王智森，韋洪新

（景德鎮(zhèn)學(xué)院 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333000）

“工業(yè)4.0”與“中國制造2025”的時代背景下，各個領(lǐng)域的生產(chǎn)設(shè)備逐步從人工操作向自動化控制轉(zhuǎn)型升級，以滿足產(chǎn)品需求的快速供應(yīng)[1-3]。凸輪機(jī)構(gòu)作為生產(chǎn)設(shè)備中一種常見的實現(xiàn)機(jī)械自動化的控制機(jī)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉并且能滿足不同運(yùn)動要求的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在食品、輕工紡織、印刷等領(lǐng)域[4-5]。為了使從動件達(dá)到預(yù)期運(yùn)動要求，凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計中最顯著的難題是凸輪廓線設(shè)計[6]。

近年來研究者借助的工具很多，鄧援超等[7]利用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）進(jìn)行了機(jī)械鎖緊裝置中凸輪機(jī)構(gòu)廓線的設(shè)計與運(yùn)動學(xué)研究。呂寧等[8]借助專業(yè)工程參數(shù)化設(shè)計軟件（professional engineer，Pro/E）和Matlab軟件實現(xiàn)凸輪機(jī)構(gòu)廓線精確設(shè)計。韓慶紅等[9]利用三維機(jī)械設(shè)計軟件（self organizing large information disseminate work software，SolidWorks）進(jìn)行了灌裝機(jī)分瓶機(jī)構(gòu)凸輪廓線設(shè)計。金國光等[10]采用有限元分析軟件（analysis system，ANSYS）實現(xiàn)高速凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計及有限元分析。上述研究方法在功能上都欠完善，參數(shù)化設(shè)計較少，缺乏獨(dú)立的軟件工程界面，無法滿足一體化協(xié)同設(shè)計分析需求，因此推廣度不高。

1 自動移料機(jī)的凸輪廓線設(shè)計

自動移料機(jī)是食品加工機(jī)械自動化設(shè)備中的重要組成部分[11-12]，本文以自動移料機(jī)為研究對象，進(jìn)行關(guān)鍵部件的凸輪廓線設(shè)計及運(yùn)動學(xué)分析。技術(shù)路線流程圖如圖1所示，首先根據(jù)自動移料機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作路徑選定從動件推程和回程的運(yùn)動規(guī)律；然后結(jié)合凸輪的基本參數(shù)，借助視覺化編程語言（visual basic，VB）軟件生成可視化用戶界面軟件工程，實現(xiàn)多種運(yùn)動路徑需求下的凸輪廓線設(shè)計；最后實時輸出凸輪實際廓線坐標(biāo)值，導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件（.dat）到工程仿真軟件（working model，WM）進(jìn)行運(yùn)動特性分析，完成凸輪參數(shù)化設(shè)計到運(yùn)動學(xué)分析的一體化流程。

圖1 技術(shù)路線流程圖Fig.1 Technical routeflow chart

1.1 工作原理及路徑規(guī)劃

自動移料機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、原動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等4個部分組成，其工作原理如圖2所示。傳動機(jī)構(gòu)包括主軸、X方向擺臂、X方向滑塊、Y方向擺臂、Y方向滑塊、凸輪等，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括吸盤支架、吸盤等。自動移料機(jī)的工作原理是電機(jī)帶動安裝在主軸上的兩個凸輪旋轉(zhuǎn)，通過凸輪實現(xiàn)吸盤兩個方向的往復(fù)移動，完成食品加工過程中材料的拾取和放置工作。

圖2 自動移料機(jī)工作原理Fig.2 Working principle of automatic transfer machine

在工作過程中，要求每分鐘完成材料移位120次，即每秒吸盤實現(xiàn)2個循環(huán)的往復(fù)運(yùn)動，同時滿足吸盤X方向和Y方向的路徑規(guī)劃。為了使行程達(dá)到設(shè)計要求，首要任務(wù)是進(jìn)行凸輪廓線的參數(shù)化設(shè)計。由于從動件擺臂上的滾子半徑為10 mm，滾子中心的軌跡即為追蹤路徑，因此凸輪廓線設(shè)計包括凸輪理論、實際兩個廓線設(shè)計。當(dāng)滾子中心按照追蹤路徑1運(yùn)動時，吸盤將完成運(yùn)動路徑上X方向的移動；同理，追蹤路徑2引導(dǎo)吸盤完成運(yùn)動路徑上Y方向的移動。

1.2 凸輪廓線可視化界面工程設(shè)計

自動移料機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中必須保證材料移位平穩(wěn)、精準(zhǔn)，即吸盤的運(yùn)動過程要求盡可能保持勻速，因此選定從動件推程和回程的運(yùn)動規(guī)律為等速運(yùn)動。在等速運(yùn)動規(guī)律下，凸輪機(jī)構(gòu)的從動件在推程和回程階段的開始與結(jié)束的瞬間，速度會發(fā)生有限值突變，滾子將產(chǎn)生無窮大的加速度，同時帶來無窮大的慣性力，對凸輪造成剛性沖擊。

