毕业设计（论文）-烟支分离装置的设计毕业论文.doc

目 录 摘要 1 关键词 1 1 前言 2 1 1 烟支分离系统简介 2 1 2 烟支分离原理 4 1 3 设计重点与难点 5 1 4 研究手段 6 2 烟机分离系统结构设计 6 2 1 分离部分的结构设计 7 2 1 2 复位弹簧的设计 10 2 2 承烟槽的设计 13 2 3 配气部分的设计 14 2 3 1 配气原理 14 2 3 2 配气结构 15 2 4 分离鼓轮轴的传动及设计 16 2 4 1 分离鼓轮轴的设计原则 16 2 4 2 分离鼓轮轴的设计 17 3 烟支分离系统的运动学理论分析 17 3 1 原理分析 17 3 2 模型的建立 17 3 3 问题分析 18 3 3 1 影响滑块动态响应的因素 18 3 3 2 产生振动和冲击的因素 18 3 3 3 腾跳现象 19 4 运动仿真分析 19 4 1ADAMS 软件介绍 19 4 1 1 虚拟样机技术 19 4 1 2ADAMS 软件功能 20 4 1 3ADAMS 软件仿真分析步骤 22 4 2MATLAB 软件介绍 22 4 2 1MATLAB 软件功能 22 4 2 2MATLAB 软件使用步骤 23 4 3 仿真模型的建立 23 4 4 关于烟支轴向运动的分析 25 5 总结与展望 31 5 1 总结 31 5 2 展望 32 参考文献 32 致谢 33 附录 1 装配图一张 33 附录 2 零件图四张 分烟块 轮体 外凸轮 内凸轮 33 1 烟支分离装置的设计烟支分离装置的设计 摘 要 本文以提高烟支分离可靠性和减少分离过程中烟支空头为目标 针对生产 能力高于 2 万支 分的技术要求 运用现代 CAD 技术 多体动力学技术和虚拟样机技术 设计提出了一种烟支分离原理和结构 基于 ADAMS 软件建立了烟支分离过程的仿真模型 并进行了运动学仿真和动力学分析 论文的主要内容包括 设计了可行的烟支分离装置方案 并进行了结构设计 综合运 用 MATLAB 和 Pro E 软件建立了该装置的三维模型 通过 Parasolid 格式 将三维模型导入 ADAMS 软件中 然后对整个模型施加相应的约束和运动 进行运动仿真分析 建立了分 离系统的动力学模型 进行了动力学研究 关键词关键词 烟支分离装置 凸轮 高速 运动仿真 Design of Cigarette separation System Abstract This article takes enhancing the cigarette separation reliability and reducing cigarette damage in the separation process as a goal in view of 20000cig minute cigarette separation technology requirements collection and analysis related patented technology research collation of existing technical information using the modern CAD technology multi body dynamics and virtual prototyping technology the design put forward a feasible principle and structure of cigarette separation based on MATLAB and ADAMS the simulation models of cigarette separation was established thus further optimizing the key technology parameters completing the structural design of the cigarette separation part 2 The main contents of this article include the feasible program and the structure of the cigarette separation system was designed the three dimensional model built by Pro E software was imported into the ADAMS to simulate and analyze its motion through Parasolid format the combination of MATLAB function making the process simplified according to the simulation results analyzing the dynamic performance of the