摘　要：通過對啤酒貼標機取標機構運動誤差的分析，提出了機構中各主要技術參數和凸輪曲線的設計計算方法，并開發了相應的計算機輔助設計軟件。
關鍵詞：機構學　計算機輔助設計　貼標機取標機構

The Computer Aided Design of the Trade-mark-paper Picking
Mechanism of Beer machinery

Abstract：Based on the kinematics analysis of the trade-mark-paper picking mechanism of beer machinery， a method to define the main parameters of the mechanism is proposed, as well as the calculating method of the cam curve. The correspondent software is developed.
Key wordsmechanism　CAD　trade-mark paper pick mechanism：

貼標機是啤酒生產線上的一個重要設備，其主要功能是將商標紙均勻地貼在啤酒瓶表面上。其中取標機構最為復雜，且運動要求很高，是貼標機設計中的難點。取標機構的工作原理如圖1所示。在取標過程中，轉盤1繞O0點作勻速轉動，轉盤下方固定安裝一盤形凸輪2，當扇形齒輪3隨轉盤1作公轉運動時，凸輪2的曲線可通過銷軸4控制扇形齒輪3繞O1點作自動運動。取標板5和齒輪6固連在一起，隨轉盤作公轉運動，其繞O2點的自轉運動是由扇形齒輪3驅動的。標板7上安裝有商標紙，在圖示位置固定不動。若取標板5的復合運動能使取標板沿標板7在長度L的范圍內作純滾動，則可圓滿地完成取標作業。

1.轉盤2.凸輪3.扇形齒輪4.銷軸5.齒輪6.取標板7.標板
圖1取標機構工作原理

因此，貼標機取標機構的設計工作主要為：(1)當轉盤回轉半徑R、標板長度L等參數給定后，求出取標板的半徑r和偏心e的最佳值；(2)求出滿足運動要求的凸輪曲線。

由于上述機構運動關系十分復雜，手工設計只能靠試湊的辦法來解決，無法得出最佳設計參數，很難保證整個機構的運行效果。因此本文采用計算機輔助設計的方法，開發出了相應的軟件，成功地解決了上述難題。

1取標過程運動誤差分析

設取標板沿標板作純滾動，則取標板回轉中心O2的運動軌跡應為擺線，見圖2。

 
圖2取標過程運動誤差分析

圖中

x＝rt－esint(1)
y＝r－ecost（2）

其中，-L／2r≤t≤L／2r。然而，取標板回轉中心O2的實際運動軌跡為圓，因此與運動要求存在誤差。由于機構的對稱性，僅研究圖示位置(t≥0)的情
況，可得

    （3）

    （4）

2問題求解

由于機構的原因，運動誤差不可避免，當x方向上產生誤差時，取標板將在標板表面產生滑移；當y方向上產生誤差時，取標板將擠壓標板。所以在設計時應正確選擇取標板半徑r和偏心e，使得誤差達到最小，即

（5）

式中：α1、α2為權因子系數，分別代表了x和y方向上的誤差系數，并且α1＋α2＝1。由于標板在y方向為彈性支承，允許標板產生一定范圍的法向位移，通常取α1＞α2。

由于式(5)定義的是一個泛函極值的問題，且需要求解非線形方程組，十分困難。因此，本文采用了優化算法。以r、e為變量，以式(5)為目標函數進行求解。在目標函數計算時，以t為變量，以一定的步長掃描0～L/(2r)的范圍，求出最大值。這里沒有采用一維搜索的方法，主要是擔心由于函數關系復雜而導致計算失敗。盡管如此，在實際計算時，速度仍然很快，無須等待。

3計算凸輪曲線

如圖3所示，設當O2隨轉盤轉于p｛xp，yp｝點時

xp＝Rsinθpyp＝Rcosθp

式中：θ為轉盤的轉角。

根據式(1)、式(2)得

xp＝rtx－esintx(6)
yp＝r－R－ecosty(7)

根據式(6)、式(7)可求tx，ty，令

tp＝α1tx＋α2ty（8）

可求出θp與tp之間的對應關系，根據t的轉角以及扇形齒3與齒輪5之間的傳動比以及銷軸孔的位置完全確定后，可方便地求出凸輪曲線。

 
圖3取標板轉角計算

4軟件編程

為實現以上設計計算，在AutoCAD環境下，用ADS開發出了計算機輔助設計軟件，該軟件共分以下幾個模塊：(1)用戶輸入模塊主要提供一個用戶輸入數據的界面，其中包括標板長度、轉盤回轉半徑、齒輪齒數等幾何參數，以及取標板半徑和偏心距的最大、最小值，權系數α1、α2等參數的輸入。(2)r、e計算模塊根據用戶輸入數據，利用優化算法計算出r、e的值，并將計算結果顯示于屏幕。(3)凸輪曲線計算模塊根據以上計算結果和擁護輸入的數據，計算凸輪曲線，并將計算結果保存于數據文件。(4)動態仿真模塊根據以上數據模擬顯示取標運動過程，并可顯示在運動過程的中法向和切向誤差。(5)繪圖模塊用于繪制凸輪曲線、機構原理圖、運動誤差分析等的圖形顯示等。

5應用實例

     青島機床廠是生產啤酒設備的專業生產廠，該廠在生產中需要開發取標板長度L＝130mm的貼標機，該貼標機轉盤回轉半徑R＝135mm，扇形齒齒數Z1＝64，齒輪Z2＝18，中心距a＝103．5mm，銷軸偏心h＝50mm，銷軸偏角f＝9．75°，最小半徑r＝40mm，最大半徑r＝80mm，最小間距D＝38mm，最大間距D＝40mm。應用本文所屬計算機輔助設計軟件的計算結果為：半徑r＝56．11mm，間距為D＝40mm。α1＝1、α2＝0時(無滑動)，最大法向誤差為0.726mm，切向誤差為零；α1＝0．9、α2＝0．1時，法向誤差為0.692mm，切向誤差為0.296mm；α1＝0．5、α2＝0.5時，法向誤差為0.357mm，切向誤差為1.476mm；α1＝0、α2＝1時(無擠壓)，法向誤差為零，最大切向誤差為2.941mm。該數據在貼標機設計中得到了應用。

參考文獻：

［1］孫靖民，王新榮等.現代機械設計選講.哈爾濱工業大學出版社，1992.
［2］方鐵.AutoCAD C語言高級編程.北京：清華大學出版社，1995.