弧面分度凸輪機構在YB47型硬盒包裝機包裝輪中的應用

胡國勝，戎磊杰

上海煙草機械有限責任公司，上海市浦東新區金橋出口加工區金港路1041號201206

由于卷煙包裝機的大部分包裝輪為間歇運動，高速包裝輪的運動會對機器本身造成沖擊。文獻[1]表明，在包裝輪包裝過程中由于沖擊有時會產生鋁箔紙破損或鋁箔紙缺失現象。國產機中YB25型軟盒和YB45型硬盒包裝機中包裝輪大都采用槽輪機構[2-3]，由于槽輪機構對機器造成的沖擊較大，高精度凸輪機構逐漸在包裝機中得到應用[4]，其中弧面分度凸輪機構就是應用較多的高精度分度凸輪機構之一。在G.D公司的高速機X6和超高速機X3000中，已采用高精度的分度凸輪機構來代替槽輪機構。YB47型硬盒包裝機作為國產高速機，對分度機構的精度要求較高，為此將高精度分度凸輪機構應用于YB47型包裝機3號輪間歇運動的驅動機構中，通過對槽輪機構和弧面分度凸輪機構的運動規律研究，利用相位分析和角加速計算分析兩種機構對機器造成的沖擊影響，旨在分析不同分度機構對機器本身造成的沖擊和自身振動對煙包包裝質量造成的影響，為高精度分度凸輪機構在國產卷煙包裝機中的應用提供參考。

1 弧面分度凸輪機構的工作原理

所謂弧面分度凸輪機構[5]是由輸入軸上的弧面凸輪與輸出軸分度輪上的滾動軸承無間隙垂直嚙合，推動分度輪作分度運動與定位，從而將連續的回轉運動變為間歇運動輸出的新型傳動機構。其特點是輸入軸與輸出軸呈空間垂直相交，通過輸出軸垂直安裝使用。滾子軸線沿分度輪徑向均勻分布，稱為徑向滾子式分度凸輪機構;滾子軸線沿分度輪軸向均勻分布，稱為軸向滾子式分度凸輪機構，又稱圓柱凸輪分度機構。

該分度凸輪機構不需要其他裝置即能準確定位，分度精度高，具有高速性能好、運轉平穩、傳遞扭矩大、定位時自鎖、結構緊湊、體積小，噪聲低、壽命長等優點，凸輪輪廓可按工作要求所需的運動規律設計，動力學性能良好，適用于高速間歇分度轉位，輸出、輸入軸垂直交錯。凸輪的分度部分輪廓有左旋、右旋和單頭、多頭之分[6]，轉盤和凸輪轉動方向間的關系可按相當于蝸輪和蝸桿傳動的方向求得。假設Z為滾子數，則單頭弧面凸輪機構中，凸輪每轉一圈，轉盤轉過2π/Z弧度;雙頭弧面凸輪機構中，凸輪每轉一圈，轉盤轉過4π/Z弧度。

單頭弧面凸輪機構見圖1。弧面分度凸輪6繞輸入軸1沿圖示方向連續旋轉，安裝在分度盤4上的滾子3與凸輪嚙合，使與分度盤鋼連的工作臺繞輸出軸2順時針(由上向下看)方向轉動。凸輪6的A位置為滾子3進入凸輪，分度盤轉位開始的位置;凸輪6的B位置為分度盤轉位前期中的某一位置，由凸輪的一條左側輪廓推動滾子3，使分度盤順時針(由上向下看)方向轉動;凸輪6的C位置為分度盤轉位后期中的某一位置，滾子3即將進入凸輪的平行輪廓;凸輪6的D位置為分度盤停歇位置，在此位置分度盤上的滾子3和5跨夾在凸輪的圓環形突脊左、右兩側定位;凸輪6的E位置為分度盤轉位的終結位置，也是下一個轉位的開始位置，此時分度盤的滾子3將脫離嚙合，滾子5開始進入凸輪，新的轉位嚙合循環過程開始。

圖1 弧面分度凸輪工作原理示意圖

2 弧面分度凸輪機構在YB47型硬盒包裝機3號包裝輪中的應用

2.1 系統結構

以3號包裝輪為例，介紹弧面分度凸輪機構在YB47型硬盒包裝機中的應用情況。3號輪的運動規律為:機器以550 r/min的速度連續運轉，由上向下看3號輪做順時針間歇轉動，弧面分度凸輪機構相關設計參數見表1。3號輪作為轉盤共8個工位，機器轉動一周，3號輪轉過一個工位，凸輪旋轉一周分度期θf=π，間歇期θd=2ππ=π，根據3號輪的旋向、驅動軸的位置及運動規律，凸輪確定為單頭左旋的圓柱凸輪。

采用弧面凸輪機構傳動的3號包裝輪主要由分度凸輪8、滾珠軸承組7、分度盤6、擋板軸3、轉塔2及模盒1等組成，見圖2[7]。分度盤6在圓周上均布著8個滾珠軸承組7，每個軸承組包含2個滾輪，分度盤6用螺栓固定在擋板軸3上;成對錐軸承5安裝于支架輪轂4內部基準面，并對擋板軸進行支撐和定位，使擋板軸空套在支架輪轂內部，并由鎖緊螺母鎖緊;模盒1安裝在轉塔2上，用螺栓將轉塔2固定在擋板軸3上，松開螺栓可調整轉塔2的位置，從而保證模盒的位置。

