高速旋转式吹瓶机凸轮设计

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

2、等厂家为代表， 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 1.1.将升程、休

3、止、回程的概念引入到取、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

4、定合理的凸轮运行参数，改善凸轮曲线的曲率以 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 n 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）第一部分就是第一部分就是机械机械手指向瓶子靠近的阶段，通常称之为取瓶靠近段，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，在这一阶段里，机械机械手指在凸轮曲线的作用下慢慢向瓶子靠近，直至手指在凸轮曲线的作用下慢慢向瓶子靠近，直至机械手机械手 指指中心与瓶口

5、中心重合，这一阶段中心与瓶口中心重合，这一阶段机械手指机械手指的运动相当于直动凸轮从动件滚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；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； n （2）第二部分就是第二部分就是机械手指机械手指跟随模具中心移动阶段，通常称之为取瓶随行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，段，在这一阶段里，机械手指机械手指中心始终与模具中心重合，沿着大转盘的中心中心始终与模具中心重合，沿着大转盘的中心 做回转运动，相对于凸轮转盘中心，做回转运动，相对于凸轮转盘中心，机械手指机械手指中心

6、没有径向移动，中心没有径向移动，机械手指机械手指 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；的凸轮曲线定义为取瓶凸轮休止曲线； n （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，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，机械手机械手 指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，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为了避免瓶子碰

7、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，这一阶段机械手指机械手指的运动相当的运动相当 于直动凸轮从动件滚子的回程运动，于直动凸轮从动件滚子的回程运动， n 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）第一部分就是第一部分就是机械手指机械手指向对接向对接机械手指机械手指中心靠近的阶段，通常称之为中心靠近的阶段，通常称之为 送瓶靠近段，在这一阶段里，送瓶靠近段，在这一阶段里，机械手指机械手指在凸轮曲线的作

8、用下夹取瓶子慢慢向在凸轮曲线的作用下夹取瓶子慢慢向 对接对接机械手指机械手指中心靠近，为了避免瓶子碰到对接中心靠近，为了避免瓶子碰到对接机械手指机械手指的左右的左右机械手指机械手指片，片， 瓶口的中心必须始终沿着对接瓶口的中心必须始终沿着对接机械手指机械手指盘的回转半径慢慢向对接盘的回转半径慢慢向对接机械手指机械手指中中 心靠近，直至瓶口中心与对接心靠近，直至瓶口中心与对接机械手指机械手指中心重合，这一阶段中心重合，这一阶段机械手指机械手指的运动的运动 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

9、轮升程曲线；为送瓶凸轮升程曲线； n （2）第二部分就是瓶口中心跟随对接第二部分就是瓶口中心跟随对接机械手指机械手指中心移动的阶段，通常称之中心移动的阶段，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机械手指中心重合，沿中心重合，沿 着对接盘的中心做回转运动，相对于凸轮转盘中心，着对接盘的中心做回转运动，相对于凸轮转盘中心，机械手指机械手指中心没有径向中心没有径向 移动，移动，机械手指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送

10、瓶凸轮休止曲线；此，将这一阶段的凸轮曲线定义为送瓶凸轮休止曲线； n （3）第三部分就是随着对接第三部分就是随着对接机械手指机械手指盘的回转运动，对接盘的回转运动，对接机械手指机械手指的两块的两块 机械手指机械手指片慢慢闭合并自锁时，片慢慢闭合并自锁时，机械手指机械手指慢慢离开，通常称之为取瓶离开段，慢慢离开，通常称之为取瓶离开段， 在这一阶段里，为了避免在这一阶段里，为了避免机械手指机械手指在离开时刮伤瓶口，在在离开时刮伤瓶口，在机械手指机械手指离开的过离开的过 程中，控制程中，控制机械手指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，作径向移动的导轨必须始终与瓶口保持在同一条直

11、线上， 这一阶段这一阶段机械手指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。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 图中图中O点为组合凸轮的旋转中心，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两点分别为摆动凸轮和直动凸轮 从动滚子中心，从动滚子中心，O3点为摆动凸轮摆杆的旋转中心，点为摆动凸轮摆杆的旋转中心，O4为取、送瓶机械手指中为取、送瓶机械手指中 心，心，O1、O2分别沿着各自凸轮廓线运动，其中摆

12、动凸轮控制取、送瓶机械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。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 bm RRLP )*2/90( )2/*2/4/90( )90( 1 )*2/90( 1111 1111 1 1111 tj bb tj mm j tj erR erR eaL epP 8.取瓶升程段组合

