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1、PET旋转式吹瓶机取、送瓶系统的组合凸轮参数化设计Parametric Design of Combination Cam Based on the Take-Send Bottle System of PET Rotary Blowing Machine,赵良知 胡安朋 ,1.意义,1. 随着社会的发展和人们生活水平的提高，塑料包装制品的应用越来越广泛，需求量也是越来越大，旋转式吹瓶作为一种新型的吹塑成型设备，由于其效率远远高于传统的直线式吹瓶机，已经逐步超越传统的直线式吹瓶机，占据了绝大部分的市场份额； 2. 目前，市场上进口设备以法国的SIDEL、德国的KRONES、克努伯、SIG等厂家
2、为代表，他们的设备的最高单模产量能达到2400P/H，国产设备以广州达意隆包装机械有限公司、东莞佳鸿机械制造有限公司、江苏新美星包装机械股份有限公司、杭州中亚机械有限公司等几家知名企业为代表，但国产设备的产量较之进口设备还有较大差距，现在正在研究突破单模产量1800P/H2400/H这一数值； 3. 根据实践经验，制约旋转式吹瓶机产量和稳定性的一个关键的技术因素就是凸轮系统的性能，虽然许多科研工作者和一线的设计人员在这方面做了大量工作，但还不够完善，本文以取、送瓶凸轮系统为研究对象，对该凸轮系统进行了理论研究和整体设计，具有实际的应用价值。,2.研究内容,1.将升程、休止、回程的概念引入到取、
3、送瓶凸轮系统的设计过程中，通过矢量分析法，建立并求解取、送瓶凸轮曲线的参数方程，同时凸轮过渡部分曲线采用五次多项式，建立凸轮运行周期的完整参数方程，为凸轮的参数化设计提供理论依据； 2.利用matlab软件建立凸轮参数化设计GUI，通过凸轮轮廓外形的初步判断，确定合适的取、送瓶休止角度、升程角度以及回程角度等凸轮运行参数，大大缩短了凸轮设计的周期； 3.根据确定的设备结构参数和凸轮运行参数，利用Pro/E软件，建立取、送瓶凸轮机构的三维仿真模型，进行运动学仿真，通过不同参数以及线型情况下凸轮曲线的曲率以及从动滚子速度、加速度、弹簧拉伸长度等因素的对比，确定合理的凸轮运行参数，改善凸轮曲线的曲率
4、以及凸轮机构运行过程中从动滚子的速度、加速度等，从而达到提高旋转式吹瓶机的产量以及动作准确性和运转稳定性,3.旋转式吹瓶机取、送瓶凸轮工作过程,根据取瓶部分凸轮曲线的工作原理，取瓶部分凸轮曲线由三部分曲线组成：（1）第一部分就是机械手指向瓶子靠近的阶段，通常称之为取瓶靠近段，在这一阶段里，机械手指在凸轮曲线的作用下慢慢向瓶子靠近，直至机械手指中心与瓶口中心重合，这一阶段机械手指的运动相当于直动凸轮从动件滚子的升程运动，因此，将这一阶段的凸轮曲线定义为取瓶凸轮升程曲线； （2）第二部分就是机械手指跟随模具中心移动阶段，通常称之为取瓶随行段，在这一阶段里，机械手指中心始终与模具中心重合，沿着大转盘
5、的中心做回转运动，相对于凸轮转盘中心，机械手指中心没有径向移动，机械手指的这一运动规律相当于直动凸轮从动件滚子的休止运动，因此，将这一阶段的凸轮曲线定义为取瓶凸轮休止曲线； （3）第三部分就是随着大转盘的回转运动，左右模壳慢慢打开时，机械手指夹取瓶子慢慢将瓶子移出模具，通常称之为取瓶离开段，在这一阶段里，为了避免瓶子碰到模具，瓶子应该始终沿着大转盘回转半径的延长线慢慢离开模具，直至瓶身完全离开模具的结构范围，这一阶段机械手指的运动相当于直动凸轮从动件滚子的回程运动，,根据送瓶部分凸轮曲线的工作原理，送瓶部分曲线同样由三部分曲线组成：（1）第一部分就是机械手指向对接机械手指中心靠近的阶段，通常称
