蘇勇達(dá)，林松，王瀚超，江競(jìng)宇

新型高速包裝機(jī)推手機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法研究

蘇勇達(dá)1，林松*,2，王瀚超2，江競(jìng)宇2

（1.同濟(jì)大學(xué) 中德學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

為提升高速包裝機(jī)械的工作效率，新型煙包推手機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)受到重視，其主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于要求煙包推手機(jī)構(gòu)執(zhí)行構(gòu)件按某種復(fù)雜軌跡進(jìn)行精確運(yùn)動(dòng)并保持特定姿態(tài)。因此，本文基于德國(guó)產(chǎn)品研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)VDI 2742、產(chǎn)品研發(fā)方法VDI 2221和現(xiàn)代產(chǎn)品研發(fā)理論，結(jié)合煙包推手機(jī)構(gòu)的復(fù)雜軌跡要求和特定姿態(tài)要求，提出一種系統(tǒng)化的煙包推手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。首先，根據(jù)系統(tǒng)化的煙包推手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，對(duì)有復(fù)雜軌跡和姿態(tài)要求的新型煙包推手機(jī)構(gòu)進(jìn)行需求設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)，得到新型的煙包推手機(jī)構(gòu)方案；其次，依據(jù)煙包推手機(jī)構(gòu)技術(shù)需求清單的尺度要求，對(duì)新型煙包推手進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，得到機(jī)構(gòu)構(gòu)件的具體參數(shù)；最后，根據(jù)設(shè)計(jì)所得的構(gòu)件參數(shù)，對(duì)新型煙包推手機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Adams軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，驗(yàn)證了煙包推手裝置的可行性。通過(guò)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)結(jié)果，證明該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)煙包推手機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，大大提高機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性、有效性以及可行性。

現(xiàn)代產(chǎn)品研發(fā)理論；系統(tǒng)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；煙包推手機(jī)構(gòu)

隨著工業(yè)智能化、信息化的發(fā)展，企業(yè)對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)包裝機(jī)械的依賴和研發(fā)日益增加，生產(chǎn)包裝設(shè)備自動(dòng)化的水平日益提高[1]。在自動(dòng)化包裝設(shè)備工作過(guò)程中，為了提高生產(chǎn)包裝設(shè)備的效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)設(shè)備執(zhí)行構(gòu)件往往有復(fù)雜的工藝要求，如要求設(shè)備執(zhí)行構(gòu)件按某種復(fù)雜軌跡運(yùn)動(dòng)或保持特定運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等[2]，這就要求對(duì)實(shí)現(xiàn)特定工藝要求的機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

在煙包包裝機(jī)自動(dòng)化進(jìn)程中，提升包裝機(jī)工作效率的關(guān)鍵是煙包推手裝置。因此，對(duì)高速煙包包裝機(jī)的推手機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，引起了相關(guān)企業(yè)和學(xué)者的重視，并取得不斷突破。如吳旭等[3]根據(jù)特定的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求，提出一種基于機(jī)構(gòu)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和機(jī)構(gòu)組合的煙包推手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；田曉鴻等[4]根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡，選擇用凸輪-連桿組合機(jī)構(gòu)，進(jìn)行煙包推手機(jī)構(gòu)的解析法設(shè)計(jì)；陳祁華等[5]基于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的凸輪，采用曲柄搖桿-凸輪并聯(lián)組合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙包推手裝置的設(shè)計(jì)。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)者現(xiàn)階段對(duì)煙包推手機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是按特定的機(jī)構(gòu)組合方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不能系統(tǒng)性地解決問(wèn)題，對(duì)此類工程問(wèn)題不具備普遍適用性。

由此可知，針對(duì)煙包推手機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，尚未有系統(tǒng)化的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。本文基于現(xiàn)代產(chǎn)品研發(fā)理論，針對(duì)新型煙包推手機(jī)構(gòu)，提出一種系統(tǒng)化的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

