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啤酒貼標機取標機構計算機輔助設計
瀏覽 : 發布日期 :2018-09-27 16:26:25

貼標機是啤酒生產線上的一個重要設備 ,其主要功能是將商標紙均勻地貼在啤酒瓶表麵上 。其中取標機構最為複雜 ,且運動要求很高 ,是貼標機設計中的難點 。取標機構的工作原理如圖1所示 。在取標過程中 ,轉盤1繞O0點作勻速轉動 ,轉盤下方固定安裝一盤形凸輪2 ,當扇形齒輪3隨轉盤1作公轉運動時 ,凸輪2的曲線可通過銷軸4控製扇形齒輪3繞O1點作自動運動 。取標板5和齒輪6固連在一起 ,隨轉盤作公轉運動 ,其繞O2點的自轉運動是由扇形齒輪3驅動的 。標板7上安裝有商標紙 ,在圖示位置固定不動 。若取標板5的複合運動能使取標板沿標板7在長度L的範圍內作純滾動 ,則可圓滿地完成取標作業 。

QQ截圖20180927155841.png

因此 ,貼標機取標機構的設計工作主要為 :(1)當轉盤回轉半徑R 、標板長度L等參數給定後 ,求出取標板的半徑r和偏心e的最佳值 ;(2)求出滿足運動要求的凸輪曲線 。


由於上述機構運動關係十分複雜 ,手工設計隻能靠試湊的辦法來解決 ,無法得出最佳設計參數 ,很難保證整個機構的運行效果 。因此本文采用計算機輔助設計的方法 ,開發出了相應的軟件 ,成功地解決了上述難題 。


取標過程運動誤差分析


設取標板沿標板作純滾動 ,則取標板回轉中心O2的運動軌跡應為擺線 ,見圖2 。

QQ截圖20180927160014.png

圖中

  x=rt-esint (1)

  y=r-ecost (2)

其中 ,-L/2r≤t≤L/2r 。然而 ,貼標機取標板回轉中心O2的實際運動軌跡為圓 ,因此與運動要求存在誤差 。由於機構的對稱性 ,僅研究圖示位置(t≥0)的情況 ,可得

QQ截圖20180927160210.png

2問題求解


由於機構的原因 ,運動誤差不可避免 ,當x方向上產生誤差時 ,貼標機取標板將在標板表麵產生滑移 ;當y方向上產生誤差時 ,取標板將擠壓標板 。所以在設計時應正確選擇取標板半徑r和偏心e ,使得誤差達到最小,即

QQ截圖20180927160313.png

式中 :α1 、α2為權因子係數 ,分別代表了x和y方向上的誤差係數 ,並且α1+α2=1 。由於標板在y方向為彈性支承 ,允許標板產生一定範圍的法向位移 ,通常取α1>α2 。


    由於式(5)定義的是一個泛函極值的問題 ,且需要求解非線形方程組 ,十分困難 。因此 ,本文采用了優化算法 。以r 、e為變量 ,以式(5)為目標函數進行求解 。在目標函數計算時 ,以t為變量 ,以一定的步長掃描0~L/(2r)的範圍 ,求出最大值 。這裏沒有采用一維搜索的方法 ,主要是擔心由於函數關係複雜而導致計算失敗 。盡管如此 ,在實際計算時 ,速度仍然很快 ,無須等待 。


   3 計算凸輪曲線


  如圖3所示 ,設當O2隨轉盤轉於p{xp ,yp}點時

  xp=Rsinθp yp=Rcosθp

式中 :θ為轉盤的轉角 。

  根據式(1) 、式(2)得

  xp=rtx-esintx (6)

  yp=r-R-ecosty (7)

  根據式(6)、式(7)可求tx ,ty ,令

  tp=α1tx+α2ty (8)

可求出θp與tp之間的對應關係 ,根據t的轉角以及扇形齒3與齒輪5之間的傳動比以及銷軸孔的位置完全確定後 ,可方便地求出凸輪曲線 。

QQ截圖20180927160402.png

4 軟件編程


為實現以上設計計算 ,在AutoCAD環境下 ,用ADS開發出了計算機輔助設計軟件 ,該軟件共分以下幾個模塊 :(1)用戶輸入模塊 主要提供一個用戶輸入數據的界麵 ,其中包括標板長度 、轉盤回轉半徑 、齒輪齒數等幾何參數 ,以及取標板半徑和偏心距的最大 、最小值 ,權係數α1 、α2等參數的輸入 。(2)r 、e計算模塊 根據用戶輸入數據 ,利用優化算法計算出r 、e的值 ,並將計算結果顯示於屏幕 。(3)凸輪曲線計算模塊 根據以上計算結果和擁護輸入的數據 ,計算凸輪曲線 ,並將計算結果保存於數據文件 。(4)動態仿真模塊 根據以上數據模擬顯示取標運動過程 ,並可顯示在運動過程的中法向和切向誤差 。(5)繪圖模塊 用於繪製凸輪曲線 、機構原理圖 、運動誤差分析等的圖形顯示等 。


5 應用實例


在生產中需要開發取標板長度L=130mm的貼標機 ,該貼標機轉盤回轉半徑R=135mm ,扇形齒齒數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 。應用本文所屬計算機輔助設計軟件的計算結果為 :半徑r=56.11mm ,間距為D=40mm 。α1=1 、α2=0時(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 ,法向誤差為0.692mm ,切向誤差為0.296mm ;α1=0.5 、α2=0.5時 ,法向誤差為0.357mm ,切向誤差為1.476mm ;α1=0 、α2=1時(無擠壓) ,法向誤差為零 ,最大切向誤差為2.941mm 。該數據在貼標機設計中得到了應用 。


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