双层滚子圆柱分度凸轮在平压模切机中的应用分析

梁金生，畅博伦，林 希

（1.陕西科技大学，陕西 西安 710021；2.陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000）

引言

随模切机属于典型的印后设备，在包装印刷行业中应用广泛[1]。我国模切机的技术水平与国外相比仍存在较大差距，提高我国模切机的技术水平已成为亟待解决的问题。从目前国内外包装行业来看，平压模切机的应用最为广泛。国产平压模切机在高速工作时，模切精度大幅度下降，并伴有大量噪声，机器磨损非常严重[2]。为解决以上问题，使此类机器向高速、高精度、高稳定性的方向发展，分度凸轮机构已开始将其用于包装机械。但平行分度凸轮分度数小；而弧面分度凸轮机构装配精度要求高、成本高；普通圆柱分度凸轮机构虽然成本低，且可以实现大的分度数，但是工作时会出现横越冲击，而产生的较大的冲击、振动，使其无法满足高速运动的要求。

1 双层滚子圆柱凸轮机构的设计原理

1.1 横越冲击

凸轮从动件在加速度反向的瞬间，其加速度为零，从动件的工作速度达到最大，此时从动件靠惯性以此速度运动，这使得从动件滚子离开接触的凸轮廓面，飞越轮槽间隙，与轮槽另一侧廓面发生碰撞，产生横越冲击[3]。横越冲击会引起冲击振动，从而造成动载荷加大、工作平稳性和运动精度变差等问题，这也是造成圆柱分度凸轮机构极限转速低、运动精度差的主要原因，因此有必要研究消除横越冲击的办法[4，5]。

1.2 双层滚子尺寸的圆柱凸轮机构

前面提到，形成横越冲击的主要原因是在滚子与凸轮两侧廓面不能同时接触，以避免过度磨损。为保证在正常工作情况下，圆柱分度凸轮机构的滚子始终与驱动廓面保持接触，以达到消除横越冲击的目的，本研究提出一种具有冗余结构的圆柱分度凸轮机构，即双层滚子圆柱分度凸轮机构。在这种引入冗余结构的圆柱分度凸轮机构中，双层滚子圆柱分度凸轮的轮槽有内外两层，从动盘销轴上相应有内外两层滚子，两层滚子分别与凸轮两层轮廓的异侧廓面接触并压紧，形成冗余接触。这种冗余凸轮机构的内层滚子被对应轮槽廓面推动，实现从动盘转动，起驱动作用。外层滚子相当于弹簧，通过滚子的接触变形和销轴的弯曲变形，通过冗余接触，保证驱动滚子与轮槽的一侧廓面始终保持压紧，不会出现分离现象，即在理论上能避免横越冲击，保证凸轮机构的运动平稳性。

2 圆柱分度凸轮机构运动特性实验及数据分析

2.1 机构运动特性实验

由于前面提到的原因，圆柱凸轮机构工作转速不能过高，通常不超过600 r/min，为验证双层滚子圆柱分度凸轮在高速运动下对冲击的减小和从动件分度盘运动平稳性的提高，实验选择在同样的工作条件下，将凸轮分别按照400 r/min、600 r/min和800 r/min 的转速运动，通过固定在轴端的编码器测定输出轴角位移，并依次对两种分度凸轮机构输出的角位移数据进行采集并滤波、分析双层滚子圆柱凸轮机构在高速运动时对分度盘工作平稳性的影响情况。圆柱分度凸轮机构的从动盘采用分度机构中常用的修正正弦运动规律，机构的主要运动参数为：分度数为12，分度盘转位角30°，凸轮的分度角270°。

2.2 圆柱分度凸轮机构运动特性实验分析

将普通圆柱分度凸轮机构作为分度装置，通过实验用编码器采集从动盘轴的角位移数据并经过滤波后导出，用Origin绘制从动盘角位移线图，并对时间求一阶导和二阶导，绘制出普通圆柱分度凸轮机构从动盘的角速度和角加速度线图。不同工作速度时的从动盘运动线图见图1。

