贴标机凸轮齿轮组合机构的研究.docx
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贴标机凸轮齿轮组合机构的研究
贴标机凸轮齿轮组合机构的研究
肖仲湘
摘 要 从机理方面对全自动回转贴标机的关键部件——上胶、取标、送标凸轮—齿轮组合机构进行了分析,得出该机构合理的设计方案,为设计贴标机提供理论依据。
关键词 凸轮 机构 分析 工作曲线 设计 计算机
Abstract Thispaperdealswiththekeycomponentsoftheautomaticlebellingsystem.Itanalysestheprincipleofthecombinationmechanismofthegluingpickingandtransferinglabelcamandgearwheel,gainsthebestschemeofthismechanism.
Keywords Cam Mechanism Analyse Working Curve Design Computer
前 言
高速全自动回转式贴标机的质量问题一直是国内贴标机生产企业的难题,许多企业一直处于引进吸收国外技术进行生产的状态,无法自行开发设计更高产量和更多品种系列的高精度贴标机。
其主要原因是贴标机的关键部件(上胶、取标、送标凸轮—齿轮机构)一直没有得到最合理的设计理论和机构参数,因而严重影响到整个贴标机的开发。
为从根本上解决贴标机质量和开发周期的问题,我公司对此凸轮齿轮机构进行了研究,得出了比较合理的设计方案。
在此基础上,成功地设计并制造出了B.TB18-8-6,B.TB24-8-6,B.TB30-8-6四标贴标机,产量由2.0万瓶/时至5.0万瓶/时,取得了很好的经济效益。
1 贴标机的工作原理
如图1所示,在瓶子进入贴标机后,止瓶星轮打开,瓶子向前移动,经过进瓶螺杆定距后,进入星轮卡位,拨进托瓶台。
此时压瓶头在压瓶凸轮的作用下压住瓶子,到第一标站的贴标位置时,瓶子与夹标转鼓相切。
在进瓶的同时,气缸推动标盒前移,抹胶取标部件的取标板与胶辊对滚上胶后,从标盒上取下一张标纸,再由夹标转鼓的夹子从标板上取下来。
夹标转鼓夹住标纸转到与瓶子相切时,就将标纸贴在瓶子上(顶标、肩标则增加一个推标凸轮及滑块,以补偿瓶口与瓶身直径的差别)。
贴标后,托瓶台转过一定角度后,托瓶盘在公转的同时,顺时针自转90°,瓶子在经过装有毛刷的区域时,标纸便由毛刷刷服。
为使封顶标标纸能由毛刷刷服,托瓶盘在公转通过顶标毛刷区域的同时,多次顺时针和逆时针自转。
当转到第二标站的贴标位置时,瓶子背面与夹标转鼓相切,此时可贴上背标,再经过托瓶盘的自转,由毛刷将背标纸刷服。
在出瓶星轮上方安装一平顶标装置,瓶子经过时,将顶标上部压服。
而后,经出瓶星轮与磨擦带的作用,使瓶子在出瓶时自转,由旋转毛刷滚筒将头标刷服平整。
图1 工作原理示意图
2 上胶、取标、送标凸轮-齿轮组合机构
取标板完成上胶、取标、送标动作是通过凸轮-齿轮组合机构来实现的,如图2所示。
图2 齿轮组合机构
1—取标转毂 2—取标板 3—小齿轮 4—扇形齿轮 5—滚子 6—凸轮
小齿轮3和取标板2被固定在同一根轴上,取标板2随取标转毂1公转。
由于装在扇齿轮4上的滚子5受凸轮6的凸轮槽控制,使得扇齿轮4摆动,扇齿轮4带动小齿轮3、取标板2摆动,完成上胶、取标、送标动作。
根据贴标机托瓶转台转向的不同,贴标机分左-右机和右-左机。
