吹塑機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析

高東強(qiáng)， 韓 昆， 孫 倩

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

隨著現(xiàn)代藥品行業(yè)的快速發(fā)展，藥品包裝的自動(dòng)化程度越來越高，目前國(guó)內(nèi)外都在積極研發(fā)和對(duì)包裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行不斷的更新和改進(jìn)[1].在整條包裝線中吹塑機(jī)構(gòu)是重要的環(huán)節(jié)，我國(guó)的泡罩機(jī)的吹塑機(jī)構(gòu)主要分為氣壓推動(dòng)和凸輪向上推動(dòng)兩種.氣動(dòng)間歇給進(jìn)會(huì)對(duì)模具產(chǎn)生較大的沖擊、振動(dòng)和磨損[2]；凸輪向上推動(dòng)的結(jié)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中都要克服模具自重，而且還要有較好的安裝位置精度，如果安裝有誤差就會(huì)是模具閉合不好或者受力過大，因此需要在滿足生產(chǎn)要求的前提下設(shè)計(jì)更好的機(jī)構(gòu)來改善它們的不足.

吹塑機(jī)構(gòu)是一個(gè)間歇的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)上分析，一般都是選凸輪的運(yùn)動(dòng)方式[3,4].因此凸輪機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)吹塑機(jī)構(gòu)的受力，進(jìn)而影響成型模具的壽命和工作效率.

Solidworks具有強(qiáng)大建模功能，是美國(guó)Solidworks公司在總結(jié)和繼承大型機(jī)械CAD軟件基礎(chǔ)上，在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)機(jī)械三維CAD軟件[5]，可以通過數(shù)學(xué)模型建模得到比較精準(zhǔn)的模型.ADAMS軟件是由美國(guó)機(jī)械動(dòng)力公司開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，是目前世界上最具權(quán)威、使用范圍最廣的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件[6].它們之間通過共享的交換文件(.x_t)，將Solidworks建立的模型導(dǎo)入ADAMS中，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真分析.本文結(jié)合兩種軟件的優(yōu)點(diǎn)完成對(duì)吹塑機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析[7].

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的吹塑機(jī)機(jī)構(gòu)主要由一套模具、凸輪，滾子、彈簧和別的輔助件等組成，如圖1所示.

1.成型上底板 2.動(dòng)模 3.定模 4立柱 5.彈簧6. 凸輪 7.滾子 8.滾子座 9.成型底板 10.機(jī)架圖1 總裝圖

傳統(tǒng)的滾子是向上運(yùn)動(dòng)，由于模具一般都比較重的，如果推動(dòng)模具向上運(yùn)動(dòng)，這樣凸輪就會(huì)克服較大的重力來完成運(yùn)動(dòng).如果安裝位置有誤差，會(huì)出現(xiàn)模具閉合不好使吹塑漏氣或者會(huì)使運(yùn)動(dòng)超程使受力增大.在此設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)中，凸輪推動(dòng)滾子向下運(yùn)動(dòng)使模具閉合，彈簧的張力使模具分離.凸輪在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中僅受彈簧的彈力.另外，在安裝時(shí)可以超程安裝，這樣超程產(chǎn)生的力會(huì)被彈簧吸收，從而減少別的組件受力，還可以保證模具完全閉合.

1.2 工作原理

將定模固定在機(jī)架上，動(dòng)模固定在成型上底板上，成型上底板通過4根立柱與成型底板固定在一起形成剛性的整體，滾子通過滾子座與成型底板形成剛性的整體，這個(gè)可以保證滾子、成型底板和動(dòng)模同步運(yùn)動(dòng).在運(yùn)動(dòng)過程中，凸輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，升程時(shí)推動(dòng)滾子向下運(yùn)動(dòng)使模具閉合，彈簧處于最大拉伸狀態(tài)；凸輪的間歇運(yùn)動(dòng)給模具足夠的閉合停留時(shí)間，使加熱后的PPC在模具中完成吹塑成型；回程時(shí)彈簧收縮，在彈力的作用下使模具分離，在彈簧處于最小拉伸狀態(tài)，凸輪的間歇運(yùn)動(dòng)給模具足夠的分離停留時(shí)間，成型后的PPC被拉出去，這樣完成了一次吹塑過程.

