弧面分度凸轮机构在YB47型硬盒包装机包装轮中的应用

胡国胜，戎磊杰

上海烟草机械有限责任公司，上海市浦东新区金桥出口加工区金港路1041号201206

由于卷烟包装机的大部分包装轮为间歇运动，高速包装轮的运动会对机器本身造成冲击。文献[1]表明，在包装轮包装过程中由于冲击有时会产生铝箔纸破损或铝箔纸缺失现象。国产机中YB25型软盒和YB45型硬盒包装机中包装轮大都采用槽轮机构[2-3]，由于槽轮机构对机器造成的冲击较大，高精度凸轮机构逐渐在包装机中得到应用[4]，其中弧面分度凸轮机构就是应用较多的高精度分度凸轮机构之一。在G.D公司的高速机X6和超高速机X3000中，已采用高精度的分度凸轮机构来代替槽轮机构。YB47型硬盒包装机作为国产高速机，对分度机构的精度要求较高，为此将高精度分度凸轮机构应用于YB47型包装机3号轮间歇运动的驱动机构中，通过对槽轮机构和弧面分度凸轮机构的运动规律研究，利用相位分析和角加速计算分析两种机构对机器造成的冲击影响，旨在分析不同分度机构对机器本身造成的冲击和自身振动对烟包包装质量造成的影响，为高精度分度凸轮机构在国产卷烟包装机中的应用提供参考。

1 弧面分度凸轮机构的工作原理

所谓弧面分度凸轮机构[5]是由输入轴上的弧面凸轮与输出轴分度轮上的滚动轴承无间隙垂直啮合，推动分度轮作分度运动与定位，从而将连续的回转运动变为间歇运动输出的新型传动机构。其特点是输入轴与输出轴呈空间垂直相交，通过输出轴垂直安装使用。滚子轴线沿分度轮径向均匀分布，称为径向滚子式分度凸轮机构;滚子轴线沿分度轮轴向均匀分布，称为轴向滚子式分度凸轮机构，又称圆柱凸轮分度机构。

该分度凸轮机构不需要其他装置即能准确定位，分度精度高，具有高速性能好、运转平稳、传递扭矩大、定位时自锁、结构紧凑、体积小，噪声低、寿命长等优点，凸轮轮廓可按工作要求所需的运动规律设计，动力学性能良好，适用于高速间歇分度转位，输出、输入轴垂直交错。凸轮的分度部分轮廓有左旋、右旋和单头、多头之分[6]，转盘和凸轮转动方向间的关系可按相当于蜗轮和蜗杆传动的方向求得。假设Z为滚子数，则单头弧面凸轮机构中，凸轮每转一圈，转盘转过2π/Z弧度;双头弧面凸轮机构中，凸轮每转一圈，转盘转过4π/Z弧度。

单头弧面凸轮机构见图1。弧面分度凸轮6绕输入轴1沿图示方向连续旋转，安装在分度盘4上的滚子3与凸轮啮合，使与分度盘钢连的工作台绕输出轴2顺时针(由上向下看)方向转动。凸轮6的A位置为滚子3进入凸轮，分度盘转位开始的位置;凸轮6的B位置为分度盘转位前期中的某一位置，由凸轮的一条左侧轮廓推动滚子3，使分度盘顺时针(由上向下看)方向转动;凸轮6的C位置为分度盘转位后期中的某一位置，滚子3即将进入凸轮的平行轮廓;凸轮6的D位置为分度盘停歇位置，在此位置分度盘上的滚子3和5跨夹在凸轮的圆环形突脊左、右两侧定位;凸轮6的E位置为分度盘转位的终结位置，也是下一个转位的开始位置，此时分度盘的滚子3将脱离啮合，滚子5开始进入凸轮，新的转位啮合循环过程开始。

图1 弧面分度凸轮工作原理示意图

2 弧面分度凸轮机构在YB47型硬盒包装机3号包装轮中的应用

2.1 系统结构

以3号包装轮为例，介绍弧面分度凸轮机构在YB47型硬盒包装机中的应用情况。3号轮的运动规律为:机器以550 r/min的速度连续运转，由上向下看3号轮做顺时针间歇转动，弧面分度凸轮机构相关设计参数见表1。3号轮作为转盘共8个工位，机器转动一周，3号轮转过一个工位，凸轮旋转一周分度期θf=π，间歇期θd=2ππ=π，根据3号轮的旋向、驱动轴的位置及运动规律，凸轮确定为单头左旋的圆柱凸轮。

采用弧面凸轮机构传动的3号包装轮主要由分度凸轮8、滚珠轴承组7、分度盘6、挡板轴3、转塔2及模盒1等组成，见图2[7]。分度盘6在圆周上均布着8个滚珠轴承组7，每个轴承组包含2个滚轮，分度盘6用螺栓固定在挡板轴3上;成对锥轴承5安装于支架轮毂4内部基准面，并对挡板轴进行支撑和定位，使挡板轴空套在支架轮毂内部，并由锁紧螺母锁紧;模盒1安装在转塔2上，用螺栓将转塔2固定在挡板轴3上，松开螺栓可调整转塔2的位置，从而保证模盒的位置。