1 煙包推手機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

基于德國(guó)產(chǎn)品研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)VDI 2742、產(chǎn)品研發(fā)方法VDI 2221和現(xiàn)代產(chǎn)品研發(fā)理論[6]，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙包推手機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)步驟為：產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)需求；機(jī)構(gòu)功能要求分析和提取；煙包推手機(jī)構(gòu)方案求解；機(jī)構(gòu)方案評(píng)價(jià)和生成；機(jī)構(gòu)方案工作原理分析；煙包推手機(jī)構(gòu)方案確定。

1.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求分析

煙包推手裝置的主要功能是，以特定推手姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)沿著給定軌跡的導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)，并有效避讓下組煙包。根據(jù)企業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書所提出的技術(shù)要求，完成煙包推手裝置設(shè)計(jì)要求示意圖，如圖1所示。

圖1 煙包推手裝置設(shè)計(jì)要求示意圖

煙包推手裝置在工作行程中，實(shí)現(xiàn)推手推程的水平直線運(yùn)動(dòng)，回程的角度偏轉(zhuǎn)規(guī)避運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡呈“鼠身”，并推手保持平動(dòng)姿態(tài)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)“產(chǎn)品研發(fā)方法學(xué)”的相關(guān)概念，借鑒德國(guó)產(chǎn)品研發(fā)方法VDI 2221[7]，參照?qǐng)D1所示的企業(yè)給定的具體技術(shù)要求，從功能、幾何參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)三個(gè)方面出發(fā)，制定出如表1所示的技術(shù)需求清單，明確設(shè)計(jì)所需的具體設(shè)計(jì)要求。

表1 推手裝置技術(shù)需求清單

注：F表示固定需求，指必須滿足的，一般有特定的參數(shù)范圍限制或者具體特性要求。

1.2 機(jī)構(gòu)功能要求的分析和提取

根據(jù)技術(shù)需求清單，采用機(jī)構(gòu)功能分解的方法，分別從運(yùn)動(dòng)軌跡的“局部到整體”和“整體到局部”兩個(gè)方面分析煙包推手機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)任務(wù)，提取具體化的機(jī)構(gòu)子功能。

1.2.1 從運(yùn)動(dòng)軌跡的“局部到整體”分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)子功能

從煙包推手機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的“局部到整體”分析，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線由水平直線和偏轉(zhuǎn)曲線組成。因此，將其工作行程分為水平往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)和回程軌跡偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

水平往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)直線運(yùn)動(dòng)子功能與往復(fù)平動(dòng)的子功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，回程軌跡偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)回程軌跡偏轉(zhuǎn)子功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，煙包推手機(jī)構(gòu)的功能要求，可提取出機(jī)構(gòu)的子功能、、，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。分析機(jī)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)，得出子功能之間的組合方式，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)模塊與實(shí)現(xiàn)往復(fù)平動(dòng)的機(jī)構(gòu)模塊并聯(lián)組合，再串聯(lián)能實(shí)現(xiàn)軌跡回程偏轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)模塊，因此其子功能組合方式，如圖3所示。

圖2 推手機(jī)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)樹(shù)狀圖（“局部→整體”）

圖3 機(jī)構(gòu)子功能組合方式（“局部→整體”）

1.2.2 從運(yùn)動(dòng)軌跡的“整體到局部”分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)子功能

從煙包推手機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的“整體到局部”分析，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線可由近似的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線初步實(shí)現(xiàn)，但為保證運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確直線要求，必須對(duì)曲線進(jìn)行水平直線補(bǔ)償。因此，將其工作行程分為閉合曲線軌跡近似運(yùn)動(dòng)和軌跡補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。

閉合曲線軌跡近似運(yùn)動(dòng)通過(guò)閉合曲線軌跡運(yùn)動(dòng)子功能和往復(fù)平動(dòng)子功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，軌跡補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)通過(guò)軌跡補(bǔ)償子功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，煙包推手機(jī)構(gòu)的功能要求，可提取出機(jī)構(gòu)的子功能、、，其功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。分析機(jī)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)，得出子功能之間的組合方式，實(shí)現(xiàn)閉合曲線軌跡運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)模塊與實(shí)現(xiàn)往復(fù)平動(dòng)的機(jī)構(gòu)模塊裝載式組合，再并聯(lián)實(shí)現(xiàn)軌跡補(bǔ)償?shù)臋C(jī)構(gòu)模塊，因此其子功能組合方式，如圖5所示。