structure then assessing the dynamic performance of the device to meet the reliability requirements Key Words Cigarette separation System Cam High speed Movement Simulation 1 前言 1 1 烟支分离系统简介 本次设计主要是对烟支分离系统进行设计研究 烟支分离系统的主要任务 是接收从上游鼓轮传送过来的两支靠拢的等长烟支 将烟支沿轴向分离一段能 足够插入双倍长滤嘴的距离后传送给下游鼓轮 本系统主要由配气座 主轴 旋转鼓轮 内外两个端面凸轮 左右两组分离块组成 与以往的分离装置 锥 轮机构和圆柱凸轮机构 相比 其不像锥轮机构存在烟支交接的不稳定性 也 克服了圆柱凸轮机构刚性差 易磨损 难维修的缺陷 1 纵观各种卷烟机的烟支分离形式 主要有以下几种 1 以英国 MOLINS 公司为代表的锥轮机构 这类机构现在广泛用于 ZJ15 ZJ19 PASSIM 等卷接机组 锥轮机构是利用两相交轴上的锥轮作倾斜 的平面旋转达到烟支分离的目的 如右图 1 所示 该装置接收上游鼓轮的烟支 后 由两组锥形鼓轮 4 和 5 通过旋转实现烟支的分离 分离鼓轮 4 将烟支分离 一定距离后 烟支由平行变成倾斜 分离鼓轮 5 再将烟支拉开一定距离 此时 烟支又从倾斜引入平行 被送入汇合鼓轮 该机构由锥齿轮传动 由于锥度角 的影响 在烟支交接点处沿烟支长度方向各点线速度不等 不利于高速交接 可靠性较 低 2 以德国 HAUNI 公司为代表的圆柱凸轮机构 这类机构已应用于 PROTOS70E 即国内 ZJ17 型 等卷接设备 圆柱凸轮机构是通过圆柱双沟槽凸 轮 1 驱动从动杆组件 2 和 3 推动分离滑块做轴向相对运动使烟支产生分离 由 于该机构设计存在多种缺陷 造成该装置在使用过程中存在运行不稳定 易损 件多和经常须维修的弊病 配气阀 轮体 滑块等零件没有一个内枢支承 定位 刚性差 精度不易保证 凸轮机构被分离块包围 且与负压相通 容 3 易进入灰尘 难以加注润滑油 造成凸轮机构运动阻力大 易磨损 圆柱凸 轮直径受限制 压力角较大 易磨损 从而影响设备的有效作业率 图 1 锥轮机构的分离示意图 Fig 1 Cone turbine separation schemes 图 2 圆柱凸轮机构结构简图 Fig 2 Cylindrical CAM schemes 3 以德国 HAUNI 公司为代表的端面双凸轮机构 这类机构应用于 PROTOS90E PROTOS2 2 即国内 ZJ112 ZJ116 型 等卷接设备 该机构采用的是两个成 180 相位差同心安装的端面凸轮 1 和 2 驱动从动杆组 件推动分离滑块 3 和 4 做轴向相对运动使烟支产生分离 该机构相对于前两类 有其显著的优点 端面凸轮安装在装置的左端 由防尘罩壳封闭 减少了进 灰 集灰的可能 减小了磨损 罩壳内装满润滑脂 使凸轮和从动杆的滚动 轴承有良好的润滑 保证凸轮机构的稳定可靠运行 凸轮外径不受其他机构 制约 可以设计较大 减小其压力角 4 本装置采用端面双凸轮机构 对其结构进行了改进和仿真 在同样的生 产能力下 使鼓轮的转速降低了 1 3 降低了鼓轮在高速旋转下可能产生的振动 噪声等 优化了机器的动力学性能 由于转速降低 烟支的分离周期增大了 图 3 端面凸轮机构运动示意图 Fig 3 End face CAM motion schemes 1 3 分离滑块的最大速度降低了 1 3 最大加速度变为原来的 4 9 使烟支的分离过 程更加平稳 减小了烟支分离过程中受到的冲击 从而减少了烟支空头 为 匹配槽数的变化 端面凸轮的直径增大 使压力角减小 减小了凸轮与滚动轴 承之间的磨损 增加了一个轮座 用以支承配气阀和轮体等 提高了系统的 刚度和精度 1 2 烟支分离原理 烟支分离的任务是将分切后的两根靠拢的等长烟支分离一段距离以便中间 插入双倍长滤嘴段 形成 组烟 3 因此 烟支分离时要求分离鼓轮实现烟 支传送和分离两个任务 这是靠两组分烟块的的旋转 如图 4 所示 和轴向分 离 如图 5 实现的 其具体的工作过程如下 1 左右滑块静止不动 可靠地接收从烟支分切鼓轮传送过来的两根靠拢的烟支 2 左右滑块作相对反向移动 使两烟支逐渐分离 分离距离 s 46mm 1 4 5 图 4 分离鼓轮的旋转运动 Fig 4 Separation of wheel rotation of the drum 3 左右滑块静止不动 且处在分开的位置保证烟支可靠地交递给下游鼓轮 4 左右滑块作相向 3 运动 逐渐靠拢 回到接收烟支要求的位置 图 5 分离滑块的轴向运动 Fig 5 Separation slide block axial movement 以上四个过程是在旋转中的一个连续和循环的过程 达到烟支的传送和轴 向分离 根据烟支分离的工作原理和工作过程 确定分离鼓轮上两组分烟块的 运动相位图 为减小分烟块的不平衡对系统的影响 