祝智斌

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蜘蛛手–接煙輪系統(tǒng)模型與煙支交接運動學分析

祝智斌

(常德煙草機械有限責任公司, 湖南常德, 415000)

基于蜘蛛手與接煙輪系統(tǒng)幾何模型和運動學模型, 研究了煙支交接的運動學特性。根據(jù)運動學模型, 以活動手、固定手煙道中心分別與蜘蛛手吸爪內(nèi)、外煙道中心的相對位移和相對速度為評價指標分析了煙支交接質(zhì)量。結(jié)果表明: 不同生產(chǎn)速度下, 接煙輪和蜘蛛手輪的轉(zhuǎn)角基本不變, 2對煙道交接中心的相對位移均趨近于0, 相對速度較小, 且與煙支生產(chǎn)速度呈同向變化, 有利于煙支交接; 煙支交接時, 固定手煙道與蜘蛛手外煙道的相對位移和相對速度比活動手煙道與蜘蛛手內(nèi)煙道的要小, 煙支交接更加穩(wěn)定。

蜘蛛手; 接煙輪; 系統(tǒng)模型; 煙支交接; 運動學分析

國內(nèi)在超高速卷接機組研究方面, 近年來取得了較大的進展。王永康[1]對生產(chǎn)卷煙長度齒輪、接裝機切割鼓輪、供紙輥等進行改進, 以適應煙支規(guī)格的改變; 鄭青春[2]基于PC技術(shù), 構(gòu)建了超高速卷接機控制系統(tǒng)實驗平臺; 王振聲[3]改造了PROTOS70/80卷煙機組PLC控制系統(tǒng), 對SRM重量控制系統(tǒng)進行了國產(chǎn)化升級; 閆玉平[4]利用設(shè)備原有動力改進了煙支分離器, 解決了煙支褶皺變形, 煙道堵塞的問題; 趙明朗[5]對PASSIM卷接機組前分離鼓輪進行了改進; 陳文[6]運用虛擬樣機技術(shù)對喇叭嘴機構(gòu)進行了仿真計算; 歐育健[7]以活動手、固定手與蜘蛛手的相對位移和相對速度為評價指標, 對煙支交接穩(wěn)定性進行了研究。這些研究對我國卷煙生產(chǎn)質(zhì)量的提高及煙機的國產(chǎn)化提供了很好的幫助和參考。

本文以PROTOS2–2超高速卷接機組蜘蛛手與接煙輪系統(tǒng)為研究對象, 建立了煙支交接系統(tǒng)的幾何模型和運動學模型?；谠撃Ｐ? 對低速、中速、中高速、高速和超高速5種典型工況下煙支交接過程進行運動學仿真。以活動手、固定手煙道中心分別與蜘蛛手吸爪內(nèi)、外煙道中心的相對位移和相對速度為評價指標, 對煙支交接質(zhì)量進行分析。

1 煙支交接系統(tǒng)幾何模型與運動學模型

PROTOS2–2煙支交接系統(tǒng)由接煙輪機構(gòu)和蜘蛛手機構(gòu)組成, 其幾何模型如圖1所示。交煙過程中, 蜘蛛手沿順時針方向轉(zhuǎn)動, 接煙輪則沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。蜘蛛手運動到最低位置時, 在負壓作用下, 內(nèi)、外煙道從煙支傳送導軌上吸取煙支。蜘蛛手吸附煙支運動至最左端時, 活動手與固定手在空氣負壓作用下吸取蜘蛛手內(nèi)、外煙道中的煙支, 完成煙支交接。

