非圆齿轮摆杆机构在给纸机压脚机构中的应用研究

闵林锋

摘 要：为了改善飞达压纸机构的工作寿命，本文提出利用非圆齿轮摆杆机构代替压脚凸轮机构。其间通过UG建立给纸机压脚凸轮机构三维模型，并在ADAMS中进行运动学分析，得到压脚凸轮机构摆杆角位移曲线，利用纸机压脚凸轮机构凸轮位移运动规律，反求非圆齿轮节曲线;齿廓数学模型建立后，开发齿廓生成软件生成齿廓，利用三维软件建立非圆齿轮摆杆机构的三维模型，利用ADAMS完成运动学仿真并得到摆杆位移运动规律。研究表明，摆杆的角位移曲线与凸轮机构中的摆杆角位移曲线对比，二者基本一致，此外，在相同条件下，非圆齿轮表面接触力比凸轮滚子表面接触力减小了40%，验证了该设计的正确性和实用性。

关键词：给纸机;压脚凸轮机构;ADAMS;非圆齿轮

中图分类号：TH132.429 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）32-0035-04

Abstract： In order to improve the working life of the feeder paper pressing mechanism， this paper proposed to replace the presser foot cam mechanism with a non-circular gear swing lever mechanism. In the meantime， a three-dimensional model of the presser foot cam mechanism of the paper feeder was established through UG， and kinematics analysis was carried out in ADAMS， and the angular displacement curve of the swing rod of the presser foot cam mechanism was obtained， the non-circular gear pitch curve was reversed by using the cam displacement movement law of the paper machine presser foot cam mechanism; after the mathematical model of the tooth profile was established， the tooth profile generation software was developed to generate the tooth profile， and the 3D software was used to establish the 3D model of the non-circular gear pendulum mechanism， and the ADAMS was used to complete the kinematics simulation and obtain the displacement motion law of the pendulum rod. The research shows that comparing the angular displacement curve of the pendulum rod with that of the cam mechanism， the two are basically the same， in addition， under the same conditions， the non-circular gear surface contact force was 40% less than the cam roller surface contact force， which verified the correctness and practicability of the design.

Keywords： paper feeder;foot cam mechanism;ADAMS;non-circular gear

單张输纸装置又被称为给纸机构，俗称飞达或分纸头，其广泛应用于单张纸印刷机（如柔性版印刷机、胶印机、凹印机和丝网印刷机等）及部分印后设备（如模切机、折页机、印刷品质量检测装置等），是印刷包装机械中使用最为广泛的关键部位，其性能好坏将直接影响印刷包装设备的工作效率。国际知名的飞达专业生产厂家德国MABEG（马贝格）公司处于行业顶尖水平，它的飞达水平代表了飞达的最新发展技术。国外生产制造的飞达可稳定工作在给纸速度12 000张/h，有的甚至能够达到15 000张/h。飞达也一直是我国单张纸印刷机械发展的主要瓶颈。目前，给纸速度6000张/h以内的飞达市场已基本全面被国内厂家占领，而10 000张/h上的飞达则完全依赖进口。

给纸机构主要由分纸吸嘴机构、压脚机构和递纸机构组成，分别完成分纸、压纸和递纸三个动作[1-2]。要想提高给纸速度，压脚机构也需要保持高速，否则给纸动作无法完成。瑞安某包装印刷有限公司在压脚机构使用过程中发现，机器长期高速运行出现两个问题：第一，凸轮表面出现磨损，使得压脚机构压纸效果不佳;第二，目前，压脚凸轮机构中摆杆前端的滚子采用滚动轴承，在凸轮表面，跳动撞击使得滚子寿命降低。非圆齿轮是用来传递两轴间非匀速运动的，和其他非匀速比传动机构（如凸轮、连杆等）相比，具有传动平稳、结构紧凑、运动精度高等优点[3-4]。齿轮啮合与凸轮啮合相比，齿轮有多个齿逐渐接触，同样条件下耐磨性更好。和热处理方式相比，其改进结构和改善材料的成本更低。因此，本文以该企业的压脚凸轮机构研究对象，提出一种非圆齿轮摆杆机构（非圆齿轮与标准圆柱齿轮组合的摆杆机构）代替凸轮摆杆机构，简称非圆齿轮压脚机构，建立非圆齿轮摆杆机构求解模型，编写齿廓求解软件获得非圆齿轮轮廓数据，建立三维模型完成虚拟仿真试验和运动学分析，验证设计的可行性。