基于上述分析，需要對從動件推程和回程的等速運(yùn)動規(guī)律的起始位置和終點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化，消除速度的有限值突變和慣性力造成的剛性沖擊[13-16]。凸輪運(yùn)動規(guī)律中滿足起始位置和終點(diǎn)位置加速度曲線不發(fā)生突變且連續(xù)的是正弦運(yùn)動規(guī)律，能夠消除慣性沖擊，實現(xiàn)工作行程的平穩(wěn)性和可靠性。以從動件推程等速運(yùn)動規(guī)律方程優(yōu)化分析為例，在推程的起始和終點(diǎn)位置各選取一小段優(yōu)化區(qū)間采用正弦運(yùn)動規(guī)律作為過渡銜接中間等速大段，規(guī)定優(yōu)化區(qū)間的凸輪轉(zhuǎn)角分別表示為δ11、δ22，從動件對應(yīng)的位移分別表示為h11、h22，經(jīng)推導(dǎo)得到優(yōu)化后的從動件推程等速運(yùn)動規(guī)律方程即組合運(yùn)動規(guī)律方程，同理可得從動件回程的組合運(yùn)動規(guī)律方程。組合運(yùn)動規(guī)律方程分為3段：起始正弦加速小段、中間等速運(yùn)動大段和終點(diǎn)正弦減速小段，各段的位移、速度和加速度公式如下。

起始過渡小段(0≤φ＜π/18)為：

終點(diǎn)過渡小段(4π/9＜φ≤π/2)為：

將上述優(yōu)化后的3段位移、速度和加速度公式編程為程序段模塊，以便于軟件工程調(diào)用，實現(xiàn)程序精簡化。凸輪廓線初始設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 凸輪廓線初始設(shè)計參數(shù)Tab.1 Initial design parameters of cam profile

為了保證凸輪機(jī)構(gòu)在工作過程中不產(chǎn)生自鎖導(dǎo)致無法運(yùn)動，在設(shè)計中規(guī)定了凸輪壓力角的許用值，即從動件做推程運(yùn)動時[]α=30°～40°，做回程運(yùn)動時[]α=70°～80°?？紤]到自動移料機(jī)的凸輪廓線參數(shù)化設(shè)計要求工作可靠，因此選取從動件的推程和回程許用壓力角邊界值，即[]α分別為30°、80°。

基于VB軟件編制凸輪廓線設(shè)計的可視化界面軟件工程，使用SStab控件進(jìn)行編程完成多分支任務(wù)，實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。用戶根據(jù)自動移料機(jī)的工作行程要求，通過可視化界面軟件工程，就能實時輸出凸輪的理論廓線、實際廓線形狀及坐標(biāo)值，過程直觀，提高了設(shè)計效率。軟件工程的主代碼及注釋如表2所示。

表2 軟件工程的主代碼及注釋Tab.2 Main code and notes of software engineering

檢查全部程序的正確性和可行性并編譯，得到凸輪廓線設(shè)計的可視化界面軟件工程如圖3所示，根據(jù)自動移料機(jī)的功能要求，輸入設(shè)計參數(shù)，生成凸輪的理論輪廓和實際輪廓，查看輸出數(shù)據(jù)，并調(diào)試工程運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖3 可視化界面軟件工程Fig.3 Visual interfacesoftwareengineering

2 自動移料機(jī)的凸輪運(yùn)動分析

根據(jù)上述可視化界面軟件工程生成的凸輪輪廓曲線，導(dǎo)出實際廓線坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件到WM軟件進(jìn)行運(yùn)動特性分析，實現(xiàn)從凸輪參數(shù)化設(shè)計到運(yùn)動學(xué)分析的一體化流程，驗證設(shè)計的凸輪是否滿足自動移料機(jī)的材料拾取和放置功能要求。

WM作為一款世界流行的二維運(yùn)動仿真計算機(jī)輔助工程軟件，具備概念性設(shè)計與仿真模擬的特點(diǎn)，可通過構(gòu)建仿真模型完成精確計算。WM軟件在二維環(huán)境下利用復(fù)雜的編輯功能提供一個專業(yè)的全過程動態(tài)仿真，可以模擬牛頓運(yùn)動力學(xué)上的各類機(jī)構(gòu)，并且呈現(xiàn)直觀的仿真模型讓設(shè)計者得到不同運(yùn)動特性分析曲線。本文借助WM的二維運(yùn)動學(xué)仿真分析功能，對利用可視化界面軟件工程設(shè)計的凸輪機(jī)構(gòu)的從動件位移、速度和加速度運(yùn)動特性進(jìn)行分析，可直觀、便捷、高效地得到相關(guān)參數(shù)，利于驗證凸輪廓線設(shè)計的合理性及機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