6、之为送瓶靠近段，在这一阶段里，机械手指在凸轮曲线的作用下夹取瓶子慢慢向对接机械手指中心靠近，为了避免瓶子碰到对接机械手指的左右机械手指片，瓶口的中心必须始终沿着对接机械手指盘的回转半径慢慢向对接机械手指中心靠近，直至瓶口中心与对接机械手指中心重合，这一阶段机械手指的运动相当于直动凸轮从动件滚子的升程运动，因此，将这一阶段的凸轮曲线定义为送瓶凸轮升程曲线； （2）第二部分就是瓶口中心跟随对接机械手指中心移动的阶段，通常称之为送瓶随行段，在这一阶段里，瓶口中心始终与对接机械手指中心重合，沿着对接盘的中心做回转运动，相对于凸轮转盘中心，机械手指中心没有径向移动，机械手指的这一运动规律相当于直动凸轮从
7、动件滚子的休止运动，因此，将这一阶段的凸轮曲线定义为送瓶凸轮休止曲线； （3）第三部分就是随着对接机械手指盘的回转运动，对接机械手指的两块机械手指片慢慢闭合并自锁时，机械手指慢慢离开，通常称之为取瓶离开段，在这一阶段里，为了避免机械手指在离开时刮伤瓶口，在机械手指离开的过程中，控制机械手指作径向移动的导轨必须始终与瓶口保持在同一条直线上，这一阶段机械手指的运动相当于直动凸轮从动件滚子的回程运动，因此，将这一阶段的凸轮曲线定义为取瓶凸轮回程曲线。,4.旋转式吹瓶机取、送瓶凸轮位置图,5.取、送机械手结构简图,图中O点为组合凸轮的旋转中心，O1、O2两点分别为摆动凸轮和直动凸轮从动滚子中心，O3点
8、为摆动凸轮摆杆的旋转中心，O4为取、送瓶机械手指中心，O1、O2分别沿着各自凸轮廓线运动，其中摆动凸轮控制取、送瓶机械手指的转动方向，直动凸轮控制取、送瓶机械手指的径向移动，摆动凸轮和移动凸轮的协调动作保证取、送瓶机械手指准确的抓取和递送瓶子。,6.旋转式吹瓶机取、送瓶凸轮运行矢量图,7.取瓶升程段矢量图,8.取瓶升程段组合凸轮矢量图,9.取瓶升程段参数方程,10.取瓶休止段参数方程,11.取瓶回程段参数方程,12.送瓶升程段参数方程,13.送瓶休止段参数方程,14.送瓶回程段参数方程,15.不同规律曲线的选择,16.简谐规律曲线,简谐运动规律曲线消除了在行程中间位置的加速度突变现象，但在行程
9、的起始两端点处加速度仍然存在突变现象，当它用于升-停-回运动型式时，在从动件行程的起始位置因加速度突变而仍存在柔性冲击现象,17.摆线规律曲线,摆线运动规律曲线在整个运动周期及起始端点处速度、加速度都连续，均没有突变，且在行程的中点处加速度为零，当它用于升-停-回型运动时，从动件在行程的起始和终止位置加速度均无突变，因而无柔性冲击，有利于机构运转平稳,18.升程回程规律的选择,19.根据导数定义编写函数求导程序,syms t; t=0:0.0001:1.0002; tou=0.0001; n=size(t,2); for i=1:n-1 dr(i)=(r(i+1)-r(i)/tou; end
10、for i=1:n-2 d2r(i)=(dr(i+1)-dr(i)/tou; end m=size(t,2); for j=1:m-1 tr(j)=(theta(j+1)-theta(j)/tou; end for j=1:m-2 t2r(j)=(tr(j+1)-tr(j)/tou; end,20.过渡曲线的参数方程,syms x C1=x.5 x.4 x.3 x.2 x 1; C2=5*x.4 4*x.3 3*x.2 2*x 1 0; C3=5*4*x.3 4*3*x.2 3*2*x 2 0 0; A=subs(C1,0);subs(C1,1);subs(C2,0);subs(C2,1);s
11、ubs(C3,0);subs(C3,1); w=w1 w2 w3 w4 w5 w6; e=inv(A)*w; r=e(1).*t.5+e(2).*t.4+e(3).*t.3+e(4).*t.2+e(5).*t+e(6); y=y1 y2 y3 y4 y5 y6; e=inv(A)*y;,根据凸轮结构关系以及工作原理建立了凸轮升程、休止、回程以及过渡部分曲线的参数方程，以正弦规律和余弦规律用于升程和回程规律，并且将五次多项式曲线规律用于凸轮过渡曲线的设计，通过matlab的数学计算工具，求解过渡部分曲线的边界条件，得到过渡部分的凸轮曲线，完成取、送瓶传送机构整个运动周期的凸轮轮廓曲线的参数化设计