2 主要零件的設(shè)計(jì)

此吹塑機(jī)構(gòu)主要由彈簧和凸輪組成的系統(tǒng)來完成運(yùn)動(dòng)，因此根據(jù)工況對(duì)彈簧和凸輪進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.

2.1 彈簧剛度計(jì)算

由于吹塑機(jī)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程是由凸輪和彈簧共同完成的，所以彈簧的剛度是重要的參數(shù)，初步選取彈簧材料65 mn、彈簧絲直徑d=4 mm、中徑D2=31 mm、有效圈數(shù)n=13,彈簧剛度由公式(1)求解：

(1)

2.2 凸輪的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)該機(jī)器在工作時(shí)PPC被加熱情況和吹塑氣壓的控制情況，一般吹塑時(shí)間和成型后被拉出時(shí)間均約0.7 s設(shè)計(jì).選取20 r/min，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中要盡量運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，避免沖擊，則可以選擇修正弦、5次多項(xiàng)式或更高次多項(xiàng)式的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在考慮設(shè)計(jì)、加工成本和滿足需要的綜合考慮下，選用修正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律[8,9].

圖2 凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖2的B0點(diǎn)為凸輪理論廓線的起點(diǎn).當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過δ角時(shí)，推桿響應(yīng)的產(chǎn)生位移s.根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，此時(shí)滾子中心應(yīng)處于B點(diǎn)，則凸輪廓線在直角參數(shù)方程為[10,11]：

(2)

根據(jù)式(2)和推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以得到所要設(shè)計(jì)的凸輪理輪廓線方程[12].

當(dāng)δ=0～90 °時(shí)，凸輪開始升程，凸輪理論廓線方程為

(3)

當(dāng)δ=90 °～180 °時(shí)，滾子在距離凸輪回轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)位置不動(dòng)，凸輪理論廓線方程為

(4)

當(dāng)δ=180 °～270 °時(shí)，凸輪開始回程，凸輪理論廓線方程為

(5)

當(dāng)δ=270 °～360 °時(shí)，滾子在距離凸輪回轉(zhuǎn)中心最近位置不動(dòng)，凸輪理論廓線方程為

(6)

2.3 建立凸輪實(shí)體模型

根據(jù)對(duì)心滾子凸輪不同階段的參數(shù)方程，按1 °(換算成弧度)取一個(gè)點(diǎn)，運(yùn)用Excel計(jì)算，從而得到凸輪輪廓線的X、Y的坐標(biāo)值，因?yàn)橥馆喞€是平面曲線，所以在三維建模軟件中將Z坐標(biāo)值取為0，將這幾段的坐標(biāo)點(diǎn)按照從δ=0 °～360 °排列好，得到全部的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)文件保存為后綴名為“.txt”文件.打開Solidworks軟件，單擊“曲線”命令選擇通過XYZ坐標(biāo)點(diǎn)做曲線的方式導(dǎo)入坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)文件，生成曲線,通過向內(nèi)平移一個(gè)滾子半徑得到凸輪實(shí)際輪廓曲線，再拉伸得到三維實(shí)體凸輪，如圖3所示.

圖3 雙簡(jiǎn)諧凸輪

2.4 裝配模型并簡(jiǎn)化

吹塑機(jī)構(gòu)中除去幾個(gè)主要的零件外，其余零部件都是支撐機(jī)構(gòu)或者輔助機(jī)構(gòu)，對(duì)吹塑機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析的影響不大可以略去.又因?yàn)槌尚偷装?、立柱和模具是剛性連接運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，彈簧在整個(gè)運(yùn)動(dòng)中又滿足胡克定律，所以在Solidworks中簡(jiǎn)化后的裝配模型如圖4所示.

圖4 裝配簡(jiǎn)圖

3 ADAMS環(huán)境下動(dòng)力學(xué)仿真

將簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入之后，還要對(duì)模型添加約束、驅(qū)動(dòng)和外部載荷，為了使仿真更接近實(shí)際，考慮構(gòu)件自身重力的影響，設(shè)置重力加速度[13].

3.1 外部載荷

簡(jiǎn)化后裝配模型中成型底板處于升程的最大位置，彈簧處于最大拉伸狀態(tài)，變形量為35 mm，滿足胡克定律，由公式(7)求得：

F1=KX

(7)

式中:K為彈簧的剛度；X為彈簧的形變量；計(jì)算的F1=266.8 N.

