鋁箔分卷機(jī)脫料機(jī)構(gòu)的改造與仿真

鄭雅宏 李繼強(qiáng) 張學(xué)昌孫忠杰

（1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；2.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024；3.寧波時(shí)代鋁箔科技有限公司，浙江 寧波 315100）

鋁箔分卷機(jī)是用于將鋁箔軋機(jī)軋制后的鋁箔大卷進(jìn)行分卷，最終剪切出若干個(gè)一定寬度、一定卷徑的鋁箔小卷，廣泛地應(yīng)用于食品包裝等工業(yè)生產(chǎn)。圖1為鋁箔分卷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，整機(jī)分為放卷部分、箔料牽引部分和紙管收卷部分。其中脫料工序是紙管收卷部分的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其作用是把已經(jīng)完成收卷的成品鋁箔小卷從收卷分度盤上脫離到卸料皮帶上，工作人員再將其裝盒，形成最終產(chǎn)品。本研究主要針對(duì)原先的脫料機(jī)構(gòu)技術(shù)上存在的缺陷進(jìn)行改造，用凸輪驅(qū)動(dòng)代替原先的氣缸驅(qū)動(dòng)，并在Pro/e環(huán)境下對(duì)新型脫料機(jī)構(gòu)以及凸輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用機(jī)構(gòu)分析模塊Mechanism對(duì)新型脫料機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，從而掌握并控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及精度，增加設(shè)計(jì)的安全性。

1 鋁箔分卷機(jī)脫料機(jī)構(gòu)的改造

原先的脫料機(jī)構(gòu)如圖2所示，該機(jī)構(gòu)依靠鋁箔卷兩端的左右兩個(gè)脫料氣缸同時(shí)伸縮進(jìn)退來實(shí)現(xiàn)鋁箔卷的固定和滑落，但是在實(shí)際使用過程中由于氣壓的不穩(wěn)定性和難控制性，很難保證左右兩端的氣缸同時(shí)動(dòng)作且速度相同，會(huì)導(dǎo)致氣缸沒有頂?shù)轿换蛘邇啥怂俣冗^快，造成鋁箔卷無法掉落或者鋁箔損壞。

圖1 鋁箔分卷機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖Figure 1 Schematic diagram for aluminum foil separator

新型的脫料機(jī)構(gòu)，采用凸輪驅(qū)動(dòng)代替原先的氣缸驅(qū)動(dòng)。新型機(jī)構(gòu)包括滑動(dòng)配合在分卷機(jī)機(jī)架兩邊的左落料管和右落料管，還包括轉(zhuǎn)軸、以及設(shè)在機(jī)架上的左落料裝置和右落料裝置。圖3為左落料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。落料裝置主要由脫料凸輪、脫料桿、螺栓滾輪以及限位板組成，脫料桿的中部轉(zhuǎn)動(dòng)配合在脫料桿軸上，下端通過螺栓滾輪與脫料凸輪相配合，上端與落料管相抵。

圖2 原先的脫料機(jī)構(gòu)示意圖Figure 2 The original material removing mechanism

圖3 落料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Sketch map of material removing mechanism

2 新型脫料機(jī)構(gòu)的仿真

凸輪脫料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心在于凸輪輪廓曲線的確定，根據(jù)該脫料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)特性，采用端面圓柱凸輪，該凸輪具有緊湊、承載能力大、可靠性高等許多優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械設(shè)備中有著很廣泛的應(yīng)用［1］。端面圓柱凸輪的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于確定其輪廓曲線，從而完成凸輪旋轉(zhuǎn)過程中的升程、遠(yuǎn)休、回程、近休等一系列動(dòng)作。

2.1 端面圓柱凸輪的建模

相比于普通的平面凸輪，端面圓柱凸輪有著更加復(fù)雜的機(jī)構(gòu)。本研究以新型脫料機(jī)構(gòu)的右端面圓柱凸輪為例，詳細(xì)介紹其設(shè)計(jì)過程。結(jié)合脫料機(jī)構(gòu)的工作要求以及從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，右端面圓柱凸輪的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1［1，2］。

在凸輪的建模中，采用凸輪的多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律來進(jìn)行凸輪輪廓的設(shè)計(jì)。工作過程中，凸輪的位移S和時(shí)間T的函數(shù)關(guān)系按照如下規(guī)律［3－5］：