12、。,21.matlab GUI界面及参数化设计凸轮轮廓曲线图,22.凸轮取瓶仿真效果,23.凸轮送瓶仿真效果,24.凸轮曲线曲率分析,凸轮曲线的曲率和连续性对取、送瓶凸轮运行过程中的平稳性有很大影响，为了使凸轮运转平稳，曲线的曲率最好连续光滑、无突变、且曲率值越小越好。,表5-1 组合凸轮曲线曲率对比,曲率对比图,25.弹簧长度分析,组合凸轮运行过程中弹簧的各项数据对比,根据组合凸轮的弹簧功能，弹簧刚度一定的情况下，弹簧的拉力正比于弹簧的伸长长度。因此，在设计过程中希望弹簧伸长长度较为均匀，差值不要过大。,弹簧长度对比图,根据弹簧的受力分析，由于凸轮的最高转速一定，从动件组件的质量确定，因此，
13、离心力为恒定值，根据凸轮径向力的定义，从动件组件的质量一定，即径向力正比于滚子的加速度，因此，弹簧的伸长长度应该与滚子的加速度图相协调，即当滚子加速度较大时需要比较大的弹簧拉力才能保证滚子沿着凸轮轮廓运动，当滚子加速度较小时，为了减轻电机的负载，需要弹簧的拉力较小，对比图可知，在摆线规律曲线下，弹簧的伸长长度与滚子加速度的协调性更好，因此从弹簧伸长长度规律这一参数对比可得，摆线规律更适于用于旋转式吹瓶机取、送瓶组合凸轮系统。,26.凸轮曲线加速度分析,对于凸轮滚子加速度的分析主要从以下两个方面来判定，即凸轮滚子加速度的峰值大小和变化率,组合凸轮加速度对比,加速度对比图,1.凸轮滚子加速度的大小
14、 加速度对凸轮机构的影响主要体现在惯性负载方面，加速度越大，机构的惯性载荷越大，则作用在凸轮与从动件之间的接触应力越大，对机构的强度和耐磨性要求也就越高，即在相同强度和耐磨性条件下，加速度越大，机构的寿命越短，因此，为了减小机构的惯性负载，同时也延长机器的工作寿命，在凸轮运行过程中，希望产生的加速度越小越好。,2.凸轮滚子加速度变化率 加速度的变化率即相当于了凸轮曲线的跃度，跃度值对于凸轮机构运行的稳定性相当重要，特别是当从动件转速较快时，希望跃度值越小越好，特别是在旋转式吹瓶机的取、送凸轮中，凸轮机构运行的平稳性是机械手取、送瓶准确性的前提，必须绝对保证。,28.凸轮曲线速度分析,根据动量的
15、定义，当质量一定时，动量的大小正比于速度的大小。从凸轮机构的理论分析可知，速度对于凸轮运行的影响主要体现在，当速度过大时，就会导致动量过大。当凸轮机构的设计凸轮曲线不理想、不光滑，从动系统的运动突然变向受阻，会对凸轮产生极大的冲击，影响设备的旋转速度和引起较大的冲击振动，甚至危及设备及人身安全。凸轮曲线的设计希望动量小。,组合凸轮速度对比,速度对比图,结论,本文将pro/E的CAE模块和matlab GUIDE工具箱应用到全自动旋转式吹瓶取、送瓶凸轮系统的设计中，详细分析了取、送瓶不同段曲线的设计过程，并通过三维仿真研究了曲线的特性： 1.将取、送瓶凸轮的取瓶和送瓶动作与典型凸轮的升程、休止、
16、回程动作结合起来，通过矢量分析法，建立并求解取、送瓶凸轮升程段、休止段以及回程段曲线的参数方程, 在凸轮盘过渡部分曲线设计过程中，引入五次样条曲线，并根据已经确定的凸轮运行参数，利用matlab分别以凸轮取先两个端点处的位移、速度以及加速度值为边界条件，建立并求解过渡曲线的参数方程；使凸轮的设计过程的理论基础更加完善，保证了凸轮从动机械手指取瓶和送瓶动作的绝对准确性。 2.通过各种不同线型曲线的对比分析，采用摆线规律和简谐规律作为取、送瓶凸轮的升程和回程规律时，凸轮曲线比较平滑，曲率连续且波动较小。,展望,旋转式吹瓶机的凸轮系统是整个设备的核心部件，设备在运行过程中的一系列动作都是通过凸轮机构控制完成的，如控制模具打开和闭合的摆臂凸轮、控制模具锁止和解锁的摆臂凸轮、控制底模升降的直动凸轮、控制拉伸杆升降的直动凸轮、控制取、送瓶胚机械手指运动的直摆组合凸轮以及控制取、送瓶子机械手指运动的直摆组合凸轮，六大凸轮系统的协调动作对整个设备的运行起着至关重要的作用，因此在凸轮设计过程中必须考虑与其他凸轮系统的相关性，这是进一步需要解决的问题。,