經(jīng)過計(jì)算，成型底板的重量為16.8 kg(即168.9 N)，由材料力學(xué)知識(shí)求得分布到每個(gè)彈簧的力F2=42.1 N.

最終對(duì)每個(gè)彈簧所施加的預(yù)拉力

F=F1+F2=308.9 N(方向與重力方向相反)

3.2 定義約束和接觸

為了更加真實(shí)的突出仿真效果，凸輪與滾子之間沒有采用凸輪高副約束，而是在模型中加入接觸力(contact)，接觸類型用solid-to-solid碰撞的形勢(shì)，碰撞剛度系數(shù)為1.2E+005 N/mm,其它參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)即可滿足要求.根據(jù)吹塑機(jī)中凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況和條件，對(duì)模型添加約束、驅(qū)動(dòng)，為了使仿真效果更接近實(shí)際，考慮構(gòu)件自身重力的影響，因此設(shè)置重力加速度.綜合所有影響因素后，建立虛擬樣機(jī)模型如圖5所示.

圖5 虛擬樣機(jī)

3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

虛擬樣機(jī)建立后，根據(jù)實(shí)際的工況取電機(jī)轉(zhuǎn)速20 r/min.，設(shè)置仿真時(shí)間為10 s，仿真步長(zhǎng)為0.1，分別對(duì)成型底板的Y方向(運(yùn)動(dòng)方向)的位移、速度、加速度進(jìn)行求解分析，位移曲線如圖6所示.

圖6 成型底板Y方向位移

從動(dòng)件在推程和回程階段，速度和加速度變化相當(dāng)劇烈，同時(shí)也恰恰真實(shí)地反映了凸輪機(jī)構(gòu)的實(shí)際情況，通過對(duì)曲線進(jìn)行濾波處理，得到較為清晰的速度和加速度曲線，如圖7所示.

圖7 成型底板Y方向速度和加速度

3.4 仿真結(jié)果分析

從圖6成型底板位移曲線可以看出，當(dāng)凸輪速度為120 °/s時(shí)，凸輪的升程、停歇、回程和停歇的時(shí)間都是0.75 s，證明彈簧的響應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求.升程位移為34.7 mm，偏差為0.86%，在準(zhǔn)許的范圍之內(nèi)，故成型底板的運(yùn)動(dòng)位移曲線滿足運(yùn)動(dòng)要求，彈簧剛度滿足要求.

從圖7可以看出，在剛開始的時(shí)間里曲線的突變較大，隨著時(shí)間的推移逐漸平穩(wěn)在一定范圍內(nèi)，這和機(jī)構(gòu)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)吻合.成型底板最大速度vmax=0.093 m/s，而曲線的最大速度為0.092 4 m/s，基本相同.由于該機(jī)構(gòu)是在彈簧和凸輪的共同作用下完成的，所以加速度與凸輪的理論加速度有差異，但也在一定的范圍內(nèi)變化并趨于穩(wěn)定，可以認(rèn)為滿足要求.通過分析可以認(rèn)為成型底板的速度曲線和加速曲線滿足要求.

推程時(shí)的最大壓力角由公式(8)得：

(8)

αmax=16.8 °≤30 °.

由以上的分析可證明此機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足要求.

4 實(shí)際應(yīng)用

該吹塑機(jī)構(gòu)在某藥品企業(yè)的平板泡罩包裝機(jī)械上已經(jīng)得到了應(yīng)用，如圖8所示.

圖8 物理樣機(jī)

要求：模具是針劑包裝的PPC托，吹塑氣壓0.7 Mpa，加熱溫度128 ℃，轉(zhuǎn)速20 r/min，成型率大于95%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.該實(shí)驗(yàn)證明：該機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)速小于26 r/min時(shí)可以按要求很好地完成工作任務(wù).

表1 成型率

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)該吹塑機(jī)構(gòu)建立彈簧和凸輪的數(shù)學(xué)模型，并在Solidworks環(huán)境下結(jié)合Excel更加精確地設(shè)計(jì)出實(shí)體模型，在ADAMS中仿真得到運(yùn)動(dòng)曲線，通過分析運(yùn)動(dòng)曲線和壓力角證明此吹塑機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足要求.又通過該機(jī)構(gòu)在某企業(yè)的平板泡罩包裝機(jī)械上的實(shí)際應(yīng)用,證明該機(jī)構(gòu)可以按要求很好的完成工作任務(wù).

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