韓雪+王佳琪+魯楠

摘 要：凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有許多優(yōu)點(diǎn)，只需要設(shè)計(jì)出合適的凸輪輪廓線便可用簡(jiǎn)單、緊湊的就夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的首周期性運(yùn)動(dòng)。目前，絕大部分機(jī)械設(shè)備中都會(huì)使用凸輪機(jī)構(gòu)。鑒于凸輪的諸多優(yōu)點(diǎn)，本文提出了凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)模切機(jī)動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)，通過(guò)建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，結(jié)合MATLAB軟件仿真出凸輪的輪廓線，并用Soildworks軟件進(jìn)行凸輪建模仿真，得到了用于模切機(jī)動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的可靠的凸輪機(jī)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：模切機(jī)；動(dòng)平臺(tái)；凸輪機(jī)構(gòu)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.037

模切機(jī)的應(yīng)用大大提高了印后包裝的效率。然而，由于現(xiàn)有模切機(jī)常用的曲軸驅(qū)動(dòng)雙肘桿機(jī)構(gòu)本身具有一定的缺陷，其動(dòng)平臺(tái)的行程無(wú)法進(jìn)一步縮短，模切機(jī)的速度也達(dá)到了一個(gè)瓶頸，不能得到進(jìn)一步的提高。隨著中國(guó)制造2025概念的提出及印后生產(chǎn)效率提高的迫切需要，模切機(jī)與印刷機(jī)、糊盒機(jī)等的連線成為了趨勢(shì)，想要實(shí)現(xiàn)這種連線，必須提高模切機(jī)的生產(chǎn)速度。而凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的模切機(jī)可以大大縮短動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)距離，進(jìn)而大大提高模切機(jī)的生產(chǎn)速度。本文設(shè)計(jì)了一種用于模切機(jī)動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的共軛凸輪機(jī)構(gòu)，打破了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)對(duì)模切機(jī)速度的限制，為提高模切機(jī)的生產(chǎn)速度提供了可能。

1 凸輪驅(qū)動(dòng)模切機(jī)動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有模切機(jī)常用的曲軸驅(qū)動(dòng)雙肘桿機(jī)構(gòu)本身具有一定的缺陷，其動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)起伏和擺動(dòng)都太大，行程無(wú)法進(jìn)一步縮短，模切周期長(zhǎng)，模切速度難以提高。如果改為凸輪驅(qū)動(dòng)雙肘桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模切機(jī)的動(dòng)平臺(tái)，可以大大減小動(dòng)平臺(tái)的起伏和擺動(dòng)幅度，改善動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡，縮小動(dòng)平臺(tái)的行程，從而大大提高模切機(jī)的速度。由于模切機(jī)動(dòng)平臺(tái)的質(zhì)量較大，慣性較大，高速情況下，動(dòng)平臺(tái)下降的過(guò)程若依靠自重會(huì)非常不穩(wěn)定，因此需要用一對(duì)共軛凸輪分別驅(qū)動(dòng)模切機(jī)的雙肘桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)的上升與下降的過(guò)程。

在共軛凸輪驅(qū)動(dòng)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)構(gòu)中，凸輪安裝在凸輪軸上，凸輪軸由電機(jī)帶動(dòng)并安裝在原有的曲柄處，在該共軛系統(tǒng)中兩個(gè)共軛凸輪與其從動(dòng)滾子及相關(guān)結(jié)構(gòu)組成了形封閉的結(jié)構(gòu)，保證了動(dòng)平臺(tái)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

相對(duì)于傳統(tǒng)的彈簧等形式的力鎖合機(jī)構(gòu)，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，共軛凸輪機(jī)構(gòu)在不對(duì)模切機(jī)的動(dòng)平臺(tái)施加額外載荷的情況下，可以保證從同滾子時(shí)刻貼在凸輪上，使動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠。這種機(jī)構(gòu)在滿(mǎn)足動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)要求的同時(shí)，消除了機(jī)構(gòu)的額外負(fù)載，提高了動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

