李全來

（北京工商大學(xué)材料與機械工程學(xué)院，北京100048）

回轉(zhuǎn)式貼標機取標工位凸輪曲線改進設(shè)計*

李全來

（北京工商大學(xué)材料與機械工程學(xué)院，北京100048）

回轉(zhuǎn)式貼標機取標工位凸輪曲線的合理設(shè)計是保證貼標質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在以取標板和標簽無相對滑動為條件建立的滾柱運動軌跡方程基礎(chǔ)上，選用組合擺線運動規(guī)律設(shè)計了新型凸輪曲線。結(jié)果表明該凸輪曲線能使?jié)L柱位移誤差和取標工位所占用的凸輪轉(zhuǎn)角均較?。灰匀税鍞[動過程中切點的最小縱坐標值作為標盒相對轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)中心的安裝距離，可以使取標板與標簽保持相切，從而為回轉(zhuǎn)式貼標機提供了一種新型取標工位凸輪曲線。

回轉(zhuǎn)式貼標機；取標裝置；取標工位；凸輪曲線

0　引言

回轉(zhuǎn)式貼標機是用黏結(jié)劑將標簽貼于圓柱形包裝件指定位置上的一種貼標機械［1］，具有工作效率高、操作方便、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，在飲料、日化、食品、醫(yī)療等行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。近年來，隨著產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，人們對貼標機的需求量也越來越大，對貼標速度、貼標質(zhì)量提出了更高的要求。

取標裝置是回轉(zhuǎn)式貼標機的核心部件之一，是影響貼標速度和貼標質(zhì)量的重要因素［2］。目前取標裝置主要分為膠黏式取標裝置、真空轉(zhuǎn)鼓式取標裝置和摩擦式取標裝置等［3］。膠黏式取標裝置是啤酒貼標機的重要機構(gòu)。它主要由取標板、轉(zhuǎn)盤、槽凸輪、滾柱、扇形齒輪等組成［2］。工作過程中取標裝置在凸輪-齒輪組合機構(gòu)的控制下依次經(jīng)歷上膠、取標和夾標工位，將涂有膠水的標簽輸送至貼標工位。上膠指用膠輥為取標板均勻地涂上膠水的過程；取標指粘有膠水的取標板轉(zhuǎn)至標盒時從標盒中粘出一張標簽的過程；夾標指夾標轉(zhuǎn)鼓從取標板上揭下已涂膠的標簽并轉(zhuǎn)至貼標工位的過程。取標工位是取標裝置工作過程的一個重要環(huán)節(jié)，是保證正常夾標的前提。近年來國內(nèi)外研究者圍繞取標工位取標板的結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律展開了許多研究。陳金元［4］認為取標過程中取標板應(yīng)在標簽上做勻速滾動，用勻速運動規(guī)律設(shè)計了取標工位凸輪曲線。肖仲湘［2］指出取標時取標板應(yīng)在標簽上做純滾動，而且取標板擺動過程形成的包絡(luò)面應(yīng)為一平面，該平面與標簽所在平面貼合，建立了以轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角為自變量的取標板擺角計算方程。蘭云志［5］分析表明當(dāng)取標板在標簽上做純滾動時，取標板自轉(zhuǎn)中心的理論運動軌跡應(yīng)為擺線，而實際運動軌跡為圓周，計算了取標板自轉(zhuǎn)中心理論和實際運動軌跡之間的誤差。張俊玲［6］分析了取標過程中取標板和標簽的相對滑動量和法向位移量，以無相對滑動為條件計算了取標板曲率半徑和偏心距。林麗明［7］以取標過程中取標板上切點相對靜止為條件，優(yōu)化了取標板曲率半徑和公轉(zhuǎn)半徑。

取標過程中取標裝置通過凸輪機構(gòu)控制扇形齒輪擺動，進而撥動取標板齒輪轉(zhuǎn)動，帶動取標板運動，從而使取標板從標盒中粘取標簽。實現(xiàn)取標板取標動作的關(guān)鍵是取標工位凸輪曲線設(shè)計。本文在以取標板和標簽無相對滑動為條件建立的滾柱運動方程基礎(chǔ)上，設(shè)計取標工位凸輪曲線，計算滾柱實際位移和取標板擺動過程形成的包絡(luò)線，分析滾柱位移誤差和取標板與標簽的法向相對位移量，為回轉(zhuǎn)式貼標機取標工位凸輪曲線的改進設(shè)計提供依據(jù)。

