药品自动装盒机取盒机构高速化研究与设计.doc

陕西科技大学硕士学位论文药品自动装盒机取盒机构高速化研究与设计姓名：李龙申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：曹巨江20120527 化 ， 直到 出 现合 适 的运 动 效 果 。 关 键词：取 盒机 构 ， 自动 装 盒机 ， 凸 轮一 五杆机 构 ， 组 合 机 构 ， 真空 气 路 癰 籵 瑃 瓼 猙 瑃 ， 药品自动 装 盒机 的历 史 及 发 展 趋势行 的产 生 过大的冲 击 ，另 外 就 是 速 度 不 能 适 应生 产 的需求，所 以随 着科 技 的进 步 这 类产品渐 渐 的退出 了 市场。中高速 型 的装 盒机 不 再 单独采 用 凸 轮机 构 ，而 是 采 用 组合 机 构 ，如 凸 轮一 连杆 机 构 、齿 轮 连杆 机 构 等 ，充 分 利用 各 种机 构 的优 势 结 合 来 实 现速 度 的提高，取 盒方 式 也 由 原 来 的间 歇 式 变 成 了 连续 式 。由 于 此 类机 构 运行 时相 对稳定 ，也 便于调 整 零部 件的位 置 ，所 以得 到 了 广泛的应用 。对于高速 自动 装 盒机 ，国内 基 本 上 属于 空 配置 方 面 的质量药品自动 装 盒机 的运行 、控 制 及 检 测 都 取 决 于 光 、电 、气 等 控 制元件，控 制 元件质量的好坏 直接 影 响 到 控 制 的精 度 ，高精 度 的控 制 元件如 定 位 精 度 高的伺 服 电机 ，高精 度 的气 动 滑 台的使 用 直接 可以提高机 器 的精 度 及 效 率 。但是 国内 的装 盒机 为 了 节 省制 造成 本 ，很 多执行 机 构 还停 留 在纯 机 械机 构 上 ，如 果 将 其换 成 高级 的、质量高的编 码 器 、传 感器 、电 机 三 位 一 体的高级 伺 服 驱 动 系 统，那 么 整 体的实 效 作 用 肯 定 药品自动 装 盒机 取 盒机 构 高速 化 研 究 与 设计 陕西科 技 大 学硕士学位 论文我 们可以 把 包 装工序 相类 似 的 包 装机 做成 多 种 标准 设 备， 需要 更 换 的 部 件 做成 能 独 立 运质 量 不 过 关 ， 产 品 质 量 与 国 外同类 产 品 之 间还 有很 大 的 差 距 。 药品自动 装 盒机 取 盒机 构 高速 化 研 究 与 设计运 动 规 律 再 推导出凸轮 的曲线 。 醇 塑 封 好 的 药板 通 过吸头进 入 装 盒机 的 输 送 线 ，同时 自动 折 纸 机 将说明说进 行折 叠 ，通 过皮 带 将其 输 送 到装 盒工 位 。 取 盒机 构的 吸头将 药盒从 架 子 上 吸下来 并撑 开 ，放 在 输送 带 的 卡 槽 中 。 在 装 盒工 位 推 手 将说明书 及 药板 推 进 纸 盒中 ，然后对纸 盒进 行刮 舌 、 折舌 、 插舌 打 印 批号 、 剔 废、 装 箱 等 动 作 。 这 样 就 完 成 了 整 个 装 盒的 流 程嘲 。