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1、管类零件喷涂跟踪机构设计 摘要：设计并研制一种适用于管类零件或小型圆柱型物件的内壁喷涂跟踪机构，详细介绍了管类零件喷涂跟踪机构的原理极其结构组成、 论述主要核心部件凸轮的设计和设计原理及过程。关键字：凸轮；喷涂；跟踪机构; 喷涂机械是涂装系统不可缺少的重要设备，随着时代进步和电子技术的不断发展，喷涂设备也由最简单的喷涂机发展到现在的喷涂生产线，涂装生产线主要是用在家用电器、汽车、摩托车、钢木家具、建筑五金工具、仪器仪表外壳等金属属件、塑料件的表面处理。涂装系统主要有粉末涂装系统、自动喷漆系统、工业单机喷涂设备及汽车特种喷涂设备等；设备主要有线处理生产线、睡莲喷漆室、自动喷粉准装置、喷粉机器人、
2、烘道、烘房、自动喷淋装置悬挂物料输送设备等。喷涂作为制品表面处理的一种方法和手段，其发展方兴未艾。目前，国内喷涂设备主要有水平往复自动喷涂机，垂直往复自动喷涂机、旋转喷涂机、多轴顶喷机、喷涂机器人等，可用于外表面较大物件的自动喷涂。而对于透明或单色瓶、杯、管类零件等小尺寸的物件，如在其内表面进行喷涂，可用起到防锈防腐蚀还可以改善观赏、装饰美观性。因此带动了物件内壁喷涂的全自动喷涂机的发展。在物件内壁喷涂的全自动喷涂机中喷涂跟踪机构占有不可或缺的地位。管类零件喷涂跟踪机构用于在管类零件连续输送过程中，对管类零件内壁喷涂塑料薄膜的机构。管类零件等间距的安装在特制的链带上，链带由链轮带动，沿顺时针方
3、向转动。在旋转过程中，喷枪徐徐插入壳内进行喷塑，完成后又迅速退回原始位置，再插入下一管类零件重复前述动作。在本机构中运用到二个凸轮来控制喷枪的运动。其中一个凸轮满足喷枪作轴向往复移动，另一个凸轮满足喷枪作往复摆动的跟踪运动。所以说本机构中凸轮的设计关系到整个机构的运作良好或是否满足喷涂要求。在各种机械，特别是自动机和自动控制装置汇总，广泛采用各种形式的凸轮机构。凸轮机构是一种由凸轮、从动件（又称推杆）和机架组成的传动机构。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。被凸轮直接推动的构件称为推杆。凸轮通常为主动件作等速转动，若凸轮为从动件，称之为反凸轮机构。凸轮机构有如下的优点：1、从动件的运动规律可以
4、任意拟定，凸轮机构可用于对从动件运动规律要求严格的地方，也可以用于要求从动件作间隙运动的地方，其运动时间与停歇时间的比例以及停歇次数都可以任意拟定。可以高速启动，动作准确可靠。2、只要设计相应的凸轮轮廓，就可以使从动件按拟定的规律运动。3、由于数控机床及计算机的广泛应用，特别是近年来可以实现计算机辅助设计与制造，使凸轮轮廓加工并不十分困难。其最大优点是只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且相应快速，机构简单紧凑。正因如此，凸轮机构不可被数控、电控等装置完全代替。由于凸轮机构和包含凸轮机构的各种组合机构能够再现各种预期的运动规律，凸轮机构在工程中获得了广泛的应用
