卷筒卫生纸包装机中凸轮机构的设计

杨玉霞，苑成友，苗雅丽

（1.济源职业技术学院 机电工程系，河南 济源 459000；2.桂林电子科技大学 职业技术学院，广西 北海536000）

卷筒卫生纸包装机是一种代替繁重手工操作的包装机械，由包装薄膜输送装置、卷筒卫生纸供给装置、卷筒卫生纸就位装置（顶起机构和前推机构）、包装薄膜装置及薄膜端面熨烫粘合装置、控制装置组成。卷筒卫生纸就位装置和包装薄膜装置的关联程度较高，它们的运行都需要伺服电机的驱动。用凸轮机构可以实现就位装置与包装薄膜装置的动力分配和运动控制，这不但能改进卷筒卫生纸的生产工艺，还能降低卷筒卫生纸的生产成本，提高产品的市场竞争力。

1　顶纸和包装薄膜功能的实现及要求

1.1　顶纸功能的实现及要求

卷筒卫生纸包装机凸轮机构的设计原理如图1所示。供给装置将卷筒卫生纸送到正确的水平位置后，顶起机构将其顶至相应的垂直位置。为了给供给装置、前推机构、薄膜包装及运行装置留出更多的时间，要求顶起机构顶起后立即返回，同时还不能产生较大的振动，因此凸轮机构必须具有良好的动力学性能。

图1　凸轮机构设计原理

1.2　包装薄膜功能的实现及要求

在顶起机构将卷筒卫生纸顶到正确位置的过程中，包装薄膜装置可以将薄膜卷至卷筒卫生纸圆周的一半。为了使薄膜紧紧地裹在卷筒卫生纸上，前推机构推动包装薄膜装置做水平运动的速度应大于卷筒卫生纸的运动速度。为了实现这一功能，可以在前推机构的推板上增加平带传动，这样推板在水平运动速度的基础上增加了平带传动速度，就保证了前推机构的水平运动速度大于卷筒卫生纸的水平运动速度。

2　卷筒卫生纸包装机凸轮机构的设计

2.1　凸轮机构分析与两凸轮机构的工作时序

顶起机构与前推机构都是采用沟槽凸轮与滚子配合的凸轮机构。这种机构的优点是封闭性好、可靠性高，能保证从动件完成预期的动作，能避免封闭凸轮机构的从动件脱离凸轮轮廓线而导致从动件不能完成预期运动的后果［1］。

在整个机器运行中要求顶起机构与前推机构中的凸轮动作连贯、紧凑。两个凸轮的工作时序如图2所示。

图2　凸轮的工作时序

2.2　两凸轮轮廓线的设计

凸轮轮廓线的加工工艺要求较高，加工过程比较复杂，加工精度不易控制。卷筒卫生纸包装机主要利用的是凸轮机构的冲程动作，而对冲程动作中运动参数的变化没有严格限制。为了简化凸轮的加工工艺和数控加工程序，降低生产成本，我们设计了由6段依次平滑过渡的圆弧组成的凸轮轮廓线。

摆杆的运动可将顶包凸轮上的基圆与最大圆的半径差放大3倍，顶包凸轮从动件在垂直方向上发生210 mm位移。根据文献［2］提供的数据，我们先将推程和回程压力角的许用值分别设为35°和40°，再利用SolidWorks软件设计出顶包凸轮的3D模型（图3）。摆杆的运动可将推包凸轮上的基圆与最大圆的半径差放大3.4倍，推包凸轮从动件在垂直方向发生170 mm位移。根据文献［2］提供的数据，我们先将推程和回程压力角的许用值设为35°和40°，再利用SolidWorks软件设计出推包凸轮的3D模型（图4）。

图3　顶包凸轮模型

图4　推包凸轮模型

2.3　卷筒卫生纸包装机中关键机构的设计与分析

2.3.1顶包凸轮轮廓线时序及凸轮机构的设计

从图2a可以看出：顶包凸轮的远休止角为100°，它表示顶起卷筒卫生纸的顶杆在最下方停留等待卷筒卫生纸时凸轮转过的角度；近休止角为0°，它表示将卷筒卫生纸顶到正确位置后立即返回原位（机构的急回特性）。顶包凸轮机构的3D模型如图5所示。

图5　顶包凸轮机构的3D模型

2.3.2推包凸轮轮廓线时序及凸轮机构的设计

从图2b可以看出：推包凸轮的远休止角为20°，它表示推板在最远处停留时凸轮转过的角度；推包凸轮的近休止角 30°（205°～175°），它表示推板停止等待时凸轮转过的角度。推包凸轮机构的3D模型如图6所示。

图6　推包凸轮机构的3D模型

2.3.3凸轮的周向与轴向定位

传统的通过键槽与键连接实现周向定位的方式存在一些弊端：第一，这种连接方式会降低凸轮轴的强度［3］；第二，对相位差有严格要求的凸轮机构对凸轮上键槽的位置也有严格的精度要求，这需要更高的加工工艺；第三，在这种定位方式下机器的装配与调试都比较困难。

新的定位方式如图7所示。从图7可以看出，轴的表面光滑，在凸轮中心孔处增加凸缘，并在凸缘上增加螺纹。在机构装配过程中，通过螺丝顶紧光轴就可以实现凸轮的周向定位与轴向定位。

图7　凸轮的定位

2.3.4凸轮的切割、打孔及运动平衡

传统的凸轮安装方法是将凸轮从轴的一端装到包装机的凸轮轴上，但操作起来并不容易，维修或更换个别凸轮时，需要拆掉其他凸轮轴部件。如果采用图8所示方法，将凸轮切割成两半，安装时用螺丝拧紧，这样，在维修或更换凸轮时，拆装及调节两凸轮的相位差都是很方便的。

为了保证凸轮在运动时保持平衡，需要在凸轮凸起的位置打孔。在凸轮设计过程中，我们利用SolidWorks软件，对凸轮的性能进行了反复测试，不断修改孔的位置和大小，以使凸轮的重心尽可能与凸轮的旋转中心重合。

图8　凸轮切割与打孔

2.3.5凸轮滚子

凸轮滚子是易损部件，需要经常更换。在凸轮槽上打一些拆卸孔有利于滚子的安装与拆卸。

2.3.6推板导向结构的设计

图9是包装机的推板导向结构图。在包装机工作过程中，推板在水平方向上按照预定的轨道做往复运动，推板的一侧采用直线轴承与滚子轴承相结合的方式组成导向结构，另一侧采用固定在箱体上的两块可上下调节的工程塑料作为导向结构。

图9　推板导向结构

3　结束语

在研究凸轮机构的基础上，我们利用SolidWorks软件建立了凸轮机构的三维模型，设计了卷筒卫生纸包装机的数字样机，对凸轮机构进行了运动仿真。结果表明，用多个凸轮机构的协调动作替代多个伺服电机驱动的传动方案能有效降低卷筒卫生纸的生产成本，提高产品的市场竞争力。