自動(dòng)移料機(jī)的凸輪廓線設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析

王智森，韋洪新

（景德鎮(zhèn)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333000）

“工業(yè)4.0”與“中國(guó)制造2025”的時(shí)代背景下，各個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)設(shè)備逐步從人工操作向自動(dòng)化控制轉(zhuǎn)型升級(jí)，以滿(mǎn)足產(chǎn)品需求的快速供應(yīng)[1-3]。凸輪機(jī)構(gòu)作為生產(chǎn)設(shè)備中一種常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化的控制機(jī)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低廉并且能滿(mǎn)足不同運(yùn)動(dòng)要求的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在食品、輕工紡織、印刷等領(lǐng)域[4-5]。為了使從動(dòng)件達(dá)到預(yù)期運(yùn)動(dòng)要求，凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中最顯著的難題是凸輪廓線設(shè)計(jì)[6]。

近年來(lái)研究者借助的工具很多，鄧援超等[7]利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）進(jìn)行了機(jī)械鎖緊裝置中凸輪機(jī)構(gòu)廓線的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)研究。呂寧等[8]借助專(zhuān)業(yè)工程參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件（professional engineer，Pro/E）和Matlab軟件實(shí)現(xiàn)凸輪機(jī)構(gòu)廓線精確設(shè)計(jì)。韓慶紅等[9]利用三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件（self organizing large information disseminate work software，SolidWorks）進(jìn)行了灌裝機(jī)分瓶機(jī)構(gòu)凸輪廓線設(shè)計(jì)。金國(guó)光等[10]采用有限元分析軟件（analysis system，ANSYS）實(shí)現(xiàn)高速凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析。上述研究方法在功能上都欠完善，參數(shù)化設(shè)計(jì)較少，缺乏獨(dú)立的軟件工程界面，無(wú)法滿(mǎn)足一體化協(xié)同設(shè)計(jì)分析需求，因此推廣度不高。

1 自動(dòng)移料機(jī)的凸輪廓線設(shè)計(jì)

自動(dòng)移料機(jī)是食品加工機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備中的重要組成部分[11-12]，本文以自動(dòng)移料機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行關(guān)鍵部件的凸輪廓線設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。技術(shù)路線流程圖如圖1所示，首先根據(jù)自動(dòng)移料機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作路徑選定從動(dòng)件推程和回程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；然后結(jié)合凸輪的基本參數(shù)，借助視覺(jué)化編程語(yǔ)言（visual basic，VB）軟件生成可視化用戶(hù)界面軟件工程，實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)路徑需求下的凸輪廓線設(shè)計(jì)；最后實(shí)時(shí)輸出凸輪實(shí)際廓線坐標(biāo)值，導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件（.dat）到工程仿真軟件（working model，WM）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析，完成凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)到運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的一體化流程。

圖1 技術(shù)路線流程圖Fig.1 Technical routeflow chart

1.1 工作原理及路徑規(guī)劃

自動(dòng)移料機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等4個(gè)部分組成，其工作原理如圖2所示。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主軸、X方向擺臂、X方向滑塊、Y方向擺臂、Y方向滑塊、凸輪等，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括吸盤(pán)支架、吸盤(pán)等。自動(dòng)移料機(jī)的工作原理是電機(jī)帶動(dòng)安裝在主軸上的兩個(gè)凸輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)凸輪實(shí)現(xiàn)吸盤(pán)兩個(gè)方向的往復(fù)移動(dòng)，完成食品加工過(guò)程中材料的拾取和放置工作。

圖2 自動(dòng)移料機(jī)工作原理Fig.2 Working principle of automatic transfer machine

在工作過(guò)程中，要求每分鐘完成材料移位120次，即每秒吸盤(pán)實(shí)現(xiàn)2個(gè)循環(huán)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滿(mǎn)足吸盤(pán)X方向和Y方向的路徑規(guī)劃。為了使行程達(dá)到設(shè)計(jì)要求，首要任務(wù)是進(jìn)行凸輪廓線的參數(shù)化設(shè)計(jì)。由于從動(dòng)件擺臂上的滾子半徑為10 mm，滾子中心的軌跡即為追蹤路徑，因此凸輪廓線設(shè)計(jì)包括凸輪理論、實(shí)際兩個(gè)廓線設(shè)計(jì)。當(dāng)滾子中心按照追蹤路徑1運(yùn)動(dòng)時(shí)，吸盤(pán)將完成運(yùn)動(dòng)路徑上X方向的移動(dòng)；同理，追蹤路徑2引導(dǎo)吸盤(pán)完成運(yùn)動(dòng)路徑上Y方向的移動(dòng)。

1.2 凸輪廓線可視化界面工程設(shè)計(jì)

自動(dòng)移料機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中必須保證材料移位平穩(wěn)、精準(zhǔn)，即吸盤(pán)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程要求盡可能保持勻速，因此選定從動(dòng)件推程和回程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為等速運(yùn)動(dòng)。在等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律下，凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件在推程和回程階段的開(kāi)始與結(jié)束的瞬間，速度會(huì)發(fā)生有限值突變，滾子將產(chǎn)生無(wú)窮大的加速度，同時(shí)帶來(lái)無(wú)窮大的慣性力，對(duì)凸輪造成剛性沖擊。

