胡國勝，戎磊杰

上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，上海市浦東新區(qū)金橋出口加工區(qū)金港路1041號201206

由于卷煙包裝機(jī)的大部分包裝輪為間歇運(yùn)動(dòng)，高速包裝輪的運(yùn)動(dòng)會對機(jī)器本身造成沖擊。文獻(xiàn)[1]表明，在包裝輪包裝過程中由于沖擊有時(shí)會產(chǎn)生鋁箔紙破損或鋁箔紙缺失現(xiàn)象。國產(chǎn)機(jī)中YB25型軟盒和YB45型硬盒包裝機(jī)中包裝輪大都采用槽輪機(jī)構(gòu)[2-3]，由于槽輪機(jī)構(gòu)對機(jī)器造成的沖擊較大，高精度凸輪機(jī)構(gòu)逐漸在包裝機(jī)中得到應(yīng)用[4]，其中弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)就是應(yīng)用較多的高精度分度凸輪機(jī)構(gòu)之一。在G.D公司的高速機(jī)X6和超高速機(jī)X3000中，已采用高精度的分度凸輪機(jī)構(gòu)來代替槽輪機(jī)構(gòu)。YB47型硬盒包裝機(jī)作為國產(chǎn)高速機(jī)，對分度機(jī)構(gòu)的精度要求較高，為此將高精度分度凸輪機(jī)構(gòu)應(yīng)用于YB47型包裝機(jī)3號輪間歇運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，通過對槽輪機(jī)構(gòu)和弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究，利用相位分析和角加速計(jì)算分析兩種機(jī)構(gòu)對機(jī)器造成的沖擊影響，旨在分析不同分度機(jī)構(gòu)對機(jī)器本身造成的沖擊和自身振動(dòng)對煙包包裝質(zhì)量造成的影響，為高精度分度凸輪機(jī)構(gòu)在國產(chǎn)卷煙包裝機(jī)中的應(yīng)用提供參考。

1 弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的工作原理

所謂弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)[5]是由輸入軸上的弧面凸輪與輸出軸分度輪上的滾動(dòng)軸承無間隙垂直嚙合，推動(dòng)分度輪作分度運(yùn)動(dòng)與定位，從而將連續(xù)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)殚g歇運(yùn)動(dòng)輸出的新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其特點(diǎn)是輸入軸與輸出軸呈空間垂直相交，通過輸出軸垂直安裝使用。滾子軸線沿分度輪徑向均勻分布，稱為徑向滾子式分度凸輪機(jī)構(gòu);滾子軸線沿分度輪軸向均勻分布，稱為軸向滾子式分度凸輪機(jī)構(gòu)，又稱圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)。

該分度凸輪機(jī)構(gòu)不需要其他裝置即能準(zhǔn)確定位，分度精度高，具有高速性能好、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、傳遞扭矩大、定位時(shí)自鎖、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，噪聲低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，凸輪輪廓可按工作要求所需的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)，動(dòng)力學(xué)性能良好，適用于高速間歇分度轉(zhuǎn)位，輸出、輸入軸垂直交錯(cuò)。凸輪的分度部分輪廓有左旋、右旋和單頭、多頭之分[6]，轉(zhuǎn)盤和凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向間的關(guān)系可按相當(dāng)于蝸輪和蝸桿傳動(dòng)的方向求得。假設(shè)Z為滾子數(shù)，則單頭弧面凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪每轉(zhuǎn)一圈，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過2π/Z弧度;雙頭弧面凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪每轉(zhuǎn)一圈，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過4π/Z弧度。

