（机械设计及理论专业论文）垂直高速旋转式水松纸切割装置设计及试验研究.pdf

硕十学位论文 摘要 水松纸切割装置的设计是烟草机械设计人员研究的重要课题之一。随着我国 工业技术的发展，烟草机械设备也在不断更新换代，然而水松纸切割装置却一直 延用德国的专利技术，这成为制约我国烟草机械设备打入国际市场的一个瓶颈。 因此，我们有必要对切纸机构的相关理论进行研究，通过技术创新，设计拥有自 主知识产权的水松纸切割装置。 本文针对空间高速运动和同步切纸问题，创新性提出垂直高速旋转式切纸方 式。在限定空间范围内，采用c a d c a e 技术设计了垂直高速旋转式水松纸切割 装置( v e r t i c a lh i g h s p e e dr o t a r yt i p p i n gp a p e r c u t t i n gd e v i c e ，简称v h r t d ) 。在 优化选取刀具数目、安装角度和旋转中心位置等设计参数的基础上，利用解析法 推导了机构运动的数学模型和切纸刀刃曲线方程，并通过虚拟样机仿真和物理样 机试验分析验证了v h r t d 结构设计的正确性，为水松纸的切割工艺提供了一种 新的方法。 论文首先综述了国内外水松纸切割装置的研究历史和现状，着重分析了现有 切纸装置的切纸原理和切纸方式的利弊。其次，在研究现代机械设计方法和物体 空间运动啮合原理的基础上，采用基于装配的原则，设计了一个与已有切纸装置 的切纸原理完全不同的切纸方案，并按照机械设计的一般程序阐述了设计过程中 的重点和难点。最后，建立了v h r t d 的仿真模型和试验平台，通过虚拟样机仿 真和物理样机试验方法分析了v h r t d 的运动特性、切纸精度、装配方法和切纸 效果等方面的内容，结合仿真和试验结果，提出了切实可行的修改方案。此外， 根据实际需要适当改变切纸刀结构和刀片材料，v h r t d 可在其他行业推广应用。 关键字：水松纸；切纸原理：v h r t d ；解析法；虚拟样机；试验平台 a b s t r a c t t h ed e s i g no ft i p p i n gp a p e r - c u t t i n gd e v i c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti s s u e sf o r t o b a c c om a c h i n e r yd e s i g n e r s t o b a c c om a c h i n e r ya n de q u i p m e n th a sb e e nu p g r a d e d c o n s t a n t l ya st h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lt e c h n o l o g yi nc h i n a h o w e v e r , t h et i p p i n g p a p e r 。c u t t i n gd e v i c eh a sb e e nu s i n gg e r m a n i cp a t e n t e di n v e n t i o n a n dt h i sb e c o m e sa b o t t l e n e c kw h i c hr e s t r i c t sc h i n e s et o b a c c o m a c h i n e r y a n d e q u i p m e n ti n t o t h e i n t e r n a t i o n a lm a r k e t t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt or e s e a r c ht h er e l e v a n tt h e o r yo f p a p e r - c u t t i n gd e v i c ea n dd e s i g nat i p p i n gp a p e r c u t t i n gd e v i c ew i t hi n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t st h r o u g ht e c h n i c a li n n o v a t i o n i na l l u s i o nt ot h eh i g h s p e e d s p a c em o t i o na n ds y n c h r o n o u sp a p e r - c u t t i n g p r o b l e m ，t h ea r t i c l ep r o p o s e sav e r t i c a l h i g h - s p e e dr o t a r yp a p e r c u t t i n gm a n n e r i n n o v a t i v e l y av e r t i c a lh i g h s p e e dr o t a r yt i p p i n gp a p e r c u t t i n gd e v i c e ( v h