串聯(lián)式凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)的分析及設(shè)計探討

摘 要：本文以方便針包裝機(jī)為例，從機(jī)構(gòu)組合方案確定著手，分析了串聯(lián)式凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)的解析法設(shè)計和圖解法設(shè)計，并以計算機(jī)為輔助，探討了不同的設(shè)計方案，最后研究了串聯(lián)式凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，旨在為相關(guān)研究和設(shè)計實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)式；凸輪連桿；組合機(jī)構(gòu)；設(shè)計

1 確定機(jī)構(gòu)組合方案

方便針自動包裝機(jī)能夠有效提升包裝生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，其共有六個不同規(guī)格的方便針，在工作的過程中，不同規(guī)格的方便針按照要求的順序排列并插入到包裝紙中，從而實(shí)現(xiàn)方便針包裝。

對于方便針自動包裝機(jī)切紙工位的串聯(lián)式凸輪連桿機(jī)構(gòu)組合系統(tǒng)來說，其主要功能是將方便針帶狀包裝紙按照規(guī)定的寬度進(jìn)行切斷處理，在方便針插入到包裝紙之前，需要保證切紙刀壓板壓緊，以此來保證插針動作完成[ 1 ]。凸輪軸位置與切紙刀拉桿位置之間的距離較大，因此簡單的直動從動件凸輪機(jī)構(gòu)并不適用。根據(jù)包裝機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定采用串聯(lián)式凸輪連桿機(jī)構(gòu)組合，其包括兩個基本機(jī)構(gòu)，分別是連桿機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)，在分配軸上安裝凸輪，帶動擺桿按照設(shè)定規(guī)律往復(fù)擺動，通過滑塊帶動切刀拉桿上下移動，完成切紙動作，在系統(tǒng)中，擺桿是凸輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)的輸入構(gòu)件，這種組合方式就是串聯(lián)式組合。

2 串聯(lián)式凸輪連桿機(jī)構(gòu)的計算機(jī)輔助設(shè)計

2.1 解析法設(shè)計步驟分析

以從動件運(yùn)動規(guī)律確定的凸輪廓線為基礎(chǔ)，對凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，采用解析法，通過計算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)值計算，確定凸輪廓線上各點(diǎn)的曲率半徑值、坐標(biāo)值以及壓力角等參數(shù)數(shù)值。凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)設(shè)計步驟解析如下：1）根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖給出的尺寸及拉桿位移來進(jìn)行凸輪擺件最大擺角的計算；2）將推程許用壓力角設(shè)置為45度，以此來保證凸輪機(jī)構(gòu)良好的受力情況，將凸輪實(shí)際廓線的許用曲率半徑設(shè)置為3毫米，以此來避免出現(xiàn)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動失真的現(xiàn)象，在設(shè)計的過程中，對凸輪理論廓線外凸部分曲率半徑有著一定的要求，其應(yīng)當(dāng)大于等于13毫米；3）進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)的計算機(jī)輔助設(shè)計，對實(shí)際廓線和理論廓線各點(diǎn)的曲率半徑、壓力角以及坐標(biāo)值等參數(shù)進(jìn)行計算[ 2 ]；4）對凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行運(yùn)動仿真，驗證其運(yùn)動的合理性，解析法設(shè)計結(jié)果如圖1所示：

其中最大壓力角為31.94度，小于45度，符合設(shè)計要求，運(yùn)動仿真結(jié)果表明，此設(shè)計方案下的凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動合理，能夠?qū)崿F(xiàn)正常工作。

