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提高全自动平压平模切机清废机构精度的设计研究 摘要 随着包装印刷业的快速发展，全自动平压平模切机作为印后加工的主要设备 其工作效率和加工精度也越来越受到重视。本文以天津长荣印刷包装设备有限公 司的主要模切机机型为目标对象，对该机型的清废机构进行分析，提出相应改进 意见，为提升机器的整体效率奠定基础，也为同类研究探索道路。 通过对清废机构的主动力和执行动力以及其它影响因素进行计算、分析，提 出改进方法，主要涉及到以下几个方面： 凸轮曲线函数进行拟合分析。依靠拉格朗日数学公式对清废机构整体动力学 分析，寻找机械改进的要点，后利用五次多项式函数重新拟合凸轮曲线，使曲线 顺滑过渡。 四杆机构之间的杆长及配合分析。具体分析四杆机构中各杆长误差和运动副 间隙对机构运动位移误差的影响，得出在装配过程中应该使用窄公差带。 加工材料本身平稳性分析。主要分析了牙排传动链和后靠规定位对工作稳定 性的影响，得出对链传动机构和槽凸轮加工曲线进行修正设计构想和方法。 改进清废框的运动约束条件和清废版的加工工艺。利用m a t l a b 软件对数据 进行计算绘图。通过数值分析比较，证明了改进后的凸轮，四杆机构以及加工材 料的平稳性有很大的提高，可以保证清废机构的高速度运行和高精度加工。 关键词：模切机；清废机构；凸轮；平稳性；精度 4 s t u d yo nd e s i g nb yi m p r o v i n g t h ep r e c i s i o no ff u l l a u t of l a t p l a n i s h e dd i ec u t t i n gm a c h i n e ss c r a p e c l e a r e r a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ep a c k i n g p r i n ti n d u s t r y , f u l l y - a u t of l a tp l a n i s h e d d i ec u t t i n gm a c h i n e sw o r k i n g e f f i c i e n c ya n dm a c h i n i n gp r e c i s i o nh a v eb e e na t t a c h e d m o r ea n dm o r ei m p o r t a n c ea sm a i ne q u i p m e n ti nt h em a c h i n i n ga f t e rp r i n ti n d u s t r y t h i st h e s i sb a s e so nt h ed i ec u t t i n gm a c h i n ef r o mt i a n ji n gc h a n g r o n gp r i n t i n g m a c h i n e r yc o 1 t d i tm a k e sad e t a i l e da n a l y s i so ft h ew h o l es c r a p e - c l e a r i n ga n d o f f e r st h er e l a t i v ei m p r o v i n gs u g g e s t i o n st oa m e l i o r a t et h ew h o l ee f f i c i e n c ya n dt o d i s c o v e raw a yf o rs i m i l a rr e s e a r c h t h et h e s i sc a l c u l a t e s ，a n a l y z e sa n dt h e no f f e ra m e l i o r a t i n gw a y st ot h em a i n p o w e ra n de x e c u t i n gp o w e ro fs c r a p e c l e a r i n g m a c h i n e i tc o m e sd o w nt ot h e f o l l o w i n ga s p e c t s 1 ) m a k ei n t e g r a t e d a n a l y s i so ft h ec a m sc u r v i n gf u n c t i o n a c c o r d i n gt ot h e l a n g u a g e sw h o l ed y n a m i c sf o r m u l a ，l o o kf o rt h ei m p o r t a