非圓齒輪擺桿機(jī)構(gòu)在給紙機(jī)壓腳機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用研究

閔林鋒

摘 要：為了改善飛達(dá)壓紙機(jī)構(gòu)的工作壽命，本文提出利用非圓齒輪擺桿機(jī)構(gòu)代替壓腳凸輪機(jī)構(gòu)。其間通過(guò)UG建立給紙機(jī)壓腳凸輪機(jī)構(gòu)三維模型，并在ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到壓腳凸輪機(jī)構(gòu)擺桿角位移曲線，利用紙機(jī)壓腳凸輪機(jī)構(gòu)凸輪位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律，反求非圓齒輪節(jié)曲線;齒廓數(shù)學(xué)模型建立后，開(kāi)發(fā)齒廓生成軟件生成齒廓，利用三維軟件建立非圓齒輪擺桿機(jī)構(gòu)的三維模型，利用ADAMS完成運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真并得到擺桿位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律。研究表明，擺桿的角位移曲線與凸輪機(jī)構(gòu)中的擺桿角位移曲線對(duì)比，二者基本一致，此外，在相同條件下，非圓齒輪表面接觸力比凸輪滾子表面接觸力減小了40%，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的正確性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：給紙機(jī);壓腳凸輪機(jī)構(gòu);ADAMS;非圓齒輪

中圖分類號(hào)：TH132.429 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）32-0035-04

Abstract： In order to improve the working life of the feeder paper pressing mechanism， this paper proposed to replace the presser foot cam mechanism with a non-circular gear swing lever mechanism. In the meantime， a three-dimensional model of the presser foot cam mechanism of the paper feeder was established through UG， and kinematics analysis was carried out in ADAMS， and the angular displacement curve of the swing rod of the presser foot cam mechanism was obtained， the non-circular gear pitch curve was reversed by using the cam displacement movement law of the paper machine presser foot cam mechanism; after the mathematical model of the tooth profile was established， the tooth profile generation software was developed to generate the tooth profile， and the 3D software was used to establish the 3D model of the non-circular gear pendulum mechanism， and the ADAMS was used to complete the kinematics simulation and obtain the displacement motion law of the pendulum rod. The research shows that comparing the angular displacement curve of the pendulum rod with that of the cam mechanism， the two are basically the same， in addition， under the same conditions， the non-circular gear surface contact force was 40% less than the cam roller surface contact force， which verified the correctness and practicability of the design.

Keywords： paper feeder;foot cam mechanism;ADAMS;non-circular gear

單張輸紙裝置又被稱為給紙機(jī)構(gòu)，俗稱飛達(dá)或分紙頭，其廣泛應(yīng)用于單張紙印刷機(jī)（如柔性版印刷機(jī)、膠印機(jī)、凹印機(jī)和絲網(wǎng)印刷機(jī)等）及部分印后設(shè)備（如模切機(jī)、折頁(yè)機(jī)、印刷品質(zhì)量檢測(cè)裝置等），是印刷包裝機(jī)械中使用最為廣泛的關(guān)鍵部位，其性能好壞將直接影響印刷包裝設(shè)備的工作效率。國(guó)際知名的飛達(dá)專業(yè)生產(chǎn)廠家德國(guó)MABEG（馬貝格）公司處于行業(yè)頂尖水平，它的飛達(dá)水平代表了飛達(dá)的最新發(fā)展技術(shù)。國(guó)外生產(chǎn)制造的飛達(dá)可穩(wěn)定工作在給紙速度12 000張/h，有的甚至能夠達(dá)到15 000張/h。飛達(dá)也一直是我國(guó)單張紙印刷機(jī)械發(fā)展的主要瓶頸。目前，給紙速度6000張/h以內(nèi)的飛達(dá)市場(chǎng)已基本全面被國(guó)內(nèi)廠家占領(lǐng)，而10 000張/h上的飛達(dá)則完全依賴進(jìn)口。

給紙機(jī)構(gòu)主要由分紙吸嘴機(jī)構(gòu)、壓腳機(jī)構(gòu)和遞紙機(jī)構(gòu)組成，分別完成分紙、壓紙和遞紙三個(gè)動(dòng)作[1-2]。要想提高給紙速度，壓腳機(jī)構(gòu)也需要保持高速，否則給紙動(dòng)作無(wú)法完成。瑞安某包裝印刷有限公司在壓腳機(jī)構(gòu)使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)器長(zhǎng)期高速運(yùn)行出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：第一，凸輪表面出現(xiàn)磨損，使得壓腳機(jī)構(gòu)壓紙效果不佳;第二，目前，壓腳凸輪機(jī)構(gòu)中擺桿前端的滾子采用滾動(dòng)軸承，在凸輪表面，跳動(dòng)撞擊使得滾子壽命降低。非圓齒輪是用來(lái)傳遞兩軸間非勻速運(yùn)動(dòng)的，和其他非勻速比傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如凸輪、連桿等）相比，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。齒輪嚙合與凸輪嚙合相比，齒輪有多個(gè)齒逐漸接觸，同樣條件下耐磨性更好。和熱處理方式相比，其改進(jìn)結(jié)構(gòu)和改善材料的成本更低。因此，本文以該企業(yè)的壓腳凸輪機(jī)構(gòu)研究對(duì)象，提出一種非圓齒輪擺桿機(jī)構(gòu)（非圓齒輪與標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪組合的擺桿機(jī)構(gòu)）代替凸輪擺桿機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)稱非圓齒輪壓腳機(jī)構(gòu)，建立非圓齒輪擺桿機(jī)構(gòu)求解模型，編寫(xiě)齒廓求解軟件獲得非圓齒輪輪廓數(shù)據(jù)，建立三維模型完成虛擬仿真試驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。

