香煙包裝機(jī)械中下煙裝置設(shè)計(jì)

摘要：本文針對傳統(tǒng)下煙裝置剛性過大的問題，提出柔性下煙的設(shè)想并完成了相應(yīng)的下煙裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)核心思想是采用“行星輪系”來完成柔性下煙，即對香煙包裝機(jī)械下煙裝置進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，分別給出了下煙裝置、傳送裝置的設(shè)計(jì)框架。用3個行星輪系代替?zhèn)鹘y(tǒng)的凸輪下煙機(jī)構(gòu)，并合理配置齒輪和軸。采用連架桿機(jī)構(gòu)來維持3組行星輪系的同步操作。還對柔性下煙裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，即對下煙裝置的行星輪進(jìn)行設(shè)計(jì)、三維裝配和動力學(xué)分析。

關(guān)鍵詞：香煙包裝；下煙裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；仿真試驗(yàn)

中圖分類號：TS43""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在我國大多數(shù)香煙生產(chǎn)商的包裝過程中，香煙包裝存在一定的效率不足問題，尤其是煙支從煙庫下煙后，經(jīng)常會發(fā)生包裝過程中斷的現(xiàn)象，由此引起的停機(jī)率為三成到四成[1]。其直接原因是煙支的質(zhì)量問題（如殘次品）和空煙問題。實(shí)際上，剛剛下煙的煙支存在質(zhì)量問題的概率很低，但在下煙環(huán)節(jié)之后的環(huán)節(jié)中，煙支會因與推煙板發(fā)生剛性接觸而出現(xiàn)質(zhì)量下降，如煙支折斷和褶皺等現(xiàn)象[2]。后續(xù)的鋁箔紙包裝和商標(biāo)粘貼就都會受到影響，進(jìn)而導(dǎo)致包裝機(jī)械停機(jī)，香煙包裝的效率嚴(yán)重降低[3]。本文針對傳統(tǒng)下煙裝置剛性過大的問題，提出了柔性下煙的設(shè)想并完成了相應(yīng)的下煙裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)的核心思想是采用“行星輪系”進(jìn)行柔性下煙，并在煙支傳輸過程中配合負(fù)壓風(fēng)吸操作，以降低煙支傳輸過程中所受的剛性沖擊力。

1下煙裝置的總體框架設(shè)計(jì)

1.1香煙包裝常用下煙方案分析

在目前普遍應(yīng)用的香煙包裝機(jī)械系統(tǒng)中，工作速度處于中速到高速區(qū)間的包裝機(jī)械系統(tǒng)為60%～80%。在這些系統(tǒng)中，煙支的傳送通常采用“推煙法”。以煙盒容納20支香煙的情況為例，從煙庫下放到煙模盒的排放順序一般為3層排列，3層排列的具體煙支數(shù)量有所不同，一種是上7、中6、下7，另一種是上7、中7、下6。煙支排放好以后，使用推煙板將其一并推入煙盒，整個下煙過程即執(zhí)行完畢。但這種比較通用的方案有3個缺點(diǎn)。1）利用凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行主體運(yùn)動，運(yùn)動效率不高并且存在一定比例的運(yùn)動間隙，傳送速度受到一定程度的限制，凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動也比較容易對下煙過程造成沖擊和磨損。2）3層煙支一起被推入煙模盒，煙支受到?jīng)_擊而破損的可能性較大，這也是造成各種破損的主要原因。3）在實(shí)際的包裝過程中，因?yàn)橥茻熯^程的受到?jīng)_擊比較明顯，所以工作中振動和噪聲現(xiàn)象也比較明顯。

1.2本文下煙裝置總體方案設(shè)計(jì)

針對上述情況，本文對下煙裝置進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)，以增加下煙過程的柔性。本文將下煙操作的核心運(yùn)動模式改為輪式傳送，煙支從煙庫下放到煙模盒的過程由3個行星輪完成。行星輪不僅具有行程穩(wěn)定、定位精度高的特點(diǎn)，還能避免凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的剛性，減少煙支的破損率。該下煙裝置的整體布局如圖1所示。

