1、 机械原理课程设计说明书 纸张分拣机构类型及动作 特点调查与分析 长安大学工程机械学院 工业设计专业 258010801 班 设计者： 潘 瑾 2501080101 曹 轩 2501080128 李东亮 2501080125 指导老师 : 张伟社 2010 年 12月 30日 纸张分拣机构类型及动作特点调查与分析 摘要 ： 纸张分拣机构是印刷机，打印机，复印 机等机械的核心机构，本文通过对分拣机构的类型及动作特点的分析与调查，和对其运动过程的参数化分析，使这些机械的工作原理更加清晰的呈现出来，通过机构简图该机构进行简化分析，便于后续的研究，调查与改进。 关键词 ： 分离轮 递纸 吸盘 力学模型
2、 印刷机中下压纸堆机构 ： 1 在印刷机上，一些型式的吸纸装置通常是由吸起堆叠纸张最上面一张纸的前缘，且拖着纸张进入夹纸器而进给纸张的，为了防止上面的纸张把下面的一张纸带起，有时因为纸上的静电作用而发生这种情况，因此必须在印刷机上加装一个下压纸指爪 机构，该机构使指爪与吸纸装置协调动作，从而吧吸上的一张纸与下面的纸堆分开。 吸盘吸起上面的一张纸的前缘后，指爪压住下面的纸堆，吸盘的底部被切削成斜面，以便将这几张的边缘快速吸起，引导件连在吸盘上，随吸盘一起上下运动，凸轮与吸盘协调的连续运动，当吸盘下降到堆叠的纸张上时，指爪被拉回，且在柱塞的弹簧压力作用下，向上顶着引导件，吸盘吸起最上面一张纸的前缘
3、。 随着凸轮的转动，柱塞其作用，这时引导件迫使指爪向下，并引导它进入被吸起的一张纸翘起部与下面纸堆形成的契形空间。当指爪进到全位时，指爪就压着下面的纸堆，此 时吸盘组建将吸起的纸吸到夹纸器内，并由夹纸器把纸送进印刷机。 每进给一张纸，凸轮就转一周，也就完成了一个循环。此机构的一个特点是指爪的位置由吸盘的进给位置而定，因而可不受纸堆高度变化的影响。 图 1 印刷机纸张分离机构 复印机送纸机构的原理分析： 2 复印机中常采用 FRR 送纸机构，既搓纸轮加分离轮形式，当复印机启动键按下后，搓纸轮迅速下降与纸盒中最顶层的一张纸接触，依靠两者之间的摩擦力将地一张纸送至送纸轮与分离 轮之间，当纸张头端到达
4、送纸论的同时，搓纸轮迅速提升并离开纸堆以至于吸气 （ a）压纸 （ b）吸纸 （ c）分离 不干扰送纸轮和分离轮的工作，然后依靠送纸轮与纸张间的摩擦力，将纸张送到下个送纸单元。 为了保证纸张的单张输送，防止多张纸张的输送的情况的出现，在分离轮中安装一个滑动离合器，并在该离合器上应用一个恒定的顺时针方向的力则分离轮的转动方向取决于其与纸张的摩擦力的大小，当单张纸输送时，分离轮与纸张间的摩擦力 F2F,分离轮逆时针方向转动，当两张纸或多张纸输送时，纸张之间的摩擦力 F3分离轮与除去第一张的其余纸张之间的摩擦力 F2,且 F2F,分离轮 开始顺时针方向转动，同时将除去第一张的其余纸推回到纸盒中区，这
5、就有效的阻止了纸张的重叠输送 1-送纸轮 2-搓纸轮 3-分离轮 图 2 FRR 机构分拣纸张过程简图 FRR 送纸机构计算仿真模型 :2 为了对 FRR 送纸机构的纸张分离，输送过程进行研究分析，简化了纸张与滚轮之间的接触力，建立了如图 2 所示的 FRR 送纸机构的计算仿真模型。该模型包括送纸轮，分离轮，径向坛黄，纸 张，其中分离轮内的滑动离合器上应用一个恒定的逆时针反向扭矩T，径向弹簧提供正向的力 N。各组成部分基本物理参数：纸张的尺寸为 210mm*297mm，厚度为 0.1mm，定量（ g）为 80g%m2：送纸轮，分离轮的杨氏模量为 12.3MPa，泊松比为 0.45。 1-送纸轮