2.2 圖解法設(shè)計步驟分析

對于切紙用凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)來說，其凸輪的起始位置在升程后半段，擺桿擺動中心不在水平位置上，在設(shè)計的過程中，為了保證運(yùn)動時序的準(zhǔn)確性，就需要準(zhǔn)確的確定凸輪上鍵槽位置，圖解法進(jìn)行凸輪廓線設(shè)計有著方便直觀的特點(diǎn)，以CAXA電子圖版環(huán)境為基礎(chǔ)，利用圖解法進(jìn)行設(shè)計，具體的設(shè)計步驟如下：首先，按照比例來進(jìn)行從動件位移線圖的繪制，通過CAXA電子圖版來進(jìn)行位移線圖繪制，比例尺為0.8°/毫米，利用CAXA電子圖版中的尺寸標(biāo)注功能，能夠在位移線圖中直接量取各個等分點(diǎn)對應(yīng)的角位移[ 3 ]，此外，還可以通過CAXA電子圖版中的查詢功能來直接查詢各個等分點(diǎn)對應(yīng)的角位移。根據(jù)具體的需要來合理的設(shè)置尺寸精度，本設(shè)計設(shè)置的尺寸精度為小數(shù)點(diǎn)后兩位。第二，以50毫米為半徑來作出基圓，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖中的已知條件，對從動件轉(zhuǎn)軸中心點(diǎn)位置進(jìn)行確定，以此位置為圓心，以擺桿長度為半徑畫出圓弧，擺桿長度為70.5毫米，圓弧與基圓相較于一點(diǎn)，此點(diǎn)則是假想的從動件尖端起始位置。第三，利用CAXA電子圖版的繪圖功能，以圖解法為基礎(chǔ)，對凸輪的理論廓線和實(shí)際廓線進(jìn)行繪制。第四，將繪制的理論廓線和實(shí)際廓線進(jìn)行順時針方向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為35度，獲得凸輪初始工作位置[ 4 ]。用上述方法進(jìn)行凸輪廓線設(shè)計的過程中，尺寸精度為小數(shù)點(diǎn)后兩位，計算機(jī)精度也為小數(shù)點(diǎn)后兩位，手工圖解法設(shè)計精度為小數(shù)點(diǎn)后一位，由此可見，計算機(jī)輔助設(shè)計中圖解法的設(shè)計精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手工圖解法設(shè)計精度，同時，相較于解析法設(shè)計來說，計算機(jī)輔助設(shè)計中的解析法設(shè)計雖然精度上與前者相同，但其有著更加形象、直觀的特點(diǎn)。

3 串聯(lián)式凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在CAXA電子圖版環(huán)境下，進(jìn)行串聯(lián)式凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定主要尺寸，以此來為凸輪機(jī)構(gòu)的計算機(jī)輔助設(shè)計奠定基礎(chǔ)。串聯(lián)式凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

在圖2中，1代表分配軸，2代表擺桿，3代表銷軸，4代表拉桿，5代表擺桿軸，6代表支架，7代表導(dǎo)向塊，8代表彈簧，9代表切紙刀，10代表底板，11代表滾子，12代表凸輪，13代表鍵。為了防止擺桿和凸輪在工作的過程中互相影響，擺桿設(shè)計形狀如圖中所示，為了進(jìn)一步簡化凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，用圓柱銷軸來替換連接擺桿和拉桿的滑塊，在替換之后，凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)的自由度以及執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動規(guī)律沒有受到影響，通過彈簧來實(shí)現(xiàn)拉桿的向上運(yùn)動。

4 結(jié)論

本文以方便針自動包裝機(jī)為例，通過圖解法和解析法結(jié)合的方式對包裝機(jī)切紙位的凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)進(jìn)行了計算機(jī)輔助設(shè)計。通過圖解法完成了凸輪實(shí)際廓線的設(shè)計，通過解析法實(shí)現(xiàn)了凸輪廓線最大壓力角的確定。之后以CAXA電子圖版環(huán)境為基礎(chǔ)，對凸輪連桿機(jī)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛小雯，蔡小華.基于UG軟件的串聯(lián)式凸輪連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計方法與運(yùn)動分析[J].輕工機(jī)械，2012（01）：31-34.

[2] 張繼忠，師忠秀.串聯(lián)式凸輪—連桿機(jī)構(gòu)組合系統(tǒng)的運(yùn)動分析[J].現(xiàn)代制造工程，2004（06）：96-98.

[3] 顧蓉蓉.凸輪連桿組合機(jī)構(gòu)的特性分析和優(yōu)化設(shè)計[D].南京理工大學(xué)，2006.

作者簡介：周子懿（1994-），男，漢族，江西九江人，南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院本科在讀，研究方向：機(jī)械制造及其自動化。