FOCKE350S内框纸传动机构研究
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闫玉平 男，1961年出生，大专学历，高级技师，1996年毕业于北京财贸管理干部学院。1980年进入北京卷烟厂参加工作，1983年至今从事烟机设备修理(包装)工作。1992年代表北京卷烟厂参加东北、华北地区6000型包装机职业技能竞赛，获得东北、华北地区6000型包装机职业技能竞赛第一名。2005年通过国家局职业技能鉴定中心考评，取得烟机设备修理考评员资格；
2006年通过国家局职业技能鉴定中心考评，获得烟机设备修理高级技师技术等级证书；
2006年获得国家职业技能竞赛裁判员资格。曾荣获北京市工人技术能手、北京市爱国立功竞赛标兵等称号。
摘要 FOCKE350S硬盒硬条包装机组是我厂从德国引进的自动化程度较高的生产线，主机350S硬盒包装设计速度400包/分，其中内框纸横向输送传动采用组合机构，该组合机构在主动轮等速转动的一周内，从动轮驱动内框纸横向输送带推动内框纸前进，然后减速到停止，随即反向转动使内框纸输送带后退至减速停止，再回复到原来的转向推动另一张内框纸进行下一次循环。内框纸输送传动机构的研究有利于管好、用好和维护好该机构，发挥其最佳效能，为提高设备的有效作业率和产品质量提供保障。
关键词 曲柄连杆机构 行星轮机构 组合机构
1引言
FOCKE350S硬盒硬条包装机组是我厂于90年代初从德国引进的自动化程度较高的生产线，它由350S硬盒包装、802烟包储存、401小透明纸包装、408硬条盒和大透明纸包装四部分组成。包装设计速度400包/分钟。机组运行中，由于内框纸的输送和折叠是在动态中完成，因此内框纸输送的准确性及内框纸输送与往复套口的同步若有偏差，将直接影响产品的包装质量和设备连续运转。
2内框纸输送原理
2.1内框纸输送流程(见图1)
内框纸卷有左右两盘，在设备正常运转的情况下由内框纸分切机构牵引输送，当有一侧内框纸用完，内框纸拼接机构自动拼接转换。内框纸盘经分切机构分切成符合包装规格后，由传送辊和送纸拨块配合纵向传递到横向输送通道定位，再由横向输送凸耳带将内框纸传送到移动的往复套口处与烟块合成，内框纸在与烟块合成输送过程中进行“Ⅱ”型折叠。在成型转台内商标纸、烟块和内框纸进行合成，然后基本成型的烟包经过输出通道、侧边涂胶装置、烟包提升装置(如有次品将剔除)、烟包传递转台、烟包传递推杆、第一干燥鼓、烟包横向传送带和第二干燥鼓等进入下工序。
图1 内框纸输送流程示意图
1.内框纸卷 2.内框纸分切 3.纵向输送 4.横向输送 5.内框纸与烟块合成 6.烟支下落 7.烟束输送 8.铝簿纸与烟束合成 9.烟块输送 10.铝簿纸卷 11.商标纸 12.包装转台 13.内框纸定位 14.烟包提升 15.第一干燥鼓 16.烟包次品剔除 17.烟包横向输送 18.第二干燥鼓
2.2内框纸输送机构工作原理(见图2)
主动曲柄10等角速度顺时针方向转动，固定在曲柄10上的齿轮11通过齿轮13将运动传递给齿轮4，齿轮4与带轮5固连，齿轮4的转动带动与齿轮4同轴的带轮5转动，带轮5通过同步齿形带6驱动带轮7使凸耳带9沿着带轮7和8按一定规律转动，凸耳带9上的凸耳推动内框纸横向输送。
图2 内框纸横向输送示意图
1．销轴2、3.连杆4、11、13．齿轮5、7、8．同步齿形带轮 6．同步齿形带9．凸耳带10．曲柄12．螺栓
2.3内框纸横向输送传动机构(见图3)
图3 内框纸横向输送传动机构示意图