n tp o i n t so fm e c h a n i c a l a m e l i o r a t i o n ；t h e nu s eq u i n t i cm u l t i n o m i a lf u n c t i o nt or e h a n d l et h ec u r v e so ft h ec a m w h i c hc a nm a k et h ec u r v et r a n s i t i o ns m o o t h 2 ) a n a l y z et h el e n g t h a n dc o o p e r a t i o na m o n g s c r a p e c l e a r e r sf o u rp o l e s o r g a n i z a t i o n a n a l y z ed e f i n i t e l yt h el e n g t he r r o ro fe a c hp o l ei nt h ef o u rp o l e s o r g a n i z a t i o na n dm o t i o nv i c ec l e a r e n c e se f f e c t s o nm a c h i n e sd i s p l a c e m e n te r r o r , w h i c he l i c i t st h a tn a r r o wt o l e r a n c es t r i ps h o u l db eu s e di nt h ep r o c e s so fa s s e m b l y 3 、a n a l y z et h es t a b i l i t yo fm a c h i n i n gm a t e r i a li t s e l f a n a l y z em o s t l yt h ee f f e c t s o ft h ed i ec u t t i n g st e e t hm o v e m e n t ss t a b i l i t yo ns c r a p e c l e a r i n g sp r e c i s i o na n do f f e r t om a k eac o r r e c td e s i g na n dm e t h o do ft h ep r o c e s s i n gc u r v eo nc h a i nm a c h i n ea n d g r o o v ec a m 4 、i m p r o v et h em o v er e s t r i c t i o n so fs c r a p e c l e a r i n g sf r a m ea n dt h ep r o c e s s i n g a r t sa n dc r a f t so fs c r a p e c l e a r e r sp r i n t i n gp l a t e u s em a t l a bs o f t w a r et oc a l c u l a t ea n d d r a wt h ed a t a b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ed a t a ，i tp r o v e st h a tt h ei m p r o v e dc a m ， f o u r - p o l e sm a c h i n ea n dp r o c e s s i n gm a t e r i a lh a v eb e t t e rs t a b i l i t yt h a nb e f o r e ，w h i c h c a ng u a r a n t e et h es c r a p e c l e a r e r sh i 曲s p e e dr u n n i n ga n dh i g hd e g r e eo fa c c u r a c y k e y w o r d s ：d i ec u t t i n gm a c h i n e ；s c r a p e c l e a r e r ；c a m ；s t a b i l i t y ；p r e c i s i o n 图i - i 图2 - 1 图2 - 2 a 图2 2 b 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 一1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 一1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 