1、管類零件噴涂跟蹤機構設計摘要：設計并研制一種適用于管類零件或小型圓柱型物件的內壁噴涂跟蹤機構，詳細介紹了管類零件噴涂跟蹤機構的原理極其結構組成、 論述主要核心部件凸輪的設計和設計原理及過程。關鍵字：凸輪；噴涂；跟蹤機構; 噴涂機械是涂裝系統不可缺少的重要設備，隨著時代進步和電子技術的不斷發展，噴涂設備也由最簡單的噴涂機發展到現在的噴涂生產線，涂裝生產線主要是用在家用電器、汽車、摩托車、鋼木家具、建筑五金工具、儀器儀表外殼等金屬屬件、塑料件的表面處理。涂裝系統主要有粉末涂裝系統、自動噴漆系統、工業單機噴涂設備及汽車特種噴涂設備等；設備主要有線處理生產線、睡蓮噴漆室、自動噴粉準裝置、噴粉機器人、烘

2、道、烘房、自動噴淋裝置懸掛物料輸送設備等。噴涂作為制品表面處理的一種方法和手段，其發展方興未艾。目前，國內噴涂設備主要有水平往復自動噴涂機，垂直往復自動噴涂機、旋轉噴涂機、多軸頂噴機、噴涂機器人等，可用于外表面較大物件的自動噴涂。而對于透明或單色瓶、杯、管類零件等小尺寸的物件，如在其內表面進行噴涂，可用起到防銹防腐蝕還可以改善觀賞、裝飾美觀性。因此帶動了物件內壁噴涂的全自動噴涂機的發展。在物件內壁噴涂的全自動噴涂機中噴涂跟蹤機構占有不可或缺的地位。管類零件噴涂跟蹤機構用于在管類零件連續輸送過程中，對管類零件內壁噴涂塑料薄膜的機構。管類零件等間距的安裝在特制的鏈帶上，鏈帶由鏈輪帶動，沿順時針方向

3、轉動。在旋轉過程中，噴槍徐徐插入殼內進行噴塑，完成后又迅速退回原始位置，再插入下一管類零件重復前述動作。在本機構中運用到二個凸輪來控制噴槍的運動。其中一個凸輪滿足噴槍作軸向往復移動，另一個凸輪滿足噴槍作往復擺動的跟蹤運動。所以說本機構中凸輪的設計關系到整個機構的運作良好或是否滿足噴涂要求。在各種機械，特別是自動機和自動控制裝置匯總，廣泛采用各種形式的凸輪機構。凸輪機構是一種由凸輪、從動件（又稱推桿）和機架組成的傳動機構。凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構件。被凸輪直接推動的構件稱為推桿。凸輪通常為主動件作等速轉動，若凸輪為從動件，稱之為反凸輪機構。凸輪機構有如下的優點：1、從動件的運動規律可以任

4、意擬定，凸輪機構可用于對從動件運動規律要求嚴格的地方，也可以用于要求從動件作間隙運動的地方，其運動時間與停歇時間的比例以及停歇次數都可以任意擬定。可以高速啟動，動作準確可靠。2、只要設計相應的凸輪輪廓，就可以使從動件按擬定的規律運動。3、由于數控機床及計算機的廣泛應用，特別是近年來可以實現計算機輔助設計與制造，使凸輪輪廓加工并不十分困難。其最大優點是只要適當地設計出凸輪的輪廓曲線，就可以使推桿得到各種預期的運動規律，而且相應快速，機構簡單緊湊。正因如此，凸輪機構不可被數控、電控等裝置完全代替。由于凸輪機構和包含凸輪機構的各種組合機構能夠再現各種預期的運動規律，凸輪機構在工程中獲得了廣泛的應用。

