香水機(jī)自動(dòng)灌裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

鄭秀麗，何炳蔚

（1.福州大學(xué)，福建 福州 350002；2.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325003）

0 引言

將香水物料灌裝入香水瓶中是化妝品包裝機(jī)械的重要組成部分，其灌裝的量可以通過對(duì)自動(dòng)定量灌裝裝置的控制來實(shí)現(xiàn)。其香水瓶子可以是圓柱型、方型、橢圓型等任何形狀。灌裝的物料可為單色液體、混合液體、帶亮片液體等。要完成自動(dòng)灌裝動(dòng)作，則首先必須通過長(zhǎng)形灌裝嘴（如圖1所示）伸入灌裝瓶?jī)?nèi)，以便外部灌裝機(jī)構(gòu)能順利將物料通過灌裝嘴灌入瓶子中[1]。為了實(shí)現(xiàn)定量灌裝這一要求，需要在自動(dòng)灌裝機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)一個(gè)能夠控制灌裝量的機(jī)構(gòu)，使灌入瓶子的物料一直保持定量要求。目前市場(chǎng)上典型香水灌裝設(shè)備主要采用伺服帶動(dòng)的滾珠絲桿實(shí)現(xiàn)的定量灌裝[2]，該機(jī)構(gòu)需要安裝較多的附件來實(shí)現(xiàn)灌裝的穩(wěn)定運(yùn)行。正因?yàn)檫@種機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中承受較大的負(fù)載量，需配置大功率電機(jī)，導(dǎo)致占用很大的安裝空間，其整體效率普遍不高，且高速灌裝時(shí)廢品率較高。我們結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)學(xué)和新式包裝機(jī)械設(shè)計(jì)理論，借助計(jì)算機(jī)三維仿真、結(jié)構(gòu)造型等技術(shù)方法，提出一種利用圓周曲柄連桿實(shí)現(xiàn)香水精確定量灌裝機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以解決安裝空間大和電機(jī)功率損耗過大的問題。

1 灌裝機(jī)構(gòu)組成原理及數(shù)學(xué)建模

自動(dòng)香水機(jī)精確灌裝機(jī)構(gòu)的工藝流程為：首先固定于氣缸上的灌裝嘴通過氣缸的升降將其插入到瓶中（如圖2所示），通過導(dǎo)管將暫存在灌裝組件的物料灌入到灌裝嘴中，進(jìn)入到瓶?jī)?nèi)。

圖1 伸入瓶中的長(zhǎng)形灌裝嘴

圖2 灌裝嘴的支撐動(dòng)作機(jī)構(gòu)

自動(dòng)香水機(jī)精確灌裝機(jī)構(gòu)內(nèi)部的灌裝量是通過伺服電機(jī)的脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)角度來進(jìn)行精確控制，如圖3所示，電機(jī)帶動(dòng)小齒輪進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，通過小齒輪和大齒輪的嚙合，帶動(dòng)了大齒輪作反方向的圓周運(yùn)動(dòng)[2]，我們?cè)诖簖X輪的同心軸上安裝一組曲柄連桿機(jī)構(gòu)固定于大齒輪上，使其能夠跟隨著大齒輪作圓周運(yùn)動(dòng)。曲柄通過鉸鏈與大齒輪作同步轉(zhuǎn)動(dòng)，在曲柄的另一端安裝上連桿，并將連桿與固定于灌裝桶內(nèi)的活塞導(dǎo)桿連接，通過以上的相互關(guān)聯(lián)，電機(jī)的動(dòng)力就通過圓周曲柄連桿組件實(shí)現(xiàn)的三角函數(shù)關(guān)系的方式傳遞到灌裝料桶內(nèi)，來達(dá)到定量灌裝的目的。其實(shí)際二維機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

圖4 實(shí)際二維機(jī)構(gòu)圖

將圖3所示的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三角函數(shù)建模分析（如圖5所示），設(shè)曲柄邊長(zhǎng)為a，由于其跟隨大齒輪進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，因此其與連桿的交點(diǎn)的運(yùn)行軌跡是以a為半徑的圓，三角形的另一邊為連桿長(zhǎng)度，其邊長(zhǎng)設(shè)為c，可以求得第三邊邊長(zhǎng)為c+x-a（其中x為活塞導(dǎo)桿的行程）。根據(jù)三角函數(shù)余弦定理，三角形任何一邊的平方等于其他兩邊平方的和減去這兩邊與它們夾角余弦積的兩倍[3]，可得：