13、凸轮矢量图 b RPR 内内 外外 PR b R )*2/90( 1 )*2/90( )*2/90( 1111 1111 1111 r tj tj bb btj eLP erR eR 内 内内 )(*30 )( 13 )*2/90( 32 )*2/90( )*2/90( 1111 1111 1111 tfL eLLpP erR erR sc tj tj bb ctj 外 外外 9.取瓶升程段参数方程 )(* )cos()2/*34/3180cos()()*2/cos( )/tan( )2/*34/3180cos()()*2/cos()cos( )2/*34/3180sin()()*2/sin(

14、)sin( 113 1113111 21 11131112 11131111 tfSL rtLrtap qqa rtLrtapq tLrtapq hc bm bm m )cos()()cos( )/tan( )cos()()cos( )sin()()sin( 2外 65 2外6 2外5 cLPcrr qqac LPrcrq LPcrq b b b)cos(Lcos(b)rr )/qatan(qb )cos(Lrcos(b)rq )sin(Lsin(b)rq 1b内 21 1b内4 1内3 10.取瓶休止段参数方程 )cos()2/*34/*3180cos()*2/cos( )/tan( )2/

15、*34/*3180cos()*2/cos()cos( )2/*34/*3180sin()*2/sin()sin( 11111 21 111112 111111 bm bm m rtrtaP qqa rtrtapq trtapq )cos()cos( )/tan( )cos()cos( )sin()sin( 1内 21 1内4 1内3 bLbrr qqab Lrbrq Lbrq b b )cos()()cos( )/tan( )cos()()cos( )sin()()sin( 2外 65 2外6 2外5 cLPcrr qqac LPrcrq LPcrq b b 11.取瓶回程段参数方程 )(*1

16、40 )cos()2/*34/3180cos()()*2/cos( )/tan( )2/*34/3180cos()()*2/cos()cos( )2/*34/3180sin()()*2/sin()sin( 13 1113111 21 11131112 11131111 tfL rtLrtap qqa rtLrtapq tLrtapq hc bm bm m )cos()cos( )/tan( )cos()cos( )sin()sin( 1内 43 1内4 1内3 bLbrr qqab Lrbrq Lbrq b b )cos()()cos( )/tan( )cos()()cos( )sin()()

17、sin( 2外 65 2外6 2外5 cLpcrr qqac Lprcrq Lpcrq b b 12.送瓶升程段参数方程 )(*30 )cos()2/*34/3180cos()()*2/cos( )/arctan( )2/*34/3180cos()()*2/cos()cos( )2/*34/3180sin()()*2/sin()sin( 23 223222 21 2232222 2232221 tfL rtLrtaP qq rtLrtapq tLrtapq sc bj bj j )cos()cos( )/arctan( )cos()cos( )sin()sin( 1内 43 1内4 1内3 b

18、Lbrr qqb Lrbrq Lbrq b b )cos()()cos( )/arctan( )cos()()cos( )sin()()sin( 2外 65 2外6 2外5 cLPcrr qqc LPrcrq LPcrq b b 13.送瓶休止段参数方程 )cos()2/*34/*3180cos()*2/cos( )/tan( )2/*34/*3180sin()*2/sin()cos( )2/*34/*3180sin()*2/sin()sin( 22222 21 222222 222221 bj bj j rtrtaP qqa rtrtaPq trtaPq )cos()cos( )/tan(

19、)cos()cos( )sin()sin( 1内 21 1内4 1内3 bLbrr qqab Lrbrq Lbrq b b )cos()()cos( )/arctan( )cos()()cos( )sin()()sin( 2外 21 2外6 2外5 cLPbrr qqc LPrbrq LPbrq b b 14.送瓶回程段参数方程 )cos()2/*34/3180cos()*2/cos( )/arctan( )2/*34/3180cos()*2/cos()cos( )2/*34/3180sin()*2/sin()sin( 22222 21 222222 222221 bj bj j rtrtaP

20、 qq rtrtapq trtapq )cos()cos( )/arctan( )cos()cos( )sin()sin( 1内 43 1内4 1内3 bLbrr qqb Lrbrq Lbrq b b )( )cos()()cos( )/arctan( )cos()()cos( )sin()()sin( 23 32外 65 32外6 32外5 tfL cLLPcrr qqc LLPrcrq LLPcrq hc b b 15.不同规律曲线的选择 速度 载荷推荐选择曲线规律 低速 轻等速规律 中改进等速规律 重改进等速、简谐规律 中速 轻等加速等减速、摆线规律 中简谐、摆线规律 重简谐、改进正弦加

21、速度规律 高速 轻摆线、改进梯形加速度规律 中五次多项式规律 重七次多项式、改进正弦加速度规律 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，但在行程的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，但在行程的 起始两端点处加速度仍然存在突变现象，当它用于升起始两端点处加速度仍然存在突变现象，当它用于升-停停- -回运动型式时，在回运动型式时，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 ( )(1 cos) 2 h S 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

22、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 12 ( )(sin) 2 Sh 18.升程回程规律的选择 曲线方程 摆线规律 简谐规律 L3 取瓶升程 取瓶回程 送瓶升程 送瓶回程 )( 1 tfsc pitt/ )*180sin()*90cos(1t pitt/ )*180sin(1 )*90sin(1t )( 1 tfhc )( 2 tfsc )( 2 tfhc pitt/ )*180sin(1 )*90sin(1t )*90cos(1t pitt/ )*180sin( 19.

