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啤酒贴标机取标机构计算机辅助设计 |
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作者：青岛大学 张杰 方漪 |
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贴标机是啤酒生产线上的一个重要设备，其主要功能是将商标纸均匀地贴在啤酒瓶表面上。其中取标机构最为复杂，且运动要求很高，是贴标机设计中的难点。取标机构的工作原理如图1所示。在取标过程中，转盘1绕O0点作匀速转动，转盘下方固定安装一盘形凸轮2，当扇形齿轮3随转盘1作公转运动时，凸轮2的曲线可通过销轴4控制扇形齿轮3绕O1点作自动运动。取标板5和齿轮6固连在一起，随转盘作公转运动，其绕O2点的自转运动是由扇形齿轮3驱动的。标板7上安装有商标纸，在图示位置固定不动。若取标板5的复合运动能使取标板沿标板7在长度L的范围内作纯滚动，则可圆满地完成取标作业。 
1.转盘2.凸轮3.扇形齿轮4.销轴5.齿轮6.取标板7.标板
图1取标机构工作原理
因此，贴标机取标机构的设计工作主要为：(1)当转盘回转半径R、标板长度L等参数给定后，求出取标板的半径r和偏心e的最佳值；(2)求出满足运动要求的凸轮曲线。
由于上述机构运动关系十分复杂，手工设计只能靠试凑的办法来解决，无法得出最佳设计参数，很难保证整个机构的运行效果。因此本文采用计算机辅助设计的方法，开发出了相应的软件，成功地解决了上述难题。
1取标过程运动误差分析
设取标板沿标板作纯滚动，则取标板回转中心O2的运动轨迹应为摆线，见图2。
图2取标过程运动误差分析
图中
x＝rt－esint(1)
y＝r－ecost（2）
其中，-L／2r≤t≤L／2r。然而，取标板回转中心O2的实际运动轨迹为圆，因此与运动要求存在误差。由于机构的对称性，仅研究图示位置(t≥0)的情况，可得 （3）
 （4）
2问题求解
由于机构的原因，运动误差不可避免，当x方向上产生误差时，取标板将在标板表面产生滑移；当y方向上产生误差时，取标板将挤压标板。所以在设计时应正确选择取标板半径r和偏心e，使得误差达到最小，即 （5）
式中：α1、α2为权因子系数，分别代表了x和y方向上的误差系数，并且α1＋α2＝1。由于标板在y方向为弹性支承，允许标板产生一定范围的法向位移，通常取α1＞α2。
由于式(5)定义的是一个泛函极值的问题，且需要求解非线形方程组，十分困难。因此，本文采用了优化算法。以r、e为变量，以式(5)为目标函数进行求解。在目标函数计算时，以t为变量，以一定的步长扫描0～L/(2r)的范围，求出最大值。这里没有采用一维搜索的方法，主要是担心由于函数关系复杂而导致计算失败。尽管如此，在实际计算时，速度仍然很快，无须等待。
3计算凸轮曲线
如图3所示，设当O2随转盘转于p｛xp，yp｝点时
xp＝Rsinθpyp＝Rcosθp
式中：θ为转盘的转角。
根据式(1)、式(2)得
xp＝rtx－esintx(6)
yp＝r－R－ecosty(7)
根据式(6)、式(7)可求tx，ty，令
tp＝α1tx＋α2ty（8）
可求出θp与tp之间的对应关系，根据t的转角以及扇形齿3与齿轮5之间的传动比以及销轴孔的位置完全确定后，可方便地求出凸轮曲线。
图3取标板转角计算
4软件编程
为实现以上设计计算，在AutoCAD环境下，用ADS开发出了计算机辅助设计软件，该软件共分以下几个模块：(1)用户输入模块主要提供一个用户输入数据的界面，其中包括标板长度、转盘回转半径、齿轮齿数等几何参数，以及取标板半径和偏心距的最大、最小值，权系数α1、α2等参数的输入。(2)r、e计算模块根据用户输入数据，利用优化算法计算出r、e的值，并将计算结果显示于屏幕。(3)凸轮曲线计算模块根据以上计算结果和拥护输入的数据，计算凸轮曲线，并将计算结果保存于数据文件。(4)动态仿真模块根据以上数据模拟显示取标运动过程，并可显示在运动过程的中法向和切向误差。(5)绘图模块用于绘制凸轮曲线、机构原理图、运动误差分析等的图形显示等。
5应用实例
青岛机床厂是生产啤酒设备的专业生产厂，该厂在生产中需要开发取标板长度L＝130mm的贴标机，该贴标机转盘回转半径R＝135mm，扇形齿齿数Z1＝64，齿轮Z2＝18，中心距a＝103．5mm，销轴偏心h＝50mm，销轴偏角f＝9．75°，最小半径r＝40mm，最大半径r＝80mm，最小间距D＝38mm，最大间距D＝40mm。应用本文所属计算机辅助设计软件的计算结果为：半径r＝56．11mm，间距为D＝40mm。α1＝1、α2＝0时(无滑动)，最大法向误差为0.726mm，切向误差为零；α1＝0．9、α2＝0．1时，法向误差为0.692mm，切向误差为0.296mm；α1＝0．5、α2＝0.5时，法向误差为0.357mm，切向误差为1.476mm；α1＝0、α2＝1时(无挤压)，法向误差为零，最大切向误差为2.941mm。该数据在贴标机设计中得到了应用。(end)
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(8/13/2006) |
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