5、諸如在各種半自動和全自動金屬切削機床、內燃機、礦石破碎機、模鍛機、冷鐓機、鋼管冷軋機、自動包裝機、織機、家用和工業用縫紉機、自動繞線機、點焊機、印刷機以及多種農業機械等，均采用了凸輪機構。在許多自動化儀表中。也采用凸輪機構作為輸出執行機構。凸輪機構的類型很多，按凸輪的形狀分有盤形凸輪、圓柱凸輪。本機構就運用一個盤形凸輪和一個圓柱凸輪來滿足。本機構采用圓柱凸輪的繞軸轉動實現噴槍的往復運動，并用凸輪的轉動控制擺桿的擺動，進而實現滑塊支座帶動噴槍作反復擺動。一個盤形凸輪來控制噴槍的往復運動。凸輪機構設計的任務，是根據工作要求選定合適的凸輪機構的型式、推桿的運動規律和有關的基本尺寸，然后根據選定的推桿

6、運動規律設計出凸輪應用的輪廓曲線。凸輪的回轉軸心為圓心，以凸輪的最小半徑r0 圓稱為凸輪的基圓，r0 稱為基圓半徑。凸輪與推桿在一點接觸時，推桿處于最低位置。當凸輪沿逆時針轉動時，推桿在凸輪廓線的推動下，將由最低位置被推到最高位置，推桿運動的這一過程稱為推程，而相應的凸輪轉角0 稱為推程運動角。當推桿與凸輪廓線接觸時，推桿處于最高位置而靜止不動，這一過程稱為遠休止，與之相應的凸輪轉角01 稱為遠休止角。當推桿與凸輪廓線接觸時，推桿由最高位置回到最低位置，這一過程稱為回程，相應的凸輪轉角0 稱為回程運動角。推桿在最低位置靜止不動，這一過程稱為近休止，相應的凸輪轉角02 稱為近休止角。推桿咋推程或

7、回程中移動的距離h稱為推桿的行程。所謂推桿的運動規律，是指推桿的位移s，速度v，和加速度a隨時間t變化的規律。根據推桿運動規律所用的數學表達式的不同，常用的主要有多項式運動規律和三角函數運動規律兩大類。在本設計中主要用到了多項式運動規律中的一次多項式運動規律，所以這里主要介紹一次多項式運動規律。 推桿的多項式運動規律的一般表達式為s=c0+c11+c22+cnn,為凸輪轉角；s為推桿位移；c0、c1、c2、cn為待定系數.可利用邊界條件等來確定。 一次多項式運動規律 設凸輪以等角速度轉動，在推程時，凸輪的運動角為0 ,推桿完成行程行程h，當采用一次多項式運動規律時，則有 ；（在推程時） s=c

8、0+c1；v=ds/dt=c1;a=dv/dt=0;設取邊界條件為：在始點處 =0，s=0.在終點處 =0 s=h。（在回程時）s=h/0;v=-h/0 ;a=0.由此可知推桿此時作等速運動，故又稱其為等速運動規律。 如果工作中有多種要求，只需把這些要求列成相應的邊界條件，并增加多項式中的方次，即可求得推桿相應的運動方程式。但當邊界條件增多時，會使設計計算復雜，加工精度也難以達到，故通常不宜采用太高次數的多項式。 除了推桿常用的幾種運動規律外，根據工作需要，還可以選擇其他類型的運動規律，或者幾種運動規律組合使用，以改善推桿的運動和動力特性。構造組合運動規律應根據工作的需要，首先考慮用哪些運動規

9、律來參與組合，其次要保證各段運動規律在銜接點上的運動參數的連續性，并在運動的起始和終止處滿足邊界條件。 選擇推桿運動規律，首先需滿足機器的工作要求，同時還應使凸輪機構具有良好的動力特性和使所設計的凸輪便于加工等。 凸輪輪廓曲線設計依據的基本原理是反轉法原理。推桿的軸線與凸輪回轉軸心之間有一偏距。當凸輪以角速度繞軸轉動時，推桿在凸輪的推動下實現預期的運動。現設想給整個凸輪機構加上一個公共角速度-，使其繞軸心轉動。這時凸輪與推桿之間的相對運動并未改變，但此時凸輪將靜止不動，而推桿則一方面隨其導軌以角速度-繞軸心轉動，一方面又在導軌內作預期的往復移動。這樣，推桿在這種復合運動中，其尖頂的運動軌跡即為

