吹瓶机中机械手凸轮曲线解析计算的研究

第4期 2009年4月 机械设计与制造 MachineryDesign&Manufacture 183 文章编号：1001—3997(2009)04-0183-03 吹瓶机中机械手凸轮曲线解析计算的研究 胡伟1,2胡国清2魏昕·谢小柱1 (-广东工业大学机电工程学院，广州510006)(z华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510641) ResearchonanalysisandcalculationofmanipulatorCAMprofileinbottleblowingmachine HUWeil”，HUGuo-qin92，WEIXini,XIEXiao-zhul (1FacultyofElectromechanicalEngineering，GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou510006，China) (2SchoolofMechanicalandAutomobileEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510641，China) i 【摘要】针对吹瓶机的机械手运动要求，采用矢量分析法及三次样条曲线，列举了吹瓶枳出械手在； ；交接区域及过渡区域运动轨迹方程，建立了机械手凸轮曲线数学模型，并利用Matlab软件求解曲线坐标。{ i该方法可靠、有效，已应用于在某企业吹颓钡取械手凸轮的设计。 j ； 关键词：凸轮曲线；机械手；轨迹；矢量；三次样条曲线 { i 【Abstract】Theexpressionofmanipulatortrajectoryoftransferingareaandnontransferingareaini ；bottleblowingmachineispresentedbyusingvectorand3-ordersplineCurve．Andthemathematicsmodelj i ofmanipulatorCAMprofileisbuiltandsolvedbasedonMatlab．死厶methodiseffectiveandhasbeenqP一《 }删流manipulatorcamde— l l Keywords：Camprofile；Manipulator；Trajectory；Vector；3-ordersplineCllrve j 中图分类号：THll2．2，TP241．2文献标识码：A 吹瓶一灌装一旋盖“三合一”液体包装机是新一代的包装机械， 代表了液体灌装机械的发展趋势，是目前国内外正在积极研发的 新机种。“三合一”机中的旋转式吹瓶机以凸轮作为关键传送部 件，控制机械手结构，如图1所示。作径向滑动和圆周摆动，从而 实现取坯、送坯j取瓶及送瓶等动作。 图1机械手结构图 1．滑轨2．支承座3．摆臂4摆动控制滚子 5．拉伸弹簧6．滑动控制滚子7．叉手 吹瓶机中机械手【nl轮设计时，大多采用作图法绘制lnI轮曲 线。该方法效率低，精度差，在工作过程中会导致机械手送坯不到 位、取瓶时易损坏瓶口、吹瓶速度无法与灌装设备同步及工作稳 定性差等问题11I，不仅影响了出瓶质量，而且阻碍了“三合一”整机 工作效率的进一步提高。因此，基于解析计算法建立了机械手运 动轨迹及l兀l轮曲线的数学模型，并利用Matlab求解曲线坐标，从 而快速获得高精度的凸轮曲线，最终达到提高机械手传送精度及 效率的目的。 1旋转式吹瓶机的工作原理 旋转式吹瓶机结构，如图2所示，旋转式吹瓶机主要包括模 具盘2、取送坯盘4、取送瓶盘1及坯盘6等，它们之间存在恒定 的转向及速比关系。 机械手通过支承座均匀安装在取送坯盘边缘，凸轮固定安装 在取送坯盘中心。在动力源的驱动下，取送坯盘带动机械手顺时 针转动，凸轮保持静止不动；机械手借助于控制滚子沿凸轮廓线 系统正常运行，设置了看门狗电路。通过一系列软硬件没计，使得 2樊尚春，吕俊芳。张庆荣，闷蓓．航空测试系统[M]．