將幾何模型導入ADAMS中, 根據(jù)構(gòu)件的材料屬性及運動關(guān)系進行并構(gòu)。運動副處理如下: 在蜘蛛手輪主軸及接煙輪凸輪與地面之間、蜘蛛手中心齒輪與蜘蛛手輪主軸之間添加固定副; 在活動手滾子與凸輪理論廓線之間添加點–線副; 在活動手旋轉(zhuǎn)軸與接煙輪輪盤之間添加圓柱副; 在各行星齒輪之間添加耦合副。對接煙輪中心軸及蜘蛛手中心輪盤進行回轉(zhuǎn)驅(qū)動定義。定義回轉(zhuǎn)驅(qū)動可以在仿真時帶動接煙輪輪盤和活動手旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn), 使活動手和固定手煙道分別與蜘蛛手吸爪的內(nèi)、外煙道順利交接。運動副處理及定義完成后如圖2所示。

圖1 煙支交接系統(tǒng)幾何模型

圖2 煙支交接系統(tǒng)運動學模型

2 5種典型工況下運動學仿真

對5種典型生產(chǎn)速度, 即低速1 200支/min、中速5 000支/min、中高速8 000支/min、高速12 000支/min和超高速16 000支/min工況下的煙支交接系統(tǒng)進行仿真計算。各工況對應的仿真時間、仿真步長、一個步長對應的時間、接煙輪轉(zhuǎn)角和蜘蛛手輪轉(zhuǎn)角見表1。

表1 5種工況下的特征數(shù)據(jù)

在PROTOS2–2煙支交接過程中, 蜘蛛手內(nèi)、外煙道分別將煙支交接給接煙輪的活動手和固定手的煙道上, 理想狀態(tài)是這些煙道的中心相對位移和相對速度為0, 因此, 將煙道中心的相對位移和相對速度作為煙支交接質(zhì)量的評價指標。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù), 在ADAMS中進行仿真, 得出5種工況下煙支交接質(zhì)量評價指標的相對位移和相對速度對比曲線如圖3～7所示。

圖3 工況1時, 活動手/固定手與蜘蛛手的相對位移和相對速度

圖4 工況2時, 活動手/固定手與蜘蛛手的相對位移和相對速度

圖5 工況3時, 活動手/固定手與蜘蛛手的相對位移和相對速度

圖6 工況4時, 活動手/固定手與蜘蛛手的相對位移和相對速度

圖7 工況5時, 活動手/固定手與蜘蛛手的相對位移和相對速度

從圖3～7可知, 首先, 在仿真時間內(nèi), 評價指標均在0.5時達到最佳效果, 即2對煙道交接中心的相對位移均趨近于0, 2對煙道交接中心的相對速度均較小, 因此應把此時作為煙支交接位置; 其次, 在煙支交接時刻附近, 固定手與蜘蛛手的相對位移變化比活動手的更平緩一些, 相對速度變化率也比活動手更小, 說明固定手與蜘蛛手的煙支交接質(zhì)量比活動手與蜘蛛手交接質(zhì)量更好, 實際生產(chǎn)中也驗證了這一點; 最后, 隨著速度的增大, 煙支交接過程中掉絲量會有所增加, 但仍可保證煙支生產(chǎn)質(zhì)量。

3 結(jié)果分析與討論

基于 5種典型工況下的計算數(shù)據(jù), 設(shè)交接過程中相對位移分別為1.0, 1.5和2.0 mm時(3種相對位移代表3種不同的交接狀態(tài))時, 煙支交接持續(xù)步長、交接時間、接煙輪轉(zhuǎn)角、蜘蛛手輪轉(zhuǎn)角及活動手、固定手煙道中心與蜘蛛手內(nèi)、外煙道中心最大相對速度如表2所示。

由表2可知: (1) 相對位移相同時, 煙支交接時間與煙支生產(chǎn)速度呈反向規(guī)律變化, 即交接時間隨煙支生產(chǎn)速度的增大而減小; 煙支交接過程中生產(chǎn)速度變化較大, 但接煙輪和蜘蛛手輪轉(zhuǎn)過的角度基本保持不變; 活動手、固定手煙道中心與蜘蛛手內(nèi)、外煙道中心的相對速度均與煙支生產(chǎn)速度呈同向變化。(2) 生產(chǎn)速度一定時, 交接時間、接煙輪轉(zhuǎn)角、蜘蛛手輪轉(zhuǎn)角及活動手、固定手煙道中心與蜘蛛手內(nèi)、外煙道中心的最大相對速度均隨著相對位移的增大而增大。