將實際輪廓坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入WM軟件生成二維凸輪，根據(jù)軟件工程中凸輪各項設(shè)計參數(shù)的數(shù)據(jù)得到如圖4所示的二維凸輪機(jī)構(gòu)仿真模型，主要結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、凸輪、滾子、擺臂等。

圖4 二維凸輪機(jī)構(gòu)仿真模型Fig.4 Simulation model of two dimensional cam mechanism

2.1 位移分析

自動移料機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)吸盤的運(yùn)動路徑可以通過由滾子、擺臂和滑塊組成的移動副位移來測量，其中凸輪廓線1決定吸盤X方向的工作行程，凸輪廓線2決定吸盤Y方向的工作行程。以1組設(shè)計參數(shù)生成的凸輪廓線為例，在WM建立的二維凸輪機(jī)構(gòu)仿真模型中選擇移動副，添加滾子中心軌跡點(diǎn)，設(shè)定2組凸輪角速度，分別運(yùn)行得到如圖5所示的不同凸輪角速度的吸盤位移分析曲線。從位移分析曲線圖中可以直觀地讀取一個周期內(nèi)吸盤工作行程的范圍，且工作行程平穩(wěn)。

圖5 不同凸輪角速度的吸盤位移分析曲線Fig.5 Displacement analysiscurveof sucker with different cam angular velocity

2.2 速度分析

用上述方法，選擇滾子、擺臂和滑塊組成的移動副進(jìn)行自動移料機(jī)的吸盤速度分析，用WM仿真運(yùn)動得到如圖6所示的不同凸輪角速度的吸盤速度分析曲線。以凸輪角速度為1 rad/s為例，從圖6（a）可分析出，在0 s、1.5 s、3.2 s、4.3 s時刻，吸盤速度發(fā)生有限值突變，需要在起始和終點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化。其 中，0～1.5 s，推程階段；3.2～4.3 s，回程階段。

圖6 不同凸輪角速度的吸盤速度分析曲線Fig.6 Speed analysiscurveof sucker with different cam angular velocity

由速度分析曲線圖可知，吸盤工作行程的平均速度和速度波動明顯小于回程的平均速度和速度波動，移料動作平穩(wěn)，驗證了WM運(yùn)動仿真結(jié)果的正確性。在吸盤工作行程中，速度近似等速，這樣能夠保證自動移料機(jī)的工作精度和使用壽命。

2.3 加速度分析

由于從動件的推程和回程運(yùn)動規(guī)律均優(yōu)化為3段組合運(yùn)動形式，自動移料機(jī)在移料過程中加速度連續(xù)且不會發(fā)生突變，總體上等效為0。參照上述分析過程，用WM仿真得到如圖7所示的不同凸輪角速度的吸盤加速度分析曲線。由加速度分析曲線圖可知，吸盤在轉(zhuǎn)移材料的工作行程中，平均加速度接近為0，滿足功能要求，只是在每個周期的起始和終點(diǎn)位置階段會產(chǎn)生過渡加速度值，后續(xù)研究需要針對過渡階段進(jìn)一步優(yōu)化凸輪廓線，提升吸盤工作平穩(wěn)性。

圖7 不同凸輪角速度的吸盤加速度分析曲線Fig.7 Acceleration analysiscurveof sucker with different cam angular velocity

基于優(yōu)化后的等速運(yùn)動規(guī)律，通過設(shè)定凸輪不同的角速度，比較吸盤位移、速度和加速度分析結(jié)果后發(fā)現(xiàn)：在一定范圍內(nèi)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，吸盤位移、速度及加速度幅值均趨于穩(wěn)定，吸盤工作行程頻率隨之增大?；诖艘?guī)律，用戶可以通過可視化界面軟件工程調(diào)試凸輪基本參數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)計滿足自動移料機(jī)功能要求的凸輪廓線最優(yōu)值。

3 結(jié)論

自動移料機(jī)是食品加工機(jī)械自動化設(shè)備中的重要組成部分，本文通過對自動移料機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作行程進(jìn)行路徑規(guī)劃，創(chuàng)新性地提出了一種基于VB/WM的可視化界面凸輪廓線參數(shù)化設(shè)計分析方法，實現(xiàn)材料的拾取和放置功能。為保證材料移位平穩(wěn)和精準(zhǔn)，對從動件的推程和回程等速運(yùn)動規(guī)律方程的起始和終點(diǎn)過渡段進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化。通過可視化界面軟件工程實時調(diào)試凸輪初始參數(shù)，結(jié)合從動件運(yùn)動特性仿真分析結(jié)果，驗證凸輪廓線合理性，修正凸輪機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。整個設(shè)計分析流程時間約為20 s，軟件工程功能完善，推廣度較高，為自動化裝備的研發(fā)提供了參考，具有較大的實際意義和經(jīng)濟(jì)效益。