1、3、11．螺栓 2、14．连杆 4、8、13．齿轮 5．曲柄 6．法兰盘7．销轴9．特制螺母 10．凸缘轴 12．带轮
3内框纸输送分析
3.1内框纸输送相位分析(见定时图4)
图4 内框纸输送定时图
内框纸推进器的运动是由共轭凸轮机构驱动，其定时曲线是：内框纸推进器305°开始向前推进，在85°到达其行程最前端位置，停顿l5°后返回，在后端位置等待75°，然后再进行下一次循环。
凸耳传送带是由三轮式齿轮一连杆机构驱动，由定时图可知17°开始向香烟轨道方向移动，277°将内框纸送到最前端位置，然后倒退17mm，待往复槽上的凸台将内框纸输送走后，凸耳传送带再向前移动。
往复套口组件由曲柄滑块机构驱动，l98°开始向折叠转台方向移动，29.6°到达其行程最前端位置再移回，然后再进行下一次循环。
内框纸推进器、凸耳传送带和往复槽组件三者之间的配合关系是：内框纸推进器将内框纸输送到横向输送通道，且保持l5°，待凸耳传送带接触内框纸并移动一定距离后，内框纸推进器返回；
凸耳传送带将内框纸输送至到位的往复槽组件上部，当内框纸距往复槽组件的限位边0.5——1mm时，凸耳传送带向后倒退17mm，目的是避开往复槽组件移动，避免两部件碰撞，待往复槽组件移开，凸耳传送带再继续向前移动进行下一次循环。
3.2内框纸输送带移动速度分析(见图5)
如图5所示，内框纸输送带移动速度是按一定规律变化的。在主动轮转动的一周内，内框纸输送带从A处逐渐加速移动，到B处移动速度最快，然后减速到C处停止，随即反向加速转动，再减速停止；
再回复到原来的转向，即在主动轮转动一周期间，从动轮转向改变两次，有两次瞬时停歇点，即C点和A点。
图5 凸耳带移动速度变化示意图
在两次加速和减速阶段中，加速阶段末和减速阶段初则是执行机构运行速度最快时，也是执行性运动的速度最大点或较大点，以这个点作为相位调整点是最准确的。因为人的视觉误差是不可避免的，但相等的视觉位移误差反映到相位变化上去，在快速运动过程中的相位变化量要远小于慢速运行过程中的相位变化量。FOCKE调整手册要求内框纸定时以机器相位277度在C点调整，其位移变化量是0.232，若以B点调整，其位移变化量是7.9，二者之比是0.232：7.9=1:34所以，在 B点的调整精度是C点的34倍。
3.3内框纸输送机构连杆角度变化分析(见图6、图7)
图6 从动件运动规律曲线图
图7 内框纸输送机构连杆角度变化示意图
随着曲柄AB的顺时针方向转动，连杆BC与连杆CD之间的夹角由最小．见图7(a)到最大．见图7(b)，即AB在AD延长线上时，输送带经历一次加速和减速状态见图6。当连杆BE与连杆CD之间的夹角由最大到最大小，即AB从AD延长线上转到与AD重叠，输送带经历两次加速和减速状态，并在A、B两点出现两次瞬时停歇，且在AB区域产生负速度使内框纸输送带回退。
4内框纸输送传动机构研究
4.1内框纸输送曲柄连杆机构
图8 内框纸输送带传动示意图
取ABCD为研究对象(见图8)，其中AD为机架，AB为曲柄，CD为摇杆。当曲柄AB沿顺时针方向以等角速度ω转过φ1时(从B1→B2)，摇杆CD自左极限位置C1D摆至右极限位置C2D(常作为从动件的工作行程，即载行程)，设所需时间为t1，C点的平均速度为V1；
而当曲柄AB再继续转过φ2，时(从B2→B1)，摇杆CD自C2D摆回至C1D(称为空回行程，或叫空载行程)，设所需时间为t2，C点的平均速度为V2。由图不难看出，ψ1>ψ2，所以t1>t2。又因为摇杆CD之C点从C1到C2和从C2返回C1之摆角φ相同，而所用的时间却不同，所以往返的平均速度也不同，即V2>v1。由此说明：曲柄AB虽作等速转动，而摇杆CD空回行程的平均速度却大于工作行程的平均速度，这种性质称为机构的急回特性。