1　取標工位滾柱運動軌跡分析

理論上取標過程中取標板與標簽應(yīng)既無相對滑動又無法向相對位移［2］。研究表明上述兩個條件無法同時滿足［2，6，8］。當(dāng)取標板與標簽有相對滑動時容易導(dǎo)致粘在取標板上的標簽出現(xiàn)褶皺、不平整；當(dāng)取標板與標簽有法向相對位移時，取標板與標簽不能保持相切。為保證有效取標，通常以取標板與標簽無相對滑動為設(shè)計條件，再通過安裝彈簧式標盒消除取標板與標簽的法向相對位移的影響，保證整個取標過程中取標板與標簽保持接觸［2，5-6］。

取標工位滾柱運動分析如圖1所示。轉(zhuǎn)盤繞中心Oo勻速轉(zhuǎn)動。取標板自轉(zhuǎn)中心為C，曲率中心為Ob，曲率半徑為Rb。取標板在自轉(zhuǎn)的同時繞Oo公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)半徑為R0。取標板的偏心距為e，D為取標板上弧中點。標簽M1M2的長度為L，中點為N。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角α為OoC與y軸的夾角，取標板的擺角β為OoC與ObC之間的夾角，取標板的自轉(zhuǎn)角ψ為ObC與y軸的夾角。扇形齒輪自轉(zhuǎn)中心為OS，同時繞Oo公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)半徑為R0。扇形齒輪的轉(zhuǎn)角為γ，其上裝有滾柱E。滾柱的另一端安裝在槽凸輪中。

圖1　取標工位滾柱運動分析

當(dāng)轉(zhuǎn)盤逆時針方向轉(zhuǎn)動時，取標板順時針方向擺動，扇形齒輪逆時針方向轉(zhuǎn)動，對應(yīng)凸輪的降程段。當(dāng)B1與M1接觸時開始取標，當(dāng)B2與M2接觸時完成取標，取標板弧長與標簽長度相等。取標板的擺動過程關(guān)于y軸為對稱［2，4］。當(dāng)D與N接觸時α=ψ=β=γ=0，切點D的坐標為（0，R0+Rb-e）。

當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角為α?xí)r，B與M相切。取標板擺過的弧長應(yīng)等于它粘取到的標簽的長度，即SB1B=M1M，則［2］：

對于給定的α通過式（4）就可以計算出相應(yīng)的取標板擺角β。

切點B的坐標為［2］（β-α）Rb，R0cosα+Rbecos（β-α）。

則取標板初始擺角為：

在ΔOoCOs中［3］，O0C2=O0Os2+OsC2-2× O0Os×OsC×cos∠OoOsC（6）

則∠O0OsC=arccos（7）

∠O0OsE=∠O0OsC+γ=∠O0OsC+（8）

在ΔOoEOs中，O0E=+OsE2-2×OoOs×OsE×cos∠OoOsE（9）

E的運動軌跡即為取標工位滾柱的理論運動軌跡。

2　取標工位凸輪曲線改進設(shè)計

經(jīng)過試算，當(dāng)取標過程中凸輪機構(gòu)用擺線運動規(guī)律時滾柱的實際位移與理論運動軌跡之間的誤差較小。但是在擺線運動的始、末段，滾柱的運動速度很小，這導(dǎo)致中間段類加速度很大，易產(chǎn)生劇烈的沖擊［9］。為了減小中間段類加速的幅值，需要在擺線運動的始、末段用其他類型的運動規(guī)律構(gòu)成組合運動規(guī)律。在選用組合運動規(guī)律時應(yīng)使整個取標工位所占用的中心角盡量小，這將便于下一步取標和夾標工位凸輪曲線的優(yōu)化設(shè)計。組合擺線運動的始、末段所占凸輪轉(zhuǎn)角僅為整個運動過程中凸輪轉(zhuǎn)角的1/4［9］，因而選用組合擺線運動規(guī)律。即滾柱的運動分為三段，擺線運動加速段、中間擺線運動段和擺線運動減速段。