圖4 推手機(jī)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)樹(shù)狀圖（“整體→局部”）

圖5 機(jī)構(gòu)子功能組合方式（“整體→局部”）

1.3 煙包推手機(jī)構(gòu)方案求解

根據(jù)所得到的機(jī)構(gòu)子功能，通過(guò)搜索權(quán)威的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖冊(cè)集、機(jī)構(gòu)模型集，求解得能實(shí)現(xiàn)具體子功能的機(jī)構(gòu)解。以子功能為功能特征，以機(jī)構(gòu)解為功能載體，建立機(jī)構(gòu)方案的形態(tài)學(xué)矩陣[8]，按照功能排列組合的方式求解出滿足功能要求的機(jī)構(gòu)組合方案。

1.3.1 機(jī)構(gòu)方案求解（“局部到整體”）

根據(jù)煙包推手機(jī)構(gòu)的子功能、、，分別求解得能實(shí)現(xiàn)其子功能的機(jī)構(gòu)解。將子功能、、作為形態(tài)學(xué)矩陣的豎列，將機(jī)構(gòu)解作為形態(tài)學(xué)矩陣的橫排，按優(yōu)先順序排列，建立煙包推手機(jī)構(gòu)方案的形態(tài)學(xué)矩陣，如表2所示。

1.3.2 機(jī)構(gòu)方案求解（“整體到局部”）

根據(jù)煙包推手機(jī)構(gòu)的子功能、、，可以分別求解得能實(shí)現(xiàn)其子功能的機(jī)構(gòu)解。將子功能、、作為形態(tài)學(xué)矩陣的豎列，將機(jī)構(gòu)解作為形態(tài)學(xué)矩陣的橫排，按優(yōu)先順序排列，建立煙包推手機(jī)構(gòu)方案的形態(tài)學(xué)矩陣，如表3所示。

1.3.3 機(jī)構(gòu)功能組合方案初步篩選

在考慮機(jī)構(gòu)組合方式可行性的基礎(chǔ)上，根據(jù)上述形態(tài)學(xué)矩陣，進(jìn)行系統(tǒng)性的求解，得到實(shí)現(xiàn)總功能的機(jī)構(gòu)方案。

但這樣形成的機(jī)構(gòu)方案數(shù)目過(guò)大，對(duì)于評(píng)選篩查有困難。因此，對(duì)所得到的機(jī)構(gòu)功能組合方案進(jìn)行初步篩選，分別從機(jī)構(gòu)組合的相容性與協(xié)調(diào)性、優(yōu)先選擇對(duì)主要子功能的較優(yōu)解這兩個(gè)方面來(lái)考慮，如形態(tài)學(xué)矩陣中的4在結(jié)構(gòu)上不能與子功能對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)解進(jìn)行組合等。建立機(jī)構(gòu)功能組合方案篩選表，如表4所示，列舉部分方案進(jìn)行說(shuō)明。