4.2内框纸输送组合机构
图9 三轮式齿轮——连杆组合机构示意图
图9所示三轮式齿轮——连杆组合机构，是由相互啮合的三个齿轮1，5，6以及连接齿轮1，5中心的杆件2和连接齿轮5，6中心的杆件3所组成。其中齿轮5，6和杆件3组成一个自由度为2的差动轮系，构件1，2，3，4组成一个自由度为1的四杆机构。当偏心安置的主动齿轮1绕A点等速回转时，一方面通过轮齿啮合使行星轮5转动，另一方面又通过连杆2带动系杆3转动，因此从动轮6输出的是这丽个运动的合成，该合成运动是按一定规律变化的变速运动。其运动特点可借助瞬心法来分析。
图10 瞬心法分析示意图
如图10所示，P41，P46，P15及P56分别为构件4和1、构件4和6、构件1和5及构件5和6的瞬心，由二三心定理可知，连直线P15P56，和直线P41P46，则两直线交点即为构件1和6的相对瞬心P16，故有
由此可得
从图10和上式可以看出：当P16落在AD延长线上时，主、从动轮转向相同；
当P16落在A、D之间时，两轮转向相反；
当P16落在A点时，从动轮角速度ω6=0，这表明此时从动轮处于瞬时停顿状态。由于在实际机构中，相互啮合的齿轮之间通常存在着齿侧间隙，故此时表现为从动件作片刻停歇。
由图10可以看出，瞬心P16的位置与A，D之间的距离有关。当AD的长度大于某一值时，在主动轮转动一周内，P16先从AD延长线上某一点逐渐移过A点到达A，D之间，然后再移回A点回到AD延长线上。在这种情况下，在主动轮等速转动的一周内，从动轮6先向一个方向转动，然后减速到停止，随即反向转动，再减速停止，又回复到原来的转向，即在主动轮转动一周期间，从动轮转向改变两次，有两次瞬时停歇。当A，D之间的距离小于某一值时，在主动轮转动的一周内，P16总落在AD延长线上。在这种情况下，从动轮转向不变，只作周期性增速、减速运动。当A，D之间的距离等于某一值时，在主动轮转动的一周内，P16先从AD延长线上某一点逐渐移到A点，然后返回原处。在这种情况下，在主动轮转动一周期间，从动轮只有一次瞬时停歇。
FOCKE350S包装机上的内框纸横向送进机构，就是利用这种齿轮一连杆组合机构实现复杂运动规律的一个实例。内框纸横向送进有两点要求：其一是凸耳带上的凸耳接触分切好的内框纸时速度要从零平稳增加，然后再平稳定地降到零，以防止传动机构产生冲击，避免内框纸出现窜动。其二是凸耳带将内框纸输送到位后，在往复套口上的凸台接触内框纸之前，凸耳带将后退17mm然后再前进，以避开往复套口，避免凸耳带与往复套口碰撞损坏。上述的三轮式齿轮一连杆组合机构，当AD的长度等于98mm、AB=32mm Z1=Z6 r=30 z=60、Z5 r=40 z=80时(见图11)，正好满足内框纸送进运动的要求。
图11 内框纸传动齿轮-连杆组合机构示意图
5 结论
本课题针对FOCKE350S包装机内框纸输送带传动机构的运动规律和连杆夹角变化的特点，通过对内框纸输送带相位、移动速度、定时调整点位移变化量分析，提出通过改变定时调整点位置的方法，提高内框纸输送带的调整精度。通过对三轮式齿轮——连杆组合机构的分析，得到并非当两连杆之间的夹角减小时，内框纸输送带处于加速状态；
两连杆问夹角增大时，内框纸输送带处于减速状态；
而是瞬心点的位置与A，D之间的距离决定内框纸输送带的速度变化和转向。此研究有利于管好、用好和维护好该机构，充分发挥其最佳效能，为提高设备的稳定性、连续运转能力、延长设备使用寿命和提高产品质量提供保障。
