中國報告大廳網訊，當前，紙杯行業正朝著高效率、低成本、環保化的方向快速發展，高速智能化紙杯成型機成為滿足市場需求的核心設備。在紙杯生產過程中，傳動機構的精度與穩定性直接決定了紙杯的生產效率和成品質量，其中弧面凸輪分度機構作為高速智能紙杯機的關鍵部件，其設計合理性對紙杯成型工藝的順暢推進、生產效率的提升以及設備運行的穩定性起著至關重要的作用。以下是2025年紙杯行業技術分析。
NEWTOP 型高速智能紙杯機可生產兩種規格參數的紙杯，其中 D1 規格紙杯直徑範圍為 ϕ100~150mm，高度在 50~110mm;D2 規格紙杯直徑範圍為 ϕ80~120mm，高度在 5~12mm。該機器的轉塔最高轉速可達 350r/min，生產能力為每分鐘 180 個紙杯，在 8 小時的工作周期內，總共能夠生產 86400 個紙杯，正常生產中紙杯合格率高於 99%，且一個操作員可同時處理多台機器。
《2025-2030年全球及中國紙杯行業市場現狀調研及發展前景分析報告》從紙杯成型的整體流程來看，NEWTOP 型高速智能紙杯機主要包含三個主體部分：轉盤送紙機構(四等分設置送紙牙盤)、主旋轉塔成型機構(七等分設置轉塔)和副旋轉塔成型機構(七等分設置轉塔模具)。主旋轉塔成型機構和副旋轉塔成型機構在周向方向上相反，相互配合實現等分度轉動。具體的紙杯成型步驟為：紙杯專用紙先經過裁剪，分別成為杯底紙片和杯身紙片，杯底紙片被送入沖底模工位，杯身紙片則由送紙機構送入送紙銜接工位;隨後杯底紙片與杯壁紙片初步組合，依次經過第一杯底預熱工位、第二杯底預熱工位進行預熱，接著進入卷底工位完成卷底操作，再進入滾壓工位進行滾壓;之後由主副塔銜接工位將初步加工的紙杯送入副旋轉塔成型機構的轉塔模具內，經過杯口潤滑工位後進入卷口階段，依次通過預卷工位(紙杯形狀初步成型)、第一終卷工位(紙杯主體成型)、第二終卷工位(紙杯底部成型與加固)，最終通過出杯工位送出，完成整個紙杯的卸杯流程。
在整個紙杯成型工藝中，送紙機構、主旋轉塔成型機構和副旋轉塔成型機構均依靠凸輪機構進行傳動，其中主旋轉塔成型機構的傳動分度由弧面凸輪分度機構負責。弧面凸輪分度機構能夠將連續的旋轉運動轉化為間歇運動，實現主旋轉塔成型機構上七工位的精確分度，同時協調七個工位的工作順序與時間配合，保證主旋轉塔在運動過程中的平穩性，避免出現顯著抖動或晃動，進而提升紙杯加工質量與生產效率，減少因運動不穩定產生的紙杯次品，降低設備運行時的噪音與磨損。
為滿足 NEWTOP 型高速智能紙杯機的運行需求，需先建立弧面凸輪坐標系並求解曲面方程，再利用 SOLIDWORKS 軟體對凸輪、滾子、從動軸等部件進行三維建模。這種數位化設計方法相比傳統手工繪圖和實物試製，大幅縮短了設計周期，提高了設計效率，同時為後續的優化與分析提供了直觀、精確的模型基礎。
針對弧面分度凸輪機構的運動學分析需求，構建了 4 組正交空間坐標系系統。其中，基準坐標系 S₀(O₀X₀Y₀Z₀)固聯於機架結構，作為全局運動學分析的基準參照系統;輔助定坐標系 S₀'(O₀'X₀Y₀Z₀)用於描述在主定坐標系 S₀下不便直接處理的幾何關係或運動關係;S₁(O₁X₁Y₁Z₁)是與凸輪相連的動坐標系，可方便描述凸輪自身幾何特徵及凸輪表面各點在旋轉過程中的相對位置變化;S₂(O₂X₂Y₂Z₂)是與分度盤相連的動坐標系，能清晰呈現分度盤上各部件位置隨分度運動的變化情況。
在弧面分度凸輪機構中，基準坐標系 S₀為絕對參考，動坐標系 S₁(與凸輪相連)和 S₂(與分度盤相連)做相對運動。依據 「共軛接觸位置上兩曲面的共軛接觸點必須重合」 的原理，將 S₁和 S₂中對應的共軛接觸點變換到同一參考系後，其位置矢量相等，由此建立包含坐標變換參數及接觸點的關係式。