單頭弧面凸輪機(jī)構(gòu)見圖1?；∶娣侄韧馆?繞輸入軸1沿圖示方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，安裝在分度盤4上的滾子3與凸輪嚙合，使與分度盤鋼連的工作臺繞輸出軸2順時(shí)針(由上向下看)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。凸輪6的A位置為滾子3進(jìn)入凸輪，分度盤轉(zhuǎn)位開始的位置;凸輪6的B位置為分度盤轉(zhuǎn)位前期中的某一位置，由凸輪的一條左側(cè)輪廓推動(dòng)滾子3，使分度盤順時(shí)針(由上向下看)方向轉(zhuǎn)動(dòng);凸輪6的C位置為分度盤轉(zhuǎn)位后期中的某一位置，滾子3即將進(jìn)入凸輪的平行輪廓;凸輪6的D位置為分度盤停歇位置，在此位置分度盤上的滾子3和5跨夾在凸輪的圓環(huán)形突脊左、右兩側(cè)定位;凸輪6的E位置為分度盤轉(zhuǎn)位的終結(jié)位置，也是下一個(gè)轉(zhuǎn)位的開始位置，此時(shí)分度盤的滾子3將脫離嚙合，滾子5開始進(jìn)入凸輪，新的轉(zhuǎn)位嚙合循環(huán)過程開始。

圖1 弧面分度凸輪工作原理示意圖

2 弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)在YB47型硬盒包裝機(jī)3號包裝輪中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以3號包裝輪為例，介紹弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)在YB47型硬盒包裝機(jī)中的應(yīng)用情況。3號輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為:機(jī)器以550 r/min的速度連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，由上向下看3號輪做順時(shí)針間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。3號輪作為轉(zhuǎn)盤共8個(gè)工位，機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)一周，3號輪轉(zhuǎn)過一個(gè)工位，凸輪旋轉(zhuǎn)一周分度期θf=π，間歇期θd=2ππ=π，根據(jù)3號輪的旋向、驅(qū)動(dòng)軸的位置及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，凸輪確定為單頭左旋的圓柱凸輪。

采用弧面凸輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的3號包裝輪主要由分度凸輪8、滾珠軸承組7、分度盤6、擋板軸3、轉(zhuǎn)塔2及模盒1等組成，見圖2[7]。分度盤6在圓周上均布著8個(gè)滾珠軸承組7，每個(gè)軸承組包含2個(gè)滾輪，分度盤6用螺栓固定在擋板軸3上;成對錐軸承5安裝于支架輪轂4內(nèi)部基準(zhǔn)面，并對擋板軸進(jìn)行支撐和定位，使擋板軸空套在支架輪轂內(nèi)部，并由鎖緊螺母鎖緊;模盒1安裝在轉(zhuǎn)塔2上，用螺栓將轉(zhuǎn)塔2固定在擋板軸3上，松開螺栓可調(diào)整轉(zhuǎn)塔2的位置，從而保證模盒的位置。

表1 弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 采用弧面凸輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的3號包裝輪結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理:從后往前看，曲柄10逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)軸9旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使分度凸輪8逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，分度凸輪工作面與滾珠軸承組7表面嚙合，帶動(dòng)分度盤6作順時(shí)針(由上向下看)間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，然后在擋板軸3的作用下，3號包裝輪轉(zhuǎn)塔2也作順時(shí)針間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)3號包裝輪模盒1順時(shí)針間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。在YB47型硬盒包裝機(jī)中，由于3號輪的凸輪采用的是圓柱凸輪，滾子軸線沿分度輪軸向均勻分布，因此其為圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)。

2.2 數(shù)據(jù)分析

YB47型包裝機(jī)3號輪部件中分度凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，從動(dòng)件分度轉(zhuǎn)盤的相位分時(shí)圖見圖3。3號包裝輪在分度凸輪的作用下，從162.75°(180°-17.25°)開始停歇，此時(shí)3號包裝輪轉(zhuǎn)至45°位置，分度凸輪再轉(zhuǎn)過180°后，3號包裝輪再次旋轉(zhuǎn)，凸輪再轉(zhuǎn)過90°后，凸輪在432.75°(或72.75°)時(shí)，3號包裝輪轉(zhuǎn)到22.5°，再轉(zhuǎn)過90°后，凸輪在522.75°(或162.75°)再次開始停歇，完成一個(gè)循環(huán)過程。

