雙層滾子圓柱分度凸輪在平壓模切機中的應用分析

梁金生，暢博倫，林 希

（1.陜西科技大學，陜西 西安 710021；2.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 咸陽 712000）

引言

隨模切機屬于典型的印后設備，在包裝印刷行業(yè)中應用廣泛[1]。我國模切機的技術水平與國外相比仍存在較大差距，提高我國模切機的技術水平已成為亟待解決的問題。從目前國內外包裝行業(yè)來看，平壓模切機的應用最為廣泛。國產(chǎn)平壓模切機在高速工作時，模切精度大幅度下降，并伴有大量噪聲，機器磨損非常嚴重[2]。為解決以上問題，使此類機器向高速、高精度、高穩(wěn)定性的方向發(fā)展，分度凸輪機構已開始將其用于包裝機械。但平行分度凸輪分度數(shù)小；而弧面分度凸輪機構裝配精度要求高、成本高；普通圓柱分度凸輪機構雖然成本低，且可以實現(xiàn)大的分度數(shù)，但是工作時會出現(xiàn)橫越?jīng)_擊，而產(chǎn)生的較大的沖擊、振動，使其無法滿足高速運動的要求。

1 雙層滾子圓柱凸輪機構的設計原理

1.1 橫越?jīng)_擊

凸輪從動件在加速度反向的瞬間，其加速度為零，從動件的工作速度達到最大，此時從動件靠慣性以此速度運動，這使得從動件滾子離開接觸的凸輪廓面，飛越輪槽間隙，與輪槽另一側廓面發(fā)生碰撞，產(chǎn)生橫越?jīng)_擊[3]。橫越?jīng)_擊會引起沖擊振動，從而造成動載荷加大、工作平穩(wěn)性和運動精度變差等問題，這也是造成圓柱分度凸輪機構極限轉速低、運動精度差的主要原因，因此有必要研究消除橫越?jīng)_擊的辦法[4，5]。

1.2 雙層滾子尺寸的圓柱凸輪機構

前面提到，形成橫越?jīng)_擊的主要原因是在滾子與凸輪兩側廓面不能同時接觸，以避免過度磨損。為保證在正常工作情況下，圓柱分度凸輪機構的滾子始終與驅動廓面保持接觸，以達到消除橫越?jīng)_擊的目的，本研究提出一種具有冗余結構的圓柱分度凸輪機構，即雙層滾子圓柱分度凸輪機構。在這種引入冗余結構的圓柱分度凸輪機構中，雙層滾子圓柱分度凸輪的輪槽有內外兩層，從動盤銷軸上相應有內外兩層滾子，兩層滾子分別與凸輪兩層輪廓的異側廓面接觸并壓緊，形成冗余接觸。這種冗余凸輪機構的內層滾子被對應輪槽廓面推動，實現(xiàn)從動盤轉動，起驅動作用。外層滾子相當于彈簧，通過滾子的接觸變形和銷軸的彎曲變形，通過冗余接觸，保證驅動滾子與輪槽的一側廓面始終保持壓緊，不會出現(xiàn)分離現(xiàn)象，即在理論上能避免橫越?jīng)_擊，保證凸輪機構的運動平穩(wěn)性。

2 圓柱分度凸輪機構運動特性實驗及數(shù)據(jù)分析

2.1 機構運動特性實驗

由于前面提到的原因，圓柱凸輪機構工作轉速不能過高，通常不超過600 r/min，為驗證雙層滾子圓柱分度凸輪在高速運動下對沖擊的減小和從動件分度盤運動平穩(wěn)性的提高，實驗選擇在同樣的工作條件下，將凸輪分別按照400 r/min、600 r/min和800 r/min 的轉速運動，通過固定在軸端的編碼器測定輸出軸角位移，并依次對兩種分度凸輪機構輸出的角位移數(shù)據(jù)進行采集并濾波、分析雙層滾子圓柱凸輪機構在高速運動時對分度盤工作平穩(wěn)性的影響情況。圓柱分度凸輪機構的從動盤采用分度機構中常用的修正正弦運動規(guī)律，機構的主要運動參數(shù)為：分度數(shù)為12，分度盤轉位角30°，凸輪的分度角270°。

2.2 圓柱分度凸輪機構運動特性實驗分析

將普通圓柱分度凸輪機構作為分度裝置，通過實驗用編碼器采集從動盤軸的角位移數(shù)據(jù)并經(jīng)過濾波后導出，用Origin繪制從動盤角位移線圖，并對時間求一階導和二階導，繪制出普通圓柱分度凸輪機構從動盤的角速度和角加速度線圖。不同工作速度時的從動盤運動線圖見圖1。