10、凸輪輪廓曲線，在設計凸輪廓線時，可假設凸輪靜止不動，而使推桿相對于凸輪沿-方向作反轉運動，同時又在其導軌內作預期的運動，這樣就作出了推桿的一系列位置，將其尖頂所占據的一系列位置連成平滑曲線，這就是所要求的凸輪廓線。將滾子中心視為尖頂推桿的尖頂，按前述方法出滾子中心在推桿復合運動中的軌跡（稱此軌跡為凸輪的理論廓線），然后以理論廓線 上一系列點位圓心，以滾子半徑為半徑，作一系列的圓，再作此圓族的包絡線，即為凸輪的工作廓線（又稱實際廓線）。凸輪的基圓半徑若未指明，通常系指理論廓線的最小半徑。空間凸輪機構的類型主要分為圓柱凸輪機構和圓錐凸輪機構兩大類。從動件的運動方式有往復直動和往復擺動兩種。從動件與

11、凸輪輪廓的接觸方式大都采用滾子接觸，也可以采用尖底接觸。機構的工作周期為凸輪一整轉的倍數時，必須采用曲線狀的導向塊接觸。由于空間凸輪的輪廓曲面上包含內凹部分，因此不能采用平底型從動件。從動件與凸輪的鎖合方式也可分為力鎖合型和幾何鎖合型兩類，凸輪的輪廓曲面可在圓柱體或圓錐體上直接加工而成，也可將輪廓曲面制成允許裝拆的瓦狀塊，用螺釘固定在凸輪基本上。以便調整和更換，在自動機床中常采用這種結構形式。空間凸輪的輪廓是復雜的空間曲面，欲由從動件的運動規律計算輪廓曲面的空間坐標是比較復雜的工作。從制造的角度看，沒有必要按空間曲面的坐標施工。因此，就常規的空間凸輪機構而言，為了簡化空間凸輪輪廓的設計和制造過

12、程，通常將圓柱凸輪上的圓柱面展開成矩形平面，將圓錐凸輪的圓錐面展開成扇形平面，然后按平面凸輪輪廓曲線的設計方法求得展開沒上的輪廓曲線坐標。當從動件是擺動從動件時，由于擺角的影響，滾子中心對于圓柱凸輪的相對運動軌跡會偏離圓柱面，因而這種展開設計方法是一種近似的方法。滾子直動從動件圓柱凸輪機構中，從動件的運動方向與凸輪回轉軸線平行。設從動件上的滾子與凸輪的輪廓工作面得接觸寬度為b，在b/2處所對應的凸輪圓柱面半徑為凸輪的平均圓柱半徑，稱為基圓柱半徑，乃用rb表示。凸輪槽深度h的大小應保證滾子的端部與槽底之間留有足夠的間隙。若凸輪輪廓采用劃線方法加工，則應取凸輪的外圓柱面作為基圓柱面。圓柱凸輪的基圓

13、柱面展開后，得展開的平面移動凸輪輪廓。滾子中心bi的相對運動軌跡0為理論輪廓曲線，1和2為凸輪工作面得兩條展開輪廓曲線，即實際輪廓曲線。顯然，展開的理論輪廓曲線與從動件的位移曲線具有一致性。x軸線代表凸輪的圓周方向，y軸線為從動件的運動方向，當從從動件的運動規律給定后，理論輪廓曲線隨著rb的增大而越趨于平坦，使機構的壓力角減小，輪廓曲線上各點的曲率半徑增大（絕對值）。因此，基圓半徑的確定依據是許用壓力角條件和展開面上的曲率半徑條件。通常直動從動件圓柱凸輪機構的許用壓力角=25到30。機構采用幾何鎖合方式時，回程許用壓力角與推程相同。通過理論輪廓曲線上任意點作法線nn，nn與y軸夾角即為機構的許