表1 弧面分度凸輪機構主要設計參數

圖2 采用弧面凸輪機構傳動的3號包裝輪結構示意圖

工作原理:從后往前看，曲柄10逆時針旋轉，帶動軸9旋轉，進而使分度凸輪8逆時針旋轉，分度凸輪工作面與滾珠軸承組7表面嚙合，帶動分度盤6作順時針(由上向下看)間歇轉動，然后在擋板軸3的作用下，3號包裝輪轉塔2也作順時針間歇轉動，從而帶動3號包裝輪模盒1順時針間歇轉動。在YB47型硬盒包裝機中，由于3號輪的凸輪采用的是圓柱凸輪，滾子軸線沿分度輪軸向均勻分布，因此其為圓柱凸輪分度機構。

2.2 數據分析

YB47型包裝機3號輪部件中分度凸輪轉動一周，從動件分度轉盤的相位分時圖見圖3。3號包裝輪在分度凸輪的作用下，從162.75°(180°-17.25°)開始停歇，此時3號包裝輪轉至45°位置，分度凸輪再轉過180°后，3號包裝輪再次旋轉，凸輪再轉過90°后，凸輪在432.75°(或72.75°)時，3號包裝輪轉到22.5°，再轉過90°后，凸輪在522.75°(或162.75°)再次開始停歇，完成一個循環過程。

由于分度凸輪是以恒定角速度轉動，因此角位移φ0=ω0t(ω0為常數)。根據圖3中分度凸輪與分度轉盤的角位移關系，分度轉盤的角位移與時間的關系是一條恒定斜率直線，即分度轉盤的角位移φ=wt=Ct，C為常數，故分度轉盤在轉動階段以恒定速度ω=C轉動，也就是說分度轉盤在轉動階段加速度ε為0，對機器幾乎無沖擊。

YB45型包裝機中3號輪是八工位槽輪分度機構，額定包裝速度為400包/min，運動規律見表2[5，8]。根據表2中從動件槽輪的角速度和角加速度的公式可知，ω2和ε2均是時間t的函數，由槽輪角加速度最大時的位置角公式計算可得=arccos 0.8547=31.27°，將該數值代入槽輪角加速度公式計算可得:ε2=0.1709/0.2379×=0.7184×=1260.5。通過對比，槽輪機構的角加速度ε2遠遠大于圓柱凸輪分度機構的角加速度ε，可見使用圓柱分度凸輪機構的3號輪對減少機器的沖擊還是相當理想的。

2.3 注意事項

圖3 YB47型包裝機3號輪分度凸輪相位圖

表2 槽輪分度機構關鍵尺寸和主要運動參數

實際應用中應注意，該弧面分度凸輪機構的分度精度由機構中組成零件的加工精度決定，高精度數控機床的加工精度完全能滿足分度精度的需要，裝配完成后即完成了機構的精確定位，軸承組與凸輪的間隙不需再調整。影響分度機構精度的關鍵零件為3號輪箱體、支架輪轂、擋板軸和轉塔，4個零件相互配合的基準面精度決定了分度機構的分度精度。支架輪轂內部基準面定位成對錐軸承，進而定位擋板軸，擋板軸下面基準面定位轉塔，先將分度盤、滾珠軸承組、擋板軸、成對錐軸承、支架輪轂及轉塔都裝配在一起，以支架輪轂最下面臺階的上基準面為基準安裝在3號輪箱體的下基準面上，裝配完成后無需調整即完成機構的精確定位。為進一步簡化裝配過程，各關鍵零件的裝配可用專用工裝保證零件的相互位置關系。圓柱凸輪的剛度和表面硬度較高，裝配時保證凸輪與軸承組配合活絡，保持軸承組與凸輪的持續潤滑。

3 使用效果

利用弧面分度凸輪機構在高速運動中的高精度分度功能，應用于YB47型硬盒包裝機的3號輪中，數控機床的加工精度能夠滿足機構的定位精度，使裝配弧面分度凸輪機構步驟簡化，操作方便。采用該機構進行傳動的3號包裝輪定位準確，分度精度高，傳動平穩，且結構緊湊，有效減少了3號輪在高速運動中自身的振動和對機器造成的沖擊。通過對16組YB47型硬盒包裝機的數據采集，與原YB45硬盒包裝機小包鋁箔紙缺陷相比(5～9包/月)，改造后未發現在3號包裝輪包裝過程中產生鋁箔紙破損或鋁箔紙缺失現象，提高了煙包包裝質量。

[1] 潘安岳.YB45包裝機小盒鋁箔紙缺陷檢測裝置的設計應用.煙草在線[EB/OL].[2008-12-8]http://www.tobaccochina.com/machine/technology/news/200812/200812484943_335266.shtml.

[2] 昌志云，張予人.YB25型軟盒包裝機鋁箔紙煙包“2”進“3”運動的改進[J].煙草科技，2010(4):27-29.

[3] 上海煙草機械有限責任公司培訓教材編審委員會.ZB45型硬盒硬條包裝機組培訓教材[G].2005.

[4] 蔣蒙奇.共軛凸輪機構在YB47型硬盒包裝機煙支第二推進器上的應用[J].煙草科技，2009(9):23-24.

[5] 孟憲源.姜琪.機構構型與應用[M].北京:機械工業出版社，2005.

[6] 成大先.機械設計手冊單行本機構[M].北京:化學工業出版社，2004.

[7] 上海煙草機械有限責任公司培訓教材編審委員會.ZB47型硬盒硬條包裝機組培訓教材[G].2008.

[8] 成大先.機械設計手冊(第四版)[M].北京:化學工業出版社，2003.