r t d ) i s d e s i g n e db yu s i n go fc a d c a et e c h n o l o g yi nl i m i t e ds c o p e t h em a t h e m a t i c a l m o d e l sa n dc u r v eq u a t i o no fc u t t i n ge d g ea r ed e r i v e db yu s i n ga n a l y t i cm e t h o db a s e d o no p t i m i z i n gt h ed s i g np a m m e t e r ss u c ha st o o ln u m b e r s ，i n s t a l l a t i o na n g l e ，r o t a t i n g c e n t e ra n ds oo n t h ec o r r e c t n e s so ft h es t r u c t u r a l d e s i g ni sv a l i d a t e db yv i r t u a l p r o t o t y p es i m u l a t i o na n dp h y s i c a lp r o t o t y p et e s t i n ga n a l y s i sw h i c hp r o v i d e san e w a p p r o a c ht ot h ec u t t i n gp r o c e s so ft i p p i n gp a p e r f i r s to fa l l ，t h ea r t i c l es u m m a r i z e st h eh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o na th o m ea n d a b r o a do ft i p p i n gp a p e r c u t t i n g d e v i c e ，f o c u s i n go na n a l y s i so ft h ep a p e r - c u t t i n g p r i n c i p l eo fe x i s t i n gd e v i c e sa n di t sp r o sa n dc o n s s e c o n d l y , a c c o r d i n gt om o d e r n m e c h a n i c a ld e s i g nm e t h o d sa n dm e s h i n gt h e o r yo fo b je c t s p a c em o t i o n ，t h ea r t i c l e d e s i g n sap r o j e c tw h i c hh a sac o m p l e t e l yd i f f e r e n tc u t t i n gp r i n c i p l eb a s e do nt h e a s s e m b l yp r i n c i p l e t h ef o c u sa n dt h ed i f f i c u l ti nd e s i g np r o c e s sh a v eb e e ns e to u t a c c o r d i n gt ot h eg e n e r a lm e c h a n i c a ld e s i g np r o c e d u r e s f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nm o d e l a n dt e s tp l a t f o r m so fv h r t da r es e tu p a n dt h em o t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，c u t t i n g p r e c i s i o n ，a s s e m b l ym e t h o d sa n dc u t t i n ge f f e c t sa r ea n a l y z e dt h r o u g ht h ev i r t u a l p r o t o t y p es i m u l a t i o na n dp h y s i c a lp r o t o t y p et e s t i n gm e t h o d s c o m b i n e ds i m u l a t i o n w i t ht e s tr e s u l t s ，t h ea r t i c l em a k e sap r a c t i c a b l ei m p r o v e dp r o p o s a l i n a d d i t i o n ， v h r t dc a nb ea p p l i e di no t h e ri n d u s t r i e sa f t e rc h a n g et h e p a