14、用壓力角。顯然，該店的斜率即為壓力角的正切值，因此基圓半徑rb必須滿足條件式r=ds/dmax/tan。展開的理論輪廓坐標以直角坐標方式表示時為：x=rb;yb=s;因此，b點的曲率半徑為rb=rb2+(ds/d)23/2/rbd2s/d2；設滾子半徑為rr，凸輪實際輪廓上的最小允許曲率半徑為rmin，則必須滿足條件式rbmin=rr+rmin應用數值迭代法即可確定滿足曲率半徑條件的最小基圓半徑。設計時取用的基圓半徑必須同時滿足上述兩個條件。以b0點為坐標原點時，展開的理論輪廓坐標算式上面已經有了，而展開的實際輪廓坐標計算公式為xk=xb+rrsin；yk=yb+rrsin;式中的根據tan=

15、1/rb*da/d計算。對實際輪廓1，=1，求得k1點坐標；對實際輪廓2，則=-1，求得k2點坐標.。凸輪機構或凸輪組合機構的形式和各種尺寸參數都是與該設備的工作目標以及實現工作目標的工藝過程密切相關的。凸輪機構的設計通常須經歷下述幾項步驟。（一）機構傳動方案設計 根據所設計的設備或產品的特點和工作性能指標，制定出可行的工藝過程。按照工藝過程要求，確定執行構件的運動特性和主要參數。運用機構學知識，選定實現執行構件運動特性的機構類型和各機構之間的傳動關系，從而形成機構傳動方案。（二）機構運動分配設計 機構傳動方案確定后，根據工藝過程對執行構件的動作要求，繪制運動分配圖。（三）凸輪機構的選型和尺度

16、設計 根據機構運動分配圖所確定的原始數據，分別設計各組獨立的執行機構。進行凸輪機構尺度設計時，通常須完成以下逐項任務。（1）凸輪機構選型 在設計計算凸輪機構的幾何參數前，要先確定采用何種形式的凸輪機構，其中包括凸輪的幾何形狀、從動件的幾何形狀、從動的運動方式、從動件和凸輪廓維持的方式等。（2）計算從動件的主要運動參數 根據執行構件的運動要求計算出凸輪機構的從動件沖程（最大位移量或者最大擺動角）。如果執行構件在運動過程中有一個或數個駐點位置需要保證與其他執行構件的運動協調關系，則也須計算出與這些住店對應的從動件位置參數。（3）確定從動件的運動規律 從動件在整個運動范圍內的運動特性，諸如位移、速度

17、、加速度乃至躍動度（有駐點要求時還包括通過駐點位置時的運動特性），是與執行構件工作特征密切相關的，也與所選的的凸輪機構的類型之間存在一定的制約因素。因此，在確定從動的運動規律時需要分析各種有關的影響因素。（4）凸輪機構的基本尺寸設計 凸輪機構的基本尺寸主要受兩種矛盾因素的制約。如果基本尺寸較大，則相應的機構總體尺寸也較大，造成原材料和加工工時的浪費、機器尺寸過大；而基本尺寸太小，會造成運動失真、機構自鎖、強度不足等不良后果。機構的基本尺寸設計是要尋求合理的結構尺寸，使之能夠兼顧矛盾兩個方面。（5）凸輪機構的凸輪輪廓設計 基于凸輪機構的基本尺寸和從動件的運動規律，即可求得凸輪的輪廓曲線坐標。（6