参考文献
黄德良，《ZB25型包装机组》，中国科学技术出版社，2001版。
申永胜，《机械原理教程》，清华大学出版社，1999版。
德国FOCKE公司，93版随机包装维修手册。
2006年通过国家局职业技能鉴定中心考评，获得烟机设备修理高级技师技术等级证书；
2006年获得国家职业技能竞赛裁判员资格。曾荣获北京市工人技术能手、北京市爱国立功竞赛标兵等称号。
摘要 FOCKE350S硬盒硬条包装机组是我厂从德国引进的自动化程度较高的生产线，主机350S硬盒包装设计速度400包/分，其中内框纸横向输送传动采用组合机构，该组合机构在主动轮等速转动的一周内，从动轮驱动内框纸横向输送带推动内框纸前进，然后减速到停止，随即反向转动使内框纸输送带后退至减速停止，再回复到原来的转向推动另一张内框纸进行下一次循环。内框纸输送传动机构的研究有利于管好、用好和维护好该机构，发挥其最佳效能，为提高设备的有效作业率和产品质量提供保障。
关键词 曲柄连杆机构 行星轮机构 组合机构
1引言
FOCKE350S硬盒硬条包装机组是我厂于90年代初从德国引进的自动化程度较高的生产线，它由350S硬盒包装、802烟包储存、401小透明纸包装、408硬条盒和大透明纸包装四部分组成。包装设计速度400包/分钟。机组运行中，由于内框纸的输送和折叠是在动态中完成，因此内框纸输送的准确性及内框纸输送与往复套口的同步若有偏差，将直接影响产品的包装质量和设备连续运转。
2内框纸输送原理
2.1内框纸输送流程(见图1)
内框纸卷有左右两盘，在设备正常运转的情况下由内框纸分切机构牵引输送，当有一侧内框纸用完，内框纸拼接机构自动拼接转换。内框纸盘经分切机构分切成符合包装规格后，由传送辊和送纸拨块配合纵向传递到横向输送通道定位，再由横向输送凸耳带将内框纸传送到移动的往复套口处与烟块合成，内框纸在与烟块合成输送过程中进行“Ⅱ”型折叠。在成型转台内商标纸、烟块和内框纸进行合成，然后基本成型的烟包经过输出通道、侧边涂胶装置、烟包提升装置(如有次品将剔除)、烟包传递转台、烟包传递推杆、第一干燥鼓、烟包横向传送带和第二干燥鼓等进入下工序。
图1 内框纸输送流程示意图
1.内框纸卷 2.内框纸分切 3.纵向输送 4.横向输送 5.内框纸与烟块合成 6.烟支下落 7.烟束输送 8.铝簿纸与烟束合成 9.烟块输送 10.铝簿纸卷 11.商标纸 12.包装转台 13.内框纸定位 14.烟包提升 15.第一干燥鼓 16.烟包次品剔除 17.烟包横向输送 18.第二干燥鼓
2.2内框纸输送机构工作原理(见图2)
主动曲柄10等角速度顺时针方向转动，固定在曲柄10上的齿轮11通过齿轮13将运动传递给齿轮4，齿轮4与带轮5固连，齿轮4的转动带动与齿轮4同轴的带轮5转动，带轮5通过同步齿形带6驱动带轮7使凸耳带9沿着带轮7和8按一定规律转动，凸耳带9上的凸耳推动内框纸横向输送。
图2 内框纸横向输送示意图
1．销轴2、3.连杆4、11、13．齿轮5、7、8．同步齿形带轮 6．同步齿形带9．凸耳带10．曲柄12．螺栓
2.3内框纸横向输送传动机构(见图3)
图3 内框纸横向输送传动机构示意图
1、3、11．螺栓 2、14．连杆 4、8、13．齿轮 5．曲柄 6．法兰盘7．销轴9．特制螺母 10．凸缘轴 12．带轮
3内框纸输送分析
3.1内框纸输送相位分析(见定时图4)
图4 内框纸输送定时图
内框纸推进器的运动是由共轭凸轮机构驱动，其定时曲线是：内框纸推进器305°开始向前推进，在85°到达其行程最前端位置，停顿l5°后返回，在后端位置等待75°，然后再进行下一次循环。