p e r c u t t i n gb l a d e s s t r u c t u r ea n dm a t e r i a la c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d s k e y w o r d s ：t i p p i n gp a p e r ；p a p e r - c u t t i n gp r i n c i p l e ；v h r t d ；a n a l y t i cm e t h o d ； v i r t u a lp r o t o t y p e ；t e s tp l a t f o r m i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：翻明玺 日期：2 护t 孵箩月午e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 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和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：搦寺扁日鱼e t ! i ：矽多年够月q - 日 导师签名：副苫舀 日期：口尸年f 月争日 、 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出课题来源和研究意义 本文的研究是基于湖南大学与常德烟机厂的合作科研项目z j l l 2 ( p r o t o s 9 0 e ) 卷接机组新型水松纸切割装置研究课题。该课题的研究重点是以常 德烟机厂提供的功能和技术参数要求为基础，研究实现用于z j l l 2 ( p r o t o s 9 0 e ) 卷接机组的一种新型水松纸切割装置的基本原理和关键技术，建立关键技术的理 论模型。现在p r o t o s 卷接机组使用的水松纸切割装置是引进德国h a u n i 公司 设计制造的，有专利保护，我们国家生产的卷接机组只能在国内使用，不能出口， 极大的限制我国烟草机械在国际市场的竞争力。因此，通过技术创新设计一种新 的水松纸切割装置，使我国拥有自主知识产权，具有深远的意义。同时，现有的 水松纸切割装置由于设计机理存在缺陷，促使切刀调整难度大且费时、零部件容 易损坏，设计更加完善的切纸装置成为设计人员研究的热点。 1 2 烟支接嘴和分切工艺流程 图1 1 烟支接嘴和分切工艺图 垂直高速旋转式水松纸切割装置设计及试验研究 高速香烟卷接机组是一条高速、复杂、全自动化的香烟生产流水线。目前国 内使用的机组生产速度最高为1 2 0 0 0 支m i n ，国外使用的机组生产速度已经达到 2 0 0 0 0 支m i n 。卷接机组主要有烟丝供给、烟条成型和切割以及烟支接嘴和分切 三大部分组成【lj 。图1 1 所示为烟支接嘴和分切系统，该系统主要由烟条分切系 统、滤棒供给系统、水松纸供给系统和烟支分切系统组成，其工艺流程如下【2 l ： ( 1 ) 烟支输送卷烟机将双倍长的烟支传递到接烟轮a 上。在一次分切轮 b 处，烟支被切割成长度相等的两段后再输送到分离轮c 并将其分开。在过渡轮d 处，两支分开的烟支之间放入一支双倍长的滤嘴。 ( 2 ) 滤棒供给滤棒供给是通过滤棒接收站f i l t r o m a t ( 自动进料) 将滤嘴 棒导入滤棒料斗或通过滤嘴盘( 手动进料) 导入。 ( 3 ) 滤嘴输送由切割轮h 从料斗1 将滤棒拣起后由切刀2 将其切割成双倍 长的滤嘴。切割后的滤嘴接着送至错位轮g 。再由合一轮f 将错位排列的滤嘴通过 负压吸到鼓轮中心成单列。由加速轮e 将双倍长的滤嘴传送至过渡轮d 处的两烟支 之间。 ( 4 ) 水松纸输送通过刮纸器6 使水松纸预成形，即上胶，预热并被分切。 上胶辊5 向水松纸涂上胶水。加热器4 给上胶后的水松纸加热。切纸轮与刀辊3 共同 作用将上胶后的水松纸切成水松纸片。切断后的水松纸片被粘接到烟支和双倍长 的滤嘴上。 ( 5 ) 卷烟生产靠拢轮i 将烟支与双倍长的滤嘴相互靠拢并与轮系对中。 将已上好胶的水松纸经切纸轮粘贴到靠拢轮双倍长滤嘴和烟支上。再由搓烟轮j 搓接成双倍长的滤嘴卷烟。传送轮k 将双倍长的滤嘴卷烟输送至二次分切轮m 。 由切刀将双倍长的滤嘴卷烟切割成长度相等的两支滤嘴卷烟。传输轮n 将已分切 后的滤嘴卷烟传送到调头轮o 。调头轮将滤嘴相对的( 朝前朝后) 滤嘴卷烟调整 为朝向一致的排列。 1 3 切纸装置简介 切纸装置广泛应用于各类机器中，如印刷机、包装机、卷接机等，根据其功 能和要求的不同，切纸装置的结构也不同。水松纸切割是滤嘴接装机上的一道非 常关键的工艺，水松纸切割装置的优劣直接影响机器运行的稳定性和可靠性，同 时也关系到产品质量、原辅材料消耗和使用成本。随着烟草机械技术的进步，切 纸装置也在不断改进，下面简单介绍几种设计人员提出可运用于卷接机组上对水 松纸进行切割的切纸装置。 1 3 1 对滚斩断式切纸装置 滚刀式切纸装置，其主要由表面设有刀刃的切纸刀轮和位于该切纸刀轮斜下 硕学位论文 方的表面镶有硬质合金的切纸轮组成，当水松纸通过一系列传输装置进入切纸轮 和切纸刀轮之间时，通过切纸轮和切纸刀轮的高速旋转并相切而将水松纸瞬间斩 断p 】。