5、。诸如在各种半自动和全自动金属切削机床、内燃机、矿石破碎机、模锻机、冷镦机、钢管冷轧机、自动包装机、织机、家用和工业用缝纫机、自动绕线机、点焊机、印刷机以及多种农业机械等，均采用了凸轮机构。在许多自动化仪表中。也采用凸轮机构作为输出执行机构。凸轮机构的类型很多，按凸轮的形状分有盘形凸轮、圆柱凸轮。本机构就运用一个盘形凸轮和一个圆柱凸轮来满足。本机构采用圆柱凸轮的绕轴转动实现喷枪的往复运动，并用凸轮的转动控制摆杆的摆动，进而实现滑块支座带动喷枪作反复摆动。一个盘形凸轮来控制喷枪的往复运动。凸轮机构设计的任务，是根据工作要求选定合适的凸轮机构的型式、推杆的运动规律和有关的基本尺寸，然后根据选定的推
6、杆运动规律设计出凸轮应用的轮廓曲线。凸轮的回转轴心为圆心，以凸轮的最小半径R0 圆称为凸轮的基圆，R0 称为基圆半径。凸轮与推杆在一点接触时，推杆处于最低位置。当凸轮沿逆时针转动时，推杆在凸轮廓线的推动下，将由最低位置被推到最高位置，推杆运动的这一过程称为推程，而相应的凸轮转角0 称为推程运动角。当推杆与凸轮廓线接触时，推杆处于最高位置而静止不动，这一过程称为远休止，与之相应的凸轮转角01 称为远休止角。当推杆与凸轮廓线接触时，推杆由最高位置回到最低位置，这一过程称为回程，相应的凸轮转角0 称为回程运动角。推杆在最低位置静止不动，这一过程称为近休止，相应的凸轮转角02 称为近休止角。推杆咋推程
7、或回程中移动的距离h称为推杆的行程。所谓推杆的运动规律，是指推杆的位移s，速度v，和加速度a随时间t变化的规律。根据推杆运动规律所用的数学表达式的不同，常用的主要有多项式运动规律和三角函数运动规律两大类。在本设计中主要用到了多项式运动规律中的一次多项式运动规律，所以这里主要介绍一次多项式运动规律。 推杆的多项式运动规律的一般表达式为s=C0+C11+C22+Cnn,为凸轮转角；s为推杆位移；C0、C1、C2、Cn为待定系数.可利用边界条件等来确定。 一次多项式运动规律 设凸轮以等角速度转动，在推程时，凸轮的运动角为0 ,推杆完成行程行程h，当采用一次多项式运动规律时，则有 ；（在推程时） s=
8、C0+C1；v=ds/dt=C1;a=dv/dt=0;设取边界条件为：在始点处 =0，s=0.在终点处 =0 s=h。（在回程时）s=h/0;v=-h/0 ;a=0.由此可知推杆此时作等速运动，故又称其为等速运动规律。 如果工作中有多种要求，只需把这些要求列成相应的边界条件，并增加多项式中的方次，即可求得推杆相应的运动方程式。但当边界条件增多时，会使设计计算复杂，加工精度也难以达到，故通常不宜采用太高次数的多项式。 除了推杆常用的几种运动规律外，根据工作需要，还可以选择其他类型的运动规律，或者几种运动规律组合使用，以改善推杆的运动和动力特性。构造组合运动规律应根据工作的需要，首先考虑用哪些运动
9、规律来参与组合，其次要保证各段运动规律在衔接点上的运动参数的连续性，并在运动的起始和终止处满足边界条件。 选择推杆运动规律，首先需满足机器的工作要求，同时还应使凸轮机构具有良好的动力特性和使所设计的凸轮便于加工等。 凸轮轮廓曲线设计依据的基本原理是反转法原理。推杆的轴线与凸轮回转轴心之间有一偏距。当凸轮以角速度绕轴转动时，推杆在凸轮的推动下实现预期的运动。现设想给整个凸轮机构加上一个公共角速度-，使其绕轴心转动。这时凸轮与推杆之间的相对运动并未改变，但此时凸轮将静止不动，而推杆则一方面随其导轨以角速度-绕轴心转动，一方面又在导轨内作预期的往复移动。这样，推杆在这种复合运动中，其尖顶的运动轨迹即