本文只讨论右-左机的情况,并规定所有元件的角度逆时针为正,顺时针为负。
取标转毂转一周,取标板有3个工作过程:
上胶、取标、送标,在3个工作过程之间有3个过渡阶段。
由于取标板的自转是靠凸轮来控制,因此,凸轮曲线应有3个工作曲线段,如图3的ab,cd,ef。
图3 3个工作曲线段
3 上胶过程分析
3.1 上胶段凸轮工作曲线的设计
在上胶段,取标板曲面通过标板转毂公转(即绕圆心O)及标板自转(绕C点转动),而与胶辊相对滚动,把胶水均匀抹到标板面上。
为满足标板与胶辊相对滚动的要求,必须做到以下两点:
(1)取标板曲面与胶辊在任何时刻均相切;
(2)取标板与胶辊接触的点瞬时速度相同(或任意时间内标板面转过的弧长与胶辊滚过的弧长相等)。
下面将对上述两个条件的满足情况及误差作一个分析,以便得出合理的凸轮曲线,如图4所示。
图4 合理的凸轮曲线
O,O1分别为取标转毂和胶辊的中心。
A为标板的曲率中心。
标板的自转中心为C,且C绕圆心O公转。
B为标板上与胶辊相切的点。
当X=O,VB=W1.b时,即完全满足取标板与胶辊纯滚动条件。
在△O1OC中:
(O1C)2=d2+R2-2.d.R.cosα
(1)
∴O1C=(d2+R2-2.d.Rcosα)1/2
又∵R/sinγ=O1C/sinα
∴γ=arcsin(R.sinα/O1C)
∵γ与α反向
∴γ=±arcsin(R.sinα/O1C)
(2)
在△CAO1中:
(O1C)2=(O1A)2+e2-2.O1A.e.cosq (3)
e2=(O1C)2+(O1A)2-2.O1C.O1A.cosγ2
∴γ2=±arccos[(O1C)2+(O1A)2.2.O1C.O1A]/(2.O1A.O1C) (4)
∵γ2与α反向
∴当α为正时γ2取负;α为负时,γ2取正
γ1=γ-γ2 (5)
联合式
(1)、(3)
q=arccos{[(O1A)2+e2-d2-R2+2.d.R.cosα]/(2.O1A.e)} (6)
其中:
O1A=a+b+X
d=a+b+R+X-e
R—取标板公转半径
a—取标板曲率半径
b—胶辊半径
e—取标板偏心距
X为胶辊面与取标板面之间的距离,当X=O时,胶辊面与取标板面相切,X为正表示离开,为负表示干涉。
由于X值十分小,不影响三角函数各公式的应用。
取标转毂O和胶辊O1之间的传动比为:
I=q1/α
其中:
ZO、Z1分别为取标转毂O、胶辊O1的齿轮齿数,齿轮O转角为α时对应齿轮O1转角为q1
则标板与胶辊滚过的标板弧长为:
S1=q.α (7)
胶辊与标板滚过的胶辊弧长为:
S2=(q1-γ1).b (8)
标板与胶辊相对滑动的距离:
△S=S1-S2 (9)
由上面各式可以看出,在给定数值R、a、b、e以后,△S为α与X的函数:
取X=O,即为取标板始终与胶辊相切;
取△S=O,可以求出X与α的函数表达式,此时取标板与胶辊无相对滑动。
标板与胶辊最理想的运行状况是纯滚动,即X=O,同时△S=O。
从上面的分析结果中可以看出,要完全满足这两个条件是不可能的,因此,必须确定一个最佳的方案来达到取胶的要求。
从取标板及胶辊的结构来分析:
取标板取胶面为天然橡胶,橡胶硬度为HS65°,厚度为5~7mm,取胶面有槽,槽深约1mm。
胶辊为不锈钢结构,外表面抛光,取标板与胶辊对滚后胶水藏于取标板的槽中。
在标板取胶后继续转动的过程中,胶水流出槽底而达到取标板表面。
因此,胶辊与取标板之间允许存在少量的滑动及干涉,因此少量的干涉可以由橡胶的柔性来补偿,适当范围内的相对滑动亦不会引起取标板及胶辊的损害。