一1 9 图2 - 2 0 图2 2 1 图2 2 2 图2 2 3 图2 - 2 4 图2 2 5 图2 2 6 图2 - 2 7 图2 2 8 图2 - 2 9 图2 3 0 图2 3 1 插图清单 自动清废机构示意图2 全自动模切机示意图5 实物照片6 输纸部分简图6 输纸台二6 模切压痕简图oo 7 压痕原理简图7 清废部分8 清废机构简图p i o id 8 清废工作原理简图8 清废工作原理示意图8 收料部分9 凸轮示意图1 0 压力角示意图1 2 凸轮和摆杆配合示意图1 3 基于轮廓复制反求法中的极径求解图1 3 上框机构简图1 5 分环1 1 6 分环2 1 6 分环3 1 8 分环4 1 9 弹簧与机构的几何关系图2 0 分环5 2 0 摆杆转角范围示意图2 1 摆杆速度范围示意图2 1 摆杆加速度范围示意图2 2 上框连杆夹角a 2 范围示意图2 3 上框位移示意图2 3 动力学逆向求解顺序图2 4 上框动力学a 环2 5 上框动力学b 环2 6 上框动力学c 环2 7 上框动力学d 环2 8 9 图2 - 3 2 图2 - 3 3 图2 - 3 4 图2 - 3 5 图2 3 6 图3 - i 图 图 图 图 图3 - 6 图3 - 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 - 1 0 图3 - i 1 图3 - 1 2 图3 - 1 3 图3 - 1 4 图3 - 1 5 图3 - 1 6 图4 - i 图4 - 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 5 图4 - 6 图4 - 7 图4 8 图4 - 9 图4 - 1 0 力矩m 3 示意图2 9 力矩m 2 示意图3 0 扭矩m l 示意图3 0 力矩m 示意图3 1 摆杆受力示意图3 1 有效连接模型3 4 仅考虑杆长误差的随机性图3 7 仅考虑铰链间隙误差的随机性3 7 同时考虑杆长和间隙误差的随机性3 7 仅改变杆长均值图3 8 仅改变杆长方差3 8 仅改变间隙方差图3 9 改变前机构的可靠度曲线图3 9 链条速度分析示意图4 0 过渡导轨位置示意图4 2 水平方向运动规律图4 4 垂直平方向运动规律图4 4 模切机结构简图4 5 后靠规工作原理图! 4 5 后靠规定位机构4 5 周期比对余振阶段最大振幅的影响效果图4 7 修整后的凸轮加速度曲线示意图5 0 修整后的凸轮速度曲线示意图5 l 改进后的上框示意图5 1 上清废版5 2 下顶针清废挂杆5 2 阴模胶合板5 3 局部误差修正计算图5 4 修正后的理论轮廓图5 6 修正结果图5 6 最大动态位移偏差5 6 1 0 表格清单 表1 概率分布3 4 表2 四杆机构运动精度可靠性3 8 表3 典型的工作转速n 与定位误差y 之间的关系4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特, g l j 力n 以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金罂兰些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：徘肇字日期：谚年舌月f 日 ，学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月壁王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 月里王些态堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者龋历蹴比 签字目期：6 占年月，日 3 导师签名： 签字啉呀年；月r 日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在尊敬的导师王勇副教授和杜万全高级工程师们的悉心指导和关 怀下完成的。从课题的确定、实施到论文的完成，几位老师都给予了莫大的关注 和指导，使我在课题的研究中学习到了很多专业知识和科研方法，两位老师渊博 的学识、严谨的治学态度及平易近人的作风使我受益非浅。在此，对导师们表示 由衷的感谢! 感谢合肥工业大学机械与汽车学院的各位老师的支持和帮助，特别是黄康教 授的无微不至的关心和帮助，另外还要感谢各位学友的大力协助，特别是天津长 荣印刷包装有限公司的谢西前先生和海德堡( 中国) 有限公司的田斌先生的帮助， 在此致以诚挚的谢意。 衷心地感谢我的家人，是他们使我感受到了无尽的关怀，在我整个学习工作 中，使我能全身心的投入到学习和研究工作中，顺利完成了学业。 最后，向所有关心、爱护、理解支持我的老师、同学、同事及亲人们表示感 谢1 6 悔敲比 第一章绪论 随着经济的发展和人们物质生活水平的不断提高，人们对印刷品的品质要求 也越来越高。