这种切割方法带来的问题是：切割机组发出的噪声、振动巨大，是造成卷 接车间工作环境恶劣的主要原因，刀刃磨损严重，易损坏切纸轮，更换频繁，积 渣严重，清洗不便，切割质量不稳定。因此，对滚斩断式切纸装置已经被淘汰。 1 3 2 对滚剪断式切纸装置 现在p r o t o s 卷接机组使用的就是这种对滚剪断式切纸装置。如图12 所示， 该装置由两刀滚组成，其中一刀滚为圆柱形，另一刀滚为圆锥形。锥形刀滚上安 装有1 2 把切纸刀，当两刀滚以相同的角速度相向运动时，两刀滚的刀刃啮合点从 里向外做点接触运动，将纸逐渐剪断。刀1 的刀片刃口与其轴线平行刀2 的刀 片则以一定的倾角偏心安装在刀架上，形成锥形刀滚。 经烟厂实践证明，该水松纸切割装置 存在以下不足之处： ( ”切刀的调整难度大且耗时。 ( 2 ) 切纸过程中刀片会产生弹性变 形，使刀片及水松纸切割鼓较易磨损，使 用寿命短，需要定期停机进行更换，不仅 增加了备件消耗还影响生产效率。 ( 3 ) 由于设计中刀l 与刀2 有一定过 盈要求，所以传动过程中的冲击在所难免， 不仅增大了噪音，还使整机不能长期稳定 工作。 围l2 对滚剪断式切纸机构实物图 该切纸装置要求长期在切纸6 0 0 0 片，分钟的高速状况下工作，由于上述切纸 原理带来的缺陷，造成设备成本高，有效运行效率低的问题。 1 3 3 激光切纸装置 2 0 0 7 年，王猷和杨钟麟提出了激光切割水松纸的工艺方法1 4 l 。在水松纸从送 纸棍到切纸轮的传送过程中，采用激光柬照射到传送中的水松纸面上，使运动中 的水松纸被激光切断。激光切割无需与传送机组表面相接触可解决现有机械切 割带来的高噪音、高振动、高磨损、频繁清理等难题。据其专利所述：激光切割 后的切割面光滑无毛刺，表面不粗糙，已达到国家卷烟标准的工艺指标，而且由 于剖缝细、速度快、能量集中，因此传到水松纸上的热量小引起的变形也非常 小。用激光切割水松纸不会对卷烟的口味造成影响，激光切割的精度可以满足现 有的生产厂家要求，而且产品柔性好，适于产品的变化和新产品开发，符合卷烟 行业的信息化管理及控制要求。 垂直高速旋转式水松纸切割装置设计及试验研究 激光切割水松纸的工艺如图 1 3 所示【5 1 ，水松纸鼓轮1 上方设有 激光源为c 0 2 的和体激光器2 和打 标头3 ，该打标头3 安装的位置以 激光器射出的激光束4 与水松纸5 纸面垂直，激光束作用点与机械式 刀具切断或剪断水松纸的位置一 致。在水松纸5 由传送机构传送到 水松纸鼓轮1 上时，用功率大于5 0 瓦的c 0 2 气体激光器3 发出的激光 束4 垂直并横向照射到传送中的水 松纸5 上表面，控制激光切割的切 缝在l m m 以下，且割缝表面粗糙 度控制在不高于r a l 2 5 ，使运动中 的水松纸被激光切断。 该切纸技术在水松纸切割工艺 中还不成熟，且成本高，因此没有 在各烟机厂被推广使用。 1 4 虚拟样机技术 ； 聪 、 、心 图1 - 3 激光切纸机构示意图 随着2 1 世纪世界经济和科学技术的飞速发展，全球性市场竞争日益激烈。企 业要保持竞争优势，就必须在最短的时间内设计并生产高质量的满足用户需求的 新产品，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本。 而物理样机的种种缺点无法满足企业保持竞争优势的需要，在这种形势下，虚拟 样机技术应运而生【6 】【7 1 。 1 4 1 虚拟样机技术的概念 虚拟样机技术的研究目前还处于探索阶段，其具体的内涵目前还没有统一的 定义，现将比较有代表性的观点归纳如下： 虚拟样机是用来代替物理产品的计算机数字模型，它可以代替真实的物理模 型，用来对所关心的产品的全生命周期进行展示、分析和测试。这种构造和使用 虚拟样机的技术称为虚拟样机技术【8 l 。 虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体 的功能，对产品进行几何、功能、制造等方面的交互建模与分析。它在c a d 模 型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设 硕士学位论文 计方法【9 1 。 虚拟样机技术是以并行工程思想为指导，以c a x d f x 技术为基础，以协同仿 真技术为核心的先进数字化设计方法【。 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术 ( 指在某单一系统中零部件的c a d 和f e a 技术) 揉合在一起，在计算机上建造 出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测 产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术【1 0 1 。 虚拟样机技术是多学科交叉的产物，它涉及机械、计算机图形学、仿真建模、 虚拟现实等多个领域，以计算机仿真和产品全生命周期为基础，以机械系统运动 学、动力学和控制理论为核心。它是在c a x 和d f x 、d f m 等技术基础上发展起 来的，进一步融合了信息技术、先进制造技术和先进仿真技术，将这些技术应用 于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综合管理，从系统的层面分析复杂 系统【1 l 】【12 1 。 