圖5 三角函數(shù)分析

當(dāng)

當(dāng)

其中：a＜x＜2a，值域0＜β＜180°。

通過上述公式及符號(hào)的正負(fù)號(hào)轉(zhuǎn)換后即可使旋轉(zhuǎn)角度β在0到180度內(nèi)，與行程x成唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過MATALAB軟件繪制圓周曲柄旋轉(zhuǎn)角度與位移的運(yùn)動(dòng)關(guān)系機(jī)構(gòu)位移傳動(dòng)簡(jiǎn)圖（如圖6所示），可以看出其運(yùn)動(dòng)位移量與角度幾乎成正比例關(guān)系。

圖6 機(jī)構(gòu)位移傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

因此，可以通過伺服電機(jī)控制小齒輪的旋轉(zhuǎn)角度來控制位移量，進(jìn)而控制料桶的物料出料量，達(dá)到精密定量灌裝的目的。

整個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作執(zhí)行過程都是通過伺服電機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)推動(dòng)物料進(jìn)入瓶子，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)從儲(chǔ)料罐內(nèi)吸入物料以備下回灌裝使用。對(duì)電機(jī)運(yùn)行脈沖數(shù)的精確控制可以保證該機(jī)構(gòu)的動(dòng)作協(xié)調(diào)性、提高其位置精確度和高速的性能[4]。如設(shè)計(jì)伺服定位精度為1μm/pulse，齒輪比為F，那么通過內(nèi)部電子齒輪比換算后電機(jī)旋轉(zhuǎn)行程為x的灌裝量和伺服電機(jī)傳動(dòng)量關(guān)系為：

2 新型灌裝機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

通過實(shí)際測(cè)試，該機(jī)構(gòu)可應(yīng)用于不同的液體物料在各種場(chǎng)合的灌裝，其控制部件可選擇伺服電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)等智能定位系統(tǒng)，具有廣泛的通用性。該機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的滾珠絲桿結(jié)構(gòu)相比，省去了大量用于定位的附屬部件，灌裝物料時(shí)僅通過圓周曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)備料與灌裝，機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間更小，效率更高。當(dāng)應(yīng)用于更高標(biāo)準(zhǔn)的灌裝精度時(shí)，則需要相關(guān)部件更為精細(xì)，如增加齒輪的齒數(shù)，連桿長(zhǎng)度等，并應(yīng)用高強(qiáng)度的鋁塑密封材料實(shí)現(xiàn)更可靠的密封，保證灌裝過程中沒有任何外來氣體進(jìn)入，否則很容易導(dǎo)致灌裝的不準(zhǔn)確。其最大的創(chuàng)新點(diǎn)是利用齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)的圓周曲柄機(jī)構(gòu)替代傳統(tǒng)的滾珠絲桿機(jī)構(gòu)，既節(jié)省了安裝所需的空間，又節(jié)省了成本費(fèi)用。

3 結(jié)束語

通過對(duì)新型香水灌裝設(shè)備的圓周曲柄連桿機(jī)構(gòu)分析研究，將電機(jī)的圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為近似正比例的直線運(yùn)動(dòng)的灌裝機(jī)構(gòu)。改變傳統(tǒng)灌裝設(shè)備中利用滾珠絲桿所導(dǎo)致的占用較大安裝空間、功率損耗過大的缺點(diǎn)。該機(jī)構(gòu)將齒輪與連桿機(jī)構(gòu)巧妙地組合到一起，有效地實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單精確的灌裝要求，在保證精度的條件下實(shí)現(xiàn)最高效的運(yùn)行。其研究成果將對(duì)設(shè)計(jì)新型自動(dòng)香水灌裝機(jī)的灌裝組件具有重要意義。

[1]李連進(jìn).包裝機(jī)械選型手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013:164-192.

[2]孫智慧.包裝機(jī)械概論[M].北京:印刷工業(yè)出版社,2012:33-68.

[3]戴乃昌.機(jī)械CAD[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2012:50-160.

[4]張國(guó)全.包裝機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:印刷工業(yè)出版社,2013:48-81.