楊玉霞，苑成友，苗雅麗

（1.濟源職業(yè)技術學院 機電工程系，河南 濟源 459000；2.桂林電子科技大學 職業(yè)技術學院，廣西 北海536000）

卷筒衛(wèi)生紙包裝機是一種代替繁重手工操作的包裝機械，由包裝薄膜輸送裝置、卷筒衛(wèi)生紙供給裝置、卷筒衛(wèi)生紙就位裝置（頂起機構和前推機構）、包裝薄膜裝置及薄膜端面熨燙粘合裝置、控制裝置組成。卷筒衛(wèi)生紙就位裝置和包裝薄膜裝置的關聯(lián)程度較高，它們的運行都需要伺服電機的驅(qū)動。用凸輪機構可以實現(xiàn)就位裝置與包裝薄膜裝置的動力分配和運動控制，這不但能改進卷筒衛(wèi)生紙的生產(chǎn)工藝，還能降低卷筒衛(wèi)生紙的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

1　頂紙和包裝薄膜功能的實現(xiàn)及要求

1.1　頂紙功能的實現(xiàn)及要求

卷筒衛(wèi)生紙包裝機凸輪機構的設計原理如圖1所示。供給裝置將卷筒衛(wèi)生紙送到正確的水平位置后，頂起機構將其頂至相應的垂直位置。為了給供給裝置、前推機構、薄膜包裝及運行裝置留出更多的時間，要求頂起機構頂起后立即返回，同時還不能產(chǎn)生較大的振動，因此凸輪機構必須具有良好的動力學性能。

圖1　凸輪機構設計原理

1.2　包裝薄膜功能的實現(xiàn)及要求

在頂起機構將卷筒衛(wèi)生紙頂?shù)秸_位置的過程中，包裝薄膜裝置可以將薄膜卷至卷筒衛(wèi)生紙圓周的一半。為了使薄膜緊緊地裹在卷筒衛(wèi)生紙上，前推機構推動包裝薄膜裝置做水平運動的速度應大于卷筒衛(wèi)生紙的運動速度。為了實現(xiàn)這一功能，可以在前推機構的推板上增加平帶傳動，這樣推板在水平運動速度的基礎上增加了平帶傳動速度，就保證了前推機構的水平運動速度大于卷筒衛(wèi)生紙的水平運動速度。

2　卷筒衛(wèi)生紙包裝機凸輪機構的設計

2.1　凸輪機構分析與兩凸輪機構的工作時序

頂起機構與前推機構都是采用溝槽凸輪與滾子配合的凸輪機構。這種機構的優(yōu)點是封閉性好、可靠性高，能保證從動件完成預期的動作，能避免封閉凸輪機構的從動件脫離凸輪輪廓線而導致從動件不能完成預期運動的后果［1］。

在整個機器運行中要求頂起機構與前推機構中的凸輪動作連貫、緊湊。兩個凸輪的工作時序如圖2所示。

圖2　凸輪的工作時序

2.2　兩凸輪輪廓線的設計

凸輪輪廓線的加工工藝要求較高，加工過程比較復雜，加工精度不易控制。卷筒衛(wèi)生紙包裝機主要利用的是凸輪機構的沖程動作，而對沖程動作中運動參數(shù)的變化沒有嚴格限制。為了簡化凸輪的加工工藝和數(shù)控加工程序，降低生產(chǎn)成本，我們設計了由6段依次平滑過渡的圓弧組成的凸輪輪廓線。

擺桿的運動可將頂包凸輪上的基圓與最大圓的半徑差放大3倍，頂包凸輪從動件在垂直方向上發(fā)生210 mm位移。根據(jù)文獻［2］提供的數(shù)據(jù)，我們先將推程和回程壓力角的許用值分別設為35°和40°，再利用SolidWorks軟件設計出頂包凸輪的3D模型（圖3）。擺桿的運動可將推包凸輪上的基圓與最大圓的半徑差放大3.4倍，推包凸輪從動件在垂直方向發(fā)生170 mm位移。根據(jù)文獻［2］提供的數(shù)據(jù)，我們先將推程和回程壓力角的許用值設為35°和40°，再利用SolidWorks軟件設計出推包凸輪的3D模型（圖4）。