传统的加工企业重视印刷品内在品质而忽略外表质量，而且这种传 统产品已经不具备竞争力，只有醒目独特的外观产品才会在第一时间给顾客留下 深刻的印象。模切机主要用于纸品包装装潢工业中的商标、纸盒、贺卡等的模切、 压痕和冷压凸作业，是印后包装加工成型的重要设备，其工作原理就是利用钢刀、 钢线( 或钢板雕刻成的模版) ，通过压印版施加一定的压力，将印品或纸板轧切 成一定形状f l l 。这种加工对包装装潢印品的最终质量和效果起着关键性作用，不 仅能极大地提高印品的艺术效果，而且可以赋予印品新的功能，因此它的使用也 就成为了印品增值和促销的重要手段之一。从目前国内外包装装潢市场来看，全 自动模切机的应用最为广泛。全自动模切机按功能可以分为：模切机、模切清废 机、模切烫金机和模切清废烫金机，主要应用于纸盒、纸箱或商标等印刷品的模 切、压痕、压凹凸及烫金或烫全息工艺过程。它是印刷包装行业中重要的表面整 饰加工设备，它的使用既可以提升产品的品质，提高产品的附加价值，又能满足 快速高效灵活多变的市场需求，同时高速度、高精度、高效率的模切机也越来越 受到包装加工企业的青睐。 1 1 全自动平压平模切机的发展现状及趋势 全自动平压平模切机是目前产量最大、应用最广泛的机型。国内的有上海亚 华、唐山玉印、北人集团公司、河南新机集团、北京胜利伟业印刷机械有限公司 等生产厂家；国外有瑞士b o b s t 、德国i m g 、日本a s a h i 、美国标准纸盒机械 公司、西班牙i b e r i c a 、韩国y o u n g s h i n 机械有限公司、日本i i j i m a 以及海德 堡等生产厂家。全自动平压平模切机可以用于各种类型的模切，既能人工续纸半 自动模切，也能全自动高速联动模切；既能模切瓦楞纸板、卡纸、不干胶，又能 模切橡胶、海绵、金属板材等。 当前国外自动平压平模切机的工作速度普遍在7 5 0 0 9 0 0 0 张d , 时，在 2 0 0 4 d r u p a 展览会上，瑞士b o b s t 公司生产的s p i 洲t e r a l 0 6 p e r 全自动清 废模切系统生产速达1 2 0 0 0 张d , 时，无侧规、前规的套准装置成为全球独一无 二的模切机。与此相比较，我国生产的自动平压平模切机工作速度较低，一般只 有5 5 0 0 一一8 0 0 0 张时。从模切精度上讲，国外自动平压平模切机的模切精度通常 可以控制在0 1 r n m 左右，国产自动平压平模切机的模切精度绝大多数在 0 1 5 m m , - - , 0 2 m m 范围内，只有少量机型达到0 1 r a m 的模切精度，还有国产自动 平压平模切机当工作速度较高时，模切精度和效率将会下降。 当全世界都把包装当作+ 种战略营销工具的时候，产品的差异性就显得至关 重要。无论是必须满足特定性能要求的包装盒型设计，还是超市货架上的纸盒包 装，模切工艺的重要性可与图形设计或者印刷质量相比拟。随着交货时间的缩短， 特别是成熟市场越发趋向于短版活，许多纸盒生产商都将他们的注意力集中在如 何缩短模切准备时间 二，尤其是对于一些重复性的工作。 由上面分析可知，如何解决模切机的速度和精度的矛盾，使产品向高速化、 高精度化、稳定化发展是我国自动平压平模切机设计制造需要攻关的课题，所以 对机器的加工精度的研究也显的越来越重要。 1 2 全自动平压平模切机的清废机构 我们通常将模切成型后不要的碎片或挂连的纸片称为尾料。糊盒或填充立体 成型时都必须将这些尾料从盒片| ：分离，才能进行后序的加工。清除尾料的方法 大部分公司多采用手i ：，通过简单的辅助工具进行敲落，这种方法效率比较低， 而且对复杂的盒型很难保证质量。随着盒型的结构越来越复杂，立体外观成型消 费者关注的越来越多，所以必须用新的技术来取代传统的加工技术。目前市场上 推广的技术就是在原有模切机器后面增加一个清废部分，通过机器来完成盒片上 的尾料清除，也就是模切机的自动清废部分。 自动清废就是模切后的卡纸通过咬纸牙拖到清废部位，并静放到平台上，同 时对应尾料部分的上下清废装置在凸轮的驱动下向纸张靠拢加紧，并使其一起向 下运动，从而让尾料的碎片从卡纸平面脱离，然后清废装置松开，让尾料自由下 落最终达到分离实现自动清废【1 1 4 0 l ( 如图1 1 所示) ： 图1 1 自动清废机构示意图 由此看出，清废机构的主要功能就是把模切后仍连接在纸板上的废料清除。 实现的途径是通过上下顶针清废设备的协调运动合作来完成。清废机构在长时间 的高速运作容易使机构精度和效率下降，会产生疲劳和磨损。如果清废机构的瘫 痪意味着整条生产线的效率将大大降低。面对印后加工中对工作效率提高的迫切 需求，清废速度是否能跟上模切的速度和效率是需要解决的关键问题。 