基于上述分析，需要對(duì)從動(dòng)件推程和回程的等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的起始位置和終點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化，消除速度的有限值突變和慣性力造成的剛性沖擊[13-16]。凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律中滿(mǎn)足起始位置和終點(diǎn)位置加速度曲線不發(fā)生突變且連續(xù)的是正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，能夠消除慣性沖擊，實(shí)現(xiàn)工作行程的平穩(wěn)性和可靠性。以從動(dòng)件推程等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程優(yōu)化分析為例，在推程的起始和終點(diǎn)位置各選取一小段優(yōu)化區(qū)間采用正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律作為過(guò)渡銜接中間等速大段，規(guī)定優(yōu)化區(qū)間的凸輪轉(zhuǎn)角分別表示為δ11、δ22，從動(dòng)件對(duì)應(yīng)的位移分別表示為h11、h22，經(jīng)推導(dǎo)得到優(yōu)化后的從動(dòng)件推程等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程即組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程，同理可得從動(dòng)件回程的組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程。組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程分為3段：起始正弦加速小段、中間等速運(yùn)動(dòng)大段和終點(diǎn)正弦減速小段，各段的位移、速度和加速度公式如下。

起始過(guò)渡小段(0≤φ＜π/18)為：

終點(diǎn)過(guò)渡小段(4π/9＜φ≤π/2)為：

將上述優(yōu)化后的3段位移、速度和加速度公式編程為程序段模塊，以便于軟件工程調(diào)用，實(shí)現(xiàn)程序精簡(jiǎn)化。凸輪廓線初始設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 凸輪廓線初始設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Initial design parameters of cam profile

為了保證凸輪機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中不產(chǎn)生自鎖導(dǎo)致無(wú)法運(yùn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)中規(guī)定了凸輪壓力角的許用值，即從動(dòng)件做推程運(yùn)動(dòng)時(shí)[]α=30°～40°，做回程運(yùn)動(dòng)時(shí)[]α=70°～80°?？紤]到自動(dòng)移料機(jī)的凸輪廓線參數(shù)化設(shè)計(jì)要求工作可靠，因此選取從動(dòng)件的推程和回程許用壓力角邊界值，即[]α分別為30°、80°。

基于VB軟件編制凸輪廓線設(shè)計(jì)的可視化界面軟件工程，使用SStab控件進(jìn)行編程完成多分支任務(wù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。用戶(hù)根據(jù)自動(dòng)移料機(jī)的工作行程要求，通過(guò)可視化界面軟件工程，就能實(shí)時(shí)輸出凸輪的理論廓線、實(shí)際廓線形狀及坐標(biāo)值，過(guò)程直觀，提高了設(shè)計(jì)效率。軟件工程的主代碼及注釋如表2所示。

表2 軟件工程的主代碼及注釋Tab.2 Main code and notes of software engineering

檢查全部程序的正確性和可行性并編譯，得到凸輪廓線設(shè)計(jì)的可視化界面軟件工程如圖3所示，根據(jù)自動(dòng)移料機(jī)的功能要求，輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，生成凸輪的理論輪廓和實(shí)際輪廓，查看輸出數(shù)據(jù)，并調(diào)試工程運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖3 可視化界面軟件工程Fig.3 Visual interfacesoftwareengineering

2 自動(dòng)移料機(jī)的凸輪運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)上述可視化界面軟件工程生成的凸輪輪廓曲線，導(dǎo)出實(shí)際廓線坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件到WM軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析，實(shí)現(xiàn)從凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)到運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的一體化流程，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的凸輪是否滿(mǎn)足自動(dòng)移料機(jī)的材料拾取和放置功能要求。

WM作為一款世界流行的二維運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算機(jī)輔助工程軟件，具備概念性設(shè)計(jì)與仿真模擬的特點(diǎn)，可通過(guò)構(gòu)建仿真模型完成精確計(jì)算。WM軟件在二維環(huán)境下利用復(fù)雜的編輯功能提供一個(gè)專(zhuān)業(yè)的全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真，可以模擬牛頓運(yùn)動(dòng)力學(xué)上的各類(lèi)機(jī)構(gòu)，并且呈現(xiàn)直觀的仿真模型讓設(shè)計(jì)者得到不同運(yùn)動(dòng)特性分析曲線。本文借助WM的二維運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析功能，對(duì)利用可視化界面軟件工程設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件位移、速度和加速度運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，可直觀、便捷、高效地得到相關(guān)參數(shù)，利于驗(yàn)證凸輪廓線設(shè)計(jì)的合理性及機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

將實(shí)際輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入WM軟件生成二維凸輪，根據(jù)軟件工程中凸輪各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)據(jù)得到如圖4所示的二維凸輪機(jī)構(gòu)仿真模型，主要結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、凸輪、滾子、擺臂等。

