卷筒衛(wèi)生紙包裝機(jī)中凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

楊玉霞，苑成友，苗雅麗

（1.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 濟(jì)源 459000；2.桂林電子科技大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 北海536000）

卷筒衛(wèi)生紙包裝機(jī)是一種代替繁重手工操作的包裝機(jī)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(jī)構(gòu)和前推機(jī)構(gòu)）、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(guān)聯(lián)程度較高，它們的運(yùn)行都需要伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。用凸輪機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)就位裝置與包裝薄膜裝置的動(dòng)力分配和運(yùn)動(dòng)控制，這不但能改進(jìn)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(shí)現(xiàn)及要求

1.1　頂紙功能的實(shí)現(xiàn)及要求

卷筒衛(wèi)生紙包裝機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)將其頂至相應(yīng)的垂直位置。為了給供給裝置、前推機(jī)構(gòu)、薄膜包裝及運(yùn)行裝置留出更多的時(shí)間，要求頂起機(jī)構(gòu)頂起后立即返回，同時(shí)還不能產(chǎn)生較大的振動(dòng)，因此凸輪機(jī)構(gòu)必須具有良好的動(dòng)力學(xué)性能。

圖1　凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

1.2　包裝薄膜功能的實(shí)現(xiàn)及要求

在頂起機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)推動(dòng)包裝薄膜裝置做水平運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)大于卷筒衛(wèi)生紙的運(yùn)動(dòng)速度。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，可以在前推機(jī)構(gòu)的推板上增加平帶傳動(dòng)，這樣推板在水平運(yùn)動(dòng)速度的基礎(chǔ)上增加了平帶傳動(dòng)速度，就保證了前推機(jī)構(gòu)的水平運(yùn)動(dòng)速度大于卷筒衛(wèi)生紙的水平運(yùn)動(dòng)速度。

2　卷筒衛(wèi)生紙包裝機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1　凸輪機(jī)構(gòu)分析與兩凸輪機(jī)構(gòu)的工作時(shí)序

頂起機(jī)構(gòu)與前推機(jī)構(gòu)都是采用溝槽凸輪與滾子配合的凸輪機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是封閉性好、可靠性高，能保證從動(dòng)件完成預(yù)期的動(dòng)作，能避免封閉凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件脫離凸輪輪廓線而導(dǎo)致從動(dòng)件不能完成預(yù)期運(yùn)動(dòng)的后果［1］。

在整個(gè)機(jī)器運(yùn)行中要求頂起機(jī)構(gòu)與前推機(jī)構(gòu)中的凸輪動(dòng)作連貫、緊湊。兩個(gè)凸輪的工作時(shí)序如圖2所示。

圖2　凸輪的工作時(shí)序

2.2　兩凸輪輪廓線的設(shè)計(jì)

凸輪輪廓線的加工工藝要求較高，加工過程比較復(fù)雜，加工精度不易控制。卷筒衛(wèi)生紙包裝機(jī)主要利用的是凸輪機(jī)構(gòu)的沖程動(dòng)作，而對(duì)沖程動(dòng)作中運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化沒有嚴(yán)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(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(dòng)件在垂直方向上發(fā)生210 mm位移。根據(jù)文獻(xiàn)［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(shè)為35°和40°，再利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)出頂包凸輪的3D模型（圖3）。擺桿的運(yùn)動(dòng)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(dòng)件在垂直方向發(fā)生170 mm位移。根據(jù)文獻(xiàn)［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(shè)為35°和40°，再利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)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(jī)中關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

2.3.1頂包凸輪輪廓線時(shí)序及凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

從圖2a可以看出：頂包凸輪的遠(yuǎn)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(shí)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(jī)構(gòu)的急回特性）。頂包凸輪機(jī)構(gòu)的3D模型如圖5所示。

圖5　頂包凸輪機(jī)構(gòu)的3D模型

2.3.2推包凸輪輪廓線時(shí)序及凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

從圖2b可以看出：推包凸輪的遠(yuǎn)休止角為20°，它表示推板在最遠(yuǎn)處停留時(shí)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(shí)凸輪轉(zhuǎn)過的角度。推包凸輪機(jī)構(gòu)的3D模型如圖6所示。

圖6　推包凸輪機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)周向定位的方式存在一些弊端：第一，這種連接方式會(huì)降低凸輪軸的強(qiáng)度［3］；第二，對(duì)相位差有嚴(yán)格要求的凸輪機(jī)構(gòu)對(duì)凸輪上鍵槽的位置也有嚴(yán)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(jī)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(jī)構(gòu)裝配過程中，通過螺絲頂緊光軸就可以實(shí)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(yùn)動(dòng)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(jī)的凸輪軸上，但操作起來并不容易，維修或更換個(gè)別凸輪時(shí)，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(shí)用螺絲擰緊，這樣，在維修或更換凸輪時(shí)，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(yùn)動(dòng)時(shí)保持平衡，需要在凸輪凸起的位置打孔。在凸輪設(shè)計(jì)過程中，我們利用SolidWorks軟件，對(duì)凸輪的性能進(jìn)行了反復(fù)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(dǎo)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖9是包裝機(jī)的推板導(dǎo)向結(jié)構(gòu)圖。在包裝機(jī)工作過程中，推板在水平方向上按照預(yù)定的軌道做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(dǎo)向結(jié)構(gòu)，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(dǎo)向結(jié)構(gòu)。

圖9　推板導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

3　結(jié)束語

在研究凸輪機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們利用SolidWorks軟件建立了凸輪機(jī)構(gòu)的三維模型，設(shè)計(jì)了卷筒衛(wèi)生紙包裝機(jī)的數(shù)字樣機(jī)，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。結(jié)果表明，用多個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)動(dòng)作替代多個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)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。