1 3 本文的主要内容及研究意义 从印刷包装企业的应用来看，国产模切机与国外的模切机相比，在模切加工 速度、精度以及稳定性、可靠性上都存在着较大的差距。这主要是因为受到国内 制造业技术水平的限制，许多零部件的加工粗糙，误差范围相对较大，装配也不 够精确，造成机器运行速度不够快和机器加工精度不够高。如间歇机构与主传动 系统以及链排之间的匹配和制造精度直接影响着机器速度的提高，如果装配精度 不够，将影响机器加工精度并引起噪声升高，另外如果各部件间隙确定不合理也 会引起冲击载荷，产生振动，引起噪声升高，从而影响机器的速度和精度。国内 模切机中的清废机构多采用三框顶针清废技术进行清废，当高速纸张到达清废机 构后，三个框体之间的配合工作来完成张纸中废料的清除，这也是清废机构正常 工作的基础。在高速模切的要求下，三框的运动速度相应地也要提高，为此有必 要对原有框体结构进行了解分析，寻找机构的薄弱点，只有改善机构结构，提高 机器本身的稳定性，才能提高整体机器的效率和精度，故对其清废机构进行精确 的分析将对模切机的加工精度和效率的提高有重要意义。 本文的主要讨论以下的几个问题： 1 、清废框架的主动力凸轮轮廓曲线修正。凸轮轮廓曲线影响凸轮运动特性， 从而影响了模切速度和精度，所以要对其进行分析，然后对凸轮的曲线进一步的 拟合、校正。 2 、清废机构的执行机构主要由四杆机构组成。四杆机构是执行清废功能，为 了保持机构上下运动在一条垂直线上，因此要分析四杆机构的运动特性，得出机 构在一个运动周期中的位置、速度、加速度等运动参数及曲线，明确四杆机构的 各个构件在一个运动循环内的运动情况。 3 、考虑运动副间隙对四杆机构运动平稳性的影响，从而影响设备的加工精度。 分析四杆机构中各杆长误差和运动副间隙对机构运动位移误差的影响，对清废机 构设计初期杆长误差分配和运动副间隙配合精度进行分析，从中获得一些重要的 结论。 ， 4 、分析模切机传纸链带动的牙排运动的平稳性对清废精度的影响，提出在高 速运动过程中对链传动机构的修正设计，提高间隙运动精度。 5 、通过对清废机构的后靠规定位误差分析，了解后靠规的运动规律，然后对 槽凸轮加工曲线进行进一步的修正，实现机器速度加工、降低定位误差，从而获 得高的清废精度和效率。 6 、根据已经获得的结论，找出解决清废机构的薄弱环节，对机构进行改进， 以适应高效率高精度的要求。 7 、为了方便对机构分析，本文将利用m a t l a b 软件的强大仿真功能，对机构 进行运动学仿真、动力学计算、精度曲线仿真及可靠性曲线仿真等仿真分析。 随着我国包装工业的迅速发展，市场急需大量高性能的自动化包装印刷加工 设备来满足日增长的社会需求，在各种包装材料中，纸包装容器的应用最为广泛 占总消耗品的4 5 - 5 0 ，其中折叠纸盒由于它具有易回收、无污染等特点符 合国家“十一五”规划中的节能减排的要求，受到环保部门的重视，具有很大应 用价值。模切机作为一种模压折叠纸盒工艺的专用包装印刷加工设备，逐步地显 现出其巨大的市场价值，如何解决模切加工速度与精度的矛盾，提高模切机制造 业的水平是当前需要着种研究和解决的重要课题。 4 第二章全自动平压平模切机的基本构成及清废机构结构 分析j7 l ，i 2 1 引言 带清废功能的模切机在包装行业应用的越来越广泛，但由于模切机带有清废 功能，通常机器的速度就会下降，生产效率就会降低。同时由于某些机构设计不 太合理也加速了机器的磨损，降低了机器的精度。本章将简单的介绍全自动模切 机的基本构成和各部分工作原理，然后重点分析清废机构的主动力凸轮，分析它 的运动情况对机构加工的影响，找出优化设计的依据。 2 2 全自动模切机的基本构成 随着印刷包装行业的兴起，纸品包装带给人们的生活改变也越来越明显。纸 品包装成型的一个重要的工艺模切压痕工艺l l 】( 模切压痕工艺就是利用钢 刀、钢线等排成的模版，在压力的作用下，将印刷品轧切成型使印刷品的表面既 有变形( 压痕) ，又有裂变( 模切) ，以便利用这种压痕把纸或纸板进行弯折的工 艺) 。模压加工操作简便成本低投资少质量好见效快，对加工后的制品可大幅度提 高档次，在提高产品包装附加值方面起着重要的作用。 国产卧式平压平模切机有多种型号，但基本都由主机、输纸、收纸、传动系 统、电器及自动清废等部分构成。如图2 - 1 就是带有自动清废功能的卧式平压平 模切机示意图1 3 4 】1 3 6 1 。 口 4 收料部分 口 3 清废部分 口 2 模压部分 口 l 输料部分 图2 - 1 全自动模切机示意图 上述机型的输纸、收纸部分的机构及工作原理与单张纸e n 届, j 机的输纸、收纸 部分基本相同，以下对各部分结构原理作简要介绍。 5 惹一粪鍪一冀 2 2 1 模切机的输料机构 全自动平压平模切机的输料机构是由飞达和输纸板构成。通过其相互协调作 用最后将定位好的纸张送到传递纸张的牙排上，可以说飞达是输料机构的最重要 的部件。