設(shè)h為滾柱的總工作行程，對應(yīng)的凸輪總轉(zhuǎn)角為φ，擺線運動加速段、減速段和中間段所占的凸輪轉(zhuǎn)角分別為?1、?2和?3，則?1=?2=0.125φ，?3=φ-?1-?2=0.75φ。

而中間擺線段凸輪轉(zhuǎn)角即為取標過程中轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)角，所以?3=2α0。由此可計算出取標工位凸輪總轉(zhuǎn)角φ==3.667α0。

若對凸輪轉(zhuǎn)角歸一化，則x1==0.125， x2=1-=0.875，x3=0.75。

擺線運動加速段、減速段和中間段所占的工作行程分別為h1、h2和h3，則總工作行程為：

其中，O0Emax和O0Emin分別為取標過程中O0E的最大值和最小值。

當(dāng)凸輪基圓半徑為rb，滾柱半徑為rT時，滾柱位移為 s=O0E-rb-rT，歸一化的位移 y為y=s/h（0≤y≤1）。

根據(jù)降程期組合擺線運動規(guī)律中間段工作行程計算公式［9］可得：

則凸輪總工作行程為：

根據(jù)降程期組合擺線運動規(guī)律可計算出任意歸一化凸輪轉(zhuǎn)角x對應(yīng)的滾柱歸一化位移y，再通過s=yh便可求出擺線運動加速段、減速段和中間段的滾柱實際位移。

3　取標工位凸輪曲線設(shè)計實例

回轉(zhuǎn)式貼標機膠黏式取標裝置的參數(shù)如表1所示［4，10］，編寫MATLAB程序設(shè)計取標工位凸輪曲線。

表1　回轉(zhuǎn)式貼標機膠黏式取標裝置參數(shù)

由式（4）可得α0=22.54°，則?3=45.08°，φ=60.11°，?1=?2=7.51°。即擺線運動加速段凸輪轉(zhuǎn)角為0≤?＜7.51°；中間擺線運動段凸輪轉(zhuǎn)角為7.51°≤?＜52.59°；擺線運動減速段凸輪轉(zhuǎn)角為52.59°＜?≤60.11°。

由式（12）可得凸輪總行程為：

中間擺線運動段凸輪轉(zhuǎn)角與滾柱位移列于表2。s為滾柱理論位移，s′為滾柱實際位移，Δs為滾柱位移誤差。滾柱平均位移誤差為0.113 mm，最大位移誤差2.217 mm。

表2　中間擺線運動段凸輪轉(zhuǎn)角與滾柱位移

擺線運動加速段的位移、類速度和類加速度方程：

中間擺線運動段位移、類速度和類加速度方程：

減速段的位移、類速度和類加速度方程：

取標工位滾柱運動規(guī)律如圖2所示。

圖2　取標工位滾柱運動規(guī)律

根據(jù)凸輪轉(zhuǎn)角及相應(yīng)的滾柱位移用MATLAB［11］繪出取標工位凸輪輪廓曲線，如圖3所示。為保證凸輪傳動有良好的力學(xué)性能，需要校核取標工位凸輪壓力角。當(dāng)許用壓力角為30°時，查諾模圖［9］可得出的許用值為1.0。采用組合擺線運動規(guī)律時==0.54＜1.0，說明凸輪傳動過程中最大壓力角小于許用壓力角，可以保證傳動時凸輪機構(gòu)受力良好，凸輪輪廓線設(shè)計合理。

