程生 周哲波 汪凱 張星光 張正

摘 要：基于大批量、高速馬芬紙杯機對傳動機構的高效率、高精度技術的要求，結合機械結構、加工工藝及使用工況的特點，通過對主要誤差來源的分析，提出了該機傳動部件驅動與控制原理及方法，采用伺服直驅方式，有效地縮短了傳動鏈路徑，大大提高了傳動效率。利用滾動傳動副的高效與高精度特點，確保了整機的高效、高精度、大批量生產的技術要求。

關鍵詞：紙杯機；滾動傳動副；傳動

中圖分類號： TH122 文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2017）05-0051-04

Abstract：In terms of the requirements of a volume-produce， efficient and high precision technology of high-speed muffin paper cups machine， the principle and method were proposed on driving and controlling of the machine transmission parts by combining the characteristics of a mechanical structure， processing technology and working condition and analyzing the main error source. With the application of direct driving servo， transmission chain path was effectively shortened and the transmission efficiency improved enormously .Based on the characteristic of efficient and high precision of the rolling transmission vice， the technical requirements of an efficient， high precision and volume-produce of the complete machine could be consequently satisfied.

Key words：paper cups machine； rolling transmission vice； transmission

隨著人們生活節(jié)奏的加快和環(huán)保意識的加強，對應用于快餐業(yè)和快捷食品的紙制品包裝的需求量越來越大，其應用也越來越廣，大大促進了紙制包裝品的加工設備的研發(fā)和推廣。通過對現(xiàn)有的國內外相關設備的工作原理及結構特點的分析與研究發(fā)現(xiàn)：要實現(xiàn)紙包裝制品（馬芬紙杯）的設備高效、大批量、高精度、高可靠性生產，其核心部件（傳動部件）的設計及制造技術最為關鍵，長期以來一直是業(yè)內技術人員關注的焦點和難以解決的技術難題[1-5]。

1 成型工藝特點及設備技術難點

1.1 成型工藝系統(tǒng)的特點簡介

如圖1所示，馬芬紙杯成型工藝系統(tǒng)主要由成型模具組件、動力傳動與控制系統(tǒng)、自動送紙與成品集收系統(tǒng)等組成。馬芬紙杯機成型部件采用多工位成組連續(xù)成型工藝措施，由兩組高精度成型模具，在一個工作周期內（周期約為1.6s）分別生產兩件成品。模具由兩套上模、一套下模組件組成，由氣缸驅動完成成型模具的上下開合動作，下模組件安裝在下模安裝板上，動力來源依靠伺服電機直驅，并通過高精度運動副（滾珠絲杠副、直線滾動導軌副）來傳遞，最終實現(xiàn)其與下模安裝板共同做左右邏輯往復運動。上下模具根據連續(xù)成型工藝的要求，組合后劃分成三組模具，依次為成型模組、翻邊模組和定型模組。該工藝系統(tǒng)具有馬芬紙杯成型速度快、穩(wěn)定性好、成品率高等優(yōu)點。

1.2 該設備的設計技術難點

針對該設備的成型工藝特點，在研發(fā)過程中應重點解決以下難題：

1） 因成型用紙厚度較薄（厚度為0.02mm），為提高成品率、避免廢品浪費，應保證在馬芬紙杯的成型制造時，模具工作位置的任何運動狀態(tài)均應維持高定位精度和高重復定位精度（控制精度≤0.10mm）；

2） 因此類產品（馬芬紙杯）單件價值較低，為保證生產過程的高效率、低能耗，應科學地處理其成型工藝方法、高平穩(wěn)性控制與動力保障系統(tǒng)等主要部分的設計與制造技術難題[6-7]；

3）因馬芬紙杯機是高速化生產（生產周期≤2s），不僅各部件長時間工作，且需從停止到運動頻繁切換，為提高各零部件使用壽命，應優(yōu)先采用長壽命、低能耗、高可靠的滾動副機構，同時在結構設計上應充分考慮產品的裝配、維修便捷性。

2 馬芬紙杯機傳動方案設計

2.1 常用的傳動方案簡介

（1）傳統(tǒng)傳動原理

如圖2所示，傳統(tǒng)馬芬紙杯機為實現(xiàn)各工藝功能動作的協(xié)調一致性，均采用定速比的齒輪傳動和預定運動軌跡的凸輪滾子機構，通過曲柄連桿的往復運動實現(xiàn)由旋轉運動轉化為線性周期運動，以滿足制杯重復工作工位轉換的工藝要求。

（2）傳統(tǒng)結構方式及其特點

如圖2所示，其主要由電機、齒輪機構、凸輪機構、下模安裝板等四部件組成。其主要結構及特點如下：

1） 電機采用螺紋固定連接安裝于底座上，這種方式缺乏定位和相對位置關系要求的保證，無法達到設計規(guī)定的工作精度要求目標；

2） 變速機構的齒輪副與軸之間均采用鍵固連，各級齒輪組件均獨立開放式安裝在相應的機座上，其相互之間的位置關系只有通過裝配調整來保證。這就造成了裝配、維修、更換難度更大，操作極不方便，很難滿足相互之間的嚙合關系要求；