18、）凸輪和從動件的結構設計和施工設計 凸輪與軸連接的結構，移動從動件和導軌的配合結構以及擺動從動件和擺動支承的連接結構都對機構的受力狀態、工作性能及機器零件的工作壽命產生直接影響。（7）刀具中心軌跡坐標計算 經過查閱資料并且參考了有關書籍后，我對管類零件噴涂跟蹤器有了新的認識。就本機構而言。首先我們應該分析我們所設計的機構的運動。因為管類零件時安裝在一個圓盤鏈傳動上的。我們假設上面有n個管類零件，并且每個管類零件都是均布分布，它們之間的夾角=360/n；管類零件是內壁噴涂，在這一過程中我們必須保證噴槍和管類零件一起運動，所以噴槍在一個方向上的角速度跟鏈傳動的圓盤的角速度應該一致。經過篩選我選用了

19、滾子擺動從動動件盤形凸輪，因為噴槍與擺桿相連接通過設計相應的輪廓線，凸輪會帶動噴槍也進行往復擺動。這種設計結構簡單方便，并且符合噴槍運動要求。在進行噴涂時需要噴槍從上而下均勻噴涂 當噴涂結束后，噴槍應該快速向上收回并且回到最初的原點迎接下一個管類零件。所以在噴槍的軸向方向上，采用圓柱凸輪的繞軸轉動實現噴槍的往復運動。因為設計相應的輪廓曲線，我們可以使噴槍在進入噴涂時緩慢而均勻而在離開管類零件時快速的抽出，從而節約時間并且為下次加工做好準備。噴槍往復的運動中，選擇的擺桿凸輪通過擺桿的來回擺動控制噴槍的往復運動進而實現滑塊支座帶動噴槍作反復擺動。通過擺桿凸輪和圓柱凸輪的相互協調，就可以使設計的機構

20、完成所需要的運動。機構原理圖如下： 圖1 管類零件等間距的安裝在特制的的鏈傳動帶上，主軸通過減速器與電動機相連，在旋轉過程中，噴槍插入管內進行噴涂，完成后又迅速推出。圖中鏈輪4沿箭頭方向旋轉，傳動軸帶動齒輪10，圓柱凸輪14和齒輪11，凸輪6旋轉，進而帶動擺桿5和導桿13，噴槍組件3，噴槍 ，噴槍構件由滾子12嵌在圓柱凸輪14的槽內構成 。當傳動軸9旋轉時，凸輪14和6的輪廓曲線滿足噴槍一方面做軸向往復移動，另一方面又作往復擺動，從而實現噴槍的跟蹤噴塑的目的。方案優點通過設計凸輪與圓柱凸輪的協調性動作，能夠實現噴槍的往復移動和往復擺動的一致性，并使每一次噴塑完后，噴槍能夠回到原位置，以實現下一

21、次的動作過程。經過如此的連續運動，就實現了在牙膏殼連續輸送過程中，噴槍的跟蹤噴塑。并且由于凸輪的運用，有了急回特性，從而提高了生產效率。傳動軸9轉動，帶動齒輪10和圓柱凸輪14一起轉動。圓柱凸輪的轉動使支座小球沿凹槽運動，實現噴槍的移動。齒輪10同時又帶動齒輪11作反向運動，齒輪11帶動凸輪6轉動，凸輪的轉動帶動擺桿擺動，擺桿又帶動導桿繞傳動軸9轉動，從而使滑塊支座帶動噴槍作反復擺動。這樣就實現了噴槍的往復移動與往復擺動的協調一致性動作運動分析如圖圖2我們設圓盤鏈傳動上有六個管類零件，因為為均布分布所以每個零件之間的夾角=60；假設圓盤的角速度為那么噴槍的速度也是而噴槍和管類零件在a點正好對準