本方案设定每组分烟块的 个数为 6 沿鼓轮圆周周向分布 给两组分烟块进行标号 左侧的 6 个分烟块标 号为 1 6 右侧分烟块标为 根据分离滑块的 4 个运动过程 设计分离鼓 1 6 轮的四个不同区域如下 30 30 30 150 150 210 210 330 接烟区 滑块静止 分烟区 滑块分离 交烟区 滑块静止 返回区 滑块返回 6 以分离鼓轮在一个旋转周期内 12 个分烟块质心所处的位置及分烟块的运 动状态进行分析 其中 12 个分烟块对应的六个位置在圆周上分别为 0 60 120 180 240 300 通过分烟块的运动状态得到运动相位图如图 6 所示 1 3 设计重点与难点 重点 1 烟支分离装置的原理及结构设计 2 对烟支分离过程的运动学仿真以及相关参数的优化 3 烟支分离系统的动力学分析 难点 1 烟支分离装置的原理及结构设计 2 端面凸轮 复位弹簧 配气系统的设计 3 建立烟支分离过程的运动学模型 优化凸轮轮廓曲线 减少烟支空头 4 分析分离系统动力学性能 以减小对机器的的振动 噪声等 图 6 分离滑块运动相位图 Fig 6 Separation slide motion phase diagram 1 4 研究手段 对烟支分离机构进行研究分析 进行原理 结构方案设计 基于Pro E软件 建立烟支分离系统的三维模型 然后建立烟支分离装置运动学计算模型 该模 型可以用于关键技术参数计算和计算机仿真分析 在Pro E建模过程中进行烟支 分离装置机构学研究 包括烟支分离原理 参数关系等 最后基于ADAMS软件 进行烟支分离过程的运动学仿真分析 根据仿真结果分析机构的动力学性能 对装置的动态性能作出评估 以满足可靠性要求 在设计端面凸轮的轮廓时 要考虑该凸轮结构是高速的 凸轮的工作曲面 7 为空间曲面 本文将采用MATLAB程序生成凸轮曲线的坐标值以得到精确的凸 轮轮廓 以减小在分离过程中受到的冲击 在设计复位弹簧的刚度时 一方面 要保证凸轮机构不产生腾跳 另一方面应该尽可能减小弹簧对系统施加的附加 负荷 对装置的运动学仿真分析的过程中 采用Pro E软件建立了该装置的三维 模型 通过Parasolid格式 将三维模型导入ADAMS软件中 然后对整个模型施 加相应的约束和运动 进行运动仿真分析 以优化相关设计参数 满足分离装 置的可靠性要求 减少烟支空头 2 烟机分离系统结构设计 本次设计主要是对烟机分离系统进行设计 根据分离装置的任务要求 本 次设计中最重要的部分是完成分离动作的凸轮机构部分和承烟槽的优化设计部 分 另外还有配气方案 传动轴等的设计 2 1 分离部分的结构设计 2 1 1 端面凸轮的设计 1 选定从动件的运动规律曲线为了实现滑块准确 平稳的运动 并保证 凸轮机构在振动 冲击 精度及寿命等方面的要求 就必须在设计凸轮机构时 合理的选择和设计从动件的运动规律 7 根据分离鼓轮的工作要求 将凸轮曲线划分为四段 滑块静止段 滑块分 离段 滑块静止段 滑块靠拢段 不同阶段滑块的工作特点不一样 曲线特点 也不一样 接烟和交烟阶段滑块都处于静止状态 是凸轮机构的休止阶段 而 滑块分离阶段和返回阶段是凸轮机构的推程段和回程段 根据凸轮曲线的基本 选用原则 在高速轻载时一般选用修正正弦曲线 其 V 都很低 曲线变 mm a 化平滑 没有尖锐突起部分 因此本装置中的端面凸轮选择修正正弦曲线 以 保证运动过程的平稳 减小冲击 凸轮机构的运动参数如下 凸轮的升程 mm 取 23mmhh 凸轮的相位角 rad 滑块的位移 mm S 滑块的类速度 mm rad 类速度指滑块速度与转动相位角的关系V 滑块的类加速度 mm 滑块加速度与转动相位角的关系A 2 rad 为满足运动要求 凸轮曲线在每个区段的方程式也不同 其关系式如下 8 接烟区 6 6 0 0 0 S V A 1 分烟区 采用变正弦曲线 曲线方程如下 5 66 令 6 4 6 31 sin6 424 3 1 cos6 2 4 9 sin6 4 h S h V h A 2 根据以上分析 得到分烟块的运动规律曲线如图 7 所示 2 凸轮机构的基本尺寸设计 由于本方案中的凸轮安装在整个装置的一 端 其大小不受其他机构制约 设计凸轮机构时 除了应使机构具有良好的受力 状况 外 还希望机构结构紧凑 而凸轮尺寸的大小取决于凸轮基圆半径的大小 在 令 3 44 6 39 2sin 2 4243 3 1 3cos 2 2 4 3 9 sin 2 43 h S h V h A 3 令 35 46 6 31 4sin6 424 3 1 cos6 2 4 9 sin6 4 h S h V h A 4 交烟区 57 66 0 0 Sh V A 9 5 返回区 采用与分烟区相同的变正弦曲线 方程如下 711 66 令 75 64 11 6 31 4sin6 424 3 1 cos6 2 4 9 sin6 4 h S h V h A 6 令 7 57 44 11 6 39 2sin 2 4243 3 1 3cos 2 2 4 3 9 sin 