北京：北京航空航天出 该仪器在实现远程测最与校准的同时提高了控制与测量精度，减版社，2005：126--128 小了环境和人为因素的影响，节省了劳动力和硬件资源，同时还 3吴金戌，沈庆阳，郭庭古·8051单片机实践与应用[M]·北京：清华大学出版 翌睾鳘篓凳竺密竺孥、冀竺警耋?!竺兰妻羔堡妻：竺竺雩要三4；；麓言．。丢雌进系统原理[M]．空军工程大学学报，。鲫2 分布式远程测量。因此，对于实现远程监控与故障诊断具有非常 5矗妊．I；：Tc茹i：蕞舌昌而矗莴；赢矗]：二i景：清华大学出版 重要的现实意义。该仪器已被投入到了实际的航空测量应用当 抖．∞。 中，取得了令人满意的效果。 6费医漱．航空航天仪表的话研 思想 教师资格思想品德鉴定表下载浅论红楼梦的主题思想员工思想动态调查问卷论语教育思想学生思想教育讲话稿 和基丰：缔陶[J]．仪别义表学报，2005(3) 参考文献 7张志军，徐向东．热网优化监测系统的研究和应用[J】．清华大学学报：(自 万方数据 184 胡伟等：吹瓶机中机械手凸轮曲线解析计算的研究 第4期 滑动和摆动，从而实现从坯盘取坯、向模具盘送坯的动作。取送瓶 盘1的结构、原理与取送坯盘4基本相同，本文将着重介绍取送 坯盘的机械手凸轮机构。 图216工位旋转式吹瓶机结构示意图 l取送瓶盘2．模具盘3．模具4．取送坯盘5．机械手6．坯盘 为了保证吹瓶机的出瓶效率及精度，机械手在取坯及送坯过 程中必须满足以下要求： (1)机械手取坯、送坯动作必须在 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 区域内(简称交接区 域)完成，如图l所示的阴影部分。在该区域内，机械手的叉手中 心应始终与相应的模具、瓶坯中心运动轨迹保持一致，以便顺利 完成取坯、送坯动作，且保证瓶坯不被损坏。 (2)进入取坯交接区域前，机械手中心应指向相应的瓶坯中 心，且逐渐向瓶坯中心靠拢，直至完全抓紧瓶坯；离开送坯交接区 域后，机械手应沿着模具中心方向逐渐脱离瓶坯。 (3)机械手在其它区域(简称过渡区域)的运动轨迹无特殊位 置要求，但机械手的运动过程应无冲击或冲击较小，即要求加速 度连续，不允许在某点处加速度达到理论上无穷大。 2机械手运动参数方程的建立 机械手作为凸轮机构的从动件，其取坯、送坯等动作将决定 凸轮曲线的形状，因此求解凸轮曲线前，应先确定机械手的运动 轨迹及其参数方程田。 2．1交接区域机械手运动参数方程 机械手在交接区域的运动轨迹将直接影响取坯、送坯等动作 完成的精准性，是凸轮曲线设计的关键所在。根据旋转式吹瓶机 的机械手运动要求，建立了送坯交接区域机械手运动矢量简图， 如图3所示。其中AB为交接区域机械手支承座中心的运动轨 迹，为交接区域机械手叉手中心的运动轨迹。 以0。为原点，刁矿为极轴，顺时针方向为正方向建立极坐标 系。设在某时刻，取送坯盘转过的角度为p，则模具盘应转过的 角度为(为取送坯盘与模具盘的转速比)，列出矢量方程： 芦-Z辐水。 (1) 转化为欧拉方程： pel蚺=如雕h—oH∥-¨旷0+骈捌—n (2) 式中：p—机械手叉手中心与支承座中心之间的距离； 删械手相对于取送坯盘的转角； m旷—取送坯盘、模具盘半径； n。a厂诹送坯盘、模具盘交接区域起始位置与水平方向的 夹角； z毋一两盘中心距及与水平方向的夹角。 由此町得送坯交接区域机械手滑动及摆动的参数方程： 茗=争咀l柏 艘一l+(1+l在№ (3) p=X／‘’(’。l。。c。。。o。。s—x——+‘‘。r。‘2。’c+—o—11s。。y。。。-。。。r。’。,。。)。1％。’’。’(’’。l。。s。。i’。n。。x。’。+。。。。r。12’s。。。i。。n。。y。。。。)。—2— 咖=-arctg[(／sinx+r2siny)／(1cosx+rzcosy-r1)] 当取送坯盘转过0角时，机械手的径向位移、圆周摆角与P、 击变量相关。取坯交接区域机械手的运动规律与送坯基本相同， 可按上述方法求得机械手运动参数方程。 图3送坯交接区域机械手运动矢量图 2．2过渡区域机械手运动参数方程 由图2可知，旋转式吹瓶机的机械手大部分时间工作在过渡 区域，因此该Ⅸ域机械手的运动轨迹将影响整机工作的稳定性及 效率。