10、为凸轮轮廓曲线，在设计凸轮廓线时，可假设凸轮静止不动，而使推杆相对于凸轮沿-方向作反转运动，同时又在其导轨内作预期的运动，这样就作出了推杆的一系列位置，将其尖顶所占据的一系列位置连成平滑曲线，这就是所要求的凸轮廓线。将滚子中心视为尖顶推杆的尖顶，按前述方法出滚子中心在推杆复合运动中的轨迹（称此轨迹为凸轮的理论廓线），然后以理论廓线 上一系列点位圆心，以滚子半径为半径，作一系列的圆，再作此圆族的包络线，即为凸轮的工作廓线（又称实际廓线）。凸轮的基圆半径若未指明，通常系指理论廓线的最小半径。空间凸轮机构的类型主要分为圆柱凸轮机构和圆锥凸轮机构两大类。从动件的运动方式有往复直动和往复摆动两种。从动件
11、与凸轮轮廓的接触方式大都采用滚子接触，也可以采用尖底接触。机构的工作周期为凸轮一整转的倍数时，必须采用曲线状的导向块接触。由于空间凸轮的轮廓曲面上包含内凹部分，因此不能采用平底型从动件。从动件与凸轮的锁合方式也可分为力锁合型和几何锁合型两类，凸轮的轮廓曲面可在圆柱体或圆锥体上直接加工而成，也可将轮廓曲面制成允许装拆的瓦状块，用螺钉固定在凸轮基本上。以便调整和更换，在自动机床中常采用这种结构形式。空间凸轮的轮廓是复杂的空间曲面，欲由从动件的运动规律计算轮廓曲面的空间坐标是比较复杂的工作。从制造的角度看，没有必要按空间曲面的坐标施工。因此，就常规的空间凸轮机构而言，为了简化空间凸轮轮廓的设计和制造
12、过程，通常将圆柱凸轮上的圆柱面展开成矩形平面，将圆锥凸轮的圆锥面展开成扇形平面，然后按平面凸轮轮廓曲线的设计方法求得展开没上的轮廓曲线坐标。当从动件是摆动从动件时，由于摆角的影响，滚子中心对于圆柱凸轮的相对运动轨迹会偏离圆柱面，因而这种展开设计方法是一种近似的方法。滚子直动从动件圆柱凸轮机构中，从动件的运动方向与凸轮回转轴线平行。设从动件上的滚子与凸轮的轮廓工作面得接触宽度为b，在b/2处所对应的凸轮圆柱面半径为凸轮的平均圆柱半径，称为基圆柱半径，乃用Rb表示。凸轮槽深度H的大小应保证滚子的端部与槽底之间留有足够的间隙。若凸轮轮廓采用划线方法加工，则应取凸轮的外圆柱面作为基圆柱面。圆柱凸轮的基
13、圆柱面展开后，得展开的平面移动凸轮轮廓。滚子中心Bi的相对运动轨迹0为理论轮廓曲线，1和2为凸轮工作面得两条展开轮廓曲线，即实际轮廓曲线。显然，展开的理论轮廓曲线与从动件的位移曲线具有一致性。X轴线代表凸轮的圆周方向，y轴线为从动件的运动方向，当从从动件的运动规律给定后，理论轮廓曲线随着Rb的增大而越趋于平坦，使机构的压力角减小，轮廓曲线上各点的曲率半径增大（绝对值）。因此，基圆半径的确定依据是许用压力角条件和展开面上的曲率半径条件。通常直动从动件圆柱凸轮机构的许用压力角=25到30。机构采用几何锁合方式时，回程许用压力角与推程相同。通过理论轮廓曲线上任意点作法线nn，nn与y轴夹角即为机构的
14、许用压力角。显然，该店的斜率即为压力角的正切值，因此基圆半径Rb必须满足条件式R=ds/dmax/tan。展开的理论轮廓坐标以直角坐标方式表示时为：x=Rb;yB=s;因此，B点的曲率半径为RB=Rb2+(ds/d)23/2/RBd2s/d2；设滚子半径为Rr，凸轮实际轮廓上的最小允许曲率半径为Rmin，则必须满足条件式RBmin=Rr+Rmin应用数值迭代法即可确定满足曲率半径条件的最小基圆半径。设计时取用的基圆半径必须同时满足上述两个条件。以B0点为坐标原点时，展开的理论轮廓坐标算式上面已经有了，而展开的实际轮廓坐标计算公式为xk=xB+Rrsin；yK=yB+Rrsin;式中的根据tan
