高速馬芬紙杯機(jī)的傳動方案設(shè)計

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(jī)對傳動機(jī)構(gòu)的高效率、高精度技術(shù)的要求，結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)、加工工藝及使用工況的特點(diǎn)，通過對主要誤差來源的分析，提出了該機(jī)傳動部件驅(qū)動與控制原理及方法，采用伺服直驅(qū)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(diǎn)，確保了整機(jī)的高效、高精度、大批量生產(chǎn)的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：紙杯機(jī)；滾動傳動副；傳動

中圖分類號： TH122 文獻(xiàn)標(biāo)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(qiáng)，對應(yīng)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(yīng)用也越來越廣，大大促進(jìn)了紙制包裝品的加工設(shè)備的研發(fā)和推廣。通過對現(xiàn)有的國內(nèi)外相關(guān)設(shè)備的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(shè)備高效、大批量、高精度、高可靠性生產(chǎn)，其核心部件（傳動部件）的設(shè)計及制造技術(shù)最為關(guān)鍵，長期以來一直是業(yè)內(nèi)技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)和難以解決的技術(shù)難題[1-5]。

1 成型工藝特點(diǎn)及設(shè)備技術(shù)難點(diǎn)

1.1 成型工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)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(jī)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(nèi)（周期約為1.6s）分別生產(chǎn)兩件成品。模具由兩套上模、一套下模組件組成，由氣缸驅(qū)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(jī)直驅(qū)，并通過高精度運(yùn)動副（滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)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(fù)運(yùn)動。上下模具根據(jù)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(diǎn)。

1.2 該設(shè)備的設(shè)計技術(shù)難點(diǎn)

針對該設(shè)備的成型工藝特點(diǎn)，在研發(fā)過程中應(yīng)重點(diǎn)解決以下難題：

1） 因成型用紙厚度較?。ê穸葹?.02mm），為提高成品率、避免廢品浪費(fèi)，應(yīng)保證在馬芬紙杯的成型制造時，模具工作位置的任何運(yùn)動狀態(tài)均應(yīng)維持高定位精度和高重復(fù)定位精度（控制精度≤0.10mm）；

2） 因此類產(chǎn)品（馬芬紙杯）單件價值較低，為保證生產(chǎn)過程的高效率、低能耗，應(yīng)科學(xué)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(shè)計與制造技術(shù)難題[6-7]；

3）因馬芬紙杯機(jī)是高速化生產(chǎn)（生產(chǎn)周期≤2s），不僅各部件長時間工作，且需從停止到運(yùn)動頻繁切換，為提高各零部件使用壽命，應(yīng)優(yōu)先采用長壽命、低能耗、高可靠的滾動副機(jī)構(gòu)，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)充分考慮產(chǎn)品的裝配、維修便捷性。

2 馬芬紙杯機(jī)傳動方案設(shè)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(jī)為實現(xiàn)各工藝功能動作的協(xié)調(diào)一致性，均采用定速比的齒輪傳動和預(yù)定運(yùn)動軌跡的凸輪滾子機(jī)構(gòu)，通過曲柄連桿的往復(fù)運(yùn)動實現(xiàn)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為線性周期運(yùn)動，以滿足制杯重復(fù)工作工位轉(zhuǎn)換的工藝要求。

（2）傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方式及其特點(diǎn)

如圖2所示，其主要由電機(jī)、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、下模安裝板等四部件組成。其主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)如下：

1） 電機(jī)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(guān)系要求的保證，無法達(dá)到設(shè)計規(guī)定的工作精度要求目標(biāo)；

2） 變速機(jī)構(gòu)的齒輪副與軸之間均采用鍵固連，各級齒輪組件均獨(dú)立開放式安裝在相應(yīng)的機(jī)座上，其相互之間的位置關(guān)系只有通過裝配調(diào)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(guān)系要求；

3） 凸輪機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)雖可滿足工藝預(yù)定的運(yùn)動軌跡關(guān)系，但凸輪加工精度高、加工難度大且因受運(yùn)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(yùn)動件準(zhǔn)確定位和重復(fù)定位精度，維修困難，很難實現(xiàn)生產(chǎn)的集中控制和自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)率低、可靠性差；

4） 整機(jī)均采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)，構(gòu)件數(shù)量大、運(yùn)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(shè)計目標(biāo)，其主要由動力機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)、下模安裝板、直線滾動導(dǎo)軌副等部件組成。采用伺服電機(jī)為動力源能滿足無級調(diào)速技術(shù)要求，以直驅(qū)方式直接帶動執(zhí)行件工作，相對運(yùn)動構(gòu)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(jī)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性往復(fù)運(yùn)動，該機(jī)構(gòu)的定位精度和重復(fù)定位精度均很高，誤差均≤0.01mm[9]。