本文提出非圓齒輪與標(biāo)準(zhǔn)齒輪組合機(jī)構(gòu)（簡(jiǎn)稱非圓齒輪擺桿機(jī)構(gòu)）代替凸輪和滾子，其適用于包裝機(jī)械中其他凸輪機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，促進(jìn)了包裝機(jī)械的發(fā)展。

1 壓腳機(jī)構(gòu)

1.1 工作原理

壓腳機(jī)構(gòu)主要由凸輪、擺桿1（桿長(zhǎng)[l1]）、連桿2（桿長(zhǎng)[l2]）、搖桿3（桿長(zhǎng)[l3]）、力封閉彈簧（彈性系數(shù)[k]）組成，如圖1所示。電機(jī)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)擺桿1上的滾子帶動(dòng)擺桿1擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連桿2擺動(dòng)達(dá)到壓腳的壓紙、松紙的動(dòng)作。力封閉彈簧使得擺桿1上的滾子一直貼緊凸輪表面，防止脫離凸輪表面影響動(dòng)作的傳遞和帶來(lái)沖擊。為了進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)的分析，對(duì)壓腳機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆分，得到凸輪和擺桿（簡(jiǎn)化后，擺桿1桿長(zhǎng)由[l1]調(diào)整為[l]）組成的一級(jí)機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

1.2 虛擬樣機(jī)建立與仿真

基于瑞安某包裝機(jī)械有限公司的給紙機(jī)構(gòu)測(cè)繪壓腳機(jī)構(gòu)，在UG三維軟件里建立三維實(shí)體模型，并導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真（見(jiàn)圖3），測(cè)得擺桿1的角位移曲線和凸輪表面接觸力曲線，如圖4所示。

2 非圓齒輪擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 非圓齒輪節(jié)曲線數(shù)學(xué)模型

以現(xiàn)有某高速給紙機(jī)給紙機(jī)構(gòu)為實(shí)例，經(jīng)測(cè)量，其壓腳機(jī)構(gòu)擺桿長(zhǎng)為[l]（簡(jiǎn)化后），擺桿回轉(zhuǎn)中心[A]到非圓齒輪回轉(zhuǎn)中心[O]的中心距為[a]，擺桿角位移為[φ]。以A為坐標(biāo)系原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，參考現(xiàn)有機(jī)子滾子半徑，給定圓柱齒輪分度圓半徑[R1]，則非圓齒輪向徑[R2]滿足式（1）條件。非圓齒輪壓腳機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖如圖5所示。

2.2 非圓齒廓生成

將非圓齒輪壓腳機(jī)構(gòu)中的非圓齒輪齒的節(jié)曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入利用Matlab軟件編寫(xiě)的齒廓生成程序，輸入齒數(shù)、模數(shù)和壓力角，得到齒廓數(shù)據(jù)點(diǎn)（見(jiàn)圖6），生成.dat文件，再導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件繪制齒輪三維模型，如圖7所示。

3 三維模型建立與虛擬仿真

在UG三維軟件中繪制、裝配非圓齒輪壓腳機(jī)構(gòu)，并導(dǎo)入ADAMS軟件，設(shè)置約束與參數(shù)，完成運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，仿真界面如圖8所示。通過(guò)后臺(tái)分析，得到擺桿的角位移曲線，如圖9所示，與凸輪擺桿角位移曲線對(duì)比，結(jié)果顯示基本一致。此外，對(duì)非圓齒輪與齒輪滾子之間的接觸力進(jìn)行測(cè)試，與凸輪與滾子的接觸力相比，最大幅值前者只是后者的40%左右，因此可以有效提高耐磨性。

4 結(jié)論

基于現(xiàn)有壓腳凸輪機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，本文提出一種非圓齒輪擺桿傳動(dòng)的壓腳機(jī)構(gòu)并將其應(yīng)用于原機(jī)中，利用ADAMS仿真軟件完成虛擬仿真，驗(yàn)證了可行性。此外，在相同彈簧拉力、相同轉(zhuǎn)速下，分別測(cè)試了凸輪壓腳機(jī)構(gòu)凸輪表面接觸力與非圓齒輪壓腳機(jī)構(gòu)齒輪表面接觸力，結(jié)果顯示，后者與前者相比，齒輪表面接觸力相對(duì)減小40%，大大提高耐磨性，因此該機(jī)構(gòu)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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