6、 2-纸 3-分离轮 4-弹簧 图 3 FRR 送纸机构简单计算模型 正向力 纸张分离过程运动仿真与分析 根据弹性体滚动接触理论以及送纸机构 各组成部分的基本物理参数，为了简化与滚轮的接触变形问题，假设纸张与滚轮的接触区域从侧面观察为线接触，并且在整个纸张输送过程中，送纸轮，分离轮与纸张之间也没有滑动发生。由于纸张所受到得作用力小于其屈曲临界力，因此不能发生较大的变形，所以将纸张视为刚体。另外，橡胶层的变形量相对较小，这里未考虑变形量对纸张运动的影响。下图为纸张分离过程的计算模型。 1-送纸轮 2-第一张纸 3-第二张纸 4-分离轮 图 4 纸张分离过程中的计算模型 下面举例说明该机构在运动过
7、程中的受力分析，以及如何能做到纸张分离： 其中： J1,J2-分别为送纸轮，分离轮的转动惯量； VP1,VP2 -分别为第一，二张纸的前进速度； m1， m2-分别为第一二张纸的质量； 1， 2-分别为送纸轮，分离轮的角速度； F1,F2,F3-各个接触表面的摩擦力； r1， r2-分别为送纸轮，分离轮的半径； M,T-分别为送纸轮，分离 轮的扭矩。 我们参考【复印机送纸机构的动态仿真与分析】文献，进行简要分析； 2 给定数值分析的各个参数：送纸轮，分离轮与纸张的摩擦系数为 1，纸张之间的摩擦系数为 0/1，即 1= 3=1， =0.1；施加在分离轮上的正向力为 0.1N，送纸轮的角速度为 0
8、。 01rad%s；反向扭矩分别为 0.039 和 0.056N.m。 运用 MATLAB 进行数值仿真计算，可获得各个反向扭矩对纸张分离过程中纸张的位移，速度，加速度的影响，由纸张位移曲线可知第一张纸前进的位移大于第二张纸，特别是当 T=0.056N.m 时，第二张出现向 后移动，由纸张 加速度曲线可知第一张第二张的加速度趋向于零，可知 F1=F2=F3=const， F1=F2=F3=M/r2。将上式代入式得 当 T=0.039N.m时，由式（ 5）可得 Vr1=Vr3=0.1*tan( *0.39)/(2*10*0.1*1)=0.006mm/s，Vr2=0.1 tan( *0.039)/
9、(2*10*0.1*0.1)=0.07mm/s，将 Vr1， Vr3， Vr3 代入上式可得Vp1=0.094mm/s， Vp2=0.024mm/s。同理，当 T=0.056N.m 时，可得 Vp1=0.091mm/s，Vp2=-0.03mm/s。故可预测随着反向扭矩的增大，第二张纸的速度将减小，从而纸张的分离也将会更可靠。 建立运动方程如下 J1 1=M-F1r1 J2 2=T-F2r2 各个接触表面的相对滑动速度为； Vr1=r1 1-Vp Vr2=Vp+r2 2 另纸张的质量为 m，纸张运动的位移为 x（ t），由 Fx=mx，可得到下式： mx=mVp=F1-F2 可得到各个反向扭矩对
10、纸张传送过程中纸张位移，速度及加速度的影响，其中送纸轮的角速度为 0.02rad/s，反 向扭矩分别为 0， 0.39， 0.56， 0.73N.m，可知当反向扭矩 T 为零时，纸张速度能够快速达到纸张得周向线速度，并且加速度趋向于零，此仿真结果比较符合实际情况。由纸张速度曲线可知在不同的反向扭矩的条件下，纸张的速度最终会趋于稳定，又因为 1=const，故可知 Vp= 1= 2=0， F1=F2=M/r1=T/r2.代入。当 T=0.39N.m时， Vr1=Vr2=r1 1-Vp=0.2-0.13=-0.06mm/s，则纸张速度稳定后的摩擦力为 F1=F2=1*0.1*(2* ) arcta
