針對個性化煙包規(guī)格的提升器凸輪設(shè)計

馮世亮

（上海煙草機械有限責(zé)任公司，上海 200000）

針對個性化煙包規(guī)格的提升器凸輪設(shè)計

馮世亮

（上海煙草機械有限責(zé)任公司，上海 200000）

針對特殊規(guī)格的煙包，設(shè)計新的提升器機構(gòu)的凸輪，并通過matlab軟件進行方程運算，最后將運算結(jié)果導(dǎo)入三維模型。該設(shè)計已在機組上得到成功運用，獲得了滿意的效果。

煙草包裝 凸輪 matlab

隨著國家控?zé)熣叩纳钊雸?zhí)行以及居民健康意識的逐漸提高，各地?zé)煵萜髽I(yè)為了角逐僅有的市場份額紛紛推陳出新，試圖通過新的口味或是新的包裝方式贏得年輕消費者的青睞。上海煙廠委托上海煙機公司設(shè)計制造的雙鋁包異形包裝機組便是其中的代表之一，其包裝最大的特點是在硬盒中設(shè)計并列兩個鋁包，并且煙支由標(biāo)準(zhǔn)的三排變?yōu)閮膳牛瑢崿F(xiàn)從外觀上比普通規(guī)格的煙包顯得更寬更薄。

1 煙包提升器的作用及機械結(jié)構(gòu)

煙包提升器是商標(biāo)紙包裝成型結(jié)構(gòu)的一部分。它的上游是第二輸送鏈，煙包在該鏈上完成最后的折疊成型。它的下游是煙包傳遞輪，煙包通過該機構(gòu)被送入第一干燥輪中，使煙包上的膠水有足夠時間充分凝固，達到最佳成型效果。

如圖1所示，提升板8的煙包接觸面的初始位置位于輸送鏈平面的下方。為了順利完成煙包交接，提升板8需要沿著與煙包運動方向盡量小的夾角托起煙包，與煙包定位機構(gòu)（未畫出）相互配合，精確提升到規(guī)定高度，等待煙包傳遞輪接收。煙包提升器由一對共軛凸輪2驅(qū)動，通過擺桿6、彈簧拉桿14和限位擺桿11組成的四桿機構(gòu)帶動擺桿10，最后擺桿10、提升板8和擺桿7組成的平行四桿機構(gòu)可以保持水平地上下升降煙包。限位擺桿11和擺桿10之間的夾角，可以根據(jù)煙包的厚度來做相應(yīng)微調(diào)。

圖1 煙包提升裝置

2 針對個性化煙包規(guī)格的機構(gòu)參數(shù)修改

普通煙包的規(guī)格大小為88.7mm×55.7mm×23.2mm，新煙包的規(guī)格大小為94mm×66.2mm×14.7mm。其中，對于煙包提升器影響較大的參數(shù)改動是長度和厚度，導(dǎo)致單純通過調(diào)節(jié)擺桿之間的夾角或是增高提升板的高度，只能滿足提升板與煙包傳遞輪之間的位置要求，卻無法滿足提升板與輸送鏈上煙包之間的位置要求。因此，必須通過修改共軛凸輪的相位和曲線來獲得所需的效果。

煙包在煙包傳遞輪中是以中心平面為基準(zhǔn)進行定位，因此當(dāng)煙包變薄后，需要將提升板平面提高（23.2-14.7）/2mm，即4.25mm，或是增加擺桿轉(zhuǎn)動的角度，使其多轉(zhuǎn)動的角度相當(dāng)于提升板升高4.25mm。同時，由于煙包的長度變長（94-88.7）mm，即5.4mm后，提升板必須相對原先更快地下降到輸送鏈平面下方，以等待煙包的到來。已知煙包在輸送鏈上一個周期前進228.6mm，則可算出共軛凸輪的回程相位大致需要縮短5.4/228.6×360=8.5°，如圖2所示。

圖2 煙包提升裝置相位圖

綜合考慮，如圖3所示，最后決定基本保留凸輪的相位分布，僅將回程相位縮短10°，同時增大凸輪的輸出位移，使提升板能夠獲得更大的轉(zhuǎn)動角度。

圖3 圓端擺動從動件平面凸輪的滾子中心軌跡

3 編寫計算方程并使用matlab可視化

3.1 凸輪滾子中心軌跡計算

以凸輪1升程段計算為例。已知凸輪逆時針轉(zhuǎn)動ft（142°），帶動擺動從動件從初始角度h0（157.93°）順時針轉(zhuǎn)動h（22.87°），升程段的凸輪曲線為擺線曲線。

式（1）中，c是中心距，l是杠桿長度，r是到滾子中心的凸輪矢徑，(r,β)是滾子中心軌跡的極坐標(biāo)，其矢量方程如下：

通過歐拉公式展開，可得滾子中心軌跡(r,β)，即：

3.2 壓力角φ計算

根據(jù)式（2），求得凸輪中心軌跡切線方向矢量為：

如圖4所示，（a）中的壓力角曲線不連續(xù)，這是由于凸輪的輪廓在經(jīng)過極坐標(biāo)360°時，角度重新歸零計算，需要通過增加判斷條件轉(zhuǎn)化為（b）中的曲線。通過matlab編寫方程，求得壓力角的數(shù)值最大為44°左右，符合擺動從動件的壓力角取值范圍。

3.3 曲率半徑ρ的計算

用Ts對式（5）微分，得：

用ejφ除兩邊，取虛部相等，得：

根據(jù)式（6）和（9），求曲率半徑ρ為：

圖4 凸輪與擺動從動件之間的壓力角

如圖5所示，通過matlab編寫方程求得曲率半徑ρ的數(shù)值都小于零，表示滾子的軌跡是外凸的，不會發(fā)生“浮起”現(xiàn)象，且選擇的滾子半徑為17.5mm，也不會發(fā)生“頂切”現(xiàn)象。

3.4 凸輪輪廓的計算

如圖6所示，設(shè)d（35mm）為滾子直徑，Rb=P4=rejβ是滾子中心軌跡，Rp=rpejβp為凸輪輪廓。

圖5 滾子中心軌跡的曲率半徑

圖6 凸輪輪廓和刀具中心坐標(biāo)

于是，有：

4 結(jié)論

通過分析煙包規(guī)格變化所導(dǎo)致的機構(gòu)運動參數(shù)變動，獲得凸輪新的相位分布及輸出位移，已知擺動從動件的運動參數(shù)，通過matlab軟件計算方程，得出判斷凸輪優(yōu)劣的壓力角及曲率半徑，并獲得最終的凸輪輪廓曲線。目前，該凸輪機構(gòu)已被成功安裝到雙鋁包異形包裝機組中，并成功完成了所需的煙包提升功能。

The Design of Elevator Cam for Special Tobacco Package Size

FENG Shiliang
(Shanghai Tobacco Machinery Co., Ltd., Shanghai 200000)

The new cam for the elevator mechanism is designed for special tobacco package size, then it is computed in term of matlab, the result is transformed to 3d model. The design succeeds in practicing and the consequence is satisfied.

tobacco package, cam, matlab