表2 機(jī)構(gòu)方案（“局部到整體”）的形態(tài)學(xué)矩陣

表3 機(jī)構(gòu)方案（“整體到局部”）的形態(tài)學(xué)矩陣

表4 煙包推手機(jī)構(gòu)功能組合方案篩選

注：●表示滿足；◎表示不完全滿足；○表示不滿足。

通過(guò)初步篩選，除去不合理的機(jī)構(gòu)功能組合方案，得到少數(shù)合理方案，方便之后的評(píng)價(jià)決策。

1.4 機(jī)構(gòu)方案評(píng)價(jià)和生成

為評(píng)價(jià)出上述的機(jī)構(gòu)功能組合方案中的最優(yōu)方案，以機(jī)構(gòu)的功能屬性、工作性能、動(dòng)力性能、結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟(jì)性這五個(gè)方面作為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)這五個(gè)方面進(jìn)行分析，歸納整理出二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而建立起機(jī)構(gòu)功能組合方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。運(yùn)動(dòng)規(guī)律、傳動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)配合屬于機(jī)構(gòu)功能屬性的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)；運(yùn)轉(zhuǎn)速度、承載能力、應(yīng)用范圍、運(yùn)動(dòng)可調(diào)性屬于機(jī)構(gòu)工作性能的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)；加速度峰值、可靠性、噪聲、振動(dòng)屬于機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)；尺寸、重量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性屬于結(jié)構(gòu)性能的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)；制造難易程度、能耗、材料利用率屬于經(jīng)濟(jì)性的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

針對(duì)煙包推手機(jī)構(gòu)，根據(jù)技術(shù)需求清單，主要從傳動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)配合、承載能力、可靠性、尺寸和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性這六個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終優(yōu)選出最佳的機(jī)構(gòu)方案。參照德國(guó)產(chǎn)品研發(fā)方法VDI 2221中的綜合評(píng)估方法制定加權(quán)評(píng)估表，依據(jù)選定“評(píng)價(jià)指標(biāo)”和用戶需求分配相應(yīng)“權(quán)重”，根據(jù)各組合方案的實(shí)際特性對(duì)相應(yīng)的權(quán)數(shù)進(jìn)行賦值，如組合方案111的機(jī)構(gòu)復(fù)雜性比111簡(jiǎn)單，組合方案111運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性比221良好，得到如表5所示的評(píng)估表。

表5 煙包推手機(jī)構(gòu)加權(quán)評(píng)估表

注：（1）權(quán)數(shù)滿分為10分；（2）評(píng)價(jià)指標(biāo)“結(jié)構(gòu)復(fù)雜性”，10分為最簡(jiǎn)單，1分為最復(fù)雜；（3）對(duì)于其他的評(píng)價(jià)指標(biāo)，權(quán)數(shù)越高代表該項(xiàng)指標(biāo)越好。

根據(jù)評(píng)估表中的計(jì)算結(jié)果，在從“整體到局部”的煙包推手機(jī)構(gòu)方案中，遴選出111機(jī)構(gòu)功能組合方案。

1.5 機(jī)構(gòu)方案工作原理分析

根據(jù)機(jī)構(gòu)擇優(yōu)結(jié)果，對(duì)機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行機(jī)構(gòu)組合工作原理分析。在“從整體到局部”的煙包推手機(jī)構(gòu)方案中遴選出的111機(jī)構(gòu)功能組合方案，其機(jī)構(gòu)組合工作原理圖，如圖6所示。依據(jù)機(jī)構(gòu)組合工作原理圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙包推手機(jī)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)。

圖6 D1E1F1機(jī)構(gòu)組合工作原理圖

2 新型煙包推手機(jī)構(gòu)

鑒于機(jī)構(gòu)方案評(píng)價(jià)的結(jié)果，以111機(jī)構(gòu)功能組合方案進(jìn)行煙包推手機(jī)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)。

2.1 D1－實(shí)現(xiàn)閉合曲線軌跡近似綜合

1為基礎(chǔ)四桿機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能再現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或者運(yùn)動(dòng)軌跡。其功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的近似綜合。根據(jù)煙包推手機(jī)構(gòu)技術(shù)需求清單的幾何參數(shù)，選擇軌跡曲線的三個(gè)極限平面位置點(diǎn)，分別為14、25、36，并利用Burmester平面機(jī)構(gòu)綜合理論的三位置運(yùn)動(dòng)生成幾何綜合方法[12-13]，求解得滿足機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)要求的基礎(chǔ)四桿機(jī)構(gòu)，如圖7所示。