凸耳传送带是由三轮式齿轮一连杆机构驱动，由定时图可知17°开始向香烟轨道方向移动，277°将内框纸送到最前端位置，然后倒退17mm，待往复槽上的凸台将内框纸输送走后，凸耳传送带再向前移动。
往复套口组件由曲柄滑块机构驱动，l98°开始向折叠转台方向移动，29.6°到达其行程最前端位置再移回，然后再进行下一次循环。
内框纸推进器、凸耳传送带和往复槽组件三者之间的配合关系是：内框纸推进器将内框纸输送到横向输送通道，且保持l5°，待凸耳传送带接触内框纸并移动一定距离后，内框纸推进器返回；
凸耳传送带将内框纸输送至到位的往复槽组件上部，当内框纸距往复槽组件的限位边0.5——1mm时，凸耳传送带向后倒退17mm，目的是避开往复槽组件移动，避免两部件碰撞，待往复槽组件移开，凸耳传送带再继续向前移动进行下一次循环。
3.2内框纸输送带移动速度分析(见图5)
如图5所示，内框纸输送带移动速度是按一定规律变化的。在主动轮转动的一周内，内框纸输送带从A处逐渐加速移动，到B处移动速度最快，然后减速到C处停止，随即反向加速转动，再减速停止；
再回复到原来的转向，即在主动轮转动一周期间，从动轮转向改变两次，有两次瞬时停歇点，即C点和A点。
图5 凸耳带移动速度变化示意图
在两次加速和减速阶段中，加速阶段末和减速阶段初则是执行机构运行速度最快时，也是执行性运动的速度最大点或较大点，以这个点作为相位调整点是最准确的。因为人的视觉误差是不可避免的，但相等的视觉位移误差反映到相位变化上去，在快速运动过程中的相位变化量要远小于慢速运行过程中的相位变化量。FOCKE调整手册要求内框纸定时以机器相位277度在C点调整，其位移变化量是0.232，若以B点调整，其位移变化量是7.9，二者之比是0.232：7.9=1:34所以，在 B点的调整精度是C点的34倍。
3.3内框纸输送机构连杆角度变化分析(见图6、图7)
图6 从动件运动规律曲线图
图7 内框纸输送机构连杆角度变化示意图
随着曲柄AB的顺时针方向转动，连杆BC与连杆CD之间的夹角由最小．见图7(a)到最大．见图7(b)，即AB在AD延长线上时，输送带经历一次加速和减速状态见图6。当连杆BE与连杆CD之间的夹角由最大到最大小，即AB从AD延长线上转到与AD重叠，输送带经历两次加速和减速状态，并在A、B两点出现两次瞬时停歇，且在AB区域产生负速度使内框纸输送带回退。
4内框纸输送传动机构研究
4.1内框纸输送曲柄连杆机构
图8 内框纸输送带传动示意图
取ABCD为研究对象(见图8)，其中AD为机架，AB为曲柄，CD为摇杆。当曲柄AB沿顺时针方向以等角速度ω转过φ1时(从B1→B2)，摇杆CD自左极限位置C1D摆至右极限位置C2D(常作为从动件的工作行程，即载行程)，设所需时间为t1，C点的平均速度为V1；
而当曲柄AB再继续转过φ2，时(从B2→B1)，摇杆CD自C2D摆回至C1D(称为空回行程，或叫空载行程)，设所需时间为t2，C点的平均速度为V2。由图不难看出，ψ1>ψ2，所以t1>t2。又因为摇杆CD之C点从C1到C2和从C2返回C1之摆角φ相同，而所用的时间却不同，所以往返的平均速度也不同，即V2>v1。由此说明：曲柄AB虽作等速转动，而摇杆CD空回行程的平均速度却大于工作行程的平均速度，这种性质称为机构的急回特性。
4.2内框纸输送组合机构
图9 三轮式齿轮——连杆组合机构示意图
