高速马芬纸杯机的传动方案设计

程生 周哲波 汪凯 张星光 张正

摘 要：基于大批量、高速马芬纸杯机对传动机构的高效率、高精度技术的要求，结合机械结构、加工工艺及使用工况的特点，通过对主要误差来源的分析，提出了该机传动部件驱动与控制原理及方法，采用伺服直驱方式，有效地缩短了传动链路径，大大提高了传动效率。利用滚动传动副的高效与高精度特点，确保了整机的高效、高精度、大批量生产的技术要求。

关键词：纸杯机；滚动传动副；传动

中图分类号： TH122 文献标志码：A

文章编号：1672-1098（2017）05-0051-04

Abstract：In terms of the requirements of a volume-produce， efficient and high precision technology of high-speed muffin paper cups machine， the principle and method were proposed on driving and controlling of the machine transmission parts by combining the characteristics of a mechanical structure， processing technology and working condition and analyzing the main error source. With the application of direct driving servo， transmission chain path was effectively shortened and the transmission efficiency improved enormously .Based on the characteristic of efficient and high precision of the rolling transmission vice， the technical requirements of an efficient， high precision and volume-produce of the complete machine could be consequently satisfied.

Key words：paper cups machine； rolling transmission vice； transmission

随着人们生活节奏的加快和环保意识的加强，对应用于快餐业和快捷食品的纸制品包装的需求量越来越大，其应用也越来越广，大大促进了纸制包装品的加工设备的研发和推广。通过对现有的国内外相关设备的工作原理及结构特点的分析与研究发现：要实现纸包装制品（马芬纸杯）的设备高效、大批量、高精度、高可靠性生产，其核心部件（传动部件）的设计及制造技术最为关键，长期以来一直是业内技术人员关注的焦点和难以解决的技术难题[1-5]。

1 成型工艺特点及设备技术难点

1.1 成型工艺系统的特点简介

如图1所示，马芬纸杯成型工艺系统主要由成型模具组件、动力传动与控制系统、自动送纸与成品集收系统等组成。马芬纸杯机成型部件采用多工位成组连续成型工艺措施，由两组高精度成型模具，在一个工作周期内（周期约为1.6s）分别生产两件成品。模具由两套上模、一套下模组件组成，由气缸驱动完成成型模具的上下开合动作，下模组件安装在下模安装板上，动力来源依靠伺服电机直驱，并通过高精度运动副（滚珠丝杠副、直线滚动导轨副）来传递，最终实现其与下模安装板共同做左右逻辑往复运动。上下模具根据连续成型工艺的要求，組合后划分成三组模具，依次为成型模组、翻边模组和定型模组。该工艺系统具有马芬纸杯成型速度快、稳定性好、成品率高等优点。

1.2 该设备的设计技术难点

针对该设备的成型工艺特点，在研发过程中应重点解决以下难题：

1） 因成型用纸厚度较薄（厚度为0.02mm），为提高成品率、避免废品浪费，应保证在马芬纸杯的成型制造时，模具工作位置的任何运动状态均应维持高定位精度和高重复定位精度（控制精度≤0.10mm）；

2） 因此类产品（马芬纸杯）单件价值较低，为保证生产过程的高效率、低能耗，应科学地处理其成型工艺方法、高平稳性控制与动力保障系统等主要部分的设计与制造技术难题[6-7]；

3）因马芬纸杯机是高速化生产（生产周期≤2s），不仅各部件长时间工作，且需从停止到运动频繁切换，为提高各零部件使用寿命，应优先采用长寿命、低能耗、高可靠的滚动副机构，同时在结构设计上应充分考虑产品的装配、维修便捷性。

2 马芬纸杯机传动方案设计

2.1 常用的传动方案简介

（1）传统传动原理

如图2所示，传统马芬纸杯机为实现各工艺功能动作的协调一致性，均采用定速比的齿轮传动和预定运动轨迹的凸轮滚子机构，通过曲柄连杆的往复运动实现由旋转运动转化为线性周期运动，以满足制杯重复工作工位转换的工艺要求。

（2）传统结构方式及其特点

如图2所示，其主要由电机、齿轮机构、凸轮机构、下模安装板等四部件组成。其主要结构及特点如下：

1） 电机采用螺纹固定连接安装于底座上，这种方式缺乏定位和相对位置关系要求的保证，无法达到设计规定的工作精度要求目标；

2） 變速机构的齿轮副与轴之间均采用键固连，各级齿轮组件均独立开放式安装在相应的机座上，其相互之间的位置关系只有通过装配调整来保证。这就造成了装配、维修、更换难度更大，操作极不方便，很难满足相互之间的啮合关系要求；