飞达的作用就是把输纸台上的卡纸一张一张地、准确、平稳地交给接纸 辊，基本由分纸吸嘴、递纸吸嘴、压脚、吹嘴、压片或毛刷、压块、侧吹嘴、静 电消除器构成2 0 j f 2 1 1 。 1 侧吹嘴2 递纸吸嘴3 分纸吸嘴4 压块 5 毛刷6 吹嘴7 压片8 压脚9 角铁 图2 - 2 a 实物照片图2 - 2 b 输纸部分简图 如图2 2 b 中吹嘴6 吹松纸堆最上面的几张纸，分纸吸嘴3 吸起纸堆最上面 一张纸，此时压脚8 压住纸张，通过压块4 、毛刷5 和压片7 让最上面的纸张分 离，递纸吸嘴2 从分纸吸嘴3 处接过纸张传递给进纸辊，完成纸张的分离和传递。 侧吹嘴1 一般装在纸堆的前边侧角，主要是吹松压脚吹不到的部位纸张；角铁9 的作用就是辅助纸堆的定位，有利于侧规的工作。 输纸板的作用就是把飞达传送过来的纸张准确、平稳地传给规矩部分。纸张 在输纸板e 不允许有相对滑动。如图2 。3 所示输纸板上的部件包括接纸辊、导向 板、双张控制器、输纸带、压纸轮、毛刷轮、输纸板、吸气孔、压纸框架等，各 部件协调作用实现卡纸准确的定位后传递给递纸牙排。 图2 3 输纸台 6 2 2 2 模压机构的结构及工作原理 全自动平压平模切机的模压机构由主传动系统、施压机构、纸张定位机构、 咬牙排传动链间歇机构等构成。主传动机构就是直流电动机，通过可控硅调速装 置进行大范围的无级调速，再经过电磁离合器，将动力传给蜗杆，再经与蜗轮齿 合减速，驱动移动台上下移动【1 1 1 3 1 。 压力调节装置即调节上、下平台之间距离，使压力增大或减小。常用的卧式 平压平模切机大多利用位于下部的楔板来调整模切压力。纸张定位机构【2 l 包括规 矩部件和叼纸牙排定位机构，前者的作用要求纸张在模切过程中模切、压痕线在 每一张纸上位置应相同，以达到模切的高精度要求。被模切的纸张由间歇机构通 过传送链条带动叼纸牙排送往模切部位进行模切、压痕。在整个定位、模切过程 中，前、后靠规对模切精度起着很重要的作用：前靠规对牙排轴的第一次定位完 成之后，牙体闭合，从而咬住已经过前规和侧规定位的纸张，保证了每个牙排每 次都会在同一个位置咬住纸张；在模切部件的末端，牙排轴经过第二次定位，牙 排轴在停歇时，活动版台对纸张进行模切，保证了纸张每次都在同一位置模切； 从而实现牙排先是在一个固定位置上咬合位置相同的纸张，而后又在另一个固定 的位置上对所咬纸张模切。 模压部分的工作原理就是各部件相互协调，利用钢刀、钢线排成的模版，在 压力的作用下，将印刷品轧切成型，使印刷品的表面既有变形( 压痕) ，又有裂 变( 模切) ，以便利用这种压痕把纸或卡纸进行弯折成型1 2 1 。模切版的结构及工 作原理1 3 4 j i 弱j 如下图2 4 ，图2 5 所示： f 工h 囫，豳一 i e i 图2 4 模切压痕简图图2 - 5 压痕原理简图 e 纸张厚度i 一钢线的高度h 钢刀的高度f 一钢线的厚度 钢刀进行轧切是一个剪切的物理过程，而钢线或底模则对坯料起到压力变形 的作用。在变形区域中既有拉伸变形，也有压缩变形，也就是说在钢线( 啤线) 与压痕底模同时作用在印品或纸板上时，在压力、拉伸力和推移力的相互作用下， 使纸张内部纤维和填料局部被破坏，在印品表面或纸板上展现出压痕；海绵胶条 使成品或废料易于从钢刀刃上分离出来1 3 6 l 【3 7 】。 2 2 3 清废机构的结构及工作原理 如图2 - 6 所示清废机构图p l ，排废装置的主要部件是上清废框( 又叫上框架) 、 下清废框( 又叫下框架) 和阴模版构成1 3 1 1 2 2 1 。这些部件上分别装有上清废销、弹性 压块和下清废销等工具。如图2 - 7 所示，当模切好的纸张到达排废部位时，阴模 版拖住卡纸不动，上框架向下运动，下框架向上运动，使活件的废边、废孔块被 上清废销、下清废销夹住，再通过上下框一起加速向下运动，使上清废销与废孑l 块、废边一起通过阴模孔，最后上下框回行，清废销与活件脱离，尾料自由落入 废料车内完成自动清废。 图2 - 6 清废部分图2 7 清废机构简图 1 、6 一把手；2 一上框架；3 一下清废销：4 起升手柄；5 _ 匕托框；7 一上框架；8 支板；9 、1 9 限位钮； 10 导规；1 1 、1 7 微调钮；1 2 上清废销；1 3 压块：1 4 阴模板拖框；15 主托梁；1 6 阴模板；】8 导轨；2 0 臂杆；2 1 卜托框 如图2 8 所示模切机上清废的主要原理是利用上框和下框的上下顶针一清 废针完成。上方固定的清废针和下方装在弹簧上的伸缩清废针通过“夹”和“冲” 两个动作，将已经被冲压后的废料经由中框架上的清废模板的孔清理出型4 0 j 【4 l 】。 图2 - 8 清废工作原理简图图2 - 9 清废工作原理示意图 中框架它主要由框架、胶合板前定位支撑块组成。下框架运动的基本原理和 ，一瀵溪一鏊鼍，。一一t帚蘩 j一潞o曩一 懑一一爹一一参慧 上框架类似，它主要是装有可伸缩的清废针并且清废针在搁杆上可以移动位置， 搁杆在活动框架上亦可移动，下清废针在装调时须注意与上清废顶针对中心操 作。 