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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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