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

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，高速包裝輪的運(yùn)動會對機(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)動的驅(qū)動機(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)動規(guī)律研究，利用相位分析和角加速計算分析兩種機(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軸承無間隙垂直嚙合，推動分度輪作分度運(yùn)動與定位，從而將連續(xù)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)殚g歇運(yùn)動輸出的新型傳動機(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)動規(guī)律設(shè)計，動力學(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。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)動方向間的關(guān)系可按相當(dāng)于蝸輪和蝸桿傳動的方向求得。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順時針(由上向下看)方向轉(zhuǎn)動。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)輪廓推動滾子3，使分度盤順時針(由上向下看)方向轉(zhuǎn)動;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，也是下一個轉(zhuǎn)位的開始位置，此時分度盤的滾子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號輪做順時針間歇轉(zhuǎn)動，弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表1。3號輪作為轉(zhuǎn)盤共8個工位，機(jī)器轉(zhuǎn)動一周，3號輪轉(zhuǎn)過一個工位，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)動軸的位置及運(yùn)動規(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個滾珠軸承組7，每個軸承組包含2個滾輪，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)計參數(shù)

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

工作原理:從后往前看，曲柄10逆時針旋轉(zhuǎn)，帶動軸9旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使分度凸輪8逆時針旋轉(zhuǎn)，分度凸輪工作面與滾珠軸承組7表面嚙合，帶動分度盤6作順時針(由上向下看)間歇轉(zhuǎn)動，然后在擋板軸3的作用下，3號包裝輪轉(zhuǎn)塔2也作順時針間歇轉(zhuǎn)動，從而帶動3號包裝輪模盒1順時針間歇轉(zhuǎn)動。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)動一周，從動件分度轉(zhuǎn)盤的相位分時圖見圖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，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，完成一個循環(huán)過程。

由于分度凸輪是以恒定角速度轉(zhuǎn)動，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)動階段以恒定速度ω=C轉(zhuǎn)動，也就是說分度轉(zhuǎn)盤在轉(zhuǎn)動階段加速度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)動規(guī)律見表2[5，8]。根據(jù)表2中從動件槽輪的角速度和角加速度的公式可知，ω2和ε2均是時間t的函數(shù)，由槽輪角加速度最大時的位置角公式計算可得=arccos 0.8547=31.27°，將該數(shù)值代入槽輪角加速度公式計算可得: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

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)行傳動的3號包裝輪定位準(zhǔn)確，分度精度高，傳動平穩(wěn)，且結(jié)構(gòu)緊湊，有效減少了3號輪在高速運(yùn)動中自身的振動和對機(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)計應(yīng)用.煙草在線[EB/OL].[2008-12-8]http://www.tobaccochina.com/machine/technology/news/200812/200812484943_335266.shtml.

[2] 昌志云，張予人.YB25型軟盒包裝機(jī)鋁箔紙煙包“2”進(jìn)“3”運(yùn)動的改進(jìn)[J].煙草科技，2010(4):27-29.

[3] 上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司培訓(xùn)教材編審委員會.ZB45型硬盒硬條包裝機(jī)組培訓(xùn)教材[G].2005.

[4] 蔣蒙奇.共軛凸輪機(jī)構(gòu)在YB47型硬盒包裝機(jī)煙支第二推進(jìn)器上的應(yīng)用[J].煙草科技，2009(9):23-24.

[5] 孟憲源.姜琪.機(jī)構(gòu)構(gòu)型與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

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

[7] 上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司培訓(xùn)教材編審委員會.ZB47型硬盒硬條包裝機(jī)組培訓(xùn)教材[G].2008.

[8] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊(第四版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.