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衛生紙加工設備之卷筒衛生紙包裝機中凸輪機構的設計

摘要：在研究卷筒衛生紙包裝機的就位裝置和包裝薄膜裝置的基礎上提出了用多個凸輪機構協調動作替代多個伺服電機驅動的傳動方案，利用 SolidWorks 軟件建立了虛擬樣機，進行了運動模擬仿真。通過改進，卷筒衛生紙包裝機的傳動結構降低了生產成本。

　　卷筒衛生紙包裝機是一種代替繁重手工操作的包裝機械，由包裝薄膜輸送裝置、卷筒衛生紙供給裝置、卷筒衛生紙就位裝置（頂起機構和前推機構）、包裝薄膜裝置及薄膜端面熨燙粘合裝置，控制裝置組成。卷筒衛生紙就位裝置和包裝薄膜裝置的蓋聯程度較高，它們的運行都需要伺服電機的驅動。用凸輪機構可以實現就位裝置與包裝薄膜裝置的動力分配和運動控制，這不但能改進卷筒衛生紙的生產工藝，還能降低卷簡衛生紙的生產成本，提高產品的市場競爭力。

1　頂紙和包裝薄膜功能的實現及要求

1.1頂紙功能的實現殛要求

　　卷筒衛生紙包裝機凸輪機構的設計原理如圖1所示。供給裝置將卷筒衛生紙進到正確的水平位置后，頂起機構將其頂至相應的垂直位置。為了給供給裝置、前推機構薄膜包裝及運行裝置留出更多的時司，要求頂起機構頂起后立即返同，同時還不能產生較大的振動，因此凸輪機構必頒具有良好的動力學性能。

1.2包裝薄膜功能的實現殛要求

　　在頂起機構將卷筒衛生紙頂到正確位置的過程巾，包裝薄膜裝置可以將薄膜卷至卷筒衛生紙瞄I周的一半。為了使薄膜緊緊地裹在卷筒衛生紙上，前推機構推動包裝薄膜裝置做水平運動的速度應大于卷筒衛生紙的運動速度。為了實現這一功能，可以在前推機構的推板上增加平帶傳動，這樣推板在水平運動速度的基礎上增加了平帶傳動速度，就保證了前推機構的水平運動速度大于卷筒衛生紙的水平運動速度。

2卷筒衛生紙包裝機凸輪機構的設計

2.1凸輪機構分析與兩凸輪機構的工作時序

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

　　在整個機器運行中要求頂起機構與前推機構中的凸輪動作連貫、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計

　　凸輪輪廓線的加工工藝要求較高，加工過程比較復雜.加工精度不易控制。卷筒衛生紙加工設備的包裝機主要利用的是凸輪機構的沖程動作，而對沖程動作巾運動參數的變化沒有嚴格限制。為了簡化凸輪的加工工藝和數控加工程序，降低生產成本，我們設計了由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生210 mm位移。根據文獻[2]提供的數據，我們先將推程和同程壓力角的許用值分別設為35度和40度．再利用SolidWorks軟件設計出頂包凸輪的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生170 mm位移。根據文獻『2]提供的數據，我們先將推程和同程壓力角的許用值設為35度和40度．再利用SolidWorks軟件設計出推包凸輪的3D模型（圖4）。

2 3卷筒衛生紙包裝機中關鍵機構的設計與分析

2 .3 .1頂包凸輪輪廓線時序及凸輪機構的設計

　　從圖2a可以看m頂包凸輪的遠休止角為100度．它表示頂起卷簡衛生紙的頂桿在最下方停留等待卷簡衛生紙時凸輪轉過的角度：近休止角為0度．它表示將卷筒衛生紙頂到正確位置后立即返回原位（機構的急回特性）。頂包凸輪機構的3D模型如圖5所示。

2 .3 .2推包凸輪輪廓線時序及凸輪機構的設計

　　從圖2b可以看出推包凸輪的遠休止角為20度．它表示推板在最遠處停留時凸輪轉過的角度：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過的角度。推包凸輪機構的3D模型如圖6所示。

2 .3 .3凸輪的周向與軸向定位

　　傳統的通過鍵槽與鍵連接實現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度[3]；第二，對相位差有嚴格要求的凸輪機構對凸輪上鍵槽的位置也有嚴格的精度要求，這需要更高的加工工藝：第一，在這種定位方式下機器的裝配與調試都比較罔難。

　　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。在機構裝配過程中，通過螺絲頂緊光軸就可以實現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

　　傳統的凸輪安裝方法是將凸輪從軸的一端裝到包裝機的凸輪軸上，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，拆裝及調節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。在凸輪設計過程中，我們利用SolidWorks軟件，對凸輪的性能進行了反復測試，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中心重臺。

2.3.5凸輪滾子

　　凸輪滾子是易損部件，需要經常更換。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推板導向結構的設計

　　圖9是包裝機的推板導向結構圖。在包裝機工作過程中，推板在水平方向上按照預定的軌道做往復運動，推板的一側采用直線軸承與滾子軸承相結合的方式組成導向結構，另一側采用同定在箱體上的兩塊可上下調節的工程塑料作為導向結構。

3 結束語

　　在研究凸輪機構的基礎上，我們利用SolidWorks軟件建立了凸輪機構的二維模型，設計了卷筒衛生紙包裝機的數字樣機，對凸輪機構進行了運動仿真。結果表明，用多個凸輪機構的協調動作替代多個伺服電機驅動的傳動方案能有效降低卷筒衛生紙的生產成本，提高產品的市場競爭力。

　　參考文獻：

　　[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 機械設計．

　　[2]成大先機械設計手冊[M]北京：化學工業出版社．

　　[3]寇淑清，張鵬，林寶君，等中空裝配式凸輪軸擴徑聯接強度影響因素分析[Jl內燃機工程．

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