2 43 h S h V h A 令 8 711 46 11 6 31 sin6 424 3 1 cos6 2 4 9 sin6 4 h S h V h A 图 7 分烟块的运动规律曲线 Fig 7 Points of smoke the motion law of the curve 实现相同运动规律的情况下 基圆半径愈大 凸轮的尺寸也愈大 但是基圆半 径的大小又和凸轮机构的压力角有直接关系 如公式 9 所示 压力角是凸轮 机构运动与动力传递的重要参数 它关系到能否正常地传递运动和机构效率的 高低 对运动精度也有较大的影响 在压力角较大时 机构的加工 安装等方 10 面的误差就会对位移 速度 加速度等输出运动参数产生明显的影响 因此对 安装在卷烟机械上的这种精度要求较高的凸轮机构应尽量减小其压力角 压力角 9 1 tan b ds Rd 基圆半径 167 5mm 191 5mm b R 内b R 外 滚子半径 20mm r R 3 利用 MATLAB 软件计算端面凸轮工作面曲线的坐标 MATLAB 是由美 国 MathWorks 公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算语言 它不但具 有以矩阵计算为基础的强大数学计算和分析功能 而且还具有丰富的可视化图 形表现功能和方便的程序设计能力 以及许多具有特殊意义 MATLAB 工具箱 是国际上最流行的系统辅助设计与系统仿真的软件工具 通过 MATLAB 系统 提供的方便的三维图形对象的生成函数及图形控制函数的功能 我们可以得出 端面凸轮的工作面曲线的坐标 为保证精度 将端面凸轮的圆柱外表面展开 结合从动件的运动方程式 每相隔 1 取一个点 得到端面凸轮的理论轮廓和 实际轮廓坐标 如图 8 和 9 同时计算出从凸轮的压力角 理论轮廓坐标 b b 2 360 b XR Ys 10 实际轮廓 11 br sin cos K Kbr XXR YYR 11 图 8 内凸轮参数表 Fig 8 CAM in parameter table 图 9 外凸轮参数表 Fig 9 CAM outside parameter table 4 绘制凸轮轮廓曲线以及凸轮三维建模由第三步中得到的凸轮轮廓坐标 对两个凸轮进行建模 在 CAD 中绘制凸轮二维轮廓曲线时 运用了 EXCEL 的 数据处理功能以及 CAD 多段线命令处理数据点的坐标 而在 Pro E 中进行三维 建模时 将坐标点存储到 ibl 类型的文档中然后倒入 Pro E 中生成凸轮相位图的 igs 曲线 最终运用扫描命令完成凸轮的建模 建模结果如图 10 和 11 所示 2 1 2 复位弹簧的设计 为了避免从动件腾跳而破坏工作端的预期运动 锁合弹簧必须具有足够大 的弹性力 而锁合弹簧的弹性力是施加于系统的附加负荷 过大的弹性力会增 大凸轮副的接触应力 增大主轴扭矩 消耗动力 因此复位弹簧的设计原则是 在保证不产生腾跳的前提下尽可能减小弹簧对系统施加的附加负荷 12 图 10 内凸轮模型 Fig 10 Inside CAM model 图 11 外凸轮模型 Fig 11 The CAM model 将凸轮机构简化为一个单自由度模型如图 12 所示 将凸轮从动件组件简化 为等效质量为的运动 其受力示意图如 13 所示 m 凸轮对从动件机构的作用力 d F 推杆滑块等效质量所受到的摩擦力 f F f Fmg 锁合弹簧的弹性力 设弹簧的初始变形为 则 k F 0 y 0 k Fk yy 推杆滑块等效质量的惯性力 i F i F my 系统阻尼力 c F c F cy 13 图 12 凸轮机构简化模型 Fig 12 CAM simplified model 图 13 滑块受力示意图 Fig 13 The slider bearing schemes 系统的动力平衡方程式为 0 drkic FFFFF 0 F d k yymycymg 为确保滚子推杆与凸轮轮廓接触 0 d F 即 0 0 F d k yymycymg k yy cyy umg m 则弹簧的临界刚度 12 k mycyumg yy max 14 223 3 14 0 010 45 7 9 10 1 1mr lkg 推杆 22223 6 3 14 0 2163 14 0 14 0 07 7 9 107 8mRrLkg 滑块 取等效质量 8 9mmmkg 推杆滑块 查得 中等阻尼 0 1c 摩擦系数0 15 代入数据到公式 12 得 11 31N mm k 弹簧的设计刚度 k 1 2 1 4 因此取 k 11 31 1 2 14N mm k 2 2 承烟槽的设计 本系统设计的端面凸轮安装在系统的一端 凸轮尺寸不受其他机构限制 因此设计中可以考虑增大轮体的直径 在此基础上增加鼓轮上的承烟槽数 提 高了分离鼓轮的性能 根据烟支分离过程建立分离系统工作原理数学模型 其基本参数如下 Q 生产能力 cig min K 分离鼓轮的槽数 n 分离鼓轮的转速 r min 分离鼓轮的角速度 rad s T 