一種新型平壓平模切機的動平臺驅動機構

韓雪+王佳琪+魯楠

摘 要：凸輪傳動機構有許多優點，只需要設計出合適的凸輪輪廓線便可用簡單、緊湊的就夠實現復雜的首周期性運動。目前，絕大部分機械設備中都會使用凸輪機構。鑒于凸輪的諸多優點，本文提出了凸輪傳動機構，用于實現模切機動平臺的驅動，通過建立適當的數學模型，結合MATLAB軟件仿真出凸輪的輪廓線，并用Soildworks軟件進行凸輪建模仿真，得到了用于模切機動平臺驅動的可靠的凸輪機構。

關鍵詞：模切機；動平臺；凸輪機構

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.037

模切機的應用大大提高了印后包裝的效率。然而，由于現有模切機常用的曲軸驅動雙肘桿機構本身具有一定的缺陷，其動平臺的行程無法進一步縮短，模切機的速度也達到了一個瓶頸，不能得到進一步的提高。隨著中國制造2025概念的提出及印后生產效率提高的迫切需要，模切機與印刷機、糊盒機等的連線成為了趨勢，想要實現這種連線，必須提高模切機的生產速度。而凸輪機構驅動的模切機可以大大縮短動平臺的運動距離，進而大大提高模切機的生產速度。本文設計了一種用于模切機動平臺驅動系統的共軛凸輪機構，打破了傳統機構對模切機速度的限制，為提高模切機的生產速度提供了可能。

1 凸輪驅動模切機動平臺機構的結構設計

現有模切機常用的曲軸驅動雙肘桿機構本身具有一定的缺陷，其動平臺的運動起伏和擺動都太大，行程無法進一步縮短，模切周期長，模切速度難以提高。如果改為凸輪驅動雙肘桿機構驅動模切機的動平臺，可以大大減小動平臺的起伏和擺動幅度，改善動平臺的運動軌跡，縮小動平臺的行程，從而大大提高模切機的速度。由于模切機動平臺的質量較大，慣性較大，高速情況下，動平臺下降的過程若依靠自重會非常不穩定，因此需要用一對共軛凸輪分別驅動模切機的雙肘桿機構實現動平臺的上升與下降的過程。

在共軛凸輪驅動動平臺的機構中，凸輪安裝在凸輪軸上，凸輪軸由電機帶動并安裝在原有的曲柄處，在該共軛系統中兩個共軛凸輪與其從動滾子及相關結構組成了形封閉的結構，保證了動平臺上下往復運動的穩定性。

相對于傳統的彈簧等形式的力鎖合機構，高速運動時，共軛凸輪機構在不對模切機的動平臺施加額外載荷的情況下，可以保證從同滾子時刻貼在凸輪上，使動平臺的運動平穩可靠。這種機構在滿足動平臺的運動要求的同時，消除了機構的額外負載，提高了動平臺運動的穩定性。

2 共軛凸輪機構中主凸輪的設計

該共軛凸輪機構中的雙肘做往復擺動運動，因此，可以使用滾子擺動凸輪機構。并采用三共軛凸輪組成形封閉結構，保證凸輪在高速運動時，從同滾子時刻貼在凸輪上，使動平臺的運動平穩可靠。

2.1 從動件運動規律的選擇

凸輪的從動件的運動規律如果不合適，或者凸輪從動件的運動規律存在速度、加速度的突然變化，一些在低速運動時不明顯的剛性沖擊或柔性沖擊在高速運動時對從動件運動的影響就不可忽視了。在不同的工況下，應根據實際情況選擇合適的從動件運動規律。凸輪從動件在運動時，其慣性力正比于，而驅模切機的共軛凸輪屬于高速重載凸輪，因此，在選擇該凸輪從動件的運動規律時，越小越好。一般情況下，最大速度不會與最大加速度出現在同一時間。綜合上述情況考慮，凸輪從動件的推程運動曲線優先選擇改進的正選加速度曲線，凸輪從動件的回程運動曲線可以選擇正弦加速度曲線。

由于模切機的膜切原理是將模切刀版安裝在動平臺的下平面上，動平臺做上下往復運動，動平臺從最低點上升至最高點與刀版合壓，然后從最高點下降到最低點完成一個運動循環，由于曲柄連桿機構的特點，傳統模切機的動平臺在運動的過程中沒有停止的時刻，根據上述特點，設計共軛凸輪時，可以優先考慮動平臺的位置，然后再考慮動平臺的升程和回程的運動過程。

2.2 凸輪基圓半徑的確定

對于凸輪機構，在一般情況下，凸輪的輪廓上各個點對應的壓力角是不一樣的。凸輪機構的傳遞效率、改善機構的運動情況、改善各部件的使用壽命，設計凸輪時必須保證為保證壓力角最大值。

影響凸輪與滾子之間壓力角的因素主要有凸輪基圓半徑、從動滾子的直徑和從動件的運動規律，確定這些參數之后，便可得到壓力角的范圍并進行驗證。

通過MATLAB編程軟件可以得到兩個凸輪的壓力角在給定的運動規律下的變化范圍，并可驗證出設計中凸輪的最大壓力角在許用范圍之內。

3 小結

本文設計了一種用于平壓平模切機動平臺驅動的新型共軛凸輪機構，可代替傳統模切機的曲柄雙肘機構，使模切機的模切速度得到大幅提高。本文對該共軛凸輪機構進行了結構特性分析；和設計計算。首先確定凸輪從動件的運動規律，然后通過建立數學模型和計算機輔助設計對凸輪曲率半徑、壓力角等相關參數進行了驗證，最后通過MATLAB對凸輪輪廓線進行仿真計算，得到共軛凸輪的輪廓線，為相關的設計提供了思路和參考。

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基金項目：科技創新服務能力建設-提升計劃項目-折疊紙盒的可變信息編碼與質量檢測系統產業化（市級） 編號：TJSHG201510015011。endprint