但是上述两个数值都存在一个极值,超过这个极值则很容易损坏取标板、胶辊和传动系统。
因此,合理的方案是把相对滑动值△S和干涉值X都保持在一个限值范围之内,此限值由经验及实验数据给出。
3.2 标板的自转角度
在上胶过程中,标板除公转外,还绕C点自转,设标板的自转角度为θ(见图5)。
图5 取标过程中的两个运动位置
在△OAO1中和△OCA中,根据余弦定理有:
d2+(O1A)2-2.d.O1A.cosγ1=R2+e2-2.R.e.cosθ
∴θ=arccos{[R2+e2+2.d.O1A.cosγ1-d2-O1A]/(2.R.e)} (10)
∵θ与α方向一致
∴α为正时,θ取正;α为负时,θ取负
θ是γ1的函数,由式
(1)、
(2)、(3)、(4)知γ1是α的函数,因此θ为α的函数,对上胶过程中的任意位置α可以通过式(10)求得满足上胶要求的标板自转角θ。
4 取标过程分析
4.1 运动分析
取标过程是已抹上胶水的取标板与标纸对滚,将标签从标签盒里取出,粘在标板上。
它要求取标板圆弧面在摆动过程中所形成的包络面为一平面。
与标签纸平面贴合,并且在贴合过程中无相对滑动。
取标过程中的两个运动位置,选取坐标系如图5所示。
标板在Y方向的最高点是标签被粘段与未粘段的分界点,设标板从位置I运动到位置Ⅱ,分界点从B1移动到B2,这时标板与标签接触的弧长为ψ*a,标签的被粘长度为B2的X坐标值。
XB2=XA2=-R.SINα-e.SINψ
标板所摆过的弧长ψ.a必须等于标签被粘的长度,因此有:
ψ.a=R.SINα+e.SINψ (11)
分界点B在取标过程中,除在X方向移动之外,在Y方向也有移动:
YB2=a+R.cosα-e.cosψ
YB2=a+R-e
△Y=YB1-YB2
∴△Y=R.(cosα-1)+e.(1-cosψ) (12)
与取胶过程相似,要同时满足标板与标纸之间无滑动及平面包络线是不可能的,由于标签盒与标板之间的安装距离可以调整,标签盒的另一端有弹簧机构顶住标签,标签可在一定范围内前后移动,所以只要当|△ymax|不超过一定的值,即可以实现粘标。
4.2 标板的自转角度
由图6所示知:
θ=ψ-α
代入式(11)式得:
(θ+α).a=R.sinα+e.sin(θ+α) (13)
对任意位置α,解超越方程(13)即可求得对应的标板自转角度θ。
5 送标过程分析
标板从标签盒取下标签后,转至送标位置。
此时,与之同步的夹标转毂上的夹标机构从标板上取下标签。
为了实现平稳送标,要求标签从标板上掀下来的角度必须从小到大变化,变化要尽量均匀,且角度最大值不超过75°。
如图6所示,取标板在取标转毂的带动下转动,当标板上点B转到与夹标转毂E相切时,夹子开始夹住标纸取标。
在此之前,标板不自转,其自转角度为一定值θO,设定OB的距离为L。
在△ACB中,∠BAC=W/(2a)
BC2=e2+a2+2.a.e.cos∠BAC
∴BC={e2+a2-2.a.e.cos[w/(2a)]}1/2
又a/sin(π-λ2)=BC/sin∠BAC
∴λ2=arcsin{a.sin[w/(2a)]/BC}
在△OBC中:
L2=R2+BC2-2.R.BC.cos(π-λ1)
∴λ1=arccos[(L2-R2-BC2)/(2.R.BC)]
∴θO=-(λ2-λ1)=-arcsin[a.sin(w/2a)/BC]+arccos[L2-R2-BC2]/(2.R.BC)] (14)