分离鼓轮的旋转周期 s t 凸轮机构的推程时间 s 3 T t 分烟块的速度v m s 分烟块的加速度a 2 m s 凸轮压力角 Rb 凸轮基圆半径 mm 以生产能力 Q 20000cig 为例 Q 20000 Q 2 K n 取 K 36 现已有的分离装置 24 K n K Q 2 2 60 n 2 T 2 3 t vV 2 aA 60 Q K 30Q T K Q t K 60 Q vV K 2 60 Q aA K 1 b V R 当槽数 24 时 分别设对应的参数为 K n T t v a b R 15 则有 b 22 33 33 22 24 39 32 23 b nn TT tt vv aa RR 代入数据计算得 当槽数分别为 24 和 36 时 运动参数如表 1 所示 分析表 1 可知 优化槽数可以使分烟块在分离过程中运动更加平稳 减小冲击 同时也减小了凸轮的压力角 降低了凸轮副的磨损 保证了运动的精度 延长 表 1 运动参数对照表 Table 1 Motion parameters cross references A B C D E F G H I J 1 K n r min w rad s T s T s Vmax m s amax m s2 Rb mm 可以进行 分析结果曲线图的各种编辑 4 1 3 ADAMS 软件仿真分析步骤 图 19 为利用 ADAMS 软件进行虚拟样机仿真分析的步骤 根据此步骤可以 完成复杂的机械系统的仿真分析 4 2 MATLAB 软件介绍 4 2 1 MATLAB 软件功能 MATLAB 是由美国 MathWorks 公司推出的用于数值计算和图形处理的科 学计算语言 它不但具有以矩阵计算为基础的强大数学计算和分析功能 而且 还具有丰富的可视化图形表现功能和方便的程序设计能力 以及许多具有特殊 意义的 MATLAB 工具箱 如 控制系统工具箱 信号处理工具箱 系统辩识 工具箱 模糊控制工具箱 神经网络工具箱等 现在 MATLAB 已广泛地应用 于自动控制 信号处理 图像分析 人工智能 生物医学工程 通信工程和金 融系统等领域 是国际上最流行的系统辅助设计与系统仿真的软件工具 MATLAB 系统包括 5 个主要部分 1 MATLAB语言体系是一种以矩阵运算为基础的高级语言 具有条件控制 函数调用 数据结构 输入输出及面向对象等程序语言特征 可以进行程序设 计 2 开发环境由一组工具和组件组成 是图形化的用户界面 包括MATLAB桌 面和命令窗口 命令历史窗口 帮助信息浏览器 工作空间浏览器 文件和搜 索路径浏览器 3 MATLAB数学函数库包括各种数学算法所形成的函数 从基本函数到高级 函数 以及各种工具箱函数 利用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务 压缩了一切不必要的编程工作 由于库函数都由本领域的专家编写 用户不必 担心函数的可靠性 4 图形系统包括数据图示 图像处理 动画生成 图形显示以及图形界面 设计等功能 还可以通过使用图形句柄完成复杂的图形功能 实现对所有图形 对象的操作 5 应用程序接口提供了应用程序接口库函数 用户可在MATLAB环境中使用 C或FORTRAN程序 本论文中主要运用了 MATLAB 强大的函数功能和绘图功能 通过编程作 24 出了滑块的理论位移 理论速度和理论加速度的图形曲线 与在 ADAMS 中仿 真模型的运动曲线进行比较和分析 4 2 2 MATLAB 软件使用步骤 利用 MATLAB 软件对实际工程问题进行分析 能更精确更直观地反应设 计中的问题 它使工程设计从定性分析阶段走向定量分析阶段 其具体的实现 步骤如图 20 所示 图 19 用 ADAMS 进行虚拟样机仿真分析步骤 Fig 19 With ADAMS for virtual prototype simulation analysis steps 25 4 3 仿真模型的建立 要使得仿真与实验很好地吻合 必须建立精确的基于真实系统的仿真模型 模型越精确 仿真与实验的吻合程度就越高 因此建立动力学模型时 首先要 考虑的是保证各种模型的精度 但是对于具有强大的运动学 动力学分析功能的 ADAMS 软件来说 其建模功能相当薄弱 难以建立复杂和不规则形状的构件 目前一种常用方法是用 CAD 软件和 ADAMS 软件联合建模 即先用 CAD 软件 图 20 MATLAB 软件使用步骤 Fig20 The MATLAB software use steps 精确建立复杂机械系统各零部件的三维实体模型和机构装配模型 然后通过中 性文件传送到动力学仿真软件 ADAMS 中添加力和约束 最终形成系统的虚拟 样机 并在样机上对系统进行动力学仿真研究 要实现这一方法 必须充分了 解软件之间的接口问题 15 ADAMS 具有较好的接口功能 ADAMS Exchange 是它的图形接口模块 其功能是利用 IGES STEP STL Parasolid 等产品数据交换的标准文件格式完 建立一个能反应工程 