本文提出非圆齿轮与标准齿轮组合机构（简称非圆齿轮摆杆机构）代替凸轮和滚子，其适用于包装机械中其他凸轮机构的改进设计，促进了包装机械的发展。

1 压脚机构

1.1 工作原理

压脚机构主要由凸轮、摆杆1（杆长[l1]）、连杆2（杆长[l2]）、摇杆3（杆长[l3]）、力封闭弹簧（弹性系数[k]）组成，如图1所示。电机带动凸轮转动，通过摆杆1上的滚子带动摆杆1摆动，进而实现连杆2摆动达到压脚的压纸、松纸的动作。力封闭弹簧使得摆杆1上的滚子一直贴紧凸轮表面，防止脱离凸轮表面影响动作的传递和带来冲击。为了进行凸轮机构的分析，对压脚机构进行拆分，得到凸轮和摆杆（简化后，摆杆1杆长由[l1]调整为[l]）组成的一级机构，如图2所示。

1.2 虚拟样机建立与仿真

基于瑞安某包装机械有限公司的给纸机构测绘压脚机构，在UG三维软件里建立三维实体模型，并导入ADAMS进行运动学仿真（见图3），测得摆杆1的角位移曲线和凸轮表面接触力曲线，如图4所示。

2 非圆齿轮摆杆机构设计

2.1 非圆齿轮节曲线数学模型

以现有某高速给纸机给纸机构为实例，经测量，其压脚机构摆杆长为[l]（简化后），摆杆回转中心[A]到非圆齿轮回转中心[O]的中心距为[a]，摆杆角位移为[φ]。以A为坐标系原点建立直角坐标系，参考现有机子滚子半径，给定圆柱齿轮分度圆半径[R1]，则非圆齿轮向径[R2]满足式（1）条件。非圆齿轮压脚机构传动示意图如图5所示。

2.2 非圆齿廓生成

将非圆齿轮压脚机构中的非圆齿轮齿的节曲线数据点导入利用Matlab软件编写的齿廓生成程序，输入齿数、模数和压力角，得到齿廓数据点（见图6），生成.dat文件，再导入UG软件绘制齿轮三维模型，如图7所示。

3 三维模型建立与虚拟仿真

在UG三维软件中绘制、装配非圆齿轮压脚机构，并导入ADAMS软件，设置约束与参数，完成运动学仿真，仿真界面如图8所示。通过后台分析，得到摆杆的角位移曲线，如图9所示，与凸轮摆杆角位移曲线对比，结果显示基本一致。此外，对非圆齿轮与齿轮滚子之间的接触力进行测试，与凸轮与滚子的接触力相比，最大幅值前者只是后者的40%左右，因此可以有效提高耐磨性。

4 结论

基于现有压脚凸轮机构数据，本文提出一种非圆齿轮摆杆传动的压脚机构并将其应用于原机中，利用ADAMS仿真软件完成虚拟仿真，验证了可行性。此外，在相同弹簧拉力、相同转速下，分别测试了凸轮压脚机构凸轮表面接触力与非圆齿轮压脚机构齿轮表面接触力，结果显示，后者与前者相比，齿轮表面接触力相对减小40%，大大提高耐磨性，因此该机构具有一定的应用价值。

参考文献：

[1]任慧，蔡吉飞.单张纸胶印机给纸机分离头运动分析与设计[J].中国印刷与包装研究，2009（6）：34-39.

[2]嚴荣标.印刷包装化械中飞达的优化设计[D].杭州：浙江大学，2017：20-22.

[3]齐福斌.单张纸给纸机发展与选择[J].中国印刷物资商情，2007（5）：42-45.

[4]吴序堂，王贵海.非圆齿轮及非匀速比传动[M].北京：机械工业出版社，1997：35-36.