2 2 4 模切机的收料机构 清废加工后的纸张通过牙排传递到收料机构，通过开牙板将牙排展开，将咬 住的纸张松开，同时根据理纸机构把模切后的印刷品撞齐，堆叠成垛。理纸机构 的作用就是从牙排上接过清废后的卡纸，并使纸张减速，放于收纸台上，将成品 理齐。理纸控制装置包括纸张制动板，侧齐纸和后齐纸构成。为了实现高速高效 率一般收料部分还配有纸台自动升降机构和不停机收纸机构1 4 0 1 。 图2 一l o 收料部分 2 3 清废机构的主动力分析 根据上面对全自动模切机各部分的介绍，我们看出整个清废机构在高速中运 作时，其运行状态的好坏必然影响模切机的速度和效率。在机械生产过程中，面 对高速状态下的清废，上下框在完成自身的协作运动的同时，还必须有节奏的在 清废的瞬间提高速度，完成一个快下一急退一慢回的过程，这些功能是通过 凸轮来实现。如图2 1 1 所示为动力驱动凸轮示意图。 夕一、弋 弋_ 藕 x 厂派 一 梦u 矽幺 叁堡塑耋乞彳 2 3 1 凸轮驱动的特点 图2 - 1 1 凸轮示意图 凸轮作为常用的间隙运动机构应用广泛，其原理是凸轮连续回转，从动件可 作带停歇的直动或摆动。从动件的运动状况包括位移、速度、加速度、和跃 动度等参数，要取决于凸轮的轮廓曲面参数。反之，为使从动件按某一给定的运 动状况运动，需要赋予凸轮相应的轮廓曲面形状。几乎所有简单、复杂的重复性 机械动作都可由凸轮机构或者凸轮机构的组合机构来实现。因此，凸轮机构在轨 械化、自动化生产设备中得到极其广泛的应用【4 1 1 7 1 。 模切机使用的是分度凸轮。典型的分度凸轮机构又可划分为：平行分度凸轮 机构、圆柱分度凸轮机构、弧面分度凸轮机构。上述三种型式的凸轮机构均具有 优良的工作性能，如分度范围宽，动静比选择范围大等特点。尤其在高速工作状 况下，弧面分度凸轮机构和平行分度凸轮机构在动力特性和分度精度方厦具有其 它分度机构所不可比拟的突出优点【7 1 。 实践证明，模切机中控制清废机构运动的间歇机构的动力性能是影响模切机 性能的关键，现在国内生产厂家多参考b o b s t 机型设计，其间歇运动机构采用 目前通用的“平行分度凸轮机构”，该机构具有结构较小，停歇自锁，通用性强 等优点，但设计复杂加工、装配精度要求高。在速度达到每小时5 0 0 0 张时，平 行分度凸轮机构出现明显的振动和噪声，所以在本节对已有的凸轮特性进行分 析，具体步骤为： 分析凸轮曲线拟合； 求凸轮压力角； 1 0 凸轮的运动参数。 2 3 2 凸轮轮廓方程 如图2 - 1 1 所不，模切机清废机构的上框主动力使用的是凸轮，其实际工作 原理为：工作在正弦曲线段时，上框下行清废，在0 度时到达最低位，工作区域 角度为0 2 度；工作在余弦曲线段，上框开始急速返回，工作区域角度为e l 度； 工作在正弦曲线段，上框已经脱离加工纸面，慢速返回，工作区域角度为e 3 度； 休止期0 4 ，等待下次工作。 根据零件图推得- - + m 作曲线的代数方程【7 1 ： 余弦段函数： 0 0 群为小竽 1 _ c o s ( 甜 ( 2 - 1 ) 正弦段函数： 钟劈榔叫一帆鬻一去s m ( 等半) ( 2 圳 正弦段函数： 劣岛为m 4 8 _ 2 6 6 0 叙i3 幺6 0 百- 0 一拶1n l 2 n 幺( 3 6 0 岛- 旦) ( 2 - 3 ) 2 3 3 压力角计算汹3 凸轮机构压力角的定义是高副接触点的正压力方向与从动件上力作用点的 线速度方向所夹的锐角。压力角大小是衡量凸轮机构工作性能优劣的重要参数之 一，凸轮对从动件的作用力位于接触点的法线上，由于压力角的作用，将作用力 分为克服载荷的有效分力，即带动从动件运动的力，以及支承反力平衡。随着压 力角的增大，有效分力会减小，当压力角增大到一定程度的时候，摩擦阻力就非 常高，所以有必要对现有的动力源进行压力角分析。 凸轮作用的压力角示意图2 1 3 所示： x x1 x2 图2 - 1 2 压力角示意图 图中x 、x i 、x 2 分别为三个坐标轴，a 是摆杆中心，0 是凸轮基圆中心，9 1 和0 2 分别为摆杆的转角和凸轮基圆的转角，i 疆是滚子半径，r c 是凸轮到滚子实 际拟合点的距离，p b 是基圆圆心到摆杆的极径。则可以得到如下公式1 7 l 【2 0 】： c = lr = l a b q l = c 幺s i n ( 0 1 ) ( 2 4 ) 0 2 = l s ( 0 2 2 ) 一c 岛c o s ( 0 1 ) f l y = a r c t a g 场o l 压力角口= 够+ ( ，一鲁) 刀 ( 2 5 ， 当凸轮的从动件是摆动从动件时，6 l = 1 其中0 l 为摆杆转角，0 2 为凸轮转角。 经过计算可得凸轮的最大压力角为2 4 3 6 1 9 6 。，查询相关资料可得摆动从动件达 到不自锁的最大压力角取值范围为3 5 。