11、n（ 0.07/0.1） =0.039N。在其他反向扭矩的情况下，可获得类似的数据。故可预测纸张速度随着反向扭矩逐渐增大而逐渐减小；送纸轮，分离轮与纸张之间的摩擦力大小等于反向扭矩与分离轮半径的比值。 1-送纸轮 2-纸 3-分离轮 图 5 纸张传送过程中的计算模型 递纸机构简化模型和动态分析 1 动力学模型的建立 近年来发展起来的混合驱动机构在理论上能够比较理想地解决柔性化与高速化 、高效率、高承载力这一对矛盾，是现代机械创新设计的新思路。国内外对这一领域进行了大量的研究，混合驱动 5 杆机构系统理论已初步建立起来，但对驱动电机与 2 自由度机构集成研究还不多。现代机构的应用与研究表明，在电
12、机驱动的机构系统中，电机参数的变化会直接导致系统运行的不稳定，驱动电机的电磁谐、波有时会引起高速轻型机构产生强烈振动，因此，对递纸机构从机电耦合角度对系统振动产生的故障机理以及控制系统参数变化、驱动源电磁参数变化、递纸过程中产生的负阻尼效应、凸轮轴的扭转及横向弯曲振动、从动滚子与凸轮曲面间的接触变形振动、传 动系统的间隙等所诱导的递纸机构振动现象 ,以及由于以上原因导致的递纸规律变化进行深入研究，对有效、精确地预测和抑制递纸机构振动提供合理的方法和措施，为高速胶印机的设计与优化提供必要的条件和合理的设计参数有着重要的意义。 以往凸轮连杆机构动力学模型的建立较多采用集中质量法或能量法将构件简化为
13、离散系统，近似地描述系统的实际结构与动力特性，这种方法在研究凸轮连杆机构时存在较大的局限性且精度较低。为更准确地研究递纸机构的动力学问题，拟建立反映电磁状态和机构运行状态的动力学模型。 1.1 结构模型分析 递纸机构共由 6 个部 分组成 ,即递纸牙轴的偏心套及其传动齿轮、递纸牙轴递纸臂和叼纸牙、拉杆和摆臂连杆机构、递纸凸轮、拉簧及衡力装置等，其三维模型如图 6 所示。递纸牙的摆动轴活装在两侧墙板孔内的心套里，偏心套的偏心距一般为 20mm，每个偏心套上各装有一个与压印滚筒传动齿轮相啮合、分度圆直径相等的递纸牙传动齿轮，因此偏心套带动递纸牙轴绕其旋转中心以与压印滚筒同步的速度反向旋转；与此同时
14、，递纸牙又由装在压印滚筒轴头的凸轮 ,通过滚子、摆杆、连杆带动 ,以与递纸牙轴固结的传动摆臂作摆动运动 ,从而使固定安装在递纸牙轴上的递纸牙相对于轴作往复摆动 传递纸张。因此，递纸牙的运动是其摆动中心 (递纸牙轴 )绕偏心套中心所作的匀速旋转运动 (牵速运动 )和由凸轮连杆机构驱动的相对于递纸牙摆动中心的摆动运动 (相对运动 )的合成运动。图中摆杆、连杆和曲柄组成一个 4 杆机构，该机构由递纸凸轮和曲柄输入动力，使递纸牙完成递纸运动，递纸运动的实现是靠凸轮的转动带动连杆机构的摆动来实现的，其结构和运动关系复杂，不同的机构其运动曲线特性不同，递纸的准确性和速度也将随着发生变化。 以往凸轮连杆机构
15、动力学模型的建立较多采用集中质量法或能量法将构件简化为离散系统，近似地描述系统的实际结构 与动力特性，这种方法在研究凸轮连杆机构时存在较大的局限性且精度较低。目前对凸轮连杆机构连杆部分的研究逐渐采用有限元法，为更准确地研究凸轮连杆机构的动力学问题，拟建立起包括全部影响因素的系统弹性动力学模型。建立机构简化模型，递纸机构的结构简化模型为铰链四连杆机构加凸轮机构，根据模型的结构、质量、尺寸等关系建立递纸机构结构模型，如图 7 所示。通过动力学特性仿真分析，能得到有关的动力学性能参数，实验并观察各部分的相互运动和相互作用力情况。 图 6 递纸机构的三维模型 图 7 递纸机构结构简图 递纸机构在胶印机
