基于运动仿真的双层凸轮曲线设计与分析

赖厚安

（上海沛愉机械制造有限公司，西安710077）

基于运动仿真的双层凸轮曲线设计与分析

赖厚安

（上海沛愉机械制造有限公司，西安710077）

在分析凸轮曲线传统设计方法的基础上提出了新的设计理念，运用Autodesk Inventor设计软件中的运动仿真模块进行零部件的三维动态模拟，将形成的运动轨迹曲线转化成草图并修剪得到凸轮曲线。经设计加工出来的凸轮机构在多台回转式贴标机上生产运行后，证明了运用运动仿真来设计双层凸轮曲线方法的可行性与正确性。

回转式贴标机；运动仿真；双层凸轮曲线；Autodesk Inventor

0 引言

近些年，随着人们对产品外包装的认识更加深化，促使着我国食品饮料包装机械取得了较快发展。但相对国外同行业技术的发展，国内生产技术较为落后，大部分仍采用陈旧的通用设备加工，机械零部件精度较低；其次我国包装机械的设计主要还是测绘、仿制及稍加国产化改进，独立开发新产品能力不足，产品开发缺少创新，设计方法主要依赖于传统算法，其计算量大，经运行发现，设计出的凸轮存在较大柔性冲击且易磨损。针对诸多难题，我公司设计人员从更新设计理念出发，运用Autodesk Inventor中的运动仿真模块完成贴标机凸轮曲线的设计。

1 传统设计方法分析

1.1 凸轮机构工作要求分析

图1 凸轮机构平面布局图

图2 凸轮机构装配图

如图2所示，工作中，从动件十字拨叉随回转大盘转动，同时在双层凸轮的作用下产生与回转大盘旋转方向相反的自转运动，且分为匀加速、匀速和匀减速三个阶段。如图1所示，当回转大盘转过θ1区域时，十字拨叉自转角速度从零匀加速至最大角速度ωmax，自转角度α1；转过θ2区域时，其以角速度ωmax匀速自转角度α2；转过θ3区域时，其角速度从ωmax匀减速至零，自转角度α3。由于在方瓶贴标过程中标签接缝相对瓶身要求精准定位，为满足贴标要求，十字拨叉进入θ1区域时要求有一条边指向回转大盘中心，转出θ3区域时也要有一边指向大盘中心。即：

表1 数据参数化表

1.2 十字拨叉上任意一点轨迹曲线的计算

如图1，以任意一点为原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴建立直角坐标系，各参数见表1。

十字拨叉中心点O1（x01，y01）运动轨迹方程为：

将式（2）和式（3）所形成的轨迹曲线进行一定的修改即为凸轮曲线。

2 基于运动仿真设计凸轮曲线的计算与建模

2.1 凸轮曲线设计的参数计算

为满足整机贴标要求，即吸标转鼓线速度V吸应等于回转大盘线速度V盘与瓶身自转线速度V瓶之和；同时十字拨叉应满足凸轮机构工作要求分析中的式（1）。

a为匀加速段的加速度。

由式（6）、（7）得t加＝2α1/ωmax。匀减速段同于匀加速段，可得t减=2α3/ωmax。

2.2 运动仿真的建立与三维建模

2.2.1 运动仿真模型建立及驱动条件与优化方式的选择

首先将十字拨叉与回转大盘建立三维模型并正确约束组装为一装配体，通过Autodesk Inventor菜单【环境】选项中的【运动仿真】模块建立仿真运动。其次，Autodesk Inventor运动仿真中所需驱动条件分为位置、速度和加速度三种，根据上述参数计算，十字拨叉经过匀加速、匀速和匀减速段所需时间已知，故可选【速度】为运动仿真的驱动条件。根据设计要求，可在【选定扇区的特性】的下拉菜单中选择合适的修正曲线。

2.2.2 十字拨叉自转和回转大盘旋转驱动条件参数设定

在满足式（1）的要求下，根据设计要求分别设定十字拨叉自转角度值α1、α2和α3，且ω、ωmax、t加、t匀和t减通过上述算式可知。十字拨叉速度驱动条件应分为三段：1）匀加速段。如图3黄色区域，起始点速度和时间均为零，运动结束点速度为ωmax，时间为t加；2）匀速段。起始速度为ωmax，运动时间为t加+t匀；3）匀减速段。起始点速度为ωmax，时间为t加+t匀，运动结束点速度为零，时间为t加+t匀+t减。将三段运动参数（匀加速前和匀减速后分别增加了一段无自转运动）分别对应输入驱动条件参数表（如图3所示）。同理设定回转大盘驱动条件参数。

图3 十字拨叉驱动条件参数设定

2.2.3 凸轮曲线的生成与建模

将仿真生成的四条运行轨迹导出至草图经修剪和向中心外方向偏移d1/2距离得到生产加工的凸轮曲线。运动仿真的生成和凸轮三维实体建模如图4所示。

图4 运动仿真轨迹和三维实体建模

3 结论

基于运动仿真设计出的双层凸轮曲线经加工成零部件，装机并通过长时间生产运行证明，凸轮机构柔性冲击小，使用寿命长。体现了其设计方法的合理性与正确性，设计过程避免了大量的轨迹方程的计算，降低误差累积的同时很大程度上提高了工作效率，对回转式贴标机双层凸轮曲线的设计具有一定的实际指导意义。

［1］ 唐湘民.Autodesk inventor有限元分析和运动仿真详解［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［2］ 张俊玲.回转式贴标机凸轮的设计与研究［D］.济南：山东大学，2006.

［3］ 成大先.机械设计手册［M］.4版.北京：化学工业出版社，2002.

（编辑黄 荻）

Double Cam Curve Design and Analysis Based on Motion Simulation

LAI Houan
（Shanghai Peiyu Machine Manufacturing Co.,Ltd.,Xi’an 710077,China）

A new design conception is proposed based on traditional design method.Motion simulation module of Autodesk Inventor software is used to simulate the 3D dynamic components and parts.The motion trajectory formed in the simulation process is transformed into sketch and trimmed to get cam curve.The new designed cam mechanism works well in large number of rotary labeling machines,so the feasibility and correctness of the new design method is proved.

rotary labeling machine;motion simulation;double cam curve;Autodesk Inventor

TP 391.7

A

1002－2333（2014）05－0179－02

赖厚安（1985—），男，助理工程师，从事食品饮料包装机械的设计与研究。

2014-03-07