選取合適的機(jī)架點(diǎn)0、0作為基礎(chǔ)四桿機(jī)構(gòu)的固定鉸鏈。作12和45、13和46、23和56的中垂線，并得到它們的交點(diǎn)，取得極點(diǎn)三角形121323。作0與極點(diǎn)12和極點(diǎn)13的連線，并將兩連線與1223和1323的夾角，分別反向地作到極點(diǎn)12和極點(diǎn)13處的相鄰極邊上。該兩角的自由邊之間的交點(diǎn)，即為基點(diǎn)123。相關(guān)點(diǎn)1、2、3是基點(diǎn)123關(guān)于極點(diǎn)三角形各邊1213、1223和1323的對(duì)稱點(diǎn)。類似地，將0與兩極點(diǎn)12和23相連，從而求得基點(diǎn)123?；c(diǎn)123對(duì)各極邊的對(duì)稱相關(guān)點(diǎn)1、2、3。在圖中畫出所求得的基礎(chǔ)四桿機(jī)構(gòu)在位置1的圖形0110，按照所設(shè)定的圖形比，獲得相關(guān)機(jī)構(gòu)參數(shù)，如圖8所示。在誤差允許范圍內(nèi)調(diào)整機(jī)構(gòu)參數(shù)，使其趨于整數(shù)化，便于構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工制造，如表5所示。

2.2 E1－機(jī)構(gòu)組合實(shí)現(xiàn)平動(dòng)姿態(tài)要求

1為雙平行四邊機(jī)構(gòu)，與上步驟所得的基礎(chǔ)四桿機(jī)構(gòu)有良好的相容性，能夠相互協(xié)調(diào)和適應(yīng)。針對(duì)基礎(chǔ)四桿機(jī)構(gòu)與1采用裝載式機(jī)構(gòu)組合方法。裝載式機(jī)構(gòu)組合，即將一個(gè)附加機(jī)構(gòu)裝載在基本機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上[14]。

如圖9所示，將雙平行四邊機(jī)構(gòu)裝載在基礎(chǔ)四桿機(jī)構(gòu)上，連接1與作為雙平行四邊形機(jī)構(gòu)的連桿1，取連桿11長(zhǎng)度為50 mm，得到能實(shí)現(xiàn)推手平動(dòng)姿態(tài)要求的基礎(chǔ)四桿-雙平行四邊形組合機(jī)構(gòu)。根據(jù)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)組合機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除連桿1，有利于后續(xù)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3 F1－實(shí)現(xiàn)軌跡補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)

根據(jù)技術(shù)需求清單，分析上步驟所得組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可得當(dāng)∈（208°, 354°）時(shí)，煙包推手機(jī)構(gòu)要進(jìn)行水平直線運(yùn)動(dòng)。

圖7 煙包推手機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡三個(gè)平面位置及其求解

A0、B0為機(jī)架點(diǎn)；a、b為兩個(gè)機(jī)架點(diǎn)在垂直方向和水平方向上的距離；α為主動(dòng)件的輸出角度；l1、l2、l3為構(gòu)件1、2、3的長(zhǎng)度；l4、l5為構(gòu)件2上A1點(diǎn)到E點(diǎn)的距離和E點(diǎn)到K點(diǎn)的距離；β為構(gòu)件2上∠KEB1的角度；Hh為推手實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的回程避讓高度；Lh為推手實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的直線推送距離。

表5 基礎(chǔ)四桿機(jī)構(gòu)參數(shù)

圖9 初始四桿-雙平行四邊形組合機(jī)構(gòu)

因此，在機(jī)架0、0處引入補(bǔ)償調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡的凸輪機(jī)構(gòu)1，其作用是調(diào)整機(jī)架點(diǎn)0、0在垂直方向上的位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡與軌跡要求相符合。通過(guò)機(jī)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系，借助MATLAB計(jì)算∈（208°, 354°）的補(bǔ)償量，以及期望運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖10所示。

為實(shí)現(xiàn)推手裝置能在單一勻速驅(qū)動(dòng)電機(jī)下完成工作，且共軛凸輪具備良好的運(yùn)動(dòng)傳遞性，因此采用共軛凸輪-曲柄滑塊組合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件00在垂直方向上的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，分析得機(jī)構(gòu)組合工作原理圖，如圖11所示。

