梁金生，暢博倫，林 希

（1.陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021；2.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

引言

隨模切機(jī)屬于典型的印后設(shè)備，在包裝印刷行業(yè)中應(yīng)用廣泛[1]。我國(guó)模切機(jī)的技術(shù)水平與國(guó)外相比仍存在較大差距，提高我國(guó)模切機(jī)的技術(shù)水平已成為亟待解決的問(wèn)題。從目前國(guó)內(nèi)外包裝行業(yè)來(lái)看，平壓模切機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。國(guó)產(chǎn)平壓模切機(jī)在高速工作時(shí)，模切精度大幅度下降，并伴有大量噪聲，機(jī)器磨損非常嚴(yán)重[2]。為解決以上問(wèn)題，使此類機(jī)器向高速、高精度、高穩(wěn)定性的方向發(fā)展，分度凸輪機(jī)構(gòu)已開(kāi)始將其用于包裝機(jī)械。但平行分度凸輪分度數(shù)??；而弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)裝配精度要求高、成本高；普通圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)雖然成本低，且可以實(shí)現(xiàn)大的分度數(shù)，但是工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)橫越?jīng)_擊，而產(chǎn)生的較大的沖擊、振動(dòng)，使其無(wú)法滿足高速運(yùn)動(dòng)的要求。

1 雙層滾子圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理

1.1 橫越?jīng)_擊

凸輪從動(dòng)件在加速度反向的瞬間，其加速度為零，從動(dòng)件的工作速度達(dá)到最大，此時(shí)從動(dòng)件靠慣性以此速度運(yùn)動(dòng)，這使得從動(dòng)件滾子離開(kāi)接觸的凸輪廓面，飛越輪槽間隙，與輪槽另一側(cè)廓面發(fā)生碰撞，產(chǎn)生橫越?jīng)_擊[3]。橫越?jīng)_擊會(huì)引起沖擊振動(dòng)，從而造成動(dòng)載荷加大、工作平穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)精度變差等問(wèn)題，這也是造成圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)極限轉(zhuǎn)速低、運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)

前面提到，形成橫越?jīng)_擊的主要原因是在滾子與凸輪兩側(cè)廓面不能同時(shí)接觸，以避免過(guò)度磨損。為保證在正常工作情況下，圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的滾子始終與驅(qū)動(dòng)廓面保持接觸，以達(dá)到消除橫越?jīng)_擊的目的，本研究提出一種具有冗余結(jié)構(gòu)的圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)，即雙層滾子圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)。在這種引入冗余結(jié)構(gòu)的圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)中，雙層滾子圓柱分度凸輪的輪槽有內(nèi)外兩層，從動(dòng)盤銷軸上相應(yīng)有內(nèi)外兩層滾子，兩層滾子分別與凸輪兩層輪廓的異側(cè)廓面接觸并壓緊，形成冗余接觸。這種冗余凸輪機(jī)構(gòu)的內(nèi)層滾子被對(duì)應(yīng)輪槽廓面推動(dòng)，實(shí)現(xiàn)從動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，起驅(qū)動(dòng)作用。外層滾子相當(dāng)于彈簧，通過(guò)滾子的接觸變形和銷軸的彎曲變形，通過(guò)冗余接觸，保證驅(qū)動(dòng)滾子與輪槽的一側(cè)廓面始終保持壓緊，不會(huì)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

2 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)

由于前面提到的原因，圓柱凸輪機(jī)構(gòu)工作轉(zhuǎn)速不能過(guò)高，通常不超過(guò)600 r/min，為驗(yàn)證雙層滾子圓柱分度凸輪在高速運(yùn)動(dòng)下對(duì)沖擊的減小和從動(dòng)件分度盤運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的提高，實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)固定在軸端的編碼器測(cè)定輸出軸角位移，并依次對(duì)兩種分度凸輪機(jī)構(gòu)輸出的角位移數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并濾波、分析雙層滾子圓柱凸輪機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)分度盤工作平穩(wěn)性的影響情況。圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)盤采用分度機(jī)構(gòu)中常用的修正正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，機(jī)構(gòu)的主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)為：分度數(shù)為12，分度盤轉(zhuǎn)位角30°，凸輪的分度角270°。

2.2 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)分析

將普通圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)作為分度裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)用編碼器采集從動(dòng)盤軸的角位移數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)濾波后導(dǎo)出，用Origin繪制從動(dòng)盤角位移線圖，并對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)和二階導(dǎo)，繪制出普通圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)盤的角速度和角加速度線圖。不同工作速度時(shí)的從動(dòng)盤運(yùn)動(dòng)線圖見(jiàn)圖1。