图9所示三轮式齿轮——连杆组合机构，是由相互啮合的三个齿轮1，5，6以及连接齿轮1，5中心的杆件2和连接齿轮5，6中心的杆件3所组成。其中齿轮5，6和杆件3组成一个自由度为2的差动轮系，构件1，2，3，4组成一个自由度为1的四杆机构。当偏心安置的主动齿轮1绕A点等速回转时，一方面通过轮齿啮合使行星轮5转动，另一方面又通过连杆2带动系杆3转动，因此从动轮6输出的是这丽个运动的合成，该合成运动是按一定规律变化的变速运动。其运动特点可借助瞬心法来分析。
图10 瞬心法分析示意图
如图10所示，P41，P46，P15及P56分别为构件4和1、构件4和6、构件1和5及构件5和6的瞬心，由二三心定理可知，连直线P15P56，和直线P41P46，则两直线交点即为构件1和6的相对瞬心P16，故有
由此可得
从图10和上式可以看出：当P16落在AD延长线上时，主、从动轮转向相同；
当P16落在A、D之间时，两轮转向相反；
当P16落在A点时，从动轮角速度ω6=0，这表明此时从动轮处于瞬时停顿状态。由于在实际机构中，相互啮合的齿轮之间通常存在着齿侧间隙，故此时表现为从动件作片刻停歇。
由图10可以看出，瞬心P16的位置与A，D之间的距离有关。当AD的长度大于某一值时，在主动轮转动一周内，P16先从AD延长线上某一点逐渐移过A点到达A，D之间，然后再移回A点回到AD延长线上。在这种情况下，在主动轮等速转动的一周内，从动轮6先向一个方向转动，然后减速到停止，随即反向转动，再减速停止，又回复到原来的转向，即在主动轮转动一周期间，从动轮转向改变两次，有两次瞬时停歇。当A，D之间的距离小于某一值时，在主动轮转动的一周内，P16总落在AD延长线上。在这种情况下，从动轮转向不变，只作周期性增速、减速运动。当A，D之间的距离等于某一值时，在主动轮转动的一周内，P16先从AD延长线上某一点逐渐移到A点，然后返回原处。在这种情况下，在主动轮转动一周期间，从动轮只有一次瞬时停歇。
FOCKE350S包装机上的内框纸横向送进机构，就是利用这种齿轮一连杆组合机构实现复杂运动规律的一个实例。内框纸横向送进有两点要求：其一是凸耳带上的凸耳接触分切好的内框纸时速度要从零平稳增加，然后再平稳定地降到零，以防止传动机构产生冲击，避免内框纸出现窜动。其二是凸耳带将内框纸输送到位后，在往复套口上的凸台接触内框纸之前，凸耳带将后退17mm然后再前进，以避开往复套口，避免凸耳带与往复套口碰撞损坏。上述的三轮式齿轮一连杆组合机构，当AD的长度等于98mm、AB=32mm Z1=Z6 r=30 z=60、Z5 r=40 z=80时(见图11)，正好满足内框纸送进运动的要求。
图11 内框纸传动齿轮-连杆组合机构示意图
5 结论
本课题针对FOCKE350S包装机内框纸输送带传动机构的运动规律和连杆夹角变化的特点，通过对内框纸输送带相位、移动速度、定时调整点位移变化量分析，提出通过改变定时调整点位置的方法，提高内框纸输送带的调整精度。通过对三轮式齿轮——连杆组合机构的分析，得到并非当两连杆之间的夹角减小时，内框纸输送带处于加速状态；
两连杆问夹角增大时，内框纸输送带处于减速状态；
而是瞬心点的位置与A，D之间的距离决定内框纸输送带的速度变化和转向。此研究有利于管好、用好和维护好该机构，充分发挥其最佳效能，为提高设备的稳定性、连续运转能力、延长设备使用寿命和提高产品质量提供保障。
参考文献
黄德良，《ZB25型包装机组》，中国科学技术出版社，2001版。
申永胜，《机械原理教程》，清华大学出版社，1999版。
德国FOCKE公司，93版随机包装维修手册。
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