由于分度凸輪是以恒定角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，因此角位移φ0=ω0t(ω0為常數(shù))。根據(jù)圖3中分度凸輪與分度轉(zhuǎn)盤的角位移關(guān)系，分度轉(zhuǎn)盤的角位移與時(shí)間的關(guān)系是一條恒定斜率直線，即分度轉(zhuǎn)盤的角位移φ=wt=Ct，C為常數(shù)，故分度轉(zhuǎn)盤在轉(zhuǎn)動(dòng)階段以恒定速度ω=C轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是說分度轉(zhuǎn)盤在轉(zhuǎn)動(dòng)階段加速度ε為0，對機(jī)器幾乎無沖擊。

YB45型包裝機(jī)中3號輪是八工位槽輪分度機(jī)構(gòu)，額定包裝速度為400包/min，運(yùn)動(dòng)規(guī)律見表2[5，8]。根據(jù)表2中從動(dòng)件槽輪的角速度和角加速度的公式可知，ω2和ε2均是時(shí)間t的函數(shù)，由槽輪角加速度最大時(shí)的位置角公式計(jì)算可得=arccos 0.8547=31.27°，將該數(shù)值代入槽輪角加速度公式計(jì)算可得:ε2=0.1709/0.2379×=0.7184×=1260.5。通過對比，槽輪機(jī)構(gòu)的角加速度ε2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)的角加速度ε，可見使用圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的3號輪對減少機(jī)器的沖擊還是相當(dāng)理想的。

2.3 注意事項(xiàng)

圖3 YB47型包裝機(jī)3號輪分度凸輪相位圖

表2 槽輪分度機(jī)構(gòu)關(guān)鍵尺寸和主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)

實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意，該弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)的分度精度由機(jī)構(gòu)中組成零件的加工精度決定，高精度數(shù)控機(jī)床的加工精度完全能滿足分度精度的需要，裝配完成后即完成了機(jī)構(gòu)的精確定位，軸承組與凸輪的間隙不需再調(diào)整。影響分度機(jī)構(gòu)精度的關(guān)鍵零件為3號輪箱體、支架輪轂、擋板軸和轉(zhuǎn)塔，4個(gè)零件相互配合的基準(zhǔn)面精度決定了分度機(jī)構(gòu)的分度精度。支架輪轂內(nèi)部基準(zhǔn)面定位成對錐軸承，進(jìn)而定位擋板軸，擋板軸下面基準(zhǔn)面定位轉(zhuǎn)塔，先將分度盤、滾珠軸承組、擋板軸、成對錐軸承、支架輪轂及轉(zhuǎn)塔都裝配在一起，以支架輪轂最下面臺階的上基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)安裝在3號輪箱體的下基準(zhǔn)面上，裝配完成后無需調(diào)整即完成機(jī)構(gòu)的精確定位。為進(jìn)一步簡化裝配過程，各關(guān)鍵零件的裝配可用專用工裝保證零件的相互位置關(guān)系。圓柱凸輪的剛度和表面硬度較高，裝配時(shí)保證凸輪與軸承組配合活絡(luò)，保持軸承組與凸輪的持續(xù)潤滑。

3 使用效果

利用弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)動(dòng)中的高精度分度功能，應(yīng)用于YB47型硬盒包裝機(jī)的3號輪中，數(shù)控機(jī)床的加工精度能夠滿足機(jī)構(gòu)的定位精度，使裝配弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)步驟簡化，操作方便。采用該機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)的3號包裝輪定位準(zhǔn)確，分度精度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，且結(jié)構(gòu)緊湊，有效減少了3號輪在高速運(yùn)動(dòng)中自身的振動(dòng)和對機(jī)器造成的沖擊。通過對16組YB47型硬盒包裝機(jī)的數(shù)據(jù)采集，與原YB45硬盒包裝機(jī)小包鋁箔紙缺陷相比(5～9包/月)，改造后未發(fā)現(xiàn)在3號包裝輪包裝過程中產(chǎn)生鋁箔紙破損或鋁箔紙缺失現(xiàn)象，提高了煙包包裝質(zhì)量。

[1] 潘安岳.YB45包裝機(jī)小盒鋁箔紙缺陷檢測裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用.煙草在線[EB/OL].[2008-12-8]http://www.tobaccochina.com/machine/technology/news/200812/200812484943_335266.shtml.

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[6] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本機(jī)構(gòu)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

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