机械系统虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学，其核心 是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析。 1 4 2 虚拟样机技术的内容 按照美国r o b e r t r r y a n 博士对虚拟样机技术的界定，虚拟样机技术是面向系 统设计的、应用于基于仿真设计过程的技术，包含有数字化物理样机、功能虚拟 样机和虚拟工厂仿真【l 3 1 。 数字化物理样机充分利用三维零件实体造型技术，以增强对大型系统的快速 显示和浏览能力，实现造型、装配、浏览运动轨迹包络、冲突检测等功能，并有 效支持协同设计、干涉、碰撞检测等，快速评估组成产品的全部三维实体模型装 配件的形态特性和装配性能。 功能虚拟样机充分利用三维零件的实体模型和有限元模型的模态表示，在虚 拟实验室或虚拟试验场的试验中精确预测产品的操作性能，评价已装配系统整体 上的功能和操作性能。 虚拟工厂仿真对产品完整的制造和装配过程进行仿真，以解决产品制造和装 配过程中的公差、机器人、装配、序列等问题，用于评价产品的制造性能。 1 4 3 虚拟样机技术的特点 同传统的基于物理样机的产品设计方法相比，虚拟样机技术具有以下特点： ( 1 ) 全新的研发模式。传统的研发从设计到生产是一个串行模式，而虚拟样 机技术真正的实现了系统角度的产品优化，它基于并行工程，使产品的概念设计 阶段就可以迅速的分析、比较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过 可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获 垂直高速旋转式水松纸切割装置设计及试验研究 得最优工作性能。 ( 2 ) 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机技 术有助于摆脱对物理样机的依赖，通过计算机技术建立的虚拟样机，可以实现物 理样机无法进行的虚拟实验，从而减少甚至不用制造物理样机就可以获得最优方 案。因此减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。 ( 3 ) 实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛地接受了动态联盟的概 念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源的局限性，出现了在一 定时间内，通过i n t e r n e t 或i n t r a n e t 临时缔结成的一种虚拟企业。为实现并行设计 和制造，参盟企业之间产品信息的敏捷交流尤为重要，而虚拟样机是一种数字化 模型，通过网络输送产品信息，具有快速传递、反馈及时的特点，进而使动态联 盟的活动具有高度的并行性。 虚拟样机技术从系统的观点强调了在系统层次上模拟产品的外观、功能以及 特定环境下的行为，涉及产品的全生命周期，并随着产品生命周期的演化而不断 丰富和完善，并支持不同领域人员从不同领域对同一虚拟产品并行的测试、分析 与评估活动 1 4 1 。 1 4 4 虚拟样机技术的应用领域 近年来，虚拟样机技术及其应用已经获得重大进展，已经基本具备处理复杂 工程问题的能力。虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、日本、德国等已经 得到了广泛应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机 械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询 等多方面。 美国航空航天局喷气推进实验室的工程人员，利用虚拟样机技术成功地实现 了火星探测器探路者号在火星上的软着陆。美国海军的n a v a i r a p l 项目，利用 虚拟样机实现了多领域多学科的设计并行和协同，形成了协同虚拟样机技术。美 国波音飞机公司的波音7 7 7 飞机是世界上首架以无图方式研发及制造的飞机，其 设计、装配、性能评价及分析采用了虚拟样机技术。通用动力公司1 9 9 7 年建成了 第一个全数字化机车虚拟样机，并行地进行产品的设计、分析、制造等。日产汽 车公司，利用虚拟样机技术进行概念设计、包装设计、覆盖件设计、整车设计等。 j o h n d e e r e 公司利用虚拟样机技术，解决了工程机械在高速行驶时的蛇行及在重 载下的自激振动问题。世界上最大的工程机械制造商卡特彼勒公司采用虚拟样机 技术进行装载机和挖掘机的工作装置优化设计及分析【”】。 虚拟样机技术在国内的应用还比较少。航天部上海航天局第8 0 5 研究所，利 用虚拟样机技术完成了国防科工委“空间站外翻式对接机构”的动力学仿真研究。 8 6 3 项目“月球表面探测机器人方案研究”，运用虚拟样机技术构造虚拟月面计算 硕七学位论文 仿真环境，并对涉及到的多项关键技术进行了深入研究。 1 5c a d c a e 集成技术 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是指使用计算机系统进行设计的全过程，包 括资料检索、方案构思、零件造型、工程分析、工程制图、文档编制等。