3） 凸輪機構由槽形凸輪、滾輪、滾輪軸、曲柄連桿組成，槽形凸輪與齒輪同軸布置，曲柄連桿一端通過滾動軸承與底座固連，另一端與下模安裝板鉸接。該結構雖可滿足工藝預定的運動軌跡關系，但凸輪加工精度高、加工難度大且因受運動間隙及磨損的影響，在原理上很難保證馬芬紙杯制造工藝精度要求（≤0.10mm）。另外還因選擇低精度鉸接連接方式，無法確保多運動件準確定位和重復定位精度，維修困難，很難實現(xiàn)生產的集中控制和自動化生產，生產率低、可靠性差；

4） 整機均采用純機械結構，構件數(shù)量大、運動副多、故障率高、噪音振動大、工作環(huán)境差。

2.2 高精度傳動方案簡介

（1） 傳動原理

如圖3所示，為實現(xiàn)高精度、高效率的設計目標，其主要由動力機構、滾珠絲杠機構、下模安裝板、直線滾動導軌副等部件組成。采用伺服電機為動力源能滿足無級調速技術要求，以直驅方式直接帶動執(zhí)行件工作，相對運動構件采用摩擦小、壽命長的滾動副[8]。動力傳遞通過高精度的滾動副（滾珠絲杠）實現(xiàn)將電機軸旋轉運動轉變?yōu)榫€性往復運動，該機構的定位精度和重復定位精度均很高，誤差均≤0.01mm[9]。

（2） 傳動結構方式

如圖3所示，動力傳遞方式是由伺服電機通過剛性聯(lián)軸器與絲杠連接，來直接驅動下模安裝的定位板（或稱為工作臺）實現(xiàn)往復直線運動，故滾珠絲杠兩端選用可承受軸向和徑向載荷的大接觸角滾動軸承組合安裝方式，且一端采用浮動安裝結構來補償熱變形的影響[10-13]；下模安裝板（工作臺）通過滾珠直線導軌副安裝在整體加工的底座上，在一定程度上，降低裝配安裝、找正的工藝難度，其中直線導軌副采用楔塊壓緊方式，楔塊依靠連接螺釘?shù)念A緊力將導軌緊緊壓入導軌槽內。

（3） 傳動結構特點

該傳動系統(tǒng)與傳統(tǒng)傳動結構方式相比具有如下特點：

1） 結構緊湊、簡單，易于制造、便于裝配，采用模塊化設計理念，大大簡化機械結構，有效地保證該類機械成型工藝的各項技術精度要求，降低生產成本，確保了高成品率；

2） 運動性能良好，采用傳動精度高的滾動副，可高效、準確地實現(xiàn)旋轉運動轉變?yōu)橥鶑途€運動，定位和重復定位精度高，使用壽命長；

3） 累積誤差小，采用伺服電機直接驅動方式，通過縮短傳動鏈路徑，避免傳動元件累積誤差對系統(tǒng)影響，大大降低了系統(tǒng)故障率[14]；

4） 振動小、噪音低，采用楔塊壓緊的安裝方式，不僅使直線滾動導軌的運動達到較高相對位置精度要求，顯著改善了沖擊震動對精度保持的影響，運動更加平穩(wěn)，精度保持性較好，生產可靠性高[15-16]。

3 應用實例

如圖4所示為該機構三維結構原理圖。

某型高速馬芬紙杯機設備需保證的主要生產目標為：

1） 裝機總功率小，每臺設備每小時能耗需少于1kW；

2） 高效率，每臺設備每天產量達到10萬只；

3） 低廢品率，每臺設備每天廢品率低于3%。

依據該設計目標，選用主控伺服電機0.75kW，滾珠絲杠的導程采用25mm。裝配時，通過控制各項的尺寸鏈關系，采用補償墊片的方式確保相關精度，在原理上消除高廢品率的可能，經實際生產應用結果發(fā)現(xiàn)，其廢品率低于1%，遠低于目前采用傳統(tǒng)機構設備生產的廢品率3%。

4 結論

該傳動結構經實際應用結果表明：

1） 生產效率為單臺高速馬芬紙杯機約每1.6s生產成品2件，日產量與上述對應，達到該設備的高效設計目標；

2） 運動精度可達0.01mm，滿足馬芬紙杯機成型工藝的各項定位和重復定位精度指標要求；

3） 若考慮設備正常保養(yǎng)、維護等因素，設備每年正常工作時間約為280天，各部件設計壽命長，達到高可靠性要求。

由此可見：該傳動方式的各項綜合指標均達到或超過設計所規(guī)定的各項技術指標，這種方式是該類設備推廣和應用的主要發(fā)展方向及趨勢。

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（責任編輯：李 麗，范 君）