全自動(dòng)立式顆粒包裝機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)及橫封機(jī)構(gòu)的改進(jìn)與仿真

劉海生 張 俊 李 菡 解邦銀

（1.湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053；2.汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 襄陽(yáng) 441053；3.湖北襄陽(yáng)逸順機(jī)電科技有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441000）

高精度小包裝物品因其包裝精巧和攜帶方便，廣泛應(yīng)用于食鹽、味精、雞精、白糖、預(yù)混料、添加劑、種子等顆粒狀的定量包裝。目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)包裝機(jī)械存在著一些明顯的缺陷，主要是在立式包裝機(jī)中存在包裝袋錯(cuò)邊起皺、包裝袋封口外形不正等問題，這主要是橫封瞬時(shí)速度與縱封速度不相同、剪斷滾刀的線速度與料袋下降速度不匹配引起的［1］。肖蓉川［2］運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算方法確定偏心鏈輪參數(shù)，其過(guò)程復(fù)雜又不直觀；韓炬等［3］應(yīng)用 Matlab編寫程序和Creo Parametric軟件對(duì)熱封機(jī)構(gòu)進(jìn)行了建模及動(dòng)力學(xué)分析，但未對(duì)熱封機(jī)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行確定和優(yōu)化，且現(xiàn)有研究均限于局部機(jī)構(gòu)。為此，本研究擬借助SolidWorks三維軟件對(duì)全自動(dòng)立式包裝機(jī)整機(jī)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)、三維建模和運(yùn)動(dòng)分析，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和性能、縮短設(shè)計(jì)周期。

1 全自動(dòng)包裝機(jī)的組成及存在的問題

1.1 全自動(dòng)包裝機(jī)的組成

袋裝全自動(dòng)包裝機(jī)是集制袋、計(jì)量、充填、封裝、剪切、稱重等功能為一體的包裝設(shè)備。由于生產(chǎn)批量較大，常選用多工位、連續(xù)型運(yùn)動(dòng)形式，以提高包裝效率，本機(jī)采用立式直線型工藝要求路線［1，4］，它由供料系統(tǒng)1、供膜裝置2、縱封機(jī)構(gòu)3、橫封機(jī)構(gòu)4、剪切機(jī)構(gòu)5、稱重分揀裝置6、傳動(dòng)系統(tǒng)7、機(jī)架及控制系統(tǒng)組成，見圖1。

圖1 包裝機(jī)的組成Figure 1 The structure of pockaging machine

工作時(shí)，供料系統(tǒng)1采用六工位旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將被包裝物料填充到可調(diào)式量杯中進(jìn)行計(jì)量，并定時(shí)充填到由供膜裝置2形成的漏斗狀袋筒內(nèi)；然后縱封機(jī)構(gòu)3通過(guò)一對(duì)做等速相向回轉(zhuǎn)的輥輪，對(duì)袋筒加熱封邊及牽引運(yùn)動(dòng)，橫封機(jī)構(gòu)4帶動(dòng)一對(duì)熱封頭實(shí)現(xiàn)袋筒封口，同時(shí)保證熱封瞬時(shí)熱封頭與連續(xù)運(yùn)動(dòng)著的袋筒具有相同的線速度；最后由剪切機(jī)構(gòu)5驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)式輥刀將包裝袋切斷，并通過(guò)稱重分揀裝置6對(duì)成品袋進(jìn)行自動(dòng)稱重和分揀歸類。傳動