表1 凸輪的幾何參數(shù)表Table 1 Geometric parameters of cam

式中：

S——位移，mm；

T——時(shí)間，s；

Ci（i＝1，2，3，……，M）——常數(shù)，可根據(jù)對(duì)位移（S）、速度（V）、加速度（A）和躍度（J）等不同的邊界條件來求得，從而獲得多種形式。

由于加速度增加，從動(dòng)件的最大慣性力也隨著增加，凸輪與從動(dòng)件之間的動(dòng)壓力也就愈大。而躍度J和從動(dòng)件的振動(dòng)關(guān)系較大，為了減少振動(dòng)，應(yīng)使J值減小。所以根據(jù)鋁箔分卷機(jī)中脫料凸輪的性能要求，得到如下條件：

當(dāng)T＝0時(shí)，S＝V＝A＝J＝0；

當(dāng)T＝1時(shí)，S＝1，V＝A＝J＝0。

把初始條件代入式（1）中得到如下多項(xiàng)式：

通過上述的一些條件，就可以在Pro/e環(huán)境下進(jìn)行右圓柱端面凸輪的建模［6］，基于參數(shù)化建模的思想，利用Pro/e軟件下的“插入基準(zhǔn)曲線”功能，通過在軟件中輸入曲線的方程式，進(jìn)而生成凸輪的輪廓曲線。式（3）～（6）依次為回程曲線、近休曲線、升程曲線以及遠(yuǎn)休曲線對(duì)應(yīng)的笛卡爾方程。

式中：

x，y，z——坐標(biāo)系下的對(duì)應(yīng)3個(gè)坐標(biāo)；

h——凸輪的擺動(dòng)位移大小，mm；

t——時(shí)間比例。

圖4為在Pro/e環(huán)境下按照上訴方程式所生成的輪廓軌跡的展開曲線。最后利用軟件中的“環(huán)形折彎”命令將輪廓 線的拉伸體進(jìn)行360°的環(huán)形折彎，圖5為環(huán)形折彎的變化圖，進(jìn)而生成圓柱端面凸輪。

圖4 輪廓軌跡的展開曲線Figure 4 Developed curve of contour

圖5 環(huán)形折彎Figure 5 Ring bending

2.2 脫料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

Pro/e 4.0機(jī)構(gòu)仿真模塊Mechanism具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真功能，這樣可以更加直觀地表達(dá)出二維圖上難以表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)。仿真的結(jié)果可以以動(dòng)畫的形式或者參數(shù)的形式表達(dá)出來，得到零部件的干涉情況，進(jìn)而修改機(jī)構(gòu)中的不合理部分。仿真模塊還可以用伺服電機(jī)來模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)參考點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量分析，測(cè)得諸如速度、位移、加速度、力等一些重要幾何量，然后用曲線圖來表示出這些量，更加直觀清楚的了解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡［1］。

將脫料機(jī)構(gòu)的各零部件按照一定的約束關(guān)系進(jìn)行組合裝配，圖6為Pro/e裝配環(huán)境下的整個(gè)脫料機(jī)構(gòu)。正如圖6中所示，兩端為左右兩個(gè)落料裝置，兩個(gè)端面圓柱凸輪安裝固定在同一個(gè)轉(zhuǎn)軸上，左右脫料桿的頂部與落料管相抵，落料管之間夾著鋁箔卷。鋁箔分卷機(jī)在工作過程中，凸輪軸在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，左右兩個(gè)凸輪同時(shí)帶動(dòng)左右兩脫料桿前后擺動(dòng)，同時(shí)兩脫料桿頂端周期性地與兩落料管相抵，從而完成脫料工作。該機(jī)構(gòu)可以通過改變凸輪的輪廓線進(jìn)而改變落料管的速度和位移，可以通過調(diào)節(jié)兩凸輪在凸輪軸上的相位角，進(jìn)而確保左右兩落料管能夠協(xié)調(diào)工作，最終達(dá)到落料的效果，很大程度地增加了脫料機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和靈活性。

圖6 脫料機(jī)構(gòu)的裝配模型Figure 6 The assembly model of material removing mechanism

在脫料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真中，將銷釘連接的凸輪軸作為伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軸，并在運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置中對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)軸的角速度等參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置。由于暫不考慮作用在脫料機(jī)構(gòu)系統(tǒng)上的受力情況，因此分析類型屬于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析。