下煙裝置共采用了3個行星輪。位置最低的行星輪安放煙模盒中下層香煙，下放煙支的數(shù)量為7支。煙模盒接收到第一層7支香煙后繼續(xù)向前運(yùn)動，等待第二個行星輪的操作。第二個行星輪處于中間位置，安放煙模盒中中層香煙，下放煙支的數(shù)量為6支。煙模盒接收到第二層6支香煙后繼續(xù)向前運(yùn)動，等待第三個行星輪的操作。第三個行星輪處于最高位置，安放煙模盒中上層香煙，下放煙支的數(shù)量為7支。

每一個行星輪下煙的過程如圖2所示。

下煙裝置的每一個行星輪是一個三輪輪系，包括中間輪、行星輪和底部輪。行星輪不但可以繞自身的回轉(zhuǎn)中心順時針轉(zhuǎn)動，還可以繞中間輪的回轉(zhuǎn)中心做逆時針轉(zhuǎn)動，并在轉(zhuǎn)動過程中利用負(fù)壓吸附作用進(jìn)行煙支傳送。首先，煙庫中的煙支下放到行星輪的煙槽內(nèi)。其次，行星輪和中間輪通過相向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動將煙支傳遞給中間輪。再次，中間輪和底部輪通過相向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動將煙支傳遞給底部輪。最后，底部輪中的煙支被下放到煙模盒中，由于煙模盒和底部輪的瞬時運(yùn)動線速度一致，不會產(chǎn)生較大沖擊，因此整個下煙過程具有一定柔性。

2下煙機(jī)構(gòu)行星輪詳細(xì)設(shè)計(jì)與建模

下煙裝置的行星輪系設(shè)計(jì)行星輪、中間輪和底部輪，其中行星輪的作用非常重要。行星輪從煙庫末端接受煙支，并通過煙槽向中間輪傳遞，因此需要具有較高的定位精度和足夠的柔性，才能確保傳遞的準(zhǔn)確性，并減少煙支的破損概率。為此本文先給出了行星輪的傳動設(shè)計(jì)，再進(jìn)行三維模型仿真裝配，最后對行星輪進(jìn)行動力學(xué)分析。

行星輪是指一族齒輪中的齒輪回轉(zhuǎn)軸線并不全是固定的，至少有一個齒輪的軸線要圍繞固定軸線做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。這表明行星輪必須滿足周轉(zhuǎn)輪系的條件。此外，如果周轉(zhuǎn)輪系的自由度確定為1，則可以稱之為行星輪系。行星輪系具有許多優(yōu)良的機(jī)械性能，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、承重能力強(qiáng)且工作平穩(wěn)、可靠。行星輪系有多種嚙合方式，分別為內(nèi)嚙合-共用齒輪-外嚙合（NGW）、內(nèi)嚙合-外嚙合（NW）、內(nèi)嚙合-內(nèi)嚙合（NN）、外嚙合-外嚙合（WW）、內(nèi)嚙合-共用齒輪-外嚙合-內(nèi)嚙合（NGWN）以及內(nèi)嚙合（N）等形式。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，行星輪系的應(yīng)用非常普遍，適用于傳動比較大的場合，可進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速不變情況下的變速傳動和多個運(yùn)動分支的運(yùn)動傳遞。

本文的下煙裝置設(shè)計(jì)采用如圖3所示的行星輪結(jié)構(gòu)。在香煙包裝機(jī)械的下煙裝置中，行星輪既要圍繞固定軸線做公轉(zhuǎn)，又要圍繞自身軸線做自傳，同時還要在與中間輪嚙合的過程中完成煙支的傳送。為此，本文采用了比較常見的內(nèi)嚙合-共用齒輪-外嚙合（NGW）的行星輪結(jié)構(gòu)形式。