15、=1/Rb*da/d计算。对实际轮廓1，=1，求得K1点坐标；对实际轮廓2，则=-1，求得K2点坐标.。凸轮机构或凸轮组合机构的形式和各种尺寸参数都是与该设备的工作目标以及实现工作目标的工艺过程密切相关的。凸轮机构的设计通常须经历下述几项步骤。（一）机构传动方案设计 根据所设计的设备或产品的特点和工作性能指标，制定出可行的工艺过程。按照工艺过程要求，确定执行构件的运动特性和主要参数。运用机构学知识，选定实现执行构件运动特性的机构类型和各机构之间的传动关系，从而形成机构传动方案。（二）机构运动分配设计 机构传动方案确定后，根据工艺过程对执行构件的动作要求，绘制运动分配图。（三）凸轮机构的选型和尺
16、度设计 根据机构运动分配图所确定的原始数据，分别设计各组独立的执行机构。进行凸轮机构尺度设计时，通常须完成以下逐项任务。（1）凸轮机构选型 在设计计算凸轮机构的几何参数前，要先确定采用何种形式的凸轮机构，其中包括凸轮的几何形状、从动件的几何形状、从动的运动方式、从动件和凸轮廓维持的方式等。（2）计算从动件的主要运动参数 根据执行构件的运动要求计算出凸轮机构的从动件冲程（最大位移量或者最大摆动角）。如果执行构件在运动过程中有一个或数个驻点位置需要保证与其他执行构件的运动协调关系，则也须计算出与这些住店对应的从动件位置参数。（3）确定从动件的运动规律 从动件在整个运动范围内的运动特性，诸如位移、速
17、度、加速度乃至跃动度（有驻点要求时还包括通过驻点位置时的运动特性），是与执行构件工作特征密切相关的，也与所选的的凸轮机构的类型之间存在一定的制约因素。因此，在确定从动的运动规律时需要分析各种有关的影响因素。（4）凸轮机构的基本尺寸设计 凸轮机构的基本尺寸主要受两种矛盾因素的制约。如果基本尺寸较大，则相应的机构总体尺寸也较大，造成原材料和加工工时的浪费、机器尺寸过大；而基本尺寸太小，会造成运动失真、机构自锁、强度不足等不良后果。机构的基本尺寸设计是要寻求合理的结构尺寸，使之能够兼顾矛盾两个方面。（5）凸轮机构的凸轮轮廓设计 基于凸轮机构的基本尺寸和从动件的运动规律，即可求得凸轮的轮廓曲线坐标。（
18、6）凸轮和从动件的结构设计和施工设计 凸轮与轴连接的结构，移动从动件和导轨的配合结构以及摆动从动件和摆动支承的连接结构都对机构的受力状态、工作性能及机器零件的工作寿命产生直接影响。（7）刀具中心轨迹坐标计算 经过查阅资料并且参考了有关书籍后，我对管类零件喷涂跟踪器有了新的认识。就本机构而言。首先我们应该分析我们所设计的机构的运动。因为管类零件时安装在一个圆盘链传动上的。我们假设上面有n个管类零件，并且每个管类零件都是均布分布，它们之间的夹角=360/n；管类零件是内壁喷涂，在这一过程中我们必须保证喷枪和管类零件一起运动，所以喷枪在一个方向上的角速度跟链传动的圆盘的角速度应该一致。经过筛选我选用
19、了滚子摆动从动动件盘形凸轮，因为喷枪与摆杆相连接通过设计相应的轮廓线，凸轮会带动喷枪也进行往复摆动。这种设计结构简单方便，并且符合喷枪运动要求。在进行喷涂时需要喷枪从上而下均匀喷涂 当喷涂结束后，喷枪应该快速向上收回并且回到最初的原点迎接下一个管类零件。所以在喷枪的轴向方向上，采用圆柱凸轮的绕轴转动实现喷枪的往复运动。因为设计相应的轮廓曲线，我们可以使喷枪在进入喷涂时缓慢而均匀而在离开管类零件时快速的抽出，从而节约时间并且为下次加工做好准备。喷枪往复的运动中，选择的摆杆凸轮通过摆杆的来回摆动控制喷枪的往复运动进而实现滑块支座带动喷枪作反复摆动。通过摆杆凸轮和圆柱凸轮的相互协调，就可以使设计的机