23、根据导数定义编写函数求导程序 nsyms t; nt=0:0.0001:1.0002; ntou=0.0001; nn=size(t,2); nfor i=1:n-1 n dr(i)=(r(i+1)-r(i)/tou; nend nfor i=1:n-2 n d2r(i)=(dr(i+1)-dr(i)/tou; nend nm=size(t,2); nfor j=1:m-1 n tr(j)=(theta(j+1)-theta(j)/tou; nend nfor j=1:m-2 n t2r(j)=(tr(j+1)-tr(j)/tou; nend 20.过渡曲线的参数方程 n syms x n C

24、1=x.5 x.4 x.3 x.2 x 1; n C2=5*x.4 4*x.3 3*x.2 2*x 1 0; n C3=5*4*x.3 4*3*x.2 3*2*x 2 0 0; n A=subs(C1,0);subs(C1,1);subs(C2,0);subs(C2,1);subs(C3,0);su bs(C3,1); n w=w1 w2 w3 w4 w5 w6; n e=inv(A)*w; n r=e(1).*t.5+e(2).*t.4+e(3).*t.3+e(4).*t.2+e(5).*t+e(6); n y=y1 y2 y3 y4 y5 y6; n e=inv(A)*y; n 根据根据凸

25、轮凸轮结构关系以及工作原理建立了凸轮升程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，、休止、回程以及过渡部分曲线的参数方程，以以 正弦规律和余弦规律用于升程和回程规律，并且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将五次多项式曲线规律用于凸轮过渡曲线的设计 ，通过，通过matlab的数学计算工具，求解过渡部分曲的数学计算工具，求解过渡部分曲 线的边界条件，得到过渡部分的凸轮曲线，完成线的边界条件，得到过渡部分的凸轮曲线，完成 取、送瓶取、送瓶传送机构传送机构整个运动周期的整个运动周期的凸轮轮廓凸轮轮廓曲线曲线 的参数化

26、的参数化设计。设计。 21.matlab GUI界面及参数化设计凸轮轮廓曲线界面及参数化设计凸轮轮廓曲线 图图 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 摆线规律简谐规律原有设计方法 摆动凸轮曲线曲率最大值(1/mm)0.0060.00650.012 直动凸轮曲线曲率最大值(1/mm)0.0080.0080.008 摆动凸轮曲线曲率连续性连续连续连续 直动凸轮曲线曲率连续性连续连续不连续 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。 表表5-1 5-1 组合凸轮曲线曲率

27、对比组合凸轮曲线曲率对比 曲率对比图 25.弹簧长度分析 摆线规律简谐规律原有设计方法 弹簧长度最大值(mm)290290290 弹簧伸长长度最大值(mm)707070 弹簧刚度值(N/mm)0.961.0311.1361.136 弹簧伸长长度与直动凸轮滚 子加速度值匹配性 匹配较好匹配较好匹配情况不好 组合凸轮运行过程中弹簧的各项数据对比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 n 根据弹簧的受力分析，由于凸轮的最高转速一定，从动件根据弹簧的

28、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，离心力为恒定值，根据凸轮径向组件的质量确定，因此，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

29、，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。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 摆线规律简谐规律原有设计方法 摆动凸轮加速度最大值(mm/s2)380004500065000 直动凸轮加速度最大值(mm/s2)120000130000145000 摆动凸轮加速度值波动情况较好较好很差 直动凸轮

30、加速度值波动情况较好较好很差 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度的峰值大小和变化率 组合凸轮加速度对比组合凸轮加速度对比 加速度对比图 n 1.凸轮滚子加速度的大小凸轮滚子加速度的大小 n 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

31、磨性条件下，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。小越好。 n 2.凸轮滚子加速度变化率凸轮滚子加速度变化率 n 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 的平稳性是的平稳性是机械机械手取、送瓶准确性的前提，必须绝对保证。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 摆线规律简谐规律原有设计方法 摆动凸轮速度最大值(mm/s)9509501300 直动凸轮速度最大值(mm/