在设计 的各个阶段，计算机都能发挥它的辅助作用。因此c a d 概念一产生，就成为一 门新兴的学科，引起了工程界的广泛关注和支持，迅速得到发展，并日益完善起 来。 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 是以现代计算力学为基础，以计算机仿 真为手段的工程分析技术，是实现产品优化设计的主要支持模块。c a e 技术的主 要内容包括运动机构分析、气动或流场分析、有限元分析等，其在机械c a d 中 的应用越来越广泛。 设计是分析的基础，分析是设计的保障，设计与分析的集成是必然趋势。设 计一般分为概念设计、工程设计和详细设计三个阶段。概念设计是指设计者根据 设计协议，把产品的功能、价格、使用寿命、尺寸轮廓要求、质量要求等量化成 设计过程所需的参数信息。工程设计过程完成几何形状设计、完整的零件表及材 料清单输出。详细设计给出符合功能要求、加工要求和装配要求的详细零件图和 装配图。分析是指运用数字化造型技术从理论上对产品的性能进行模拟、分析和 测试，以保证产品设计的可靠性。一般而言，c a d 包括几何造型、自动绘图、广 义装配，而c a e 包括工程分析和动态模拟等。c a d c a e 的集成就是要解决在 c a d 、c a e 之间的数据共享问题。目前，国内外关于c a d c a e 集成研究的报道 很多，归纳起来主要有通过标准接口来实现数据共享的基于数据交换接口的方法、 以特征为桥梁完成系统信息集成的基于特征的方法以及在产品设计阶段同时进行 工艺分析和设计，并在整个过程中惯穿质量控制和价格控制的高层次的面向并行 工程的方法【l 引。 图1 4 传统机械产品设计方式 c a d c a e 集成技术的成功运用使得机械产品的设计方式由传统设计方式转 变为基于虚拟样机的现代产品设计。传统的设计是构思、画草图、比较方案、设 垂直高速旋转式水松纸切割装置设计及试验研究 计计算、出工程图、加工制造，以实物样机为最终评审依据，其结果是设计周期 长，成本高【17 1 。 实际上，上述传统设计方式的每一步都可以通过计算机来分析、观察和演示， 如形体是否符合设计要求，是否有干涉，运动学、动力学特征如何等等。通过运 用c a d c a e 集成技术，在实物样机制造加工前就可以进行以上问题的考察和分 析，从而在产品设计的初始阶段就能不断对设计进行修改和完善。通过c a d c a e 集成技术，以虚拟样机实验代替传统的实物样机实验，在产品的制造加工前发现 设计问题并及时予以纠正，不仅节省了时间和成本，还能大幅度提高设计质量【l 引。 图1 5 基于虚拟样机的机械产品设计 1 6 本文研究内容及主要工作 随着现代机械设备向着复杂化、精密化、自动化方向发展，同类机械产品日 新月异，高效率、高质量、低成本的新机构不断代替旧的产品。对于一套成熟设 备来说，在机构新旧交替的时候，往往要求对原有设备改动最小来安装新机构， 以降低成本，在这种情况下，基于装配的的结构设计显得优为重要，而传统的实 体装配验证费时且费事。计算机仿真技术和虚拟样机装配技术的出现，为基于装 配的的结构设计提供了极大的方便。 本文针对空间高速运动和同步切纸问题，创新性提出垂直高速旋转式切纸方 式。采用基于虚拟样机仿真和装配技术的研究方法，设计了垂直高速旋转式水松 纸切割装置( v h r t d ) 。以机械原理和机械设计为基础，建立切纸刀各几何参数的 切纸数学模型，利用三维建模软件p r o e 和多体动力学分析软件a d a m s 进行零 件建模、装配及仿真验证，然后在a u t o c a d 软件环境下绘制了装置的零件图和 装配图，最后通过试验分析了切纸成效。 本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 在阅读卷接机操作手册、相关烟草机构书籍和烟机厂提供的图纸的基础 上，深入到烟机设计工厂进行调研，对v h r t d 在设计过程中应考虑到的问题进 行总结，从理论上对卷接机的机械结构和控制系统进行了深入研究，概述了卷接 - 8 - 硕士学位论文 机的结构特点和工艺流程，并分析现有水松纸切割装置的原理和特点。 ( 2 ) 在阅读大量文献的基础上，概述了虚拟样机技术的概念、内容和特点， 介绍了虚拟样机技术在国内外的应用状况；概述了机械学的发展历史，阐述了传 动机械设计方法和设计现代机械设计方法的优缺点。 ( 3 ) 提出了一种新的水松纸切割方式，建立了切纸的精确数学模型，并对 该切纸机构的安装、传动关系、精度等方面进行了研究。 ( 4 ) 建立了v h r t d 的虚拟样机仿真模型，并对其进行多体动力学分析， 根据分析结果修改设计参数。 ( 5 ) 绘制了v h r t d 的零件图和装配图，并对关键零件进行加工工艺分析。 ( 6 ) 针对刀片的安装位置、厚度、材料、转速和水松纸的宽度、负压等参 数的变化进行现场实验分析，研究了各参数对切纸质量和刀具寿命的影响。 垂直高速旋转式水松纸切割装置设计及试验研究 第2 章切纸装置设计相关理论研究 本文设计的切纸装置属于动态切纸，并且对于切纸质量和切纸效率都提出了 很高的要求，因此，必须采用现代机械设计方法，择优选取切纸方案和各项参数。 