针对个性化烟包规格的提升器凸轮设计

冯世亮

（上海烟草机械有限责任公司，上海 200000）

针对个性化烟包规格的提升器凸轮设计

冯世亮

（上海烟草机械有限责任公司，上海 200000）

针对特殊规格的烟包，设计新的提升器机构的凸轮，并通过matlab软件进行方程运算，最后将运算结果导入三维模型。该设计已在机组上得到成功运用，获得了满意的效果。

烟草包装 凸轮 matlab

随着国家控烟政策的深入执行以及居民健康意识的逐渐提高，各地烟草企业为了角逐仅有的市场份额纷纷推陈出新，试图通过新的口味或是新的包装方式赢得年轻消费者的青睐。上海烟厂委托上海烟机公司设计制造的双铝包异形包装机组便是其中的代表之一，其包装最大的特点是在硬盒中设计并列两个铝包，并且烟支由标准的三排变为两排，实现从外观上比普通规格的烟包显得更宽更薄。

1 烟包提升器的作用及机械结构

烟包提升器是商标纸包装成型结构的一部分。它的上游是第二输送链，烟包在该链上完成最后的折叠成型。它的下游是烟包传递轮，烟包通过该机构被送入第一干燥轮中，使烟包上的胶水有足够时间充分凝固，达到最佳成型效果。

如图1所示，提升板8的烟包接触面的初始位置位于输送链平面的下方。为了顺利完成烟包交接，提升板8需要沿着与烟包运动方向尽量小的夹角托起烟包，与烟包定位机构（未画出）相互配合，精确提升到规定高度，等待烟包传递轮接收。烟包提升器由一对共轭凸轮2驱动，通过摆杆6、弹簧拉杆14和限位摆杆11组成的四杆机构带动摆杆10，最后摆杆10、提升板8和摆杆7组成的平行四杆机构可以保持水平地上下升降烟包。限位摆杆11和摆杆10之间的夹角，可以根据烟包的厚度来做相应微调。

图1 烟包提升装置

2 针对个性化烟包规格的机构参数修改

普通烟包的规格大小为88.7mm×55.7mm×23.2mm，新烟包的规格大小为94mm×66.2mm×14.7mm。其中，对于烟包提升器影响较大的参数改动是长度和厚度，导致单纯通过调节摆杆之间的夹角或是增高提升板的高度，只能满足提升板与烟包传递轮之间的位置要求，却无法满足提升板与输送链上烟包之间的位置要求。因此，必须通过修改共轭凸轮的相位和曲线来获得所需的效果。

烟包在烟包传递轮中是以中心平面为基准进行定位，因此当烟包变薄后，需要将提升板平面提高（23.2-14.7）/2mm，即4.25mm，或是增加摆杆转动的角度，使其多转动的角度相当于提升板升高4.25mm。同时，由于烟包的长度变长（94-88.7）mm，即5.4mm后，提升板必须相对原先更快地下降到输送链平面下方，以等待烟包的到来。已知烟包在输送链上一个周期前进228.6mm，则可算出共轭凸轮的回程相位大致需要缩短5.4/228.6×360=8.5°，如图2所示。

图2 烟包提升装置相位图

综合考虑，如图3所示，最后决定基本保留凸轮的相位分布，仅将回程相位缩短10°，同时增大凸轮的输出位移，使提升板能够获得更大的转动角度。

图3 圆端摆动从动件平面凸轮的滚子中心轨迹

3 编写计算方程并使用matlab可视化

3.1 凸轮滚子中心轨迹计算

以凸轮1升程段计算为例。已知凸轮逆时针转动ft（142°），带动摆动从动件从初始角度h0（157.93°）顺时针转动h（22.87°），升程段的凸轮曲线为摆线曲线。

式（1）中，c是中心距，l是杠杆长度，r是到滚子中心的凸轮矢径，(r,β)是滚子中心轨迹的极坐标，其矢量方程如下：

通过欧拉公式展开，可得滚子中心轨迹(r,β)，即：

3.2 压力角φ计算

根据式（2），求得凸轮中心轨迹切线方向矢量为：

如图4所示，（a）中的压力角曲线不连续，这是由于凸轮的轮廓在经过极坐标360°时，角度重新归零计算，需要通过增加判断条件转化为（b）中的曲线。通过matlab编写方程，求得压力角的数值最大为44°左右，符合摆动从动件的压力角取值范围。

3.3 曲率半径ρ的计算

用Ts对式（5）微分，得：

用ejφ除两边，取虚部相等，得：

根据式（6）和（9），求曲率半径ρ为：

图4 凸轮与摆动从动件之间的压力角

如图5所示，通过matlab编写方程求得曲率半径ρ的数值都小于零，表示滚子的轨迹是外凸的，不会发生“浮起”现象，且选择的滚子半径为17.5mm，也不会发生“顶切”现象。

3.4 凸轮轮廓的计算

如图6所示，设d（35mm）为滚子直径，Rb=P4=rejβ是滚子中心轨迹，Rp=rpejβp为凸轮轮廓。

图5 滚子中心轨迹的曲率半径

图6 凸轮轮廓和刀具中心坐标

于是，有：

4 结论

通过分析烟包规格变化所导致的机构运动参数变动，获得凸轮新的相位分布及输出位移，已知摆动从动件的运动参数，通过matlab软件计算方程，得出判断凸轮优劣的压力角及曲率半径，并获得最终的凸轮轮廓曲线。目前，该凸轮机构已被成功安装到双铝包异形包装机组中，并成功完成了所需的烟包提升功能。

The Design of Elevator Cam for Special Tobacco Package Size

FENG Shiliang
(Shanghai Tobacco Machinery Co., Ltd., Shanghai 200000)

The new cam for the elevator mechanism is designed for special tobacco package size, then it is computed in term of matlab, the result is transformed to 3d model. The design succeeds in practicing and the consequence is satisfied.

tobacco package, cam, matlab