蜘蛛手–接烟轮系统模型与烟支交接运动学分析

祝智斌



蜘蛛手–接烟轮系统模型与烟支交接运动学分析

祝智斌

(常德烟草机械有限责任公司, 湖南常德, 415000)

基于蜘蛛手与接烟轮系统几何模型和运动学模型, 研究了烟支交接的运动学特性。根据运动学模型, 以活动手、固定手烟道中心分别与蜘蛛手吸爪内、外烟道中心的相对位移和相对速度为评价指标分析了烟支交接质量。结果表明: 不同生产速度下, 接烟轮和蜘蛛手轮的转角基本不变, 2对烟道交接中心的相对位移均趋近于0, 相对速度较小, 且与烟支生产速度呈同向变化, 有利于烟支交接; 烟支交接时, 固定手烟道与蜘蛛手外烟道的相对位移和相对速度比活动手烟道与蜘蛛手内烟道的要小, 烟支交接更加稳定。

蜘蛛手; 接烟轮; 系统模型; 烟支交接; 运动学分析

国内在超高速卷接机组研究方面, 近年来取得了较大的进展。王永康[1]对生产卷烟长度齿轮、接装机切割鼓轮、供纸辊等进行改进, 以适应烟支规格的改变; 郑青春[2]基于PC技术, 构建了超高速卷接机控制系统实验平台; 王振声[3]改造了PROTOS70/80卷烟机组PLC控制系统, 对SRM重量控制系统进行了国产化升级; 闫玉平[4]利用设备原有动力改进了烟支分离器, 解决了烟支褶皱变形, 烟道堵塞的问题; 赵明朗[5]对PASSIM卷接机组前分离鼓轮进行了改进; 陈文[6]运用虚拟样机技术对喇叭嘴机构进行了仿真计算; 欧育健[7]以活动手、固定手与蜘蛛手的相对位移和相对速度为评价指标, 对烟支交接稳定性进行了研究。这些研究对我国卷烟生产质量的提高及烟机的国产化提供了很好的帮助和参考。

本文以PROTOS2–2超高速卷接机组蜘蛛手与接烟轮系统为研究对象, 建立了烟支交接系统的几何模型和运动学模型。基于该模型, 对低速、中速、中高速、高速和超高速5种典型工况下烟支交接过程进行运动学仿真。以活动手、固定手烟道中心分别与蜘蛛手吸爪内、外烟道中心的相对位移和相对速度为评价指标, 对烟支交接质量进行分析。

1 烟支交接系统几何模型与运动学模型

PROTOS2–2烟支交接系统由接烟轮机构和蜘蛛手机构组成, 其几何模型如图1所示。交烟过程中, 蜘蛛手沿顺时针方向转动, 接烟轮则沿逆时针方向转动。蜘蛛手运动到最低位置时, 在负压作用下, 内、外烟道从烟支传送导轨上吸取烟支。蜘蛛手吸附烟支运动至最左端时, 活动手与固定手在空气负压作用下吸取蜘蛛手内、外烟道中的烟支, 完成烟支交接。

将几何模型导入ADAMS中, 根据构件的材料属性及运动关系进行并构。运动副处理如下: 在蜘蛛手轮主轴及接烟轮凸轮与地面之间、蜘蛛手中心齿轮与蜘蛛手轮主轴之间添加固定副; 在活动手滚子与凸轮理论廓线之间添加点–线副; 在活动手旋转轴与接烟轮轮盘之间添加圆柱副; 在各行星齿轮之间添加耦合副。对接烟轮中心轴及蜘蛛手中心轮盘进行回转驱动定义。定义回转驱动可以在仿真时带动接烟轮轮盘和活动手旋转轴一起旋转, 使活动手和固定手烟道分别与蜘蛛手吸爪的内、外烟道顺利交接。运动副处理及定义完成后如图2所示。

图1 烟支交接系统几何模型

图2 烟支交接系统运动学模型

2 5种典型工况下运动学仿真

对5种典型生产速度, 即低速1 200支/min、中速5 000支/min、中高速8 000支/min、高速12 000支/min和超高速16 000支/min工况下的烟支交接系统进行仿真计算。各工况对应的仿真时间、仿真步长、一个步长对应的时间、接烟轮转角和蜘蛛手轮转角见表1。

表1 5种工况下的特征数据

在PROTOS2–2烟支交接过程中, 蜘蛛手内、外烟道分别将烟支交接给接烟轮的活动手和固定手的烟道上, 理想状态是这些烟道的中心相对位移和相对速度为0, 因此, 将烟道中心的相对位移和相对速度作为烟支交接质量的评价指标。