实际问题的数学模型 数学建模 在MATLAB中对给定 的数学模型的求解进 行编程 程序设计 分析计算机计算结果 与工程实际是否相符 结果分析 一致 检查模型和计算方法优化模型 是 对MATLAB模型结果进行保 存 以与其他分析进行比较 保存结果 否 26 成 ADAMS 它 CAD CAM CAE 软件之间的双向传输 从而使它与 CAD CAM CAE 软件更紧密地集成在一起 这些数据格式可与 Pro E UG Solidworks Ansys 等软件进行数据交换 16 综合考虑模型导入的几何特性 物理信息如质量 体积 转动惯量等的保 留完整程度 Parasolid 格式是一种比较好的数据交换标准 Parasolid 数据交换 标准具有如下优点 1 提供精确的几何表达 可在系统间可靠的传递几何和拓扑信息 它的数 据拓扑实体包括 点 边界 片 环 面 壳体 区域 体 2 具有容错造型技术 避免了复杂数据传输时的数据丢失和可靠性差的问 题 3 输入到 ADAMS 中的 Parasolid 格式的图形文件允许做进一步的布尔运 算 除了具有以上优点外 Parasolid 数据交换文件也存在明显的缺陷 1 输入到 ADAMS 中的 Parasolid 格式的图形文件只具有几何信息 须在 ADAMS 中重新定义材料特性 2 在 CAD 软件中确立的零件装配关系 ADAMS 中不能使用 因此需要 在 CAD 软件中将所有装配体分解为一个个独立的构件 导入 ADAMS 中进行 重新定义 17 在 Pro E 中把装配好的烟支分离装置按独立运动的各部分输出 Parasolid 文 件 并在 Export Parasolid 对话框中选择 xmt txt 文件类型 然后在 ADAMS 中导入该文件 此时要注意在 File Import 对话框中的 File Type 栏中选 择 Parasolid xmt txt xmt bin 类型的文件作为导入对象 待文件导入后会自 动按照 Pro E 中的装配关系进行组合 在 ADAMS 中 对组合好的装置施加相 应的约束和运动后 便可对整个装置进行机构的运动仿真了 仿真见具体动画 施加约束和运动后的示意图如图 21 所示 4 4 关于烟支轴向运动的分析 根据烟支分离装置的工作原理 由于烟支沿其轴向方向的运动是由端面凸 轮机构驱动的 所以由第二章中对两个端面凸轮的轮廓设计分析 我们可以得 到烟支沿其轴向方向的运动关系式 即其在轴向方向上的位移 速度和加速度 与时间的关系 27 由端面凸轮的设计分析 得到烟支在分离鼓轮上轮转 180 的时间 也即 烟支轴向运动过程的总时间 内 在直角坐标系下烟支的轴向位移 速度和加 速度与时间的运动关系式如下 分离鼓轮的旋转周期 T 0 216s 因此烟支的轴向分离的时间 t T 2 0 108s 图 21 导入 ADAMS 中的烟支分离装置的示意图 Fig21 Import ADAMS cigarette schematic diagram of the separation device 轴向运动过程对应于分离鼓轮的相位共分五个阶段 对应各阶段 加速度用 来表示 速度用 来表示 位移用 来表示 为时间 其中速度 与类速度avstv V 以及加速度与类加速度的关系为a vwV 2 aw A 1 即 为接烟阶段 凸轮机构处于近休止阶段 这 6 0 0 0 018 t 段时间内烟支没有轴向方向的运动 所以 其运动方程式为 0 0 0 s v a 14 2 即 这一过程为推程阶段 由于为保证运 5 66 0 018 0 09 t 28 动的平稳 凸轮轮廓曲线采用的是变正弦曲线 其运动关系分三个阶段 即 6 4 0 018 0 027 t 2 31 sin6 424 3 1 cos6 2 4 9 sin6 4 hwt swt hw vwt hw awt 15 即 3 44 0 027 0 081 t 2 3wt9 s2sin 2 4243 3 1 3cos 2 2 4 3 9 sin 2 43 h wt hw vwt hw awt 16 即 35 46 0 081 0 09 t 2 31 4sin6 424 3 1 cos6 2 4 9 sin6 4 hwt swt hw vwt hw awt 17 3 即 为交烟阶段 凸轮机构处于远休止阶 5 6 0 09 0 108 t 段 烟支轴向静止 无轴向运动 其运动方程式为 所以 其运动方程式为 0 0 sh v a 18 上述三个阶段是分离鼓轮的旋转的前半个周期内分离块的运动规律 由于 烟支交递给下游鼓轮后 其运动规律与前半个周期的规律相同 因此在这里其 29 运动方程式再给出 根据 上述三个阶段的运动方程式 利用 MATLAB 软件的 函数库以及 plot 画图功能 可以得到理想状态下烟支轴向运动的位移 速度和 加速度与时间的运动关系图 如图 22 23 24 所示 根据以上曲线可以看出 烟支的轴向运动非常平稳 其速度 加速度无突 变 其中滑块的 0 56m s 因此可以看出 在 max 