從圖1 可以看出：（1） 在從動(dòng)盤加速度由正變?yōu)樨?fù)的反號(hào)瞬間，凸輪機(jī)構(gòu)分度盤角速度線圖上存在明顯突變，即出現(xiàn)橫越?jīng)_擊，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很大的沖擊、振動(dòng)和噪聲，這嚴(yán)重影響了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和工作精度。（2） 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)在400 r/min 工作時(shí)，由橫越?jīng)_擊引起的加速度變化甚至超過(guò)了整個(gè)加速度的變化幅值，這表明橫越?jīng)_擊引起的動(dòng)載荷是影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的主要因素。（3） 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)在800 r/min 工作時(shí)，分度盤的加速度曲線波動(dòng)更為劇烈，加之橫越?jīng)_擊的影響，使得圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)不適合在很高的轉(zhuǎn)速場(chǎng)合下工作。

圖1 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)分度盤運(yùn)動(dòng)線圖

2.3 雙層滾子圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)分度盤運(yùn)動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)分析

將前面實(shí)驗(yàn)中的普通圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)更換為雙層滾子圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)，重復(fù)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理過(guò)程，繪制出不同工作轉(zhuǎn)速下，雙層滾子圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)分度盤的運(yùn)動(dòng)線圖，見(jiàn)圖2。

從圖2 可以看出：（1） 在從動(dòng)盤加速度由正變?yōu)樨?fù)的反號(hào)瞬間，凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)盤的角速度沒(méi)有明顯突變，從而保證從動(dòng)盤的角加速度曲線沒(méi)有劇烈突變，即這種雙層滾子圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)消除了橫越?jīng)_擊，減小了機(jī)構(gòu)工作中的沖擊和振動(dòng)。（2） 與圖1 相比，圖2 的分度盤角加速度曲線局部波動(dòng)小，相對(duì)平滑，這充分表明了這種具有冗余結(jié)構(gòu)的雙層滾子圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)能提高機(jī)構(gòu)在高速場(chǎng)合下的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和傳動(dòng)精度。

2.4 分度盤加速度突變情況數(shù)據(jù)分析分析

為準(zhǔn)確分析雙層滾子這種冗余結(jié)構(gòu)對(duì)圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)分度盤運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的改善，則還需要將不同實(shí)驗(yàn)條件下采集到的數(shù)據(jù)跟理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)機(jī)構(gòu)工作參數(shù)，得到理論上凸輪機(jī)構(gòu)分度盤的最大角加速度的數(shù)值，作為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行。

對(duì)圖1 進(jìn)行觀察，動(dòng)盤運(yùn)動(dòng)圖線形態(tài)符合修正正弦運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度的變化，又能有效的反映出慣性力的變化情況。

相對(duì)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(shí)工作狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)曲線并不如理論曲線般光滑，為了分析運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性的問(wèn)題，就需要研究角加速度的突變情況。分度凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)盤角加速度變大的上升階段時(shí)下降部分的角加速度變化和下降階段時(shí)角加速度上升部分的角加速度變化作為從動(dòng)盤角加速度突變量進(jìn)行研究和分析。

通過(guò)觀察圖1、圖2，對(duì)比并尋找最大差值的分度盤角加速度突變段，通過(guò)軟件顯示并計(jì)算兩端點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的差，作為分度盤運(yùn)動(dòng)過(guò)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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)中的最大角加速度突變值，分別與普通圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)盤的理論角加速度總變化量、實(shí)驗(yàn)中得到的普通圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)盤的角加速度突變的最大值進(jìn)行比較，了解不同情況下角加速度變化情況對(duì)比情況，作為判斷冗余機(jī)構(gòu)引入對(duì)沖擊振動(dòng)的減小及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性提高的依據(jù)。

圖2 雙層滾子圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)盤運(yùn)動(dòng)線圖

將得到的數(shù)據(jù)列表，見(jiàn)表1。

表1 分度盤角加速度突變情況對(duì)比

從表1 可以看出：

（1） 普通圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)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(duì)圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)從動(dòng)盤角加速度最大突變值最大不超過(guò)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(jié)構(gòu)的圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)能極大提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

（3）雙層滾子圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)即使在800 r/min時(shí)的從動(dòng)盤角加速度突變值僅為普通圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)在400 r/min 時(shí)從動(dòng)盤實(shí)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(jī)構(gòu)在高速工作時(shí)有更加良好的運(yùn)動(dòng)特性。

3 結(jié)論

針對(duì)平壓模切機(jī)中間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不能很好地適應(yīng)高速、平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，提出了一種基于冗余結(jié)構(gòu)的雙層滾子圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)利用兩層滾子分別與圓柱凸輪輪廓的異側(cè)廓面壓緊，從而能避免橫越?jīng)_擊出現(xiàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)對(duì)比分析可以看出，該機(jī)構(gòu)可以在更高的速度下保持良好的運(yùn)動(dòng)特性。