20、构完成所需要的运动。机构原理图如下： 图1 管类零件等间距的安装在特制的的链传动带上，主轴通过减速器与电动机相连，在旋转过程中，喷枪插入管内进行喷涂，完成后又迅速推出。图中链轮4沿箭头方向旋转，传动轴带动齿轮10，圆柱凸轮14和齿轮11，凸轮6旋转，进而带动摆杆5和导杆13，喷枪组件3，喷枪 ，喷枪构件由滚子12嵌在圆柱凸轮14的槽内构成 。当传动轴9旋转时，凸轮14和6的轮廓曲线满足喷枪一方面做轴向往复移动，另一方面又作往复摆动，从而实现喷枪的跟踪喷塑的目的。方案优点通过设计凸轮与圆柱凸轮的协调性动作，能够实现喷枪的往复移动和往复摆动的一致性，并使每一次喷塑完后，喷枪能够回到原位置，以实现下
21、一次的动作过程。经过如此的连续运动，就实现了在牙膏壳连续输送过程中，喷枪的跟踪喷塑。并且由于凸轮的运用，有了急回特性，从而提高了生产效率。传动轴9转动，带动齿轮10和圆柱凸轮14一起转动。圆柱凸轮的转动使支座小球沿凹槽运动，实现喷枪的移动。齿轮10同时又带动齿轮11作反向运动，齿轮11带动凸轮6转动，凸轮的转动带动摆杆摆动，摆杆又带动导杆绕传动轴9转动，从而使滑块支座带动喷枪作反复摆动。这样就实现了喷枪的往复移动与往复摆动的协调一致性动作运动分析如图图2我们设圆盘链传动上有六个管类零件，因为为均布分布所以每个零件之间的夹角=60；假设圆盘的角速度为那么喷枪的速度也是而喷枪和管类零件在A点正好对
22、准并且开始喷涂，当管类零件运动到B点时（B点为二个零件夹角的一半及=o/2），R为圆盘链传动的半径，此时管类零件运动了S=R;相应的喷枪也运动了S=R。如果此时喷枪依旧跟着管类零件继续运动则不能再下一个管类零件到达回到原点A，这样就会造成到对接不起。所以凸轮要在管类零件它们之间夹角的一半处开始让喷枪回程，只有这样才能使喷枪在下个时间段相互结合。我选用了摆盘形凸轮的从动件运动规律如3图摆动滚子推杆盘形凸轮机构。让其摆杆来控制喷枪的来回摆动。 电动机通过减速器带动传动轴转动，传动轴带动齿轮10转动，齿轮10 带动齿轮11反向转动，齿轮11带动盘形凸轮转动。我们设齿轮10和齿轮11为等比传动则传动轴
23、做等速转动，因此盘形凸轮也做等速转动，且盘形凸轮转速与齿轮转速一致。设；链传动的圆盘转速为0；链传动的圆盘的半径为R；齿轮的转速为1；则盘装凸轮的角速度为2t；圆柱凸轮的速度为3；圆柱凸轮的半径为R1;我们设在圆形链上的二个管类零件之间的夹角为；喷枪工作的行程为h；进过设计我们可以得到盘形凸轮的从动件运动规律如下图图3由此我们可以知道摆动滚子推杆盘装凸轮的从动件运动规律S=(/2)1 (01 )S=-(/2)( 1 2) 在轴向方向上，我们要控制的是喷枪的往复移动，在这方面喷枪要在链传动转过o/2的时间内完成一个运动循环，及深入管类零件内部然后在抽出，为了喷涂均匀和喷涂质量较好我认为喷枪进入管
24、类零件内部时应该是匀速的并且所占喷涂时间的比例应该是比较大的。喷枪抽出后，喷枪就应该进入一段近休止等到链传动把下个管类零件送到，这个时间是由链传动决定的。并且喷枪的往复移动还要配合好摆动滚子推杆盘装凸轮的运动，只有这二个结合好才能实现。所以在摆动滚子推杆盘装凸轮转过时。往复移动就要完成一个循环运动，我们上面提到喷涂的时间应该大于喷枪抽回去的时间，我设喷涂时间为滚子直动从动动件圆柱形凸轮转过5/6时，喷枪开始抽回。则其运动规律如图4图4圆柱状凸轮的从动件运动规律S=(6s/5)2 (025/6)S=6h(1-2/) (5/62)S=0 (22 )滚子直动从动动件圆柱形凸轮与摆动滚子推杆盘装凸轮之