22、并且開始噴涂，當管類零件運動到b點時（b點為二個零件夾角的一半及=o/2），r為圓盤鏈傳動的半徑，此時管類零件運動了s=r;相應的噴槍也運動了s=r。如果此時噴槍依舊跟著管類零件繼續運動則不能再下一個管類零件到達回到原點a，這樣就會造成到對接不起。所以凸輪要在管類零件它們之間夾角的一半處開始讓噴槍回程，只有這樣才能使噴槍在下個時間段相互結合。我選用了擺盤形凸輪的從動件運動規律如3圖擺動滾子推桿盤形凸輪機構。讓其擺桿來控制噴槍的來回擺動。 電動機通過減速器帶動傳動軸轉動，傳動軸帶動齒輪10轉動，齒輪10 帶動齒輪11反向轉動，齒輪11帶動盤形凸輪轉動。我們設齒輪10和齒輪11為等比傳動則傳動軸做

23、等速轉動，因此盤形凸輪也做等速轉動，且盤形凸輪轉速與齒輪轉速一致。設；鏈傳動的圓盤轉速為0；鏈傳動的圓盤的半徑為r；齒輪的轉速為1；則盤裝凸輪的角速度為2t；圓柱凸輪的速度為3；圓柱凸輪的半徑為r1;我們設在圓形鏈上的二個管類零件之間的夾角為；噴槍工作的行程為h；進過設計我們可以得到盤形凸輪的從動件運動規律如下圖圖3由此我們可以知道擺動滾子推桿盤裝凸輪的從動件運動規律s=(/2)1 (01 )s=-(/2)( 1 2) 在軸向方向上，我們要控制的是噴槍的往復移動，在這方面噴槍要在鏈傳動轉過o/2的時間內完成一個運動循環，及深入管類零件內部然后在抽出，為了噴涂均勻和噴涂質量較好我認為噴槍進入管類

24、零件內部時應該是勻速的并且所占噴涂時間的比例應該是比較大的。噴槍抽出后，噴槍就應該進入一段近休止等到鏈傳動把下個管類零件送到，這個時間是由鏈傳動決定的。并且噴槍的往復移動還要配合好擺動滾子推桿盤裝凸輪的運動，只有這二個結合好才能實現。所以在擺動滾子推桿盤裝凸輪轉過時。往復移動就要完成一個循環運動，我們上面提到噴涂的時間應該大于噴槍抽回去的時間，我設噴涂時間為滾子直動從動動件圓柱形凸輪轉過5/6時，噴槍開始抽回。則其運動規律如圖4圖4圓柱狀凸輪的從動件運動規律s=(6s/5)2 (025/6)s=6h(1-2/) (5/62)s=0 (22 )滾子直動從動動件圓柱形凸輪與擺動滾子推桿盤裝凸輪之間

25、的相互聯系如圖5 圖5設盤形凸輪回轉中心和擺桿擺動中的中心距a；盤裝凸輪從動件擺桿長度l。擺桿初始位置角0，當推桿相對凸輪轉過1時，其角位移為1則取擺動推桿的軸心與凸輪軸心之連線為坐標系的y軸，過凸輪軸心垂直于y軸的為x軸；滾子的理論輪廓曲線方程為x=asin1-lsin(1+1+0) y=acos1-lcos(1+1+0)其工作輪廓線設對應點的坐標為（x,y）x=xrcos; y=yrsintg=dx/dy=（dxb/d1)/(dy/d1)圓柱凸輪導路曲線設計圓柱凸輪由傳動軸帶動轉動，它在圓柱凸輪展開面上的圖形與圓柱凸輪從動件運動規律相同，只是橫軸坐標要變成圓柱面上的長度。及2r1擺動從動件盤形凸輪機構的曲線設計我們已知：、rb、l、a。作出的曲線，并將其橫坐標分成如干等份，縱坐標為從動件擺角。畫出基圓，根據a、l確定a0和c0。作轉軸圓，并自a0沿（-）將該圓分成與橫坐標相應的等份，等到點a1、a2.它們代表反轉過程中a依次占據的位置。以上述各點為圓心，以l為半徑，作圓弧交