3 新型煙包推手裝置仿真分析

3.1 煙包推手裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖9所示的基礎(chǔ)四桿-雙平行四邊形組合機(jī)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)的構(gòu)件參數(shù)，設(shè)計(jì)該組合機(jī)構(gòu)的三維模型，如圖12所示。

使用SolidWorks軟件對(duì)凸輪從動(dòng)件、連桿、滑塊、滾子、機(jī)架進(jìn)行三維建模。利用MATLAB，求解得共軛凸輪輪廓曲線，從而得到共軛凸輪-曲柄滑塊組合機(jī)構(gòu)裝配圖，如圖13所示。

圖10 煙包推手機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡補(bǔ)償量及其分析

依據(jù)圖11所示的煙包推手機(jī)構(gòu)方案工作原理圖，分析煙包推手裝置裝配工作原理圖解。根據(jù)煙包推手裝置裝配工作原理圖解，完成對(duì)煙包推手裝置的裝配，得到煙包推手裝置模型，如圖14所示。

圖11 煙包推手機(jī)構(gòu)方案工作原理圖及其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖12 基礎(chǔ)四桿-雙平行四邊形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖13 共軛凸輪-曲柄滑塊組合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖14 煙包推手裝置結(jié)構(gòu)裝配圖

3.2 煙包推手裝置運(yùn)動(dòng)仿真

依據(jù)在SolidWorks軟件中建立的三維實(shí)體模型，將其導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件Adams。在Adams/View中，定義煙包推手模型的運(yùn)動(dòng)副、外載、重力，設(shè)定材料和轉(zhuǎn)速，建立起煙包推手裝置的動(dòng)力學(xué)模型，如圖15所示。

圖15 煙包推手裝置的動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)技術(shù)需求清單表1，可知煙包推手裝置的工作速度為500 r/min，在Adams/View中設(shè)定輸入軸轉(zhuǎn)速為3000 o/s，煙包推手軌跡運(yùn)動(dòng)周期＝0.12 s。為驗(yàn)證煙包推手仿真模型的正確性，利用Adams/View求解得，煙包推手執(zhí)行構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，

并將由MATLAB計(jì)算得出的運(yùn)動(dòng)軌跡解析解與其仿真運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行對(duì)比，如圖16所示。

如圖16所示，可知運(yùn)動(dòng)軌跡解析解與運(yùn)動(dòng)軌跡仿真解一致，且姿態(tài)保持平動(dòng)，因此煙包推手仿真模型可靠。煙包推手裝置的主要運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樗椒较?，該方向的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)煙包質(zhì)量影響最大[15]。因此，主要分析煙包推手工作構(gòu)件在水平方向上的速度和加速度對(duì)煙包質(zhì)量的影響，如圖17所示。

煙包受摩擦力作用，因此能保持與推手接觸，且其速度和加速度與推手基本一致。當(dāng)1＝0.013 s時(shí)，推手與煙包接觸，此時(shí)推手在水平方向上的速度較小，加速度變化平穩(wěn)，也就是說(shuō)推手與煙包的接觸近似為無(wú)速度突變接觸，接觸良好。當(dāng)2＝0.072 s時(shí)，推手與煙包分離，此時(shí)推手在水平方向上的速度較小，加速度變化影響不大，不會(huì)對(duì)煙包造成損傷。

圖16 煙包推手運(yùn)動(dòng)軌跡解析解和仿真解對(duì)比

圖18 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法流程圖

4 結(jié)論

本文基于現(xiàn)代產(chǎn)品研發(fā)理論，針對(duì)有運(yùn)動(dòng)軌跡要求的煙包推手，提出一種系統(tǒng)化的煙包推手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的流程圖，如圖18所示。

具體設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）根據(jù)企業(yè)的設(shè)計(jì)任務(wù)書提出的技術(shù)要求，制訂技術(shù)需求清單，明確設(shè)計(jì)的具體要求；

（2）基于技術(shù)需求清單，對(duì)機(jī)構(gòu)功能要求提取和分析，得到機(jī)構(gòu)子功能及其功能組合方式和機(jī)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)樹(shù)狀圖；