23smm max v 2 max 25 54m sa 第二章中设计的端面凸轮轮廓曲线具有优良的特性 而且分离鼓轮转速的减小 也在一定程度上减小了滑块运动时的速度和加速度 图 22 烟支轴向方向的位移与时间的运动关系图 Fig 22 Cigarette axial direction of displacement and time of the Motion Picture 图23 烟支轴向方 向的速度与时间的运动关系图 Fig 23 Cigarette axial direction of the speed and time Motion Picture 30 图 24 烟支轴向方向的加速度与时间的运动关系图 Fig 24 Cigarette axial direction of the speed and time Motion Picture 在 ADAMS 中 对仿真模型施加约束和运动后 对分离鼓轮进行运动仿真 分析 在这里 我们对左右滑块均进行了运动分析 以便对内外凸轮机构的运 动学和动力学问题进行研究 仿真模型在 ADAMS 中进行运动仿真后 我们可以 得到 在分离轮的旋转过程中左右滑块的位移曲线 速度曲线以及加速度曲线 图分别如图 25 至 30 所示 图 25 仿真得到的左滑块轴向运动的位移曲线图 Fig 25 Displacement curves of the axial movement of the left slider simulation 31 图 26 仿真得到的右滑块的轴向运动的位移曲线图 Fig 26 Displacement curves of the simulated right axial movement of the slider 由两滑块的位移曲线 以一个周期 T 对滑块位移进行分析 在 0 T 6 时间 段内 左右滑块保持静止以接收上游烟支 在 T 6 5T 12 时间段内 左滑块向 左运动 右滑块向右运动 在 5T 12 7T 12 时间段内 两滑块处在最大位移处 静止不动 将烟支交递给下游鼓轮 在 7T 12 5T 6 运动规律与 T 6 5T 12 相 同 在 5T 6 T 范围内 滑块处于静止状态 为下一个周期的接烟阶段作好准备 分析两滑块的速度曲线可知 分离滑块在一个周期内 推程阶段左滑块速度按 正弦规律正向增到最大后又按正弦规律降到 0 使滑块处于静止 回城阶段左滑 块速度按正弦规律负向增到最大后又按正弦规律升到 0 使滑块处于静止 右 滑块与左滑块的速度变化规律相同 方向相反 曲线变化平缓 速度无突变 其变化规律满足了分离鼓轮的工作要求 图 27 仿真得到的左滑块的轴向运动的速度曲线图 Fig 27 Curve of the speed of the simulation left axial movement of the slider 图 28 仿真得到的右滑块的轴向运动的速度曲线图 Fig 28 The simulation to get right slide block axial movement speed curve 32 图 29 仿真得到的左滑块的轴向运动的加速度曲线图 Fig 29 The simulation to get left slide block axial movement of the acceleration curve 分析两滑块的加速度曲线可知 在推程阶段左分离滑块的加速度先正向增 到最大然后逐渐减小到零并负向增到最大之后然后减小到零 在回程阶段加速 度先负向增到最大之后逐渐变为零并反向增到正向最大之后又减为零 右滑块 的加速度规律与左滑块相同 方向相反 加速度曲线由负到正或者由正到负的 转折点不是突变点 冲击小 但是使滑块的加速度曲线存在一定的振动 使滑 块的加速度变化与理论曲线相比存在一定的偏差 结论 通过理想状态下的烟支轴向运动的位移 速度与时间的关系图与仿 真得到的位移 速度曲线图对比分析 可以看出 装置的仿真模型与理论数学 模型吻合的较好 从而验证了该装置设计的可行性 图 30 仿真得到的右滑块的轴向运动的加速度曲线图 Fig 30 The simulation to get right slide block axial movement of the acceleration curve 5 5 总结与展望 5 1 总结 本文主要设计研究了一种烟支分离装置 其生产能力可达 20000cig min 运用现代 CAD 技术 多体动力学技术和虚拟样机技术 设计提出烟支分离原理 和结构 基于 ADAMS 建立烟支分离工作过程的仿真模型 从而进一步优化关 33 键技术参数 完成烟支分离部分的结构设计 论文的主要内容包括 设计了可行的烟支分离系统方案 并进行了结构设 计 采用 Pro E 软件建立了该系统的三维模型 通过 Parasolid 格式 将三维模 型 主要是凸轮和从动件机构 导入 ADAMS 软件中 进行运动仿真分析 通 过分析机构的动力学性能 本文主要有以下改进和特点 