通 过以 上 的 介绍 分 析 可以 得 到，自动 装 盒机 需 完 成 以 下功 能 ： 沪 纩 行星 轮式取 盒机 机 构 的 分析 定 轴 固定 板 偏 心 轮 吸 头 中 心 齿 轮 佣 萋 转 向齿 轮 挡 块图 行 星 轮式取 盒机 构 药品自动 装 盒机 取 盒机 构 高速化 研究 与 设 计按 照 工艺 要 求 ， 转 盘顺时 针转 动 ， 从 动 齿 轮在公 转 的 同 时 也 形成自转 ， 所 以吸 头相对逆飞 ， 把 吸头 ， 璱 找 簧 緉 灰缓 湃 一 谝 药品自动 装 盒机 取 盒机 构 高速 化 研 究 与 设计 同一位 置，没 有 相互转 动，这样 的 轮 系称 为 定 轴 轮 系。 动比 ，就可以 控 制 真 空吸 头 在 指 定 的 位 置实 现指 定 的 动作 。 籡甗：；海籧甁籸，当 时，化 简 得 到 从 动齿 轮 的 运动方 程 为 ： 插 件 去 模 拟 运动分 析 ， 运动 参数 的 分 析将方 程 代 入 方 程 中 ， 经 过 化 简 得 到 加 速 度 ： 个 取 盒周 期 ，运行后查看 其 较 虻乃俣 取 铀 俣 惹 呖 梢钥 闯鲈 的 时候 ，速 度 达 到从 原方案 中 可以看 到整个 机 构是由 行星 轮系构成 ，该 机 构也 很好 的完成 了取 盒动作，也 能 够平 稳的 运行，因 为 该 机 构增加 了大 转盘 和 众 多 齿轮，使 机 构的 整体质量 大 大 的 增加 ，同 时增加 了机 构运转时的 转动惯 量 。 将三 套 吸 头 全 部 装好 后，整个 机 构有大 小 齿轮共 个 ，这 个 数 量 是相 当 多 的 ，使 整体结 构看 起 来 也 非 常 的 繁 琐 ，所 以有必 要 对 该 结 构进行优化 。 药品自 动装盒 机 取 盒机 构高速 化 研究 与 设 计 高、 运 行 平稳 、 易于 加工 等 特 点 。 在方 案 设 计 好 后，用 对 新机构进行 建 模 ，装 配 ，以 查 看 方 案 的可 行 性 及 零件 之 间 是否 有干涉。 然后又 对 新机构进行 了 详 细 的运 动学分析，通过 对 模 型 的运 动 过 程建 立 数学模型 ，计 算 了 机构的运 动 方 程，得 出 了 其 速 度 、 运 动 轨迹 设计话 当 回 到原处时 还需 要 等 待 供料 ， 浪 费了 时 间 。 如图 ， 推 头 走 不 按原路 返回 的轨迹 ， 机构 的 选 型 药品自动 装 盒机 取 盒机 构 高速 化 研究 与 设 计经上 分 析单独 的 机 构 都 各 具优 势 ，但 是 单独 的 机 构 都 无 法 同 时 满足 在 指 定 点 上 速 度和 姿态 的 要 求 。 如单一 的 凸轮 机 构 能实 现 往复摆 动 或 移 动 的 复杂 运动 规 律，但 不 能实 现从 动件 具有一 定 运动 规 律的 整周 转 动 ，所 以 必须 采 用组 合机 构 来实 现 这 一 轨迹 。组 合机 构 是 将 两 个 或 者 两 个 以 上 的 机 构 组 合在 一 起，作 为一 种 新机 构 来实 现 某 指 定的 要 求 。 这 些 机构 可 以 是 相同 的 ，也可 以 是 不 相同 ，如齿 轮 齿 轮 机构 ，齿 轮 连杆 机构 。同 时 组 合机 构 可 以 是 单自由 度 的 机 构 进 行组 合，也可 以 是 多 自由 度 的 机 构 进 行组 合，如齿 轮 一 凸轮 组 合，凸轮 五 杆 机构 组 合。 对于 组 合机 构 ，尽 管 基 本 机构 的 形 式 会多 种 多样 ，但 是 总 结起来可 以 将 组 合机 构 分 为： 串联 式 、 并联 式 、 和 反 馈 式 三种 情 况 。