（3）根據(jù)劃分的子功能，搜索權(quán)威的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖冊(cè)集、機(jī)構(gòu)模型集，求解得能實(shí)現(xiàn)具體子功能的機(jī)構(gòu)解，以子功能作為功能特征，以求解得的單元機(jī)構(gòu)作為功能載體，得到機(jī)構(gòu)方案形態(tài)學(xué)矩陣；

（4）通過(guò)建立機(jī)構(gòu)功能組合方案評(píng)價(jià)體系，對(duì)煙包推手機(jī)構(gòu)功能組合方案進(jìn)行指標(biāo)評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行擇優(yōu)，遴選出最優(yōu)機(jī)構(gòu)方案；

（5）根據(jù)機(jī)構(gòu)擇優(yōu)結(jié)果，對(duì)機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行機(jī)構(gòu)組合工作原理分析，得到機(jī)構(gòu)組合工作原理圖。

應(yīng)用此設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)新型煙包推手機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了方法的可行性和準(zhǔn)確性。通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析，證明了機(jī)構(gòu)執(zhí)行構(gòu)件能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)要求。利用Adams動(dòng)力學(xué)仿真，求得煙包推手執(zhí)行構(gòu)件的速度和加速度曲線，分析得煙包推手的動(dòng)態(tài)特性，計(jì)算結(jié)果表明，該推手能平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)煙包推送，并保證煙包質(zhì)量。

綜上所述，實(shí)踐證明該系統(tǒng)化的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜軌跡和姿態(tài)要求的煙包推手機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)，大大提高機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性。本文結(jié)合了產(chǎn)品研發(fā)方法和理論，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，拓展了現(xiàn)代機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新思路，為有軌跡和姿態(tài)要求的機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提供了系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)思路。

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Research on the Systematic Design Scheme of the Push-Hand Mechanism of the New High-Speed Packaging Machine

SU Yongda1，LIN Song2，WANG Hanchao2，JIANG Jingyu2

(1.Sino-German School for Postgraduate Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China;2.School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

In order to improve the working efficiency of high-speed packaging machinery, the innovative design of the cigarette pack pusher mechanism has received attention. The main design difficulty lies in the requirement that the executive member of the cigarette pack pusher mechanism accurately move in a specific posture and follow a certain complex trajectory. Therefore, based on the German product development standard-VDI 2742, product development method-VDI 2221 and modern product development theories, this paper proposes a systematic design method for the cigarette package pusher mechanism, combining the complex trajectory requirements and specific posture requirements of the cigarette package pusher mechanism. First of all, according to the systematic design method of the cigarette pack pusher mechanism, the demand design and conceptual design of the new cigarette pack pusher mechanism with complex trajectory and posture requirements are carried out to obtain a new type of cigarette pack pusher mechanism scheme. Secondly, according to the technology of the cigarette pack pusher mechanism According to the scale requirements of the demand list, the new cigarette pack pusher is finely designed to obtain the specific parameters of the mechanism components. Finally, the new cigarette pack pusher mechanism is designed according to the designed component parameters, and the Adams software is used for dynamic analysis to verify the feasibility of the cigarette pack pushing device. Through the design results of the mechanism scheme, it is proved that the mechanism design method can realize the systematic design of the cigarette pack pushing mechanism, which greatly improves the systematic, effectiveness and feasibility of the mechanism design.

modern product research and development theory；systematic mechanism design scheme；cigarette pack pusher mechanism

TH112

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.06.009

1006-0316 (2021) 06-0054-10

2021-03-07

蘇勇達(dá)（1995－），男，福建泉州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品研發(fā)方法及其智能設(shè)計(jì)，E-mail：1833352@#edu.cn。*通訊作者：林松（1957－），男，四川蒼溪人，工學(xué)博士（德），教授，主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品研發(fā)方法及其智能設(shè)計(jì)、虛擬產(chǎn)品生成及其數(shù)字孿生、智能裝置及其人機(jī)協(xié)調(diào)和技術(shù)系統(tǒng)可靠性及安全設(shè)計(jì)，E-mail：slin@#edu.cn。