圖3　頂包凸輪模型

圖4　推包凸輪模型

2.3　卷筒衛(wèi)生紙包裝機中關鍵機構的設計與分析

2.3.1頂包凸輪輪廓線時序及凸輪機構的設計

從圖2a可以看出：頂包凸輪的遠休止角為100°，它表示頂起卷筒衛(wèi)生紙的頂桿在最下方停留等待卷筒衛(wèi)生紙時凸輪轉(zhuǎn)過的角度；近休止角為0°，它表示將卷筒衛(wèi)生紙頂?shù)秸_位置后立即返回原位（機構的急回特性）。頂包凸輪機構的3D模型如圖5所示。

圖5　頂包凸輪機構的3D模型

2.3.2推包凸輪輪廓線時序及凸輪機構的設計

從圖2b可以看出：推包凸輪的遠休止角為20°，它表示推板在最遠處停留時凸輪轉(zhuǎn)過的角度；推包凸輪的近休止角 30°（205°～175°），它表示推板停止等待時凸輪轉(zhuǎn)過的角度。推包凸輪機構的3D模型如圖6所示。

圖6　推包凸輪機構的3D模型

2.3.3凸輪的周向與軸向定位

傳統(tǒng)的通過鍵槽與鍵連接實現(xiàn)周向定位的方式存在一些弊端：第一，這種連接方式會降低凸輪軸的強度［3］；第二，對相位差有嚴格要求的凸輪機構對凸輪上鍵槽的位置也有嚴格的精度要求，這需要更高的加工工藝；第三，在這種定位方式下機器的裝配與調(diào)試都比較困難。

新的定位方式如圖7所示。從圖7可以看出，軸的表面光滑，在凸輪中心孔處增加凸緣，并在凸緣上增加螺紋。在機構裝配過程中，通過螺絲頂緊光軸就可以實現(xiàn)凸輪的周向定位與軸向定位。

圖7　凸輪的定位

2.3.4凸輪的切割、打孔及運動平衡

傳統(tǒng)的凸輪安裝方法是將凸輪從軸的一端裝到包裝機的凸輪軸上，但操作起來并不容易，維修或更換個別凸輪時，需要拆掉其他凸輪軸部件。如果采用圖8所示方法，將凸輪切割成兩半，安裝時用螺絲擰緊，這樣，在維修或更換凸輪時，拆裝及調(diào)節(jié)兩凸輪的相位差都是很方便的。

為了保證凸輪在運動時保持平衡，需要在凸輪凸起的位置打孔。在凸輪設計過程中，我們利用SolidWorks軟件，對凸輪的性能進行了反復測試，不斷修改孔的位置和大小，以使凸輪的重心盡可能與凸輪的旋轉(zhuǎn)中心重合。

圖8　凸輪切割與打孔

2.3.5凸輪滾子

凸輪滾子是易損部件，需要經(jīng)常更換。在凸輪槽上打一些拆卸孔有利于滾子的安裝與拆卸。

2.3.6推板導向結(jié)構的設計

圖9是包裝機的推板導向結(jié)構圖。在包裝機工作過程中，推板在水平方向上按照預定的軌道做往復運動，推板的一側(cè)采用直線軸承與滾子軸承相結(jié)合的方式組成導向結(jié)構，另一側(cè)采用固定在箱體上的兩塊可上下調(diào)節(jié)的工程塑料作為導向結(jié)構。

圖9　推板導向結(jié)構

3　結(jié)束語

在研究凸輪機構的基礎上，我們利用SolidWorks軟件建立了凸輪機構的三維模型，設計了卷筒衛(wèi)生紙包裝機的數(shù)字樣機，對凸輪機構進行了運動仿真。結(jié)果表明，用多個凸輪機構的協(xié)調(diào)動作替代多個伺服電機驅(qū)動的傳動方案能有效降低卷筒衛(wèi)生紙的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。