串联 式 组 合机 构 。 串联 式 组 合机 构 是 两 个 或 者 两 个 以 上 的 基 本 机 构 经过 串联 ，使 从动件 达到某 种 特 定 的 运动 规 律【： 俊 庑 辜 校 耙桓鍪 呛笠 桓龅 氖 淙 耄 缦峦 所示。 这 就 需要 设计 时尽 量 的 减轻机 构 的 重 量 ，减少 机 构 的 转 动 惯 量 。如图 所示，该 取 盒机 构 是 双 凸轮 驱 动 五 杆 机 构 的 组合机 构 ，当 五 杆 机 构 做 旋 转运动 时，双 沟 槽 凸轮 通 过 连 杆 给五 杆 机 构 提 供 两 个 输入 动 力 ，使五 杆 机 构 有 一个 确 定 的运动 ，因 为 五 杆 机 构 可 以 实 现复 杂 的 运动 轨迹，故将 吸 头 安装 在 五 杆 机 构 的 连 杆 上 ，只要 控 制 好凸轮 的 曲线 轮 廓及五 杆 机 构 的 尺 寸，就 可 以 实 现指 定 的 取 盒轨迹，即满 足 速 度和姿 态 的 要 求。滚 子 朔 直 鹎 酙 运动 ，进而 驱 动 五 杆 机 构 上 两 个 输入 连 杆 ，由 于 甪 甤 药品自动装 盒 机取盒 机构高速 化 研究 与设计常 用 的 几何 封闭凸 轮 机构： 疾 坌 屯孤 只 谷缤 所示 ， 凹 槽 凸 轮 属于 形 封闭滚 子从 动件 凸 轮 机构【 ， ， 】 。凸 轮 的 轮 廓 做成凹 槽 状， 利 用 凹 槽 两侧 的 轮 廓 曲 线使 滚 子 从 动件 在 凸 轮 运动的 过 程中 始终保 持 接 触 ， 这种 机 构的 特 点 是不 必利 用 从 动件 的 重 力或 者 外 力就 可 以 使 从 动件 和凸 轮始终保 持 接 触 。 这种 封闭的 方 法 简单 ， 但是一 般 的 沟槽 都 是盘状沟槽 ， 其缺 点 是增 加 了凸 轮 整体的 尺 寸 ， 同 时滚 子易 磨 损 。 匿，一 归 面妒办在 回 程阶 段 ， 凸 轮 的 转 角 ， 从 动件 的 位 移 怯 蒱 逐渐 减 小 到零 ， 根 据 回 程的 边鳓 一 争 琧 希 ， 从 动件 等加速 阶 段 的 运动方 程为 ： 。 忙可妒 号 娜叫 惯 性 力发生 突 变 ， 但是突 变 值为 有 限 值， 所 以 引 起的 冲 击 力比 较 小 ， 这种 冲 击 称 为 柔 性 冲 斜 呱 綾 纠一 等 。 尽 化 。 剀 药品自动装 盒 机取盒 机构高速 化 研究 与设计、 和。 归 针 一 劭回 程阶 段 的 运动方 程为 ：口口豢弧!猒“ !9籌吾 压力 角伉 作用在 从动 件上 的 驱动 力 与该 力 作用点的 绝 对 速度 之 间 的 锐 角成 为 压力角， 对 于 高 副机构 ，也是 接 触 点轮 廓 法 线 与从动 件速 度 的 方 向 。 如 下图 所示。 压力 角大 小 是 衡 量 凸轮 机构 工 作性能 优劣 的 一 个 重 要 指 标 ，压力 角的 大 小 对 凸轮 机构 的 受 力 、机构 的 尺 寸 都有 影 响 。 过 大 的 压力 角会 导 致 传 动 效 率 降 低 ，磨损 加剧 。 为 了保 证 凸轮 机构 能 够正 常工 作并 有 一 定 的 传 动 效 率 ，必须对 压力 角进行 限 制 ，凸轮 轮 廓 点上 的 压力 角一 般 都是 变化的 ，在 设 计 时 ，应该 使 最大 压力 角不超 过 许 用值， 常用的 压力 角许 用值如下表 所示。 