4 5 。，所以此凸轮可以满足使用要 求。 2 3 4 运动参数分析 从动件的运动状况包括位移、速度、加速度、和跃动度等参数，主要取 决于凸轮的轮廓曲面参数，在计算凸轮的轮廓曲面参数后，分析凸轮传递到从动 件上的参数变化，以获得从动件的运动状况。 图2 1 3 所示为凸轮和摆杆的配合图，o 为基圆圆心，b 为摆杆圆心，a 为 固定机架。 1 2 i 图2 。1 3 凸轮和摆杆配合示意图 虽然获得了a o 、a b 的详细数据，但是由于凸轮本身转动所带来的变化， o b 段的距离也总是在不断的变化过程中。为了得到具体的0 b 段数据，利用凸 轮复制加工刀具中心轨迹的方法求解0 4 1 1 8 1 1 2 们。如图所示： y 图2 1 4 基于轮廓复制反求法中的极径求解图 如图2 1 4 所示建立x y 坐标系，o c i 为凸轮基圆的转角，芒i 是凸轮与滚子的 法线和x 轴的夹角，r _ f 是滚子半径，r c 是凸轮曲线，p b 是基圆圆心到摆杆的极 径，根据凸轮的运动轨迹求极径p b ( 这里的p b 即为求解的0 b 段) ： 对己有数据进行差分计算，得到在c 点的切线斜率为： 留( 专+ 詈 = 差兰 兰襄薯薹兰 三捌其中色 。，2 万1 c 2 6 ， 由凸轮切线斜率公式的角度以及原有的基圆转角得到极径p b 的转角0 c i 变 化情况： o 。t = a r c t g 【嚣黼耕螂m 】限7 、 由转角o m i ，得到极径p b ： 最= r c ，c o s ( 包一眈，) 一矽c o s ( 专一吃，) 在三角形a o b 中利用余弦定理得到摆杆的转动角度： 岛= 乡( 警 1 l2 l b 根据摆杆的转角0 1 ，凸轮的转动速度为n 张时，可以得到输入角： 目：盟 从而求得摆杆的速度v 和加速度a ： ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 以咿邓i n ( 焉卜4 慰3 9 3 钟鳄，= 孚c 一c 。s 警，；圪= 。2 7 8 6 4 ( 2 - ， 劣戗y = c o s 掣城- o 2 6 6 6 4 9 n 和= 和s ( 竿) ；纠6 3 笛规 钟也彳却t n 避；删s s 8 4 4 弦 笛劣，么= 一4s i n 警；厶= 3 6 8 6 7 6 2 4 清废机构的运动与动力学分析 2 4 1 清废机构的基本模型 上节我们对清废机构的主动力凸轮的运动规律进行了分析，下面我们将凸轮 与摆杆等机构结合起来整体进行分析，也就是机构运动分析。机构运动分析的主 要任务是在已知机构的结构和几何尺寸的条件下，建立其各运动参数之间的关系 式，在起始构件( 原动件) 的运动规律给定时，确定从动部分任一运动变量的 变化规律。由于部件比较复杂，涉及分析的因素比较多，采用解析法来完成。 1 4 机构分析的解析法主要是建立运动( 位移、速度、加速度) 方程式和解方 程两部分。由于机构是一个有固定件的闭式运动链，因而建立方程的依据是其封 闭条件，即由机构的环方程导出需要的运动方程式或利用封闭条件的其它表现形 式来推导。位移方程通常是非线性方程，只有在很简单的机构中才有可能列出所 研究的运动变量和输入变量之间的显函数表达式。而在其它情况下，方程的求解 就需要利用求解非线性方程组的数值方法。在求解顺序上，一般都是先解位移规 律的非线性方程组，然后按顺序解速度和加速度的非线性方程组，但也可以将速 度方程看作位移变量的微分方程组，用数值积分法解这些方程组，求出位移和速 度规律【1 4 】【1 8 l 。 利用此方法分析问题前我们先将清废机构进行简化，在第二章第一节中已描 述了清废机构的工作原理，其工作主要是利用不动的阴模胶合板托主盒片，上下 框相互作用来完成，由于上下框结构基本类似，我们就将上框机构来简化分析。 m 3 1 3m j l 5 图2 1 5 上框机构简图 如图2 。1 5 所示为模切机清废框架的上框机构简图。上框由两套平行四边形 机构组成的运动链，动力源直接将动力传入滚子，经过两套平行四边形机构的传 递，最后带动上框在垂直方向内上下运动，完成清废功能。图中m l l l 表示杆l 的质量和长度，a l 为摆杆传递到第一个四边形的转角，其他标注依次类推。 2 4 2 凸轮与摆杆的运动学分析 上节介绍了上框机构的基本结构，现在我们开始对清废机构的上框架进行运 动学分析，首先是位移，其次是速度和加速度。通过对整个系统的数值分析，了 解上框架的具体运动情况，包括几个关键角度的转动范围。 如机构简图中所示，各杆均为粗短杆，且为同一种材料，在计算过程中可以 不考虑其弹性变形，其中l l 、和1 2 ，h l 和1 4 2 ，1 9 l 和1 9 3 可分别视为同一构件。摩 1 5 擦和机构间的间隙在计算中不考虑；另外由于上框架自身属于多个简单机构的合 成，所以在运动分析之前，把原有的复杂机构进行分环，