为了保证高速运动的平稳性，机械手运动轨迹曲线在过渡 区域及其端点处应能二阶连续可导，因此采用基于第二边界条件 的三次样条函数13·4对原有过渡区域机械手滑动及摆动参数方程 分别进行优化。 设原有机械手滑动轨迹的测量数据为(％研)，i---O，1，⋯，n， 01为取送坯盘转动的角度，P；为机械手叉手中心与支承座中心之 间的距离。每个子区间[最，艮。]上，机械手滑动的三次样条插值 函数为： 以一)；啦舭j舭jO+dl，一∈[皖，佛“]，／=0，l，⋯，舻1(4) 要唯一确定三次样条插值函数，必须建立缸个条件首先由 插值条件尸(最)印。，提供了肿1个条件；根据节点处连续性要求： 只研+o)；Ip(谚_0)，P’(最+o)；P’(最-o)， P(佛+o)=P(佛一0)，／=0，l，⋯，肛t (5) 得到(3n-3)个条件，最后根据过渡区域与交接区域的机械手 滑动轨迹曲线在端点处二阶导数连续这一要求，利用第二边界条 件可得tr'(Oo)=p"(Oo)，P(以)；矿(以)，P(吼)；∥(岛)，表示过渡区 万方数据 No．4 Apr．2009 机械设计与制造 185 域两端点处的二阶导数，其值经式(3)求导后得到。 (1)利用式(3)计算交接区域内机械手滑动及摆动轨迹上点 同理，町构建过渡区域内每个子区间机械手摆动的三次样条 插值函数西(一)。 3机械手凸轮曲线参数方程的建立 在取坯、送坯过程中，机械手的运动包括径向滑动及圆周摆 动，需借助于两条封闭曲线配合来完成：凸轮外边缘曲线负责使 机械手产生径向滑动，内沟槽曲线则负责使机械手产生圆周摆 动，且内外两条曲线的中心与取送坯盘中心重合。在机械手运动 轨迹及其参数方程的基础上，根据机械手的结构绘制出凸轮内外 曲线矢量关系图，如图4所示。 图4机械手凸轮内外曲线矢量图 在某一时刻，机械手的运动轨迹矢量为声，则其滑动控制滚子 位于E点，摆动控制滚子位于，点。以O．为原点，商．为极轴，顺 时针方向为正方向建立极坐标系，根据滑动及摆动控制滚子轨迹 分别列凸轮内外理论廓线硒的矢量方程： 仨衙．+西 舞靠。也 转化为欧拉方程： fP。P丸=rl+(p一厶)∥ h毋可l鸲d㈣ (6) (7) 的极坐标，并求解交接区域两端点处的二阶导数； (2)利用式(4)构建过渡区域机械手滑动及摆动轨迹的i次 样条插值函数，并计算机械手滑动及摆动轨迹卜点的极坐标； (3)根据机械手的结构及尺寸，利用式(8)计算凸轮内外理论 廓线上点的极坐标； (4)通过Matlab程序语言、内部函数结合II!文件，可以制作 出各种数据格式的文件，满足不I司CAD软件的需要。将Matlab 计算得I叶J的数据文件导入到AutoCAD后，获得机械手凸轮内外 理论廓线及实际廓线，如图5所示。 图5机械手凸轮内外理论廓线及实际廓线 5结论 吹瓶机中机械手的凸轮，采用矢量分析法建立了交接区域机 械手运动参数方程，并借助于j次样条曲线对过渡区域机械手运 动参数方程进行拟合，最后利用Matlab软件实现了凸轮内外曲 线坐标的计算。该凸轮在某企业的吹瓶机上得到应用，如图6所 示。试验结果表明，该凸轮能有效提高吹瓶机的出瓶质量及效率， 减少传动振动和噪声。 式中：P、咖—前面求得的机械手滑动及摆动参数；r．—取送坯盘半 径；厶—机械手叉手的长度；易、硎械手摆臂的长度及角度。 由此可得机械手凸轮外边缘及内沟槽理论廓线的参数方程： |只。=埘℃翻(p-lI)sin6／[rl+(p—11)cos咖]} 卜2饰而孤翮矾而面玎 (8) 图6吹瓶机的机械删轮机构图 l如=叭剁／asin(q，+e)／[r，+珈∞(咖帽)】} 参考文献 k．：、／口i珏磊硐五万F汀珏而可鬲i玎r I郭松旺．全自动旋转式PET吹瓶机n轮机构优化设计研究：[硕士学位论 4基于Matlab的机械手凸轮曲线设计2嚣=芸譬篆等教育出版}±，，叨 Maflab是一种面向科学和工程计算的高级语言，它具有高精3李庆场。_+2fgll]，易大义-数值分析．武汉：华中理工大学出版社，2000 ： 度、强大的符号、数值运算、矩阵运算以及图形显示的功能嘲，因此 4陈文略。王子羊．