所以凸轮 在 设 计 时 必须对 压力 角进行 校验 嗍 。 对 于 以参数方 程 ， 少 表示凸轮 的 轮 廓 曲 线 ，其上 面 的 任一 点曲 率 半 径为：口 却 求出 一 系 列曲率 半 径 的值 ， 最后 找 出 曲率在自动 机械 中 工 作 循环 图是表 示 各 执 行机构 在一 个工 作 循环 内的动 作 顺序 的一 种 图表 ， 执 行机构 必须严 格 按 照 工 作 循环 图来 工 作 以 保 证机械 能 够 正 常的工 作 ， 因此正 确 的绘 制工 作 循环 图是非常重 要 的， 常见 的工 作 循环 图有直 线式、 圆 环 式、 和 直 角坐 标 式。其中 直 角坐 标 最常用【 】 。 对于 凸 轮 机构 的设 计， 一 般 都 是根据从动 件 的运动 规 律 的选 择， 所 以 根据自动 装 盒机的已 有的运动 规 律 ， 来 设 计出 符 合 规 律 的位 移曲线。 图 解法 个分 点 。 鲋苯亲 晗 盗暮颓洌 瑇 分 别代表两个沟槽 凸 轮 从 动 件 的 位 移 ，妒 代表图 从 动 件 位 移 图 酣 中 ，己 知 五 杆 厶、 厶、 厶、 厶、 厶的 长度 ，和 两 个原动 件 厶和 厶的 相 位 角为 别 为 翰和 仍 ， 蘡 厶 。 虼 蘡 吼当 仍 和 仍 以 一定 的 规 律 运 动 时 ，整 个五 杆 机 构 满足 装 配 条件 【 】。 对 凸 轮 一 五 杆 机 构 进行 建 模 ， 设五 杆 机 构 的 各 杆 长为 厶、 厶、 厶、 厶， 取 转盘 的 中 晃 逯 浜 蛁 一砭 咒 中 凸 轮 按照摆 线 运 动 规 律 去设计 。如 下 图 荆 甯 嘶 沽 薬 的 值为 已 知 ， 设其为 厶、 厶、在 吸 盒的 过 程 中 ，设计 随 着转盘 的 转动 ， 阊刈磐贾 芯断 蛞 贫 缤 所示 ，时 吸 头 需 要 上 升 的 高度 耸 盇 点 的 位 置 确 定 ， 可以 确 定 出 外 凸 轮 槽 上 对 应 的 关 键 点 。 ： 和 瓦 簉 蘋 ， 憾 岛 一 色 图 凸轮 实 际轮 廓 曲 真空 气路 的 设计也 是 此机 构 设计的 一 个 非常 关 键 的 部 分 ， 机 构 设计的 再怎 么 巧 妙 ，但 是 也 要靠真空 气泵 的 通断 来 控制盒 子 的 吸 与放 ， 如 果 气腔 封 闭不严密 ， 出 现漏 气， 导致气压下 降， 就 会出 现吸 头 吸 不上 或 者 吸 不牢纸 盒 的 现象 ， 严重 的 影 响 到 取盒 的 效 率 。对 于旋转的 吸 头 ，通气本 来 就 是 一 个难 点 ，气腔 的 严密 性也 是 困扰设计人 员的 一 个难 题 。另外 现有 的 气体传输 都是 用 的 密 封 圈 ， 由 于长时 间的 运转， 主轴与密 封 圈 之 间有 磨 损，导 致气体互串 ， 过 段 时 间就 要对 密 封 圈 进 行 更 换， 所以 密 封 圈 更 换方便 性也 是 设计时 应该 考虑 的 重 要因 素。 本 取盒 机 构 有 四套 吸 盘 ， 需 要四套 独 立 的 密 封 系统 及气体传输 控制 主轴 煌咧 一 法 兰 还潭 咦 一 凸 轮盘 是 独 立 动作的 ， 不能 相 互串 气。 主轴 抛 E 旋转， 主轴的 进 气口 始终 在各自 对 应的 下 面是 气体传输 系统 及密 封 系统 关键 零 部 件的 设计。