從圖1 可以看出：（1） 在從動盤加速度由正變?yōu)樨摰姆刺査查g，凸輪機構分度盤角速度線圖上存在明顯突變，即出現(xiàn)橫越?jīng)_擊，會導致機器運動時產(chǎn)生很大的沖擊、振動和噪聲，這嚴重影響了機構的運動平穩(wěn)性和工作精度。（2） 圓柱分度凸輪機構在400 r/min 工作時，由橫越?jīng)_擊引起的加速度變化甚至超過了整個加速度的變化幅值，這表明橫越?jīng)_擊引起的動載荷是影響機構運動平穩(wěn)性的主要因素。（3） 圓柱分度凸輪機構在800 r/min 工作時，分度盤的加速度曲線波動更為劇烈，加之橫越?jīng)_擊的影響，使得圓柱分度凸輪機構不適合在很高的轉速場合下工作。

圖1 圓柱分度凸輪機構分度盤運動線圖

2.3 雙層滾子圓柱分度凸輪機構分度盤運動特性實驗分析

將前面實驗中的普通圓柱分度凸輪機構更換為雙層滾子圓柱分度凸輪機構，重復進行上述實驗及數(shù)據(jù)處理過程，繪制出不同工作轉速下，雙層滾子圓柱分度凸輪機構分度盤的運動線圖，見圖2。

從圖2 可以看出：（1） 在從動盤加速度由正變?yōu)樨摰姆刺査查g，凸輪機構從動盤的角速度沒有明顯突變，從而保證從動盤的角加速度曲線沒有劇烈突變，即這種雙層滾子圓柱分度凸輪機構消除了橫越?jīng)_擊，減小了機構工作中的沖擊和振動。（2） 與圖1 相比，圖2 的分度盤角加速度曲線局部波動小，相對平滑，這充分表明了這種具有冗余結構的雙層滾子圓柱分度凸輪機構能提高機構在高速場合下的運動平穩(wěn)性和傳動精度。

2.4 分度盤加速度突變情況數(shù)據(jù)分析分析

為準確分析雙層滾子這種冗余結構對圓柱分度凸輪機構分度盤運動平穩(wěn)性的改善，則還需要將不同實驗條件下采集到的數(shù)據(jù)跟理論計算值進行對比分析。根據(jù)機構工作參數(shù)，得到理論上凸輪機構分度盤的最大角加速度的數(shù)值，作為標準參數(shù)進行。

對圖1 進行觀察，動盤運動圖線形態(tài)符合修正正弦運動規(guī)律的形態(tài)，角加速度線圖中的突變情況既能直觀反映出運動速度的變化，又能有效的反映出慣性力的變化情況。

相對于理論上加速度曲線光滑連續(xù)，由于加工誤差、安裝誤差，以及彈性變形的影響，造成真實工作狀態(tài)下的運動曲線并不如理論曲線般光滑，為了分析運動平穩(wěn)性的問題，就需要研究角加速度的突變情況。分度凸輪機構從動盤角加速度變大的上升階段時下降部分的角加速度變化和下降階段時角加速度上升部分的角加速度變化作為從動盤角加速度突變量進行研究和分析。

通過觀察圖1、圖2，對比并尋找最大差值的分度盤角加速度突變段，通過軟件顯示并計算兩端點坐標數(shù)據(jù)的差，作為分度盤運動過程中的角加速度突變的最大值，將雙層滾子圓柱分度凸輪機構運動試驗中的最大角加速度突變值，分別與普通圓柱分度凸輪機構從動盤的理論角加速度總變化量、實驗中得到的普通圓柱分度凸輪機構從動盤的角加速度突變的最大值進行比較，了解不同情況下角加速度變化情況對比情況，作為判斷冗余機構引入對沖擊振動的減小及運動平穩(wěn)性提高的依據(jù)。

圖2 雙層滾子圓柱分度凸輪機構從動盤運動線圖

將得到的數(shù)據(jù)列表，見表1。

表1 分度盤角加速度突變情況對比

從表1 可以看出：

（1） 普通圓柱分度凸輪機構分度盤角加速度突變值很大，其值為角加速度理論總幅值的135%，這表明了橫越?jīng)_擊對圓柱分度凸輪機構的運動平穩(wěn)性產(chǎn)生了巨大的影響。

（2） 雙層滾子圓柱分度凸輪機構從動盤角加速度最大突變值最大不超過橫越?jīng)_擊引起的角加速度突變值的13.01%，表明這種具有冗余結構的圓柱分度凸輪機構能極大提高運動平穩(wěn)性。

（3）雙層滾子圓柱分度凸輪機構即使在800 r/min時的從動盤角加速度突變值僅為普通圓柱分度凸輪機構在400 r/min 時從動盤實際角加速度突變值的38.38%，這足以證明，雙層滾子圓柱分度凸輪機構在高速工作時有更加良好的運動特性。

3 結論

針對平壓模切機中間歇運動機構不能很好地適應高速、平穩(wěn)運動的問題，提出了一種基于冗余結構的雙層滾子圓柱分度凸輪機構，該機構利用兩層滾子分別與圓柱凸輪輪廓的異側廓面壓緊，從而能避免橫越?jīng)_擊出現(xiàn)，通過實驗及數(shù)據(jù)對比分析可以看出，該機構可以在更高的速度下保持良好的運動特性。