表2 相對位移為1.0, 1.5, 2.0 mm時交接過程數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

5種典型工況下, 2對煙道交接中心的相對位移均趨近于0, 且相對速度較小, 有利于煙支生產(chǎn)和減少交接過程中掉絲。

固定手煙道與蜘蛛手外煙道的交接質(zhì)量相對于活動手煙道與蜘蛛手外煙道的交接質(zhì)量更好。

相對位移相同時, 煙支交接時間隨煙支生產(chǎn)速度的增大而減小; 活動手、固定手煙道中心與蜘蛛手內(nèi)、外煙道中心的相對速度均與煙支生產(chǎn)速度呈同向變化。煙支交接過程中生產(chǎn)速度變化時, 接煙輪和蜘蛛手輪轉(zhuǎn)過的角度基本保持不變。

參考文獻：

[1] 王永康, 馬學成, 袁保證, 等. PA8–5接裝機煙支規(guī)格改變時同步問題的解決[J]. 煙草科技, 2000(11): 13–14.

[2] 鄭青春, 王文格. 超高速卷接機控制系統(tǒng)實驗研究平臺構(gòu)建及上位機通訊[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2012(12): 52–53.

[3] 王振聲. PROTOS70/80卷接機PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[D]. 廣州: 華南理工大學, 2010.

[4] 閆玉平. ZB25機組煙支分離器改進設(shè)計[C]// 上海煙草系統(tǒng)2006年度優(yōu)秀學術(shù)論文集. 上海: 上海市煙草學會, 2006: 71–77.

[5] 趙明朗. PASSIM卷接機組前分離鼓輪的改進[J]. 科技咨詢, 2002(18): 89–90.

[6] 陳文, 吳磊, 趙朝陽, 等. 基于Pro/E和Adams的喇叭嘴機構(gòu)的運動分析及仿真[J]. 煙草科技, 2011(10): 20–23.

[7] 歐育鍵, 周長江, 杜國鋒. PROTOS2–2蜘蛛手–接煙輪系統(tǒng)建模及交接穩(wěn)定性研究[J]. 煙草科技, 2014(3): 17–20.

(責任編校: 江河)

Modeling of the PROTOS2-2 spider-transfer cigarette wheel system and kinematics analysis of cigarette transfer

Zhu Zhibin

(Changde Tobacco Machinery Co Ltd, Changde 415000, China)

Based on the geometric model and kinematics model of spider mechanism and transfer cigarette wheel mechanism, the kinematics characteristics of cigarette transfer are studied. According to the kinematics model, the cigarette transfer process is analyzed on the basis of two evaluation criterion, which are relative displacement and relative velocity between the smoke groove center of retractable hand, fixed hand in transfer cigarette wheel mechanism and suction claw in spider mechanism, and the indicators impact on cigarette handover process. The results show that under different production speeds, the rotation angles of spider mechanism and transfer cigarette wheel mechanism are unchanged, the relative displacements of two transfer centers are closed to zero, and the relative velocity is low and changes in the same direction with production speed, which is conducive to the cigarette transfer. The relative displacement and velocity between fix hand and spider hand are lower than that between retractable hand and spider hand, the former cigarette transferring is more stable.

spider mechanism; transfer cigarette wheel mechanism; system model; cigarette transfer; kinematics analysis

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.01.019

TS 43

1672–6146(2015)01–0077–05

祝智斌, zhuzb@ccdtm.com。

2014–11–18

中國煙草機械集團有限責任公司項目(國煙科[2010]449號)。