卜 导 气孔 黄 涣 涌 一 气嘴安 装 孔 黄 图 主轴 籥 籥 媾图 转盘 黄 一 小 轴承安 装 处 淮笾 岢 邪沧 按 进 气孔图 轴瓦 图 密 封 套 机 械 结构进 行 运 动 仿真 ，以查看 该 机 构的运 行 是否 有干涉 、 在没 有干涉 的情 况 下 继续检查该 机 构的运 动 轨 迹 是否 能 够 达 到 理 论上 的要 求 、 在达 到 理 论轨 迹 的前提 下 ，对机 构运行 时的位 移 、 速 度 、 加速 度 进 行 分 析，以查看 该 机构是否 运 动 平稳 、 加速 度 是否 有突 变 ，如 果 存 在这 些 问题，就 必 须对机 构进 行 修 改，直 至机 构运 动 轨 迹 符 合 工艺 要 求 ，加速 度连续，机 构能 够 平稳 地工作。 在实 际 生产 中机 构的仿真 有着 以下 方面 的作用 ：实 现 了无纸化 生产 ，为企 业 节省 了成 本 。色 ，运 动 机 构的虚 拟 仿真 己 成 为机 械 设 计 创 新的有力工具，它 可 以提 高 产 品 设 计 的直 观一个 虚 拟 原型 机 仿真 工具，可 以对复 杂的机 构进 行 完整 的运 动 学和动 力学仿真 ，得出 各个 部 件的运 动 状 况 ，包 括 动 量、 速 度 、 加速 度 、 作用 力与反作用 力等，并 以数 据、 图 表、动 画 等形 式 表现 出 来 ，可 以直 观 生动 的反映 机 构的运 动 特性，可 以在产 品 试 制 之 前就 发现 其中明 显的错误 ，同时对设 计 的结构进 行 优 化 ，这 样就 提 高 了 设 计 的质量和减少 了 无端 的浪 费，从 而 提 高了产 品 的竞争 力 。 仿真 的步骤 平 行： 两 个 平 面之间 相 互平 行，但是 不 重合 。 后，整体 机 构 就 成了 一 个 自由 度，也就 是 说整个 机 构 只 需 要 一 个 原 动 力就 可以使 执行机构 实 现 指 定 的动 作 。本设计 中 是 主 轴 旋 转 带 动 五杆 机 构 运 动 ，凸 轮槽 控 制 五杆 机 构 的运动 ，所 以只 需 要 将凸 轮盘固 定 ，然后给 主 轴 加一 个 旋 转 的等 速 马 达 ，先将马 达 的速 度设置 为痬 ，因 为该机 构 有 四 套吸 头 ，所 以实 际 的取 盒效率 为校 痬 具 体 的设置 参数如图 所 示 。 转 盘每 秒 旋 转 一 圈，速 度还是 很 快 的，不 足 以看 见 吸 盒、 撑盒、 放 盒的过 程，所 以将运垂 巫 三 至固 禹箩一霸 岛鹰 喝 图 ： 本 文 首 先对 自动 装 盒机 取 盒工 艺 做 了 详 细的 分 析 ， 分 析 出 了 取 盒过 程 中需 要 在 关 键 点需求 ， 因 此 必 须开发 出 另 一中新 机 构 来 适 应 市 场 的 需求 。本 设计 中的 创 新 机 构 凸轮一五 杆 机 构 取 盒机 构 ， 该机 构 的 原理和 原有 的 取 盒机 构 原理不同 ， 它 综合 了 凸轮 和 连杆的 优势， 使 其 执 行端 在 关 键 的 点 上 实现 指 定的 动 作， 满 足 速 度和 姿 态 的 要 求 。 而且 该 新机 构 设计 没 有 摒弃了 原 有 的 三 尖 瓣 线， 而是 采 用 比 较 容易 实现 的 新 轨迹 ， 此 机 构