16、中的应用的情况 印刷工业在国民经济乃至整个社会生活都占有重要地位，而胶印机由于操作方便，印刷速度快，且印刷质量优良，获得了广泛的使用。 随着计算机控制、电子、光学技术的发展及其在胶印机上的广泛应用，胶印机得到了快速发展。目前胶印机已发展到八色机组以上，在某些领域（如票据印刷行业）十几色以上的胶印机已不难看到，印刷速度也已达到 1500 张 /小时以上。要保证在如此高速的印刷环境下印刷 产品达到质量要求，胶印机的递纸机构是重中之重。 纸张在经由前规和侧规定位以后，胶 印机需要把在输纸台上静止定位的纸张加速到等同于压印滚筒表面的旋转线速度，由压印滚筒的咬纸牙排咬住纸张并带其旋转进行印刷，这一套把纸
17、张从静止状态加速到压印滚筒表面线速度的机构称之为递纸机构。递纸机构的形式及其运动、动力性能，对于准确平稳地传递纸张、保证套印精度和提高机器速度，都起着极为重要的作用。 1 摆动式递纸机构 摆动式递纸机构是目前国产胶印机中应用最为广泛的递纸机构。其中，偏心上摆式递纸机构和定心上摆式递纸机构由于结构简单、紧凑、设计制造、调整比较容易，主要应用于国产低速小型胶印机上，印刷速度在 5000 转 /小时左右。而国内生产的高速胶印机多采用定心下摆式递纸机构，印刷速度 8000 10000 转 /小时 1.1 偏心上摆式递纸机构 3 偏心上摆式递纸机构由于递纸牙在回程时要避开压印滚筒上的纸张，因此一般采用偏
18、心式结构。图 8 所示为偏心上摆式递纸机构的递牙运动曲线， A 是从输纸板上取纸， B是将纸张交给压印滚筒的交接点。由图可以看出偏心上摆式递纸机构的运动轨迹不是一段圆弧，而 是一条封闭 图 8 偏心上摆式递纸机构 的“水滴”形平面曲线，它的进程与回程不在一条弧线 上，因此不会与压印滚筒相碰。其优越性在于：滚筒直径小，机器机构紧凑，递纸牙不受滚筒空档的限制可提前返回，既可提高机器速度，运转也平稳。 当然，这种机构也有很大的缺陷。为了实现“水滴”形运动轨迹，递纸牙轴的旋转中心必须是偏置的。例如北人国产对 08 型单色胶印机的递纸牙轴直径为 60 70mm，其旋转中心偏心的直径就达 40mm。这个设
19、计本身就决定了它在高速运行时机器会有较大的震颤，当转速超过 6000 转 /小时的时候，机器便会出现明显的震颤、噪音，机器 的各项性能指标都会明显下降，而且会加快机器的磨损。所以该递纸机构一 般不适用于高速运转的工作环境。 1.2 定心上摆式递纸机构 3 由于偏心上摆式递纸机构在高速运转时会有较大的震颤，所以国内厂家生产的小型胶印机（如八开胶印机）中，采用定心上摆式递纸机构的也很多。国内学者蔡吉飞等人为提高八开胶印机的速度，就提出采用定心摆动式结构来取代偏心摆动式结构，并进行计算机仿真验证，指出虽然定心式递纸机构稳定度不及偏心摆动式高，但复杂程度可降低，工作可靠性可提高，既可降低成本，又可简化
20、设计，同时他们也采用多项式运动规律分析八开胶印机递纸牙运动过程，证明八开胶印机采用定心上摆式递纸机构能够 满足规定的运动要求。 另外柴承文等人按五次多项式设计定心上摆式递纸机构的递纸牙摆臂的角位移运动规律，改进了凸轮回程阶段的设计，使递纸牙的运动特性得到改善。同时，柴承文还运用等效原则简化定心上摆式递纸机构并建立弹性动力学模型，实现了对定心上摆式递纸机构的参数化设 计。 但是由于这种递纸机构的滚筒表面利用率低、递纸牙在摆至高点的停留时间增加、返回交接时间缩短，高速工作时会影响纸张交接的平稳性。因此，这种递纸机构多被应用在低速小型胶印机上 1.3 定心下摆式递纸机构 3 定心下摆式递纸机构是目前国内高速印刷设备广为 采用的一种递纸机构，其最大优点是递纸牙能够在纸张离开规矩板时就可以回到规矩板上等候取下一张纸。把递纸牙设计在输纸板的下面，这样递纸牙在回程时就不必避让滚筒。取消递纸牙轴旋转中心的偏心，就一举解决了偏心上摆式递纸牙的振动效应和在输纸台前取纸时代蠕动问题，使得递纸牙在取纸时处于绝对静止状态，最大限度地降低了机器高速运行时的振动，保证了套准精确度 .