2.3 仿真結(jié)果及分析

一些參數(shù)設(shè)置好之后運(yùn)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，在繪圖區(qū)可以看到脫料機(jī)構(gòu)運(yùn)行順利，并沒有出現(xiàn)干涉或者中斷等故障，兩端面圓柱凸輪在凸輪軸的驅(qū)動(dòng)下持續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)，左右脫料桿上的從動(dòng)滾輪隨著凸輪輪廓線的軌跡周期性地?cái)[動(dòng)，帶動(dòng)脫料桿的上端周期性地與左右落料管相抵。

該分卷機(jī)的落料管并不像傳統(tǒng)的落料管那樣左右都向外拉使得鋁箔卷脫落，而是需要滿足左脫料管向里壓，同時(shí)右脫料管向外拉，才能使得鋁箔卷脫落。由于這一結(jié)構(gòu)特殊性的存在，只有滿足左右頂頭的運(yùn)動(dòng)軌跡正好相反，才能保證脫料機(jī)構(gòu)的正常工作，也就是說左凸輪的升程和右凸輪的回程同步，左凸輪的遠(yuǎn)休和右凸輪的近休同步。因此該脫料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的其中一個(gè)重要的作用就是通過驗(yàn)證左右凸輪運(yùn)動(dòng)特性的相符性，進(jìn)而調(diào)整運(yùn)動(dòng)中左右兩凸輪的相互位置關(guān)系，檢查兩頂頭的動(dòng)作協(xié)調(diào)性，最終調(diào)整到所要求的結(jié)果。

由于落料管的運(yùn)動(dòng)軌跡和脫料桿限位板的運(yùn)動(dòng)軌跡是完全一致的，因此定義左右限位板的兩點(diǎn)為測(cè)量參考點(diǎn)。然后對(duì)兩參考點(diǎn)的位移、速度以及加速度進(jìn)行測(cè)量。通過多次調(diào)整左右兩脫料凸輪的相位角，進(jìn)行修正、仿真和再修正的循環(huán)工作，最終得到了如圖7和圖8的理想測(cè)量結(jié)果［6－8］。

由圖7可知，左右脫料管的運(yùn)動(dòng)軌跡正好相反，符合落料管特殊結(jié)構(gòu)的要求，保證了在工作過程中，左落料管向里壓的同時(shí)，右落料管正好向外拉，達(dá)到了預(yù)期的效果。

由圖8可知，在脫料桿與落料管相抵的瞬間和完成脫料的兩個(gè)時(shí)刻，落料管的速度和加速度都為零，完全滿足兩端面圓柱凸輪軌跡線的設(shè)計(jì)要求，即凸輪進(jìn)程和升程的開始結(jié)束處的速度和加速度都為0，這樣整個(gè)工作過程中速度和加速度都是平穩(wěn)地過度，并沒有突變現(xiàn)象的出現(xiàn)，這樣很好地保證了在工作過程中落料管對(duì)鋁箔卷并無沖擊和慣性力。

圖7 位移測(cè)量圖Figure 7 Displacement measurement chart

圖8 左落料管的測(cè)量圖Figure 8 Measurement chart of the left blanking tube

3 結(jié)論

（1）本試驗(yàn)提供了一種新型的脫料機(jī)構(gòu)，用凸輪驅(qū)動(dòng)代替了之前的氣缸驅(qū)動(dòng)，該機(jī)構(gòu)客服了原先的技術(shù)缺陷，新型的凸輪脫料機(jī)構(gòu)傳動(dòng)精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)沖擊較小，很大程度地提高了鋁箔分卷機(jī)工作的穩(wěn)定性，為鋁箔分卷機(jī)的分卷速度的提升奠定了基礎(chǔ)。

（2）在Pro/e環(huán)境下，對(duì)端面圓柱凸輪進(jìn)行了參數(shù)化建模，其輪廓曲線采用特定的多項(xiàng)式曲線來表達(dá)，保證了該凸輪在工作過程中體現(xiàn)出良好的運(yùn)動(dòng)特性。此外，端面圓柱凸輪的數(shù)字化建模，為其后期的數(shù)控加工奠定了基礎(chǔ)［9－11］，從而避免了傳統(tǒng)工藝加工端面圓柱凸輪所帶來的劣勢(shì)。

（3）在Pro/e環(huán)境下利用運(yùn)動(dòng)分析模塊對(duì)脫料機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，不僅清楚直觀地觀察了落料管的位置、速度、加速度等重要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)，而且通過調(diào)整確定了左右兩脫料凸輪的最佳相位角，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，并為后期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。

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