蜘蛛手–接煙輪系統(tǒng)模型與煙支交接運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

祝智斌

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蜘蛛手–接煙輪系統(tǒng)模型與煙支交接運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

祝智斌

(常德煙草機(jī)械有限責(zé)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型, 研究了煙支交接的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型, 以活動(dòng)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(duì)位移和相對(duì)速度為評(píng)價(jià)指標(biāo)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(duì)煙道交接中心的相對(duì)位移均趨近于0, 相對(duì)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(shí), 固定手煙道與蜘蛛手外煙道的相對(duì)位移和相對(duì)速度比活動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)分析

國內(nèi)在超高速卷接機(jī)組研究方面, 近年來取得了較大的進(jìn)展。王永康[1]對(duì)生產(chǎn)卷煙長度齒輪、接裝機(jī)切割鼓輪、供紙輥等進(jìn)行改進(jìn), 以適應(yīng)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(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái); 王振聲[3]改造了PROTOS70/80卷煙機(jī)組PLC控制系統(tǒng), 對(duì)SRM重量控制系統(tǒng)進(jìn)行了國產(chǎn)化升級(jí); 閆玉平[4]利用設(shè)備原有動(dòng)力改進(jìn)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(duì)PASSIM卷接機(jī)組前分離鼓輪進(jìn)行了改進(jìn); 陳文[6]運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)喇叭嘴機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真計(jì)算; 歐育健[7]以活動(dòng)手、固定手與蜘蛛手的相對(duì)位移和相對(duì)速度為評(píng)價(jià)指標(biāo), 對(duì)煙支交接穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。這些研究對(duì)我國卷煙生產(chǎn)質(zhì)量的提高及煙機(jī)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(jī)組蜘蛛手與接煙輪系統(tǒng)為研究對(duì)象, 建立了煙支交接系統(tǒng)的幾何模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型?；谠撃Ｐ? 對(duì)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。以活動(dòng)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(duì)位移和相對(duì)速度為評(píng)價(jià)指標(biāo), 對(duì)煙支交接質(zhì)量進(jìn)行分析。

1 煙支交接系統(tǒng)幾何模型與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

PROTOS2–2煙支交接系統(tǒng)由接煙輪機(jī)構(gòu)和蜘蛛手機(jī)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(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng), 接煙輪則沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。蜘蛛手運(yùn)動(dòng)到最低位置時(shí), 在負(fù)壓作用下, 內(nèi)、外煙道從煙支傳送導(dǎo)軌上吸取煙支。蜘蛛手吸附煙支運(yùn)動(dòng)至最左端時(shí), 活動(dòng)手與固定手在空氣負(fù)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(dǎo)入ADAMS中, 根據(jù)構(gòu)件的材料屬性及運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行并構(gòu)。運(yùn)動(dòng)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(dòng)手滾子與凸輪理論廓線之間添加點(diǎn)–線副; 在活動(dòng)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(duì)接煙輪中心軸及蜘蛛手中心輪盤進(jìn)行回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)定義。定義回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)可以在仿真時(shí)帶動(dòng)接煙輪輪盤和活動(dòng)手旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn), 使活動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型

2 5種典型工況下運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

對(duì)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(jìn)行仿真計(jì)算。各工況對(duì)應(yīng)的仿真時(shí)間、仿真步長、一個(gè)步長對(duì)應(yīng)的時(shí)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(dòng)手和固定手的煙道上, 理想狀態(tài)是這些煙道的中心相對(duì)位移和相對(duì)速度為0, 因此, 將煙道中心的相對(duì)位移和相對(duì)速度作為煙支交接質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù), 在ADAMS中進(jìn)行仿真, 得出5種工況下煙支交接質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)位移和相對(duì)速度對(duì)比曲線如圖3～7所示。