2 共軛凸輪機(jī)構(gòu)中主凸輪的設(shè)計(jì)

該共軛凸輪機(jī)構(gòu)中的雙肘做往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因此，可以使用滾子擺動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)。并采用三共軛凸輪組成形封閉結(jié)構(gòu)，保證凸輪在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，從同滾子時(shí)刻貼在凸輪上，使動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠。

2.1 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇

凸輪的從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如果不合適，或者凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律存在速度、加速度的突然變化，一些在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)不明顯的剛性沖擊或柔性沖擊在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)的影響就不可忽視了。在不同的工況下，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律。凸輪從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)，其慣性力正比于，而驅(qū)模切機(jī)的共軛凸輪屬于高速重載凸輪，因此，在選擇該凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，越小越好。一般情況下，最大速度不會(huì)與最大加速度出現(xiàn)在同一時(shí)間。綜合上述情況考慮，凸輪從動(dòng)件的推程運(yùn)動(dòng)曲線優(yōu)先選擇改進(jìn)的正選加速度曲線，凸輪從動(dòng)件的回程運(yùn)動(dòng)曲線可以選擇正弦加速度曲線。

由于模切機(jī)的膜切原理是將模切刀版安裝在動(dòng)平臺(tái)的下平面上，動(dòng)平臺(tái)做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)平臺(tái)從最低點(diǎn)上升至最高點(diǎn)與刀版合壓，然后從最高點(diǎn)下降到最低點(diǎn)完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)，由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)模切機(jī)的動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中沒(méi)有停止的時(shí)刻，根據(jù)上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)共軛凸輪時(shí)，可以?xún)?yōu)先考慮動(dòng)平臺(tái)的位置，然后再考慮動(dòng)平臺(tái)的升程和回程的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2.2 凸輪基圓半徑的確定

對(duì)于凸輪機(jī)構(gòu)，在一般情況下，凸輪的輪廓上各個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力角是不一樣的。凸輪機(jī)構(gòu)的傳遞效率、改善機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況、改善各部件的使用壽命，設(shè)計(jì)凸輪時(shí)必須保證為保證壓力角最大值。

影響凸輪與滾子之間壓力角的因素主要有凸輪基圓半徑、從動(dòng)滾子的直徑和從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定這些參數(shù)之后，便可得到壓力角的范圍并進(jìn)行驗(yàn)證。

通過(guò)MATLAB編程軟件可以得到兩個(gè)凸輪的壓力角在給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律下的變化范圍，并可驗(yàn)證出設(shè)計(jì)中凸輪的最大壓力角在許用范圍之內(nèi)。

3 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種用于平壓平模切機(jī)動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的新型共軛凸輪機(jī)構(gòu)，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)模切機(jī)的曲柄雙肘機(jī)構(gòu)，使模切機(jī)的模切速度得到大幅提高。本文對(duì)該共軛凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特性分析；和設(shè)計(jì)計(jì)算。首先確定凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對(duì)凸輪曲率半徑、壓力角等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，最后通過(guò)MATLAB對(duì)凸輪輪廓線進(jìn)行仿真計(jì)算，得到共軛凸輪的輪廓線，為相關(guān)的設(shè)計(jì)提供了思路和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]耿武帥.全自動(dòng)模切機(jī)新型模切機(jī)構(gòu)分析與研究[D].北京：北京印刷學(xué)院，2012.

[2]郭涵.數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的研究及在模切機(jī)上的應(yīng)用[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[3]劉蘇建.淺談模切技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)[J].科技資訊，2013（35）：68-72.

[4]余俊.全自動(dòng)平壓平模切機(jī)模切機(jī)構(gòu)特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[5]耿武帥，齊元?jiǎng)?，王曉華.平壓平模切機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及理論分析[J].包裝工程，2011.

基金項(xiàng)目：科技創(chuàng)新服務(wù)能力建設(shè)-提升計(jì)劃項(xiàng)目-折疊紙盒的可變信息編碼與質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化（市級(jí)） 編號(hào)：TJSHG201510015011。endprint