3） 凸轮机构由槽形凸轮、滚轮、滚轮轴、曲柄连杆组成，槽形凸轮与齿轮同轴布置，曲柄连杆一端通过滚动轴承与底座固连，另一端与下模安装板铰接。该结构虽可满足工艺预定的运动轨迹关系，但凸轮加工精度高、加工难度大且因受运动间隙及磨损的影响，在原理上很难保证马芬纸杯制造工艺精度要求（≤0.10mm）。另外还因选择低精度铰接连接方式，无法确保多运动件准确定位和重复定位精度，维修困难，很难实现生产的集中控制和自动化生产，生产率低、可靠性差；

4） 整机均采用纯机械结构，构件数量大、运动副多、故障率高、噪音振动大、工作环境差。

2.2 高精度传动方案简介

（1） 传动原理

如图3所示，为实现高精度、高效率的设计目标，其主要由动力机构、滚珠丝杠机构、下模安装板、直线滚动导轨副等部件组成。采用伺服电机为动力源能满足无级调速技术要求，以直驱方式直接带动执行件工作，相对运动构件采用摩擦小、寿命长的滚动副[8]。动力传递通过高精度的滚动副（滚珠丝杠）实现将电机轴旋转运动转变为线性往复运动，该机构的定位精度和重复定位精度均很高，误差均≤0.01mm[9]。

（2） 传动结构方式

如图3所示，动力传递方式是由伺服电机通过刚性联轴器与丝杠连接，来直接驱动下模安装的定位板（或称为工作台）实现往复直线运动，故滚珠丝杠两端选用可承受轴向和径向载荷的大接触角滚动轴承组合安装方式，且一端采用浮动安装结构来补偿热变形的影响[10-13]；下模安装板（工作台）通过滚珠直线导轨副安装在整体加工的底座上，在一定程度上，降低装配安装、找正的工艺难度，其中直线导轨副采用楔块压紧方式，楔块依靠连接螺钉的预紧力将导轨紧紧压入导轨槽内。

（3） 传动结构特点

该传动系统与传统传动结构方式相比具有如下特点：

1） 结构紧凑、简单，易于制造、便于装配，采用模块化设计理念，大大简化机械结构，有效地保证该类机械成型工艺的各项技术精度要求，降低生产成本，确保了高成品率；

2） 运动性能良好，采用传动精度高的滚动副，可高效、准确地实现旋转运动转变为往复线运动，定位和重复定位精度高，使用寿命长；

3） 累积误差小，采用伺服电机直接驱动方式，通过缩短传动链路径，避免传动元件累积误差对系统影响，大大降低了系统故障率[14]；

4） 振动小、噪音低，采用楔块压紧的安装方式，不仅使直线滚动导轨的运动达到较高相对位置精度要求，显著改善了冲击震动对精度保持的影响，运动更加平稳，精度保持性较好，生产可靠性高[15-16]。

3 应用实例

如图4所示为该机构三维结构原理图。

某型高速马芬纸杯机设备需保证的主要生产目标为：

1） 装机总功率小，每台设备每小时能耗需少于1kW；

2） 高效率，每台设备每天产量达到10万只；

3） 低废品率，每台设备每天废品率低于3%。

依据该设计目标，选用主控伺服电机0.75kW，滚珠丝杠的导程采用25mm。装配时，通过控制各项的尺寸链关系，采用补偿垫片的方式确保相关精度，在原理上消除高废品率的可能，经实际生产应用结果发现，其废品率低于1%，远低于目前采用传统机构设备生产的废品率3%。

4 结论

该传动结构经实际应用结果表明：

1） 生产效率为单台高速马芬纸杯机约每1.6s生产成品2件，日产量与上述对应，达到该设备的高效设计目标；

2） 运动精度可达0.01mm，满足马芬纸杯机成型工艺的各项定位和重复定位精度指标要求；

3） 若考虑设备正常保养、维护等因素，设备每年正常工作时间约为280天，各部件设计寿命长，达到高可靠性要求。

由此可见：该传动方式的各项综合指标均达到或超过设计所规定的各项技术指标，这种方式是该类设备推广和应用的主要发展方向及趋势。

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（责任编辑：李 丽，范 君）