表1 弧面分度凸轮机构主要设计参数

图2 采用弧面凸轮机构传动的3号包装轮结构示意图

工作原理:从后往前看，曲柄10逆时针旋转，带动轴9旋转，进而使分度凸轮8逆时针旋转，分度凸轮工作面与滚珠轴承组7表面啮合，带动分度盘6作顺时针(由上向下看)间歇转动，然后在挡板轴3的作用下，3号包装轮转塔2也作顺时针间歇转动，从而带动3号包装轮模盒1顺时针间歇转动。在YB47型硬盒包装机中，由于3号轮的凸轮采用的是圆柱凸轮，滚子轴线沿分度轮轴向均匀分布，因此其为圆柱凸轮分度机构。

2.2 数据分析

YB47型包装机3号轮部件中分度凸轮转动一周，从动件分度转盘的相位分时图见图3。3号包装轮在分度凸轮的作用下，从162.75°(180°-17.25°)开始停歇，此时3号包装轮转至45°位置，分度凸轮再转过180°后，3号包装轮再次旋转，凸轮再转过90°后，凸轮在432.75°(或72.75°)时，3号包装轮转到22.5°，再转过90°后，凸轮在522.75°(或162.75°)再次开始停歇，完成一个循环过程。

由于分度凸轮是以恒定角速度转动，因此角位移φ0=ω0t(ω0为常数)。根据图3中分度凸轮与分度转盘的角位移关系，分度转盘的角位移与时间的关系是一条恒定斜率直线，即分度转盘的角位移φ=wt=Ct，C为常数，故分度转盘在转动阶段以恒定速度ω=C转动，也就是说分度转盘在转动阶段加速度ε为0，对机器几乎无冲击。

YB45型包装机中3号轮是八工位槽轮分度机构，额定包装速度为400包/min，运动规律见表2[5，8]。根据表2中从动件槽轮的角速度和角加速度的公式可知，ω2和ε2均是时间t的函数，由槽轮角加速度最大时的位置角公式计算可得=arccos 0.8547=31.27°，将该数值代入槽轮角加速度公式计算可得:ε2=0.1709/0.2379×=0.7184×=1260.5。通过对比，槽轮机构的角加速度ε2远远大于圆柱凸轮分度机构的角加速度ε，可见使用圆柱分度凸轮机构的3号轮对减少机器的冲击还是相当理想的。

2.3 注意事项

图3 YB47型包装机3号轮分度凸轮相位图

表2 槽轮分度机构关键尺寸和主要运动参数

实际应用中应注意，该弧面分度凸轮机构的分度精度由机构中组成零件的加工精度决定，高精度数控机床的加工精度完全能满足分度精度的需要，装配完成后即完成了机构的精确定位，轴承组与凸轮的间隙不需再调整。影响分度机构精度的关键零件为3号轮箱体、支架轮毂、挡板轴和转塔，4个零件相互配合的基准面精度决定了分度机构的分度精度。支架轮毂内部基准面定位成对锥轴承，进而定位挡板轴，挡板轴下面基准面定位转塔，先将分度盘、滚珠轴承组、挡板轴、成对锥轴承、支架轮毂及转塔都装配在一起，以支架轮毂最下面台阶的上基准面为基准安装在3号轮箱体的下基准面上，装配完成后无需调整即完成机构的精确定位。为进一步简化装配过程，各关键零件的装配可用专用工装保证零件的相互位置关系。圆柱凸轮的刚度和表面硬度较高，装配时保证凸轮与轴承组配合活络，保持轴承组与凸轮的持续润滑。

3 使用效果

利用弧面分度凸轮机构在高速运动中的高精度分度功能，应用于YB47型硬盒包装机的3号轮中，数控机床的加工精度能够满足机构的定位精度，使装配弧面分度凸轮机构步骤简化，操作方便。采用该机构进行传动的3号包装轮定位准确，分度精度高，传动平稳，且结构紧凑，有效减少了3号轮在高速运动中自身的振动和对机器造成的冲击。通过对16组YB47型硬盒包装机的数据采集，与原YB45硬盒包装机小包铝箔纸缺陷相比(5～9包/月)，改造后未发现在3号包装轮包装过程中产生铝箔纸破损或铝箔纸缺失现象，提高了烟包包装质量。

[1] 潘安岳.YB45包装机小盒铝箔纸缺陷检测装置的设计应用.烟草在线[EB/OL].[2008-12-8]http://www.tobaccochina.com/machine/technology/news/200812/200812484943_335266.shtml.

[2] 昌志云，张予人.YB25型软盒包装机铝箔纸烟包“2”进“3”运动的改进[J].烟草科技，2010(4):27-29.

[3] 上海烟草机械有限责任公司培训教材编审委员会.ZB45型硬盒硬条包装机组培训教材[G].2005.

[4] 蒋蒙奇.共轭凸轮机构在YB47型硬盒包装机烟支第二推进器上的应用[J].烟草科技，2009(9):23-24.

[5] 孟宪源.姜琪.机构构型与应用[M].北京:机械工业出版社，2005.

[6] 成大先.机械设计手册单行本机构[M].北京:化学工业出版社，2004.

[7] 上海烟草机械有限责任公司培训教材编审委员会.ZB47型硬盒硬条包装机组培训教材[G].2008.

[8] 成大先.机械设计手册(第四版)[M].北京:化学工业出版社，2003.