切纸是刀刃与纸片相交的过程，要使切纸刀按轨迹切纸，必须结合空间解析几何 知识和机构运动学原理来设计该切纸装置。 2 1 现代机械设计方法 2 1 1 机械学发展 机械工程与科学是一门古老的学科，它将人们从繁重的体力劳动中解放出来。 当古人尝试着制造石器来狩猎或耕种时，已经产生了最初的设计萌芽。几千年来， 一次次的产业革命，实现了社会分工的变革并改变了人们的生活方式，但机械科 学和以此为基础的制造业仍然是一个国家的支柱产业，是社会财富的来源，也是 国家富强和国防稳固的基础。据报导，美国约6 0 的财富来源于制造业，日本约 5 0 的国民生产总值是由制造业创造的。我国制造业产值占g d p 的比重也已达到 了3 8 以上。在物质丰富、科学技术高度发达和人类已进入信息时代的今天，制 造业仍然发挥着无可替代的作用【l 引。 制造业的灵魂是产品设计。现代设计的特点首先是面向市场、面向用户的设 计。好的产品始于先进的设计理念和对市场需求的深刻了解，以及贯穿整个设计 过程中的以人为本的信念。其次，现代设计要求对产品进行全寿命周期设计，即 在设计过程中要考虑设计、制造、安装、运行、维修和报废等每一个阶段中用户 的要求。也就是说，设计不仅要实现产品的基本功能要求，还应该体现人性化和 环境友好的先进设计思想。此外，设计对象从最初的单一功能产品变为越来越复 杂的系统，功能更加先进和全面，因此需要在设计时运用集成、综合、系统的方 法与技术来解决设计问题。 机械学是机械设计的理论基础，它是对机电产品进行功能综合并定量描述以 及控制其性能的基础技术科学。它的主要任务是把各种知识、功能要求或约束注 入设计过程，并将其加工成机械制造系统所能接受的信息并输入机械制造系统， 生产出满足使用要求和能被市场接受的产品。机械学包括机械设计学、机械强度 学、机械动力学、摩擦学、机械传动科学与技术、流体传动与控制、机构学与机 器人机械学以及近年来兴起的微机械学等分支学科。 近年来随着信息技术、生物技术、材料科学等学科的发展，机械学的内涵与 硕士学位论文 发展趋势也产生了很大的变化，新的设计思想与设计理念正在形成，设计方法与 设计手段不断实现自动化与智能化。而创新能力的提高仍然是现代设计的关键之 所在。由于市场全球化，经济发达国家纷纷把产品的制造和装配等低增值部分放 到低工资的第三世界国家，而自己抓住新产品、新工艺和新装备的开发设计等高 增值的关键环节。反观我国，我们自主开发的产品只占全部机械产品的4 6 ，并 且这些产品仍然需要部分或全部引进国外先进技术。换句话说，我国缺乏完全独 立自主开发新机电产品的能力，主要原因是设计理论与方法方面的基础研究落后。 因此，为了适应当前科学技术的发展特点以及我国现代化建设和经济发展的 需要，我们必须结合我国机械学研究领域的特点和研究现状，制定机械学研究发 展战略，提出我国在前沿领域研究中的对策，其中最重要的一点就是使设计人员 学会并运用现代机械设计方法来进行产品设计。 2 1 2 现代机械设计方法 机械设计是设计者为满足社会和人们对机械产品功能的需要，运用基础知识、 专业知识、实践经验和系统工程等方法，进行设想和构思、计算和分析，最后以 技术文件的形式，提供产品制造依据的全过程工作。机械设计是形成机械产品的 第一道工序。产品的质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产 品设计是关键【20 1 。 机械设计方法可分为传统设计方法和现代设计方法。这两类设计方法的产生 反映了机械设计随社会生产和科学技术发展而发生的变化。 传统机械设计方法是指经验设计方法和半经验设计方法。在2 0 世纪以前，设 计者主要是凭借直觉和经验，以生产的经验数据为设计依据，运用一些基本的设 计计算理论，借助类比、模拟和试凑等设计方法来进行设计，这就是经验设计方 法。用这种方法设计的机械只能满足基本功能要求，结构的安全系数较大，只是 依靠对原型机运行试验进行整机的综合性能分析。但由于试验和测试条件差、技 术水平低，整机的性能分析也就难以深人，新产品往往需要经多次试验和修改才 能定型。因此，产品研制周期长，产品的质量低、成本高。 在2 0 世纪初至8 0 年代，出现了图样设计，替代了试凑法，从而大大提高了 设计效率和质量。随着科学技术的进步和实验手段的加强，进行设计理论和方法 的研究，进一步提高了设计水平。此类设计方法称为半理论、半经验设计方法， 其主要特点是：加强了设计基础理论和专业机械设计理论的研究，为设计提供了 大量的信息，如设计数据、图表图册等；加强了关键零部件的试验研究，使整机 试验趋于完善，大大提高了设计速度和成功率；加强了零件标准化、部件通用化、 产品系列化的研究。半经验设计方法与经验设计方法相比，大大减少了设计的盲 目性，有效地缩短了设计周期，提高了机械产品的质量和寿命，降低了成本。 垂直高速旋转式水松纸切割装置设计及试验研究 传统设计方法因其简易方便至今仍被广泛应用，但其不足之处主要表现在： ( 1 ) 在设计理论上，主要集中揭示设计对象的内在机理，而未将“设计”本身 作为一门学科进行研究，对设计对象内在机理的分析也仅局限于采用简化模型。 ( 2 ) 在设计方法上，未能将局部与系统、定性与定量、静态与动态、技术与 经济、技术与美学、设计与销售等关系辩证地统一起来，融会贯通于设计之中， 因而设计方法上有很大的局限性。 ( 3 ) 在设计本质上，未能将创造性设计提高到应有高度来认识和研究，使具 体设计缺乏创造性的思维方法。 现代机械设计方法是在2 0 世纪6 0 年代发展起来的，它是现代广义设计和分 析科学方法的统称。现代设计方法较之传统设计方法具有显著的特点和先进性， 主要表现在： ( 1 ) 在设计指导思想上，由过去的经验类比方法提高到逻辑的、理性的和系 统的新设计方法。 ( 2 ) 在设计对象上，考虑了人一机一环境的相互协调，从而发挥产品的最大 潜力或最大可能地提高系统的有效性。 ( 3 ) 在设计方法上，广泛采用了c a d 、优化设计、可靠性设计、工业艺术 造型设计、价值工程和创造性设计等方法，使设计水平有了一个质的飞跃。 ( 4 ) 在设计手段上，充分采用电子计算机，自动绘图和数据库管理等新技术， 大大提高了数据的准确性、稳定性和数据使用效率，使修改设计变得十分方便， 分析工具的改进使设计采用尽可能精确的模型成为可能。 ( 5 ) 在试验和测试技术上，采用频谱分析、激光全息摄影和计算机数据处理 等先进技术，可对整个机械系统或零部件的性能进行科学的试验和分析，并可进 行计算机仿真。 目前，随着以计算机和信息为标志的高科技时代的到来，机械设计己步入设 计科学化和设计自动化的阶段，产品的技术经济指标不断得以优化，产品的设计 周期不断缩短，现代机械设计方法将日趋完善。 表2 1 列出了目前现代机械设计所涉及的主要理论和方法。 表2 1 现代机械设计的主要理论和方法 1 设计方法学7 计算机辅助设计1 3 精度设计 1 9 虚拟设计 2 优化设计8 疲劳强度设计1 4 相似设计2 0 智能设计 3 可靠性设计9 损伤容限设计1 5 三次设计2 1 反求工程 4 工业艺术造型设计1 0 摩擦学设计1 6 并行设计2 2 设计专家系统 5 有限元法 1 1 模块化设计1 7 绿色设计 6 动态设计1 2 热稳定设计1 8 健壮设计 硕学位论文 2 2 现有切纸方案研究 现在p r o t o s 卷接机组使用的对滚剪断式切纸机构在第一章绪论里有所介 绍，研究其切纸原理将对我们的设计起到引导和借鉴作用。 图21 为对滚剪断式切纸滚刀的实物照片该刀由两把滚刀组成，其中一把为 圆柱形，另一把为圆锥形，锥形滚刀上安装有1 2 把切纸刀，当两刀以相同的角速 度相向运动时，两滚刀的刀刃啮合点从里向外做点接触运动，将纸逐渐剪断。刀1 的刀片刃口与其轴线平行，刀2 的刀片则以一定的倾角偏心安装在刀架上，形成锥 形刀滚“i 。 圉2 i 切纸滚刀实物照片 2 2 1 滚刀刀刃方程 滚刀l 是由1 2 块硬质合金制作的镶块连接到轮体上构成的，其刃口( 镶块边缘) 设计成一条与轮体轴线平行的直线，我们研究的重点是滚刀2 上与该直线共轭的曲 线( 或直线) 【2 ”。 瓞 o ； j f - l 1 图2 2 滚刀啮合示意图 垂直高速旋转式水松纸切割装置设计及试验研究 如图2 2 所示，设刀l 的直径为d 1 ( 半径为r 1 ) ，刀刃长为l ，啮合开始时其刀刃 处在m 位置，啮合结束时处在m 位置，转过的角度为b ，两滚刀中心距为口。将刀 1 的刀刃l 离散成n 等份，设o m 与x 轴的初始夹角为0 ，于是滚刀l 的刀刃在啮合线 上各点在坐标系o x y z 中的坐标为( x o ，y o ，乙) ，( 而，咒，而) ，( 十儿小乞一。) ，( ，只，乙) 。 矗= r l c o s ( o 一二) 虼= r is i n ( o 一二)其中：i = 0 ，1 ，n ( 2 1 ) 乙= 三三 刀2 上与刀1 对应的点( 啮合线上) 在坐标系o xy z 中的坐标为 ( x 。，y 。，z 。) ，( x l ，y lz 1 ) ，( x 一一，y 俨i , z n - 1 ) ，( x 一，y 一，z 一) 。 x二：n三=-(tl一k)喜萋中：t=。，t，n(22， 7 3 2 在各点处的半径如、马。、如：、坞。分别为： 垦。= 厄丽= 瓜j 忑两瓦瞒丽 i 耻厨丽= f 磊巧而而 由于7 3 2 与刀1 的角速度相同，从而当刀1 转过角后，7 j 2 也转过角，于是 刀2 刃上各点在转动前的坐标可表示为( x 。o ，y 。o ，z o ) ，( x 。l ，j ，。l ，z 。1 ) ，( f 川，y 。，z n - 1 ) ， o 乙，少。，z 乙) 。 = 一恐。c o s ( 0 + 三) 以：r 2 。s i n ( o + t _ f 1 ) 其中：i = 0 ，1 ，n ( 2 3 ) z 二：三 式中，见为y j 2 啮合线上各点在坐标系0 一y 中与0 x 轴的夹角。 由点e o ( x ：，少：，z ：，) 、丑( i ，订，彳，) 、只一( 小以小艺一，) 、见( t ，以，z = ) 构成的曲 线l 1 即为刀2 刀刃的理论曲线。l l 是一条空间曲线，设计者从加工难度和生产成本 考虑，在满足使用要求的情况下，将该空间曲线进行了简化，通过连接l 1 的首末 两点的直线l 2 代替曲线l l 【2 3 1 。因此，l 2 的方程可以表示为( 在坐标系d x y z 中) ： 硕士学位论文 ；迎：罂：；皂( 2 4 )f 2 了千5 - o r _i z j x r x oy n y og n z o 2 2 2 滚刀几何参数的确定 如图2 3 所示，滚刀2 的几何参数包