进行从动件位移线图的绘制，通过CAXA电子图版来进行位移线图绘制，比例尺为0.8°/毫米，利用CAXA电子图版中的尺寸标注功能，能够在位移线图中直接量取各个等分点对应的角位移[ 3 ]，此外，还可以通过CAXA电子图版中的查询功能来直接查询各个等分点对应的角位移。根据具体的需要来合理的设置尺寸精度，本设计设置的尺寸精度为小数点后两位。第二，以50毫米为半径来作出基圆，根据机构运动简图中的已知条件，对从动件转轴中心点位置进行确定，以此位置为圆心，以摆杆长度为半径画出圆弧，摆杆长度为70.5毫米，圆弧与基圆相较于一点，此点则是假想的从动件尖端起始位置。第三，利用CAXA电子图版的绘图功能，以图解法为基础，对凸轮的理论廓线和实际廓线进行绘制。第四，将绘制的理论廓线和实际廓线进行顺时针方向旋转，旋转角度为35度，获得凸轮初始工作位置[ 4 ]。用上述方法进行凸轮廓线设计的过程中，尺寸精度为小数点后两位，计算机精度也为小数点后两位，手工图解法设计精度为小数点后一位，由此可见，计算机辅助设计中图解法的设计精度要远远高于手工图解法设计精度，同时，相较于解析法设计来说，计算机辅助设计中的解析法设计虽然精度上与前者相同，但其有着更加形象、直观的特点。

3 串联式凸轮连杆组合机构的系统结构设计

在CAXA电子图版环境下，进行串联式凸轮连杆组合机构的系统结构设计，确定主要尺寸，以此来为凸轮机构的计算机辅助设计奠定基础。串联式凸轮连杆组合机构系统结构图如图2所示：

在图2中，1代表分配軸，2代表摆杆，3代表销轴，4代表拉杆，5代表摆杆轴，6代表支架，7代表导向块，8代表弹簧，9代表切纸刀，10代表底板，11代表滚子，12代表凸轮，13代表键。为了防止摆杆和凸轮在工作的过程中互相影响，摆杆设计形状如图中所示，为了进一步简化凸轮连杆组合机构系统结构，用圆柱销轴来替换连接摆杆和拉杆的滑块，在替换之后，凸轮连杆组合机构的自由度以及执行构件的运动规律没有受到影响，通过弹簧来实现拉杆的向上运动。

4 结论

本文以方便针自动包装机为例，通过图解法和解析法结合的方式对包装机切纸位的凸轮连杆组合机构进行了计算机辅助设计。通过图解法完成了凸轮实际廓线的设计，通过解析法实现了凸轮廓线最大压力角的确定。之后以CAXA电子图版环境为基础，对凸轮连杆机构系统结构进行了设计。

参考文献：

[1] 薛小雯，蔡小华.基于UG软件的串联式凸轮连杆机构的设计方法与运动分析[J].轻工机械，2012（01）：31-34.

[2] 张继忠，师忠秀.串联式凸轮—连杆机构组合系统的运动分析[J].现代制造工程，2004（06）：96-98.

[3] 顾蓉蓉.凸轮连杆组合机构的特性分析和优化设计[D].南京理工大学，2006.

作者简介：周子懿（1994-），男，汉族，江西九江人，南昌工程学院机械与电气工程学院本科在读，研究方向：机械制造及其自动化。