1 依据工程实践进行方案和结构设计 设计方案具有可行性 2 在结构设计中 运用 MATLAB 强大的编程和数据处理功能对关键的凸 轮机构进行了设计 简化了凸轮的建模过程 3 本设计方案满足了卷接机高于 20000cig min 的生产能力 且降低了各 运动部件的转速 减少了磨损 延长了机器寿命 4 在结构设计中 采用对部分结构进行改进和类比设计方法 这大大缩 减了设计周期 5 在烟支分离装置中 基于多体动力学技术和虚拟样机技术对烟支轴向 运动的过程进行了验证 从而实现在设计阶段充分地评估设计的可行性 6 结合MATLAB软件的强大而简易的作图功能 作出在理想状态下烟支沿 其轴向方向的运动的位移 速度和加速度与时间的运动关系式 与仿真结果进 行了对比分析 从而把烟支分离过程的理论分析与实际结合起来 7 建立了分离装置的动力学模型 结合现有高速凸轮动力学研究理论优化 了分离鼓轮的动力学性能 5 2 展望 由于毕业设计时间紧迫 设计过程有许多方面还不够全面 有许多后续的 工作有待展开 为了进一步的后续研究工作 提出以下几点建议 供研究参考 1 由于本次设计中对烟支分离鼓轮的承烟槽数进行了优化 导致轮体直径 较大 因此可以对卷烟接装机各鼓轮的节距 相邻两承烟槽的弧长 进行优化 以减小烟支分离鼓轮的尺寸 2 该装置中对凸轮的设计采用的是现有的规律曲线 可通过实验等研究烟 支分离过程的实际情况 设计最佳的轮廓曲线以优化滑块的运动过程 3 综合考虑凸轮机构参数 承烟槽个数和弹簧刚度等关键参数 以烟支分 离的运动参数为优化目标 进行多参数优化设计 确定在不同工况条件下参数 34 的最佳匹配模式 参考文献 1 胡锦红 龙江 一种烟支分离装置 P 中国专利 ZL200620031541 1 2007 7 11 2 高凌生 烟支分离传送装置 P 中国专利 ZL200520052681 2 2007 1 3 3 刘树林 PROTOS70 烟支分离传送装置的改造 烟草科技第 22 卷第 2 期 2008 4 吕长生 姜大成 基于 Pro E 的圆柱凸轮机构设计与运动仿真 机械研究与应用第 22 卷 第 2 期 2009 5 吴晓明 雷亚勇 基于 MATLAB 和 Excel 设计凸轮轮廓曲线 现代制造工程第 1 期 2007 6 YJ17 YJ27 卷接机组 编写组 YJ17 YJ27 卷接机组 北京中国科学技术出版社 2001 7 张继春 王建峰 圆柱凸轮机构的参数化造型和运动仿真 科学技术与工程 第 6 卷第 9 期 2006 8 YJ19 YJ29 卷接机组 编写组 YJ19 YJ29 卷接机组 北京出版社 2000 9 孙桓 机械原理 M 高等教育出版社 2000 8 10 刘子建 叶南海 现代 CAD 基础与应用技术 M 长沙 湖南大学出版社 2004 11 林清安 Pro ENGINEER 零件设计 北京 北京大学出版社 2002 12 濮良贵 纪名刚主编 机械设计 第七版 M 高等教育出版社 2004 2 13 冯辛安 机械制造装备设计 M 大连理工大学机械工业出版社 2006 14 光楞 李伯虎 柴旭东 虚拟样机技术系统仿真学报 2001 13 114 117 15 王国强 虚拟样机技术及其在 ADAMS 上的实践 西安 西北工业大学出版社 2002 16 郑建荣 ADAMS 虚拟样机技术入门与提高 机械工业出版社 2002 17 Ulf Andresen William Singhose A Simple Procedure for Modifying High Speed Cam Profiles for Vibration Reduction Journal of Mechanical Design126 2004 1104 1108 18 Jeenal Voraa Santosh Naira Using virtual reality technology for aircraft visual inspection training presence and comparison studies Applied Ergonomics 33 2002 559 570 19 杨明轩 高速凸轮机构动力学模型研究 机械第 34 卷第 7 期 2007 20 王淑坤 张永武 浅析如何解决高速凸轮机构的常见动力学问题 机械设计与制造第 3 期 2003 35 25 吨水平定向钻机推进机构设计 Q Q 153893706 250t 单梁桥式起重机小车运行机构设计 Q Q 153893706 450t 门式起重机金属结构设计 Q Q 153893706 JS750 混凝土搅拌机结构设计 Q Q 153893706 PLC 控制的翻转机械手的设计 Q Q 153893706 PLC 控制的移置机械手的设计 Q Q 153893706 S11 M 10010 0 4 型变压器的设计及制造工艺 Q Q 153893706 SYYZ792 铜连铸连轧机 轧机部分 液压系统设计 Q Q 153893706