圖3 工況1時(shí), 活動(dòng)手/固定手與蜘蛛手的相對(duì)位移和相對(duì)速度

圖4 工況2時(shí), 活動(dòng)手/固定手與蜘蛛手的相對(duì)位移和相對(duì)速度

圖5 工況3時(shí), 活動(dòng)手/固定手與蜘蛛手的相對(duì)位移和相對(duì)速度

圖6 工況4時(shí), 活動(dòng)手/固定手與蜘蛛手的相對(duì)位移和相對(duì)速度

圖7 工況5時(shí), 活動(dòng)手/固定手與蜘蛛手的相對(duì)位移和相對(duì)速度

從圖3～7可知, 首先, 在仿真時(shí)間內(nèi), 評(píng)價(jià)指標(biāo)均在0.5時(shí)達(dá)到最佳效果, 即2對(duì)煙道交接中心的相對(duì)位移均趨近于0, 2對(duì)煙道交接中心的相對(duì)速度均較小, 因此應(yīng)把此時(shí)作為煙支交接位置; 其次, 在煙支交接時(shí)刻附近, 固定手與蜘蛛手的相對(duì)位移變化比活動(dòng)手的更平緩一些, 相對(duì)速度變化率也比活動(dòng)手更小, 說明固定手與蜘蛛手的煙支交接質(zhì)量比活動(dòng)手與蜘蛛手交接質(zhì)量更好, 實(shí)際生產(chǎn)中也驗(yàn)證了這一點(diǎn); 最后, 隨著速度的增大, 煙支交接過程中掉絲量會(huì)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(jì)算數(shù)據(jù), 設(shè)交接過程中相對(duì)位移分別為1.0, 1.5和2.0 mm時(shí)(3種相對(duì)位移代表3種不同的交接狀態(tài))時(shí), 煙支交接持續(xù)步長、交接時(shí)間、接煙輪轉(zhuǎn)角、蜘蛛手輪轉(zhuǎn)角及活動(dòng)手、固定手煙道中心與蜘蛛手內(nèi)、外煙道中心最大相對(duì)速度如表2所示。

由表2可知: (1) 相對(duì)位移相同時(shí), 煙支交接時(shí)間與煙支生產(chǎn)速度呈反向規(guī)律變化, 即交接時(shí)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(dòng)手、固定手煙道中心與蜘蛛手內(nèi)、外煙道中心的相對(duì)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(shí), 交接時(shí)間、接煙輪轉(zhuǎn)角、蜘蛛手輪轉(zhuǎn)角及活動(dòng)手、固定手煙道中心與蜘蛛手內(nèi)、外煙道中心的最大相對(duì)速度均隨著相對(duì)位移的增大而增大。

表2 相對(duì)位移為1.0, 1.5, 2.0 mm時(shí)交接過程數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

5種典型工況下, 2對(duì)煙道交接中心的相對(duì)位移均趨近于0, 且相對(duì)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(duì)于活動(dòng)手煙道與蜘蛛手外煙道的交接質(zhì)量更好。

相對(duì)位移相同時(shí), 煙支交接時(shí)間隨煙支生產(chǎn)速度的增大而減小; 活動(dòng)手、固定手煙道中心與蜘蛛手內(nèi)、外煙道中心的相對(duì)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(shí), 接煙輪和蜘蛛手輪轉(zhuǎn)過的角度基本保持不變。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王永康, 馬學(xué)成, 袁保證, 等. PA8–5接裝機(jī)煙支規(guī)格改變時(shí)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(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)構(gòu)建及上位機(jī)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(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2010.

[4] 閆玉平. ZB25機(jī)組煙支分離器改進(jìn)設(shè)計(jì)[C]// 上海煙草系統(tǒng)2006年度優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文集. 上海: 上海市煙草學(xué)會(huì), 2006: 71–77.

[5] 趙明朗. PASSIM卷接機(jī)組前分離鼓輪的改進(jìn)[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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(zé)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(jī)械集團(tuán)有限責(zé)任公司項(xiàng)目(國煙科[2010]449號(hào))。