（2） 傳動結(jié)構(gòu)方式

如圖3所示，動力傳遞方式是由伺服電機(jī)通過剛性聯(lián)軸器與絲杠連接，來直接驅(qū)動下模安裝的定位板（或稱為工作臺）實現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)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(jié)構(gòu)來補(bǔ)償熱變形的影響[10-13]；下模安裝板（工作臺）通過滾珠直線導(dǎo)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(dǎo)軌副采用楔塊壓緊方式，楔塊依靠連接螺釘?shù)念A(yù)緊力將導(dǎo)軌緊緊壓入導(dǎo)軌槽內(nèi)。

（3） 傳動結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該傳動系統(tǒng)與傳統(tǒng)傳動結(jié)構(gòu)方式相比具有如下特點(diǎn)：

1） 結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，易于制造、便于裝配，采用模塊化設(shè)計理念，大大簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，有效地保證該類機(jī)械成型工藝的各項技術(shù)精度要求，降低生產(chǎn)成本，確保了高成品率；

2） 運(yùn)動性能良好，采用傳動精度高的滾動副，可高效、準(zhǔn)確地實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)線運(yùn)動，定位和重復(fù)定位精度高，使用壽命長；

3） 累積誤差小，采用伺服電機(jī)直接驅(qū)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(dǎo)軌的運(yùn)動達(dá)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(yùn)動更加平穩(wěn)，精度保持性較好，生產(chǎn)可靠性高[15-16]。

3 應(yīng)用實例

如圖4所示為該機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)原理圖。

某型高速馬芬紙杯機(jī)設(shè)備需保證的主要生產(chǎn)目標(biāo)為：

1） 裝機(jī)總功率小，每臺設(shè)備每小時能耗需少于1kW；

2） 高效率，每臺設(shè)備每天產(chǎn)量達(dá)到10萬只；

3） 低廢品率，每臺設(shè)備每天廢品率低于3%。

依據(jù)該設(shè)計目標(biāo)，選用主控伺服電機(jī)0.75kW，滾珠絲杠的導(dǎo)程采用25mm。裝配時，通過控制各項的尺寸鏈關(guān)系，采用補(bǔ)償墊片的方式確保相關(guān)精度，在原理上消除高廢品率的可能，經(jīng)實際生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其廢品率低于1%，遠(yuǎn)低于目前采用傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)備生產(chǎn)的廢品率3%。

4 結(jié)論

該傳動結(jié)構(gòu)經(jīng)實際應(yīng)用結(jié)果表明：

1） 生產(chǎn)效率為單臺高速馬芬紙杯機(jī)約每1.6s生產(chǎn)成品2件，日產(chǎn)量與上述對應(yīng)，達(dá)到該設(shè)備的高效設(shè)計目標(biāo)；

2） 運(yùn)動精度可達(dá)0.01mm，滿足馬芬紙杯機(jī)成型工藝的各項定位和重復(fù)定位精度指標(biāo)要求；

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

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

參考文獻(xiàn)：

[1] 張曇. 紙材在包裝設(shè)計中的應(yīng)用研究[D].株洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2009.

[2] 劉天植. 紙盒的折疊過程及其折疊軌跡線研究[D].無錫：江南大學(xué)，2008.

[3] 孫娜娜. 全自動紙杯成型機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動仿真研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2010.

[4] 楊鵬. 蜂窩紙板力學(xué)性能仿真分析與工藝、設(shè)備的改進(jìn)研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

[5] STLUND M， BORODULINA S，STLUND S. Influence of Paperboard Structure and Processing Conditions on Forming of Complex Paperboard Structures[J]. Packaging Technology & Science， 2011， 24（6）：331-341.

[6] VISHTAL A， HAUPTMANN M， ZELM R，et al. 3D Forming of Paperboard： The Influence of Paperboard Properties on Formability[J]. Packaging Technology & Science， 2015， 27（9）：677-691.

[7] HAUPTMANN M， EHLERT S， MAJSCHAK J. The Effect of Concave Base Shape Elements on the Three Dimensional Forming Process of Advanced Paperboard Structures[J]. Packaging Technology & Science， 2015， 27（12）：975-986.

[8] 黃育全. 滾珠絲杠副的選型計算與應(yīng)用[J]. 金屬加工（冷加工），2011（19）：46-48.

[9] 蔡新娟.伺服系統(tǒng)的機(jī)械傳動裝置設(shè)計[J].精密制造與自動化，2007（1）：31-33.

[10] 周志紅，文懷興，楊東生.滾珠絲杠安裝方式的研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2007（8）：140-141.

[11] 孫名佳，劉闊，朱鐵軍，等.絲杠預(yù)拉伸對機(jī)床進(jìn)給軸的影響分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2016（2）：54-56.

[12] 趙少鋒，魏敏，周永剛，等.滾珠絲杠副傳動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與研究[J].機(jī)械工程師，2015（8）：138-139.

[13] 王可，劉士閣，王淑芳.機(jī)床滾珠絲杠傳動的改進(jìn)設(shè)計[J].機(jī)械工程師，2006（3）：63-64.

[14] 周哲波，姜志明.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012：351-364.

[15] 解文芳，陳悅軍，張磊，等. 頂部驅(qū)動導(dǎo)軌扶正調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計[J]. 甘肅科技，2016，32（19）：17-18.

（責(zé)任編輯：李 麗，范 君）