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衛(wèi)生紙加工設(shè)備之卷筒衛(wèi)生紙包裝機(jī)中凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計

摘要：在研究卷筒衛(wèi)生紙包裝機(jī)的就位裝置和包裝薄膜裝置的基礎(chǔ)上提出了用多個凸輪機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動作替代多個伺服電機(jī)驅(qū)動的傳動方案，利用 SolidWorks 軟件建立了虛擬樣機(jī)，進(jìn)行了運動模擬仿真。通過改進(jìn)，卷筒衛(wèi)生紙包裝機(jī)的傳動結(jié)構(gòu)降低了生產(chǎn)成本。

　　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蓋聯(lián)程度較高，它們的運行都需要伺服電機(jī)的驅(qū)動。用凸輪機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)就位裝置與包裝薄膜裝置的動力分配和運動控制，這不但能改進(jìn)卷筒衛(wèi)生紙的生產(chǎn)工藝，還能降低卷簡衛(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現(xiàn)及要求

1.1頂紙功能的實現(xiàn)殛要求

　　卷筒衛(wèi)生紙包裝機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計原理如圖1所示。供給裝置將卷筒衛(wèi)生紙進(jìn)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)薄膜包裝及運行裝置留出更多的時司，要求頂起機(jī)構(gòu)頂起后立即返同，同時還不能產(chǎn)生較大的振動，因此凸輪機(jī)構(gòu)必頒具有良好的動力學(xué)性能。

1.2包裝薄膜功能的實現(xiàn)殛要求

　　在頂起機(jī)構(gòu)將卷筒衛(wèi)生紙頂?shù)秸_位置的過程巾，包裝薄膜裝置可以將薄膜卷至卷筒衛(wèi)生紙瞄I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)推動包裝薄膜裝置做水平運動的速度應(yīng)大于卷筒衛(wèi)生紙的運動速度。為了實現(xiàn)這一功能，可以在前推機(jī)構(gòu)的推板上增加平帶傳動，這樣推板在水平運動速度的基礎(chǔ)上增加了平帶傳動速度，就保證了前推機(jī)構(gòu)的水平運動速度大于卷筒衛(wèi)生紙的水平運動速度。

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

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

　　頂起機(jī)構(gòu)與前推機(jī)構(gòu)都是采用淘槽凸輪與滾子配臺的凸輪機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點是封閉性好，可靠性高，能保證從動件完成預(yù)期的動作，能避免封閉凸輪機(jī)構(gòu)的從動件脫離凸輪輪廓線而導(dǎo)致從動件不能完成預(yù)期運動的后果。

　　在整個機(jī)器運行中要求頂起機(jī)構(gòu)與前推機(jī)構(gòu)中的凸輪動作連貫、緊湊。兩個凸輪的工作時序如圖2所示．

2.2兩凸輪輪廓線的設(shè)計

　　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)生紙加工設(shè)備的包裝機(jī)主要利用的是凸輪機(jī)構(gòu)的沖程動作，而對沖程動作巾運動參數(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。

　　擺桿的運動可將頂包凸輪上的基吲與最大嘲的半徑差放大3倍，頂包凸輪從動件在垂直方向上發(fā)生210 mm位移。根據(jù)文獻(xiàn)[2]提供的數(shù)據(jù)，我們先將推程和同程壓力角的許用值分別設(shè)為35度和40度．再利用SolidWorks軟件設(shè)計出頂包凸輪的3D模型圖３擺桿的運動可將推包凸輪上的基匣I與蛀大瞬I的半徑差放大3.4倍，推包凸輪從動件在垂直方向發(fā)生170 mm位移。根據(jù)文獻(xiàn)『2]提供的數(shù)據(jù)，我們先將推程和同程壓力角的許用值設(shè)為35度和40度．再利用SolidWorks軟件設(shè)計出推包凸輪的3D模型（圖4）。

2 3卷筒衛(wèi)生紙包裝機(jī)中關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計與分析

2 .3 .1頂包凸輪輪廓線時序及凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計

　　從圖2a可以看m頂包凸輪的遠(yuǎn)休止角為100度．它表示頂起卷簡衛(wèi)生紙的頂桿在最下方停留等待卷簡衛(wèi)生紙時凸輪轉(zhuǎn)過的角度：近休止角為0度．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。

2 .3 .2推包凸輪輪廓線時序及凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計

　　從圖2b可以看出推包凸輪的遠(yuǎn)休止角為20度．它表示推板在最遠(yuǎn)處停留時凸輪轉(zhuǎn)過的角度：推包凸輪的近休止角30度205度-175度)．它表示推板停止等待時凸輪轉(zhuǎn)過的角度。推包凸輪機(jī)構(gòu)的3D模型如圖6所示。

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現(xiàn)周向定位的方式存在一些弊端第一，這種連接方式會降低凸輪軸的強(qiáng)度[3]；第二，對相位差有嚴(yán)格要求的凸輪機(jī)構(gòu)對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：第一，在這種定位方式下機(jī)器的裝配與調(diào)試都比較罔難。

　　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現(xiàn)凸輪的周向定位與軸向定位。

2.3.4凸輪的切割、打孔及運動平衡

　　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，維修或更換個別凸輪時，需要拆掉其他凸輪軸部件。如果采用圈8所示方法，將凸輪切割成兩半，安裝時用螺挫擰緊，這樣，在維修或更換凸輪時，拆裝及調(diào)節(jié)兩凸輪的相位差都是很方便的。

　　為了保證凸輪在運動時保持平衡，需要在凸輪凸起的位置打孔。在凸輪設(shè)計過程中，我們利用SolidWorks軟件，對凸輪的性能進(jìn)行了反復(fù)測試，不斷修改孔的位置和大小，以使凸輪的重心辟可能與凸輪的旋轉(zhuǎn)中心重臺。

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

　　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)運動，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)采用同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)。

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)的二維模型，設(shè)計了卷筒衛(wèi)生紙包裝機(jī)的數(shù)字樣機(jī)，對凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運動仿真。結(jié)果表明，用多個凸輪機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)動作替代多個伺服電機(jī)驅(qū)動的傳動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。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]葛榮雨，米政，高常青雙停留擺動弧面凸輪廓面建模與分析 機(jī)械設(shè)計．

　　[2]成大先機(jī)械設(shè)計手冊[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社．

　　[3]寇淑清，張鵬，林寶君，等中空裝配式凸輪軸擴(kuò)徑聯(lián)接強(qiáng)度影響因素分析[Jl內(nèi)燃機(jī)工程．

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