在 SOLIDWORKS 軟體中，首先創建直徑為 294mm、高度為 75mm 的圓柱體轉盤，在轉盤上均勻布置 7 個直徑為 80mm、高度為 35mm 的圓柱體滾子。這種均勻分布的設計可確保載荷均勻傳遞和運動平穩性，為分度機構的精確運行提供幾何支持，相鄰滾子之間的中心角 θ=360°/7≈51.43°。
基於參數化幾何建模原理，構建弧面分度凸輪基體的三維模型：通過導入 xyz 點坐標數據生成曲線，運用曲面放樣與縫合算法完成空間曲面的無縫拼接，最終形成具有嚴格幾何約束的凸輪實體模型。該建模方法有效保證了凸輪工作曲面的微分連續性，滿足凸輪機構運動學特性要求。
從結構組成來看，弧面凸輪分度機構主要包括弧面凸輪、滾子和從動軸三個部分。在與主旋轉塔成型機構連接的主旋轉軸上，從動轉盤帶有 7 個沿圓周方向均勻等分分布的滾子，這些滾子在裝配與運行過程中，始終與弧面凸輪的輪廓曲面保持緊密接觸，確保力的有效傳遞與運動的精確轉換。當弧面凸輪在電機驅動下以自身軸線為中心連續旋轉時，其輪廓曲面會對滾子施加特定方向與大小的作用力，推動滾子產生位移與運動趨勢，進而通過滾子與從動軸的連接帶動從動軸按預設間歇分度運動規律運動，最終實現主旋轉塔成型機構的分度迴轉動作，使主旋轉塔成型機構能在多個工位間精準切換，滿足紙杯加工、成型等工藝需求。
在完成紙杯機弧面凸輪分度機構的模型建立後，需通過動力學仿真分析評估其設計工作性能是否達標。此次仿真分析採用 UG 軟體，該軟體在機械系統動力學仿真方面具備卓越性能與豐富功能模塊。首先將 SOLIDWORKS 中構建的模型文件通過 STEP 格式轉換後導入 UG 軟體，構建弧面凸輪分度機構的動力學仿真模型，隨後開展仿真分析，獲取七工位工況下轉盤的角位移、角速度和角加速度曲線，以此全面反映弧面凸輪分度機構的運動學與動力學特性。
在 UG 軟體的仿真模塊中，需依據機構中各項運動副的實際運動約束關係與力學特性，設定相應的運動副參數;根據弧面凸輪的實際驅動方式與運動規律，確定驅動電機的轉速曲線、扭矩特性等參數;將滾子與弧面分度凸輪之間設置為 3D 接觸，真實模擬兩者在實際工作中的相互作用關係，完成動力學模型構建。
運行仿真分析程序後，獲取到轉盤的角位移曲線、質心角速度曲線以及質心角加速度曲線。將這些仿真曲線與理論計算推導的理論曲線進行對比分析，結果顯示二者基本吻合，表明弧面凸輪分度機構在關鍵運動學與動力學指標上均能滿足主旋轉塔成型機構的七工位工況要求，驗證了該機構設計的合理性與有效性。
圍繞 NEWTOP 型高速智能紙杯機的設備需求，完成了關鍵零部件 —— 弧面凸輪分度機構的設計與仿真分析工作。通過建立凸輪 - 轉盤正交空間坐標系運動學模型，推導出凸輪工作曲面的參數化方程;採用 SOLIDWORKS 平台的坐標驅動建模技術，結合多截面曲面放樣與無縫縫合算法構建具有連續性的凸輪實體模型，相比傳統設計方法大幅縮短了設計周期;運用 UG NX 軟體對七工位分度機構進行多體動力學仿真，獲取了轉盤角位移 φ(t)、角速度 ω(t) 及角加速度 α(t) 曲線。
仿真結果與理論分析表明，該弧面凸輪分度機構在運動學與動力學特性上完全符合主旋轉塔成型機構的七工位工況要求：轉盤能精確實現七工位分度定位，角速度變化平穩，角加速度波動在合理範圍，可有效避免衝擊與振動。同時，該機構的應用使 NEWTOP 型高速智能紙杯機能夠穩定達到 350r/min 的轉塔最高轉速、180 個 / 分鐘的紙杯生產能力，在 8 小時工作周期內生產 86400 個紙杯，且紙杯合格率高於 99%，充分滿足了當前紙杯行業對高速、高效、高質量紙杯生產設備的需求，為紙杯行業的技術升級與發展提供了有力支撐。
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