三次样条插值在工程拟合中的应甩华中师范大学学报 本文选用Matlab软件编写计算机械手凸轮曲线的程序，其 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 (自然科学版)，2004，38(4)：418q22 如下： 5杜立彬．MATLAB实片j 教程 人力资源管理pdf成真迷上我教程下载西门子数控教程protel99se入门教程fi6130z安装使用教程 北京：电子工业出版社。2007 万方数据 吹瓶机中机械手凸轮曲线解析计算的研究 作者： 胡伟， 胡国清， 魏昕， 谢小柱， HU Wei， HU Guo-qing， WEI Xin， XIE Xiao-zhu 作者单位： 胡伟,HU Wei(广东工业大学机电工程学院,广州,510006;华南理工大学机械与汽车工程学院 ,广州,510641)， 胡国清,HU Guo-qing(华南理工大学机械与汽车工程学院,广州,510641) ， 魏昕,谢小柱,WEI Xin,XIE Xiao-zhu(广东工业大学机电工程学院,广州,510006) 刊名： 机械设计与制造 英文刊名： MACHINERY DESIGN & MANUFACTURE 年，卷(期)： 2009，(4) 被引用次数： 0次 参考文献(5条) 1.郭松旺 全自动旋转式PET吹瓶机凸轮机构优化设计研究 2006 2.孙桓.陈作模 机械原理 1997 3.李庆扬.王能超.易大义 数值分析 2000 4.陈文略.王子羊 三次样条插值在工程拟合中的应用[期刊论文]-华中师范大学学报(自然科学版) 2004(04) 5.杜立彬 MATLAB实用教程 2007 相似文献(1条) 1.学位论文 郭松旺 全自动旋转式PET吹瓶机凸轮机构优化设计研究 2006 PET吹瓶—灌装—封盖“三合一”液体包装机是新一代的包装机械，代表了液体灌装机械的发展趋势，是目前国内外正在积极研发的新机种。目前 ，国外已有这种新机型面世，在国内也有企业在积极研发这种装备，但由于技术上的原因，三合一机中的吹瓶机在吹瓶速度和运行平稳性等方面还存在 问题，为此，本论文就此问题开展研究。 本论文就目前国内旋转式PET吹瓶机使用的开合模凸轮导轨机构，取送坯、取送瓶机械手凸轮设计方法进行了研究和改进，旨在通过本文的研究，改 进取送坯、取送瓶传送机械手凸轮的设计，以提高机械手传送精度；优化开合模凸轮导轨机构的动力学性能，以提高吹瓶机的吹瓶速度和运行平稳性 ，匹配吹瓶 —灌装—封盖三合一机整线的高速平稳运转。 在研究过程中，本文首先探讨了作图法设计取送坯、取送瓶传动机械手凸轮的优缺点，使用了矢量分析法对作图法进行了改进，用数学公式给出了 取送坯、取送瓶传动机械手凸轮的轨迹参数方程。以此方法作为设计取送坯、取送瓶传动机械手凸轮通用的设计方法。 其次，本文利用虚拟样机技术建立开合模凸轮导轨系统的动力学仿真模型；通过动力学仿真试验和加权评分法，优选谐波组合—谐波组合凸轮曲线 作为开合模凸轮导轨机构的凸轮曲线形式；通过虚拟仿真试验和单因素分析法，得到开合模凸轮机构的动力学特性的敏感影响因子；应用均匀设计法设 计试验点域，进行多因素多水平虚拟仿真试验，对试验结果进行数学回归建模并对模型进行线性规划求解，从而获得使开合模凸轮导轨动力学系统最优 化的参变量。应用最优参数设计的开合模凸轮导轨系统，使得吹瓶机在高速运转的情况下可以保持开合模机械系统的平稳运转。 最后对上述的研究结果进行了检验，按上述结果生产出的取送坯、取送瓶机械手凸轮、开合模凸轮导轨，安装在国产的TECH-LONG RJM10全自动旋 转式PET吹瓶机上进行运转，在保持机械平稳运转的情况下，产量从原有的900BPH提高到1500BPH，吹瓶机的生产效率提高了66％，基本满足了三合一机 对吹瓶机性能上的要求。 实践表明，使用本研究的设计方法对取送坯、取送瓶机械手凸轮的改进设计和对开合模凸轮导轨的动力学优化设计是可行的。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxsjyzz200904069.aspx 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