从图1 可以看出：（1） 在从动盘加速度由正变为负的反号瞬间，凸轮机构分度盘角速度线图上存在明显突变，即出现横越冲击，会导致机器运动时产生很大的冲击、振动和噪声，这严重影响了机构的运动平稳性和工作精度。（2） 圆柱分度凸轮机构在400 r/min 工作时，由横越冲击引起的加速度变化甚至超过了整个加速度的变化幅值，这表明横越冲击引起的动载荷是影响机构运动平稳性的主要因素。（3） 圆柱分度凸轮机构在800 r/min 工作时，分度盘的加速度曲线波动更为剧烈，加之横越冲击的影响，使得圆柱分度凸轮机构不适合在很高的转速场合下工作。

图1 圆柱分度凸轮机构分度盘运动线图

2.3 双层滚子圆柱分度凸轮机构分度盘运动特性实验分析

将前面实验中的普通圆柱分度凸轮机构更换为双层滚子圆柱分度凸轮机构，重复进行上述实验及数据处理过程，绘制出不同工作转速下，双层滚子圆柱分度凸轮机构分度盘的运动线图，见图2。

从图2 可以看出：（1） 在从动盘加速度由正变为负的反号瞬间，凸轮机构从动盘的角速度没有明显突变，从而保证从动盘的角加速度曲线没有剧烈突变，即这种双层滚子圆柱分度凸轮机构消除了横越冲击，减小了机构工作中的冲击和振动。（2） 与图1 相比，图2 的分度盘角加速度曲线局部波动小，相对平滑，这充分表明了这种具有冗余结构的双层滚子圆柱分度凸轮机构能提高机构在高速场合下的运动平稳性和传动精度。

2.4 分度盘加速度突变情况数据分析分析

为准确分析双层滚子这种冗余结构对圆柱分度凸轮机构分度盘运动平稳性的改善，则还需要将不同实验条件下采集到的数据跟理论计算值进行对比分析。根据机构工作参数，得到理论上凸轮机构分度盘的最大角加速度的数值，作为标准参数进行。

对图1 进行观察，动盘运动图线形态符合修正正弦运动规律的形态，角加速度线图中的突变情况既能直观反映出运动速度的变化，又能有效的反映出惯性力的变化情况。

相对于理论上加速度曲线光滑连续，由于加工误差、安装误差，以及弹性变形的影响，造成真实工作状态下的运动曲线并不如理论曲线般光滑，为了分析运动平稳性的问题，就需要研究角加速度的突变情况。分度凸轮机构从动盘角加速度变大的上升阶段时下降部分的角加速度变化和下降阶段时角加速度上升部分的角加速度变化作为从动盘角加速度突变量进行研究和分析。

通过观察图1、图2，对比并寻找最大差值的分度盘角加速度突变段，通过软件显示并计算两端点坐标数据的差，作为分度盘运动过程中的角加速度突变的最大值，将双层滚子圆柱分度凸轮机构运动试验中的最大角加速度突变值，分别与普通圆柱分度凸轮机构从动盘的理论角加速度总变化量、实验中得到的普通圆柱分度凸轮机构从动盘的角加速度突变的最大值进行比较，了解不同情况下角加速度变化情况对比情况，作为判断冗余机构引入对冲击振动的减小及运动平稳性提高的依据。

图2 双层滚子圆柱分度凸轮机构从动盘运动线图

将得到的数据列表，见表1。

表1 分度盘角加速度突变情况对比

从表1 可以看出：

（1） 普通圆柱分度凸轮机构分度盘角加速度突变值很大，其值为角加速度理论总幅值的135%，这表明了横越冲击对圆柱分度凸轮机构的运动平稳性产生了巨大的影响。

（2） 双层滚子圆柱分度凸轮机构从动盘角加速度最大突变值最大不超过横越冲击引起的角加速度突变值的13.01%，表明这种具有冗余结构的圆柱分度凸轮机构能极大提高运动平稳性。

（3）双层滚子圆柱分度凸轮机构即使在800 r/min时的从动盘角加速度突变值仅为普通圆柱分度凸轮机构在400 r/min 时从动盘实际角加速度突变值的38.38%，这足以证明，双层滚子圆柱分度凸轮机构在高速工作时有更加良好的运动特性。

3 结论

针对平压模切机中间歇运动机构不能很好地适应高速、平稳运动的问题，提出了一种基于冗余结构的双层滚子圆柱分度凸轮机构，该机构利用两层滚子分别与圆柱凸轮轮廓的异侧廓面压紧，从而能避免横越冲击出现，通过实验及数据对比分析可以看出，该机构可以在更高的速度下保持良好的运动特性。