为实现送标,此时B点的速度VB须与夹子的速度VE相等
∴W.L=W2L2 (15)
图6 标板自转角度
∵L2=D-L (16)
令:
i=W/W2
∴L=D/(1+i)
其中:
D—取标转毂中心O与夹标转毂中心O2的距离
W2—夹标转毂的角速度
i—取标转毂与夹标转毂的传动比
根据传动条件有:
β=α/i (17)
在直角△O2ED中:
DE=L2.tgβ (18)
O2D=(L22+DE2)1/2 (19)
设标板总弧长为2S,则弧长的一半为S
σ=S/a (20)
要使标签纸在剥落时与取标板无相对滑动,则在任何时间范围内剥下的标纸,长度必须与已剥落标纸的标板弧长相等。
即:
a.∠BAD=DE
则:
∠BAD=DE/a (21)
∠DAC=∠BAD-σ
在△ACD中:
CD2=a2+e2-2.a.e.cos∠DAC
又:
CD/sin∠DAC=e/sin∠ADC
∴∠ADC=arcsin[(e.sin∠DAC)/CD] (22)
又:
θ1=∠DAC+∠ADC (23)
θ=θO+θ1 (24)
在给定参数R、e、a、W、i之后,由式(14)至(24)可以确立θ为α的函数。
6 上胶取标送标凸轮曲线
6.1 工作段曲线
上胶、取标、送标过程的实现最后都归于对标板自转角θ的要求。
标板的自转是通过凸轮—齿轮机构来实现的。
齿轮机构只是改变了机构的传动比,而传动比可以认为是一个常数,因此,凸轮曲线必须使标板产生相应的自转角θ。
如图4所示,扇形齿轮上的滚子轴心线G在扇齿轮的角平分线上。
设:
当标板无自转,即θ=O时,轴心G在连心线CF上。
根据齿轮的传动原理有:
ψ.g=-θ.f
∴ψ=-f.θ/g
其中:
f—小齿轮的分度圆半径
g—扇开齿轮的分度圆半径
又:
ε1=arcCOS[(f+g)/(2.R)]
在△FOG中:
ρ2=h2+R2-2.h.R.cos(φ+ε1)
∴ρ=[h2+R2-2.h.R.cos(φ+ε1)]1/2 (25)
其中:
h—滚子轴心P距扇齿轮转动中心B的距离
β=t+∠AOP
而:
∠COG=180°-2ε1-ε2
又:
h/SINε2=ρ/SIN(ε1+φ)
∴ε2=arcSIN[h.SIN(ε1+φ)/ρ]
∴β=180°+t-2ε1-ε2 (26)
式(25)、(26)即为上胶、取标、送标凸轮工作段曲线的方程式。
6.2 过渡段曲线
为使整个上胶取标送标凸轮—齿轮组合机构具有较好的动力性能,过渡段曲线取从动件(取标板)的转角为正弦加速度曲线来进行设计,可以保证其一阶、二阶导数均连续。
曲线的具体计算较为简单,这里不再赘述。
7 凸轮的计算机辅助设计
从前面的分析可以看出,标板的运动不仅受本机构参数的影响,其他相关机构参数对其也有约束。
它们对取标板的作用是综合性的,各参数的合理组合和选取对标板能否完成上胶、取标、送标动作非常重要,因此,凸轮机构的设计和相关参数的选取用计算机辅助设计的方法来进行,以便进行多次运算,对参数进行优化。
图7 凸轮轮廓曲线设计框图
凸轮轮廓曲线设计框图如图7所示。
作者简介 肖仲湘,男,33岁,工程师,从事轻工机械的机理研究及新产品开发,完成过3.4万瓶/时全自动贴标机等国内空缺项目的设计。
已发表文章3篇。
肖仲湘(广东轻工业机械集团有限公司广州 510288)
(收稿日期:
1999-09-28)
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