在取標過程中保證取標板與標簽無相對滑動時，取標板擺動形成的理論包絡(luò)線為a，直線為b為標簽所在位置，如圖4所示。a與b不重合說明取標板與標簽之間有法向相對位移，這與肖仲湘［2］、陳金元［4］的分析結(jié)論一致，即無法同時滿足取標板與標簽既無相對滑動又無法向相對位移。凸輪機構(gòu)采用組合擺線運動規(guī)律時取標板擺動形成的包絡(luò)線為c，保證了取標過程中無相對滑動。在安裝彈簧式標盒時標盒與轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)中心間的距離可為取標板擺動過程中切點B的最小縱坐標值，即OoN=Ymin=174.119 4 mm。這能使取標過程中取標板與標簽保持相切，從而消除取標板與標簽法向相對位移對取標過程的影響。

圖3　取標工位凸輪曲線

圖4　取標工位取標板擺動形成的包絡(luò)線

4　結(jié)論

根據(jù)回轉(zhuǎn)式貼標機取標工位取標板的運動要求，在以取標板和標簽無相對滑動為條件建立的滾柱運動方程基礎(chǔ)上，用組合擺線運動規(guī)律設(shè)計了取標工位的凸輪曲線，計算了滾柱位移誤差和取標板擺動形成的包絡(luò)線。取標工位滾柱位移誤差平均值為0.113 mm，取標工位所占用的凸輪中心角僅為60.11°。在安裝標盒時用取標板擺動過程中切點的最小縱坐標值作為標盒相對轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)中心的安裝距離可以保證取標板與標簽保持相切。結(jié)果表明用組合擺線運動規(guī)律設(shè)計的凸輪曲線能有效完成取標動作，為回轉(zhuǎn)式貼標機提供了一種新型凸輪曲線。

［1］金國斌，張華良.包裝工藝技術(shù)與設(shè)備［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2008.

［2］肖仲湘.貼標機凸輪齒輪組合機構(gòu)的研究［J］.輕工機械，2000（01）：21-26.

［3］黃穎為.包裝機械結(jié)構(gòu)與設(shè)計［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［4］陳金元.回轉(zhuǎn)式貼標機貼標部件的運動分析及凸輪設(shè)計原理［J］.無錫輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1992，11（1）：52-61.

［5］蘭云志，李樂山.高速貼標機數(shù)學(xué)模型研究與參數(shù)設(shè)計［J］.輕工機械，2003（01）：33-36.

［6］張俊玲.回轉(zhuǎn)式貼標機凸輪的設(shè)計與研究［D］.濟南：山東大學(xué)，2006.

［7］林麗明，李定華，李允文.回轉(zhuǎn)膠粘式貼標機機構(gòu)的計算機輔助設(shè)計［J］.廣東機械學(xué)院學(xué)報，1994（02）：20-25.

［8］張芙蓉.貼標機取標機構(gòu)設(shè)計探討［J］.輕工機械，1998（02）：21-24.

［9］侯書林，尹麗娟.機械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2013.

［10］李全來.回轉(zhuǎn)式貼標機上膠工位凸輪曲線優(yōu)化［J］.輕工科技，2014（12）：48-50.

［11］郭仁生.機械工程設(shè)計分析和MATLAB應(yīng)用［M］.北京：機械工程出版社，2012.

Improved Design of Cam Curve in Picking Workplace of Rotary Labeling Machine

LI Quan-lai
（School of Material and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing100048，China）

Reasonable design of the cam curve in picking workplace of rotary labeling machine is one of the key links in the labeling quality assurance.Based on the roller trajectory equation，which is developed conditioned on no relative sliding between the picking-up plate and label，the cam curve is designed using combined cycloidal motion.It can be seen from the results that both roller displacement error and cam angle occupied by picking workplace are small.In order to make picking-up plate and label keep tangent，the minimum longitudinal coordinate value of tangent point during picking-up plate swing is employed as the mounting distance between label box and the turntable rotation center.It provides a novel cam curve in picking workplace for rotary labeling machine.

rotary labeling machine；picking-up device；picking workplace；cam curve

TB486

A文獻標識碼：1009-9492（2015）12-0057-05

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.016

李全來，男，1982年生，天津人，博士，講師。研究領(lǐng)域：機械設(shè)計。已發(fā)表論文10篇。

（編輯：向飛）

*北京市教育委員會科技發(fā)展計劃面上項目（編號：KM201310011003，KM201510011005）

2015-11-16