圖4 二維凸輪機(jī)構(gòu)仿真模型Fig.4 Simulation model of two dimensional cam mechanism

2.1 位移分析

自動(dòng)移料機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)吸盤(pán)的運(yùn)動(dòng)路徑可以通過(guò)由滾子、擺臂和滑塊組成的移動(dòng)副位移來(lái)測(cè)量，其中凸輪廓線1決定吸盤(pán)X方向的工作行程，凸輪廓線2決定吸盤(pán)Y方向的工作行程。以1組設(shè)計(jì)參數(shù)生成的凸輪廓線為例，在WM建立的二維凸輪機(jī)構(gòu)仿真模型中選擇移動(dòng)副，添加滾子中心軌跡點(diǎn)，設(shè)定2組凸輪角速度，分別運(yùn)行得到如圖5所示的不同凸輪角速度的吸盤(pán)位移分析曲線。從位移分析曲線圖中可以直觀地讀取一個(gè)周期內(nèi)吸盤(pán)工作行程的范圍，且工作行程平穩(wěn)。

圖5 不同凸輪角速度的吸盤(pán)位移分析曲線Fig.5 Displacement analysiscurveof sucker with different cam angular velocity

2.2 速度分析

用上述方法，選擇滾子、擺臂和滑塊組成的移動(dòng)副進(jìn)行自動(dòng)移料機(jī)的吸盤(pán)速度分析，用WM仿真運(yùn)動(dòng)得到如圖6所示的不同凸輪角速度的吸盤(pán)速度分析曲線。以凸輪角速度為1 rad/s為例，從圖6（a）可分析出，在0 s、1.5 s、3.2 s、4.3 s時(shí)刻，吸盤(pán)速度發(fā)生有限值突變，需要在起始和終點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化。其 中，0～1.5 s，推程階段；3.2～4.3 s，回程階段。

圖6 不同凸輪角速度的吸盤(pán)速度分析曲線Fig.6 Speed analysiscurveof sucker with different cam angular velocity

由速度分析曲線圖可知，吸盤(pán)工作行程的平均速度和速度波動(dòng)明顯小于回程的平均速度和速度波動(dòng)，移料動(dòng)作平穩(wěn)，驗(yàn)證了WM運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果的正確性。在吸盤(pán)工作行程中，速度近似等速，這樣能夠保證自動(dòng)移料機(jī)的工作精度和使用壽命。

2.3 加速度分析

由于從動(dòng)件的推程和回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律均優(yōu)化為3段組合運(yùn)動(dòng)形式，自動(dòng)移料機(jī)在移料過(guò)程中加速度連續(xù)且不會(huì)發(fā)生突變，總體上等效為0。參照上述分析過(guò)程，用WM仿真得到如圖7所示的不同凸輪角速度的吸盤(pán)加速度分析曲線。由加速度分析曲線圖可知，吸盤(pán)在轉(zhuǎn)移材料的工作行程中，平均加速度接近為0，滿(mǎn)足功能要求，只是在每個(gè)周期的起始和終點(diǎn)位置階段會(huì)產(chǎn)生過(guò)渡加速度值，后續(xù)研究需要針對(duì)過(guò)渡階段進(jìn)一步優(yōu)化凸輪廓線，提升吸盤(pán)工作平穩(wěn)性。

圖7 不同凸輪角速度的吸盤(pán)加速度分析曲線Fig.7 Acceleration analysiscurveof sucker with different cam angular velocity

基于優(yōu)化后的等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過(guò)設(shè)定凸輪不同的角速度，比較吸盤(pán)位移、速度和加速度分析結(jié)果后發(fā)現(xiàn)：在一定范圍內(nèi)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，吸盤(pán)位移、速度及加速度幅值均趨于穩(wěn)定，吸盤(pán)工作行程頻率隨之增大?；诖艘?guī)律，用戶(hù)可以通過(guò)可視化界面軟件工程調(diào)試凸輪基本參數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足自動(dòng)移料機(jī)功能要求的凸輪廓線最優(yōu)值。

3 結(jié)論

自動(dòng)移料機(jī)是食品加工機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備中的重要組成部分，本文通過(guò)對(duì)自動(dòng)移料機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作行程進(jìn)行路徑規(guī)劃，創(chuàng)新性地提出了一種基于VB/WM的可視化界面凸輪廓線參數(shù)化設(shè)計(jì)分析方法，實(shí)現(xiàn)材料的拾取和放置功能。為保證材料移位平穩(wěn)和精準(zhǔn)，對(duì)從動(dòng)件的推程和回程等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程的起始和終點(diǎn)過(guò)渡段進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化。通過(guò)可視化界面軟件工程實(shí)時(shí)調(diào)試凸輪初始參數(shù)，結(jié)合從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)特性仿真分析結(jié)果，驗(yàn)證凸輪廓線合理性，修正凸輪機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)分析流程時(shí)間約為20 s，軟件工程功能完善，推廣度較高，為自動(dòng)化裝備的研發(fā)提供了參考，具有較大的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)效益。