根据表1的数据, 在ADAMS中进行仿真, 得出5种工况下烟支交接质量评价指标的相对位移和相对速度对比曲线如图3～7所示。

图3 工况1时, 活动手/固定手与蜘蛛手的相对位移和相对速度

图4 工况2时, 活动手/固定手与蜘蛛手的相对位移和相对速度

图5 工况3时, 活动手/固定手与蜘蛛手的相对位移和相对速度

图6 工况4时, 活动手/固定手与蜘蛛手的相对位移和相对速度

图7 工况5时, 活动手/固定手与蜘蛛手的相对位移和相对速度

从图3～7可知, 首先, 在仿真时间内, 评价指标均在0.5时达到最佳效果, 即2对烟道交接中心的相对位移均趋近于0, 2对烟道交接中心的相对速度均较小, 因此应把此时作为烟支交接位置; 其次, 在烟支交接时刻附近, 固定手与蜘蛛手的相对位移变化比活动手的更平缓一些, 相对速度变化率也比活动手更小, 说明固定手与蜘蛛手的烟支交接质量比活动手与蜘蛛手交接质量更好, 实际生产中也验证了这一点; 最后, 随着速度的增大, 烟支交接过程中掉丝量会有所增加, 但仍可保证烟支生产质量。

3 结果分析与讨论

基于 5种典型工况下的计算数据, 设交接过程中相对位移分别为1.0, 1.5和2.0 mm时(3种相对位移代表3种不同的交接状态)时, 烟支交接持续步长、交接时间、接烟轮转角、蜘蛛手轮转角及活动手、固定手烟道中心与蜘蛛手内、外烟道中心最大相对速度如表2所示。

由表2可知: (1) 相对位移相同时, 烟支交接时间与烟支生产速度呈反向规律变化, 即交接时间随烟支生产速度的增大而减小; 烟支交接过程中生产速度变化较大, 但接烟轮和蜘蛛手轮转过的角度基本保持不变; 活动手、固定手烟道中心与蜘蛛手内、外烟道中心的相对速度均与烟支生产速度呈同向变化。(2) 生产速度一定时, 交接时间、接烟轮转角、蜘蛛手轮转角及活动手、固定手烟道中心与蜘蛛手内、外烟道中心的最大相对速度均随着相对位移的增大而增大。

表2 相对位移为1.0, 1.5, 2.0 mm时交接过程数据

4 结论

5种典型工况下, 2对烟道交接中心的相对位移均趋近于0, 且相对速度较小, 有利于烟支生产和减少交接过程中掉丝。

固定手烟道与蜘蛛手外烟道的交接质量相对于活动手烟道与蜘蛛手外烟道的交接质量更好。

相对位移相同时, 烟支交接时间随烟支生产速度的增大而减小; 活动手、固定手烟道中心与蜘蛛手内、外烟道中心的相对速度均与烟支生产速度呈同向变化。烟支交接过程中生产速度变化时, 接烟轮和蜘蛛手轮转过的角度基本保持不变。

参考文献：

[1] 王永康, 马学成, 袁保证, 等. PA8–5接装机烟支规格改变时同步问题的解决[J]. 烟草科技, 2000(11): 13–14.

[2] 郑青春, 王文格. 超高速卷接机控制系统实验研究平台构建及上位机通讯[J]. 仪表技术与传感器, 2012(12): 52–53.

[3] 王振声. PROTOS70/80卷接机PLC控制系统设计[D]. 广州: 华南理工大学, 2010.

[4] 闫玉平. ZB25机组烟支分离器改进设计[C]// 上海烟草系统2006年度优秀学术论文集. 上海: 上海市烟草学会, 2006: 71–77.

[5] 赵明朗. PASSIM卷接机组前分离鼓轮的改进[J]. 科技咨询, 2002(18): 89–90.

[6] 陈文, 吴磊, 赵朝阳, 等. 基于Pro/E和Adams的喇叭嘴机构的运动分析及仿真[J]. 烟草科技, 2011(10): 20–23.

[7] 欧育键, 周长江, 杜国锋. PROTOS2–2蜘蛛手–接烟轮系统建模及交接稳定性研究[J]. 烟草科技, 2014(3): 17–20.

(责任编校: 江河)

Modeling of the PROTOS2-2 spider-transfer cigarette wheel system and kinematics analysis of cigarette transfer

Zhu Zhibin

(Changde Tobacco Machinery Co Ltd, Changde 415000, China)

Based on the geometric model and kinematics model of spider mechanism and transfer cigarette wheel mechanism, the kinematics characteristics of cigarette transfer are studied. According to the kinematics model, the cigarette transfer process is analyzed on the basis of two evaluation criterion, which are relative displacement and relative velocity between the smoke groove center of retractable hand, fixed hand in transfer cigarette wheel mechanism and suction claw in spider mechanism, and the indicators impact on cigarette handover process. The results show that under different production speeds, the rotation angles of spider mechanism and transfer cigarette wheel mechanism are unchanged, the relative displacements of two transfer centers are closed to zero, and the relative velocity is low and changes in the same direction with production speed, which is conducive to the cigarette transfer. The relative displacement and velocity between fix hand and spider hand are lower than that between retractable hand and spider hand, the former cigarette transferring is more stable.

spider mechanism; transfer cigarette wheel mechanism; system model; cigarette transfer; kinematics analysis

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.01.019

TS 43

1672–6146(2015)01–0077–05

祝智斌, zhuzb@ccdtm.com。

2014–11–18

中国烟草机械集团有限责任公司项目(国烟科[2010]449号)。