內(nèi)嚙合-共用齒輪-外嚙合（NGW）的行星輪結(jié)構(gòu)具有制造工藝簡單、安裝操作方便、體積緊湊小巧和工作效率較高等特點(diǎn)，符合下煙裝置的基本需求。本文根據(jù)該結(jié)構(gòu)的傳動效果來分析和設(shè)計(jì)下煙裝置中的行星輪結(jié)構(gòu)。標(biāo)號為“Z1”的齒輪處于中間位置，即中間輪；標(biāo)號為“Z2”的齒輪即行星輪；標(biāo)號為“Z3”的部件是內(nèi)齒圈部件。要保證行星輪的正常運(yùn)動，所述機(jī)構(gòu)應(yīng)該滿足以下3個條件。

第一，各嚙合齒輪彼此間具有相同的中心距，即符合公式（1）的情況。

Z3=Z1+2Z2（1）

第二，各嚙合齒輪要符合彼此間的裝配條件，即符合公式（2）的情況。

式中：C為行星輪的數(shù)量；N為整數(shù)。

第三，各個行星輪間不能近鄰或發(fā)生碰撞，因此二者間至少要留有模數(shù)0.5倍以上的距離，即行星輪齒頂圓半徑疊加在一起不能大于二者的中心距。

還需要合理確定行星輪的輪齒數(shù)目。在下煙裝置中，由于行星輪需要向中間輪傳遞煙支，該傳遞必須均勻放置在煙模盒中，因此需要確保Z1的數(shù)量為Z2的整數(shù)倍?？紤]結(jié)構(gòu)安裝問題，整個行星輪結(jié)構(gòu)既不能太大，也不能太小，最終設(shè)定Z1的數(shù)量為Z2的4倍。在煙支傳送的過程中還需要充分考慮傳送速度的影響，如果速度過高，將會導(dǎo)致離心力過大，從而削弱空氣孔的吸附力，進(jìn)而導(dǎo)致煙支脫落。從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來說，減少行星輪直徑是可行的方案。綜合分析上述情況，確定Z2的齒輪數(shù)量為19，Z1的齒輪數(shù)量為76，Z3的齒輪數(shù)量為114。

3下煙裝置仿真裝配與動力學(xué)分析

運(yùn)動學(xué)分析是排除質(zhì)量和力的因素、全面分析裝配模型運(yùn)動情況的重要分析手段。在Pro/E中運(yùn)動學(xué)分析需要通過Analysis模塊進(jìn)行設(shè)置，該模塊可以檢測運(yùn)動干涉、位置、速度和加速度等參數(shù)，并對裝配模型執(zhí)行全局碰撞檢測，即檢測所有零件在運(yùn)動過程中是否會發(fā)生干涉。

進(jìn)行干涉分析后，需要在伺服電機(jī)設(shè)置模塊中的“圖形”控件中進(jìn)一步分析行星輪裝配模型的位置和速度關(guān)系。中間輪的位置和速度曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，斜線代表位置曲線，水平直線代表速度曲線，表明中間輪在做勻速轉(zhuǎn)動。相應(yīng)的位置曲線斜率固定，也反映了勻速轉(zhuǎn)動的一般情況。

根據(jù)中間輪的情況，進(jìn)一步推導(dǎo)行星輪的速度情況，可知行星輪的下煙速度是1440°/s，即中間輪轉(zhuǎn)動1周，行星輪轉(zhuǎn)動4. 167周。

進(jìn)一步給出施加載荷后中間輪的加速度曲線，如圖5所示。

4結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)下煙裝置剛性過大的問題，提出柔性下煙的設(shè)想并完成了相應(yīng)的下煙裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)的核心思想是采用“行星輪系”來完成柔性下煙，并在煙支傳輸過程中配合負(fù)壓風(fēng)吸操作，以減少煙支傳輸過程中所受的剛性沖擊力。在下煙裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，本文分別對行星輪、中間輪、底部輪和煙模盒進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)、裝配和運(yùn)動學(xué)性能分析等，給出了行星輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、Pro/E三維仿真裝配。最后對設(shè)計(jì)出的下煙裝置進(jìn)行了動力學(xué)分析，并得到了平穩(wěn)的曲線結(jié)果。

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通信作者：韓靜蕓（1988-），女，北京人，碩士研究生，助理研究員，研究方向?yàn)榘b工程、包裝機(jī)械和包裝結(jié)構(gòu)。

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