25、间的相互联系如图5 图5设盘形凸轮回转中心和摆杆摆动中的中心距a；盘装凸轮从动件摆杆长度l。摆杆初始位置角0，当推杆相对凸轮转过1时，其角位移为1则取摆动推杆的轴心与凸轮轴心之连线为坐标系的y轴，过凸轮轴心垂直于y轴的为x轴；滚子的理论轮廓曲线方程为x=asin1-lsin(1+1+0) y=acos1-lcos(1+1+0)其工作轮廓线设对应点的坐标为（x,y）x=xrcos; y=yrsintg=dx/dy=（dxb/d1)/(dy/d1)圆柱凸轮导路曲线设计圆柱凸轮由传动轴带动转动，它在圆柱凸轮展开面上的图形与圆柱凸轮从动件运动规律相同，只是横轴坐标要变成圆柱面上的长度。及2R1摆动从动
26、件盘形凸轮机构的曲线设计我们已知：、rb、l、a。作出的曲线，并将其横坐标分成如干等份，纵坐标为从动件摆角。画出基圆，根据a、l确定A0和C0。作转轴圆，并自A0沿（-）将该圆分成与横坐标相应的等份，等到点A1、A2.它们代表反转过程中A依次占据的位置。以上述各点为圆心，以l为半径，作圆弧交基圆于点C1、C2.作相应的角度等到B1、B2.连成光滑的曲线，及凸轮轮廓线。 由上可以了解本机构的大概设计和运动关系，为以后最终定稿做准备。凸轮机构设计的进展在最近这些年发展迅猛。计算机技术的迅猛发展和在生产部门的普及应用，为凸轮机构设计提供了强有力的工具。古典的作图设计方法在工程设计中已经被计算机辅助设
27、计所取代。对先进的机械设备中的关键技术进行剖析和吸收，是加速我国技术进步的有效措施。凸轮机构工作性能的反求，是对有关设备剖析的工作任务之一。为了适应机器工作速度提高的需要，研究和提供高速运转条件下的从动件的运动规律函数和动态分析、动态设计的理论和方法是一个重要的发展方向。为了验证动态设计的理论，测定凸轮机构的实际工作性能，动态测试方法和测试设备的研究是必不可少的领域。为了适应许多自动机械中的分度运动和加工中心上的换刀动作要求，各种凸轮分度机构获得应用和发展。已经开发应用的多种凸轮分度机构是常规的滚子摆动从动件凸轮机构经过功能延伸处理后形成的机构，既去除了从动件的回程运动。在许久自动灌装设备中，
28、应用变异的凸轮对灌装容器进行分检和排序。就凸轮机构而言，此类装置中，灌装容器就是从动件。无级变速是机械传动领域一项重要的研究方向，为了避免摩擦式无极变速的固有缺陷，应用凸轮机构与其他机构的组合，研究开发出许久凸轮式脉动无级变速机构，并在工程汇总获得成功的应用。因此，在掌握凸轮机构理论的基础上，应用功能延伸、构件的形体变异和机构的合理组合等创新技法，研究和开发适应工程应用要求的新型机构是重要的发展方向之一。参考文献1石永刚，吴央芳.凸轮机构设计与应用创新M.机械工业出版社，2007.82邹慧君， 机构系统设计与应用创新M.机械工业出版社，2008.73孙恒，陈作模，葛文杰，机械原理（第七版）M。高等教育出版社，2006.54沈慧平，蒋益新，物件内壁全自动喷涂机的设计与研制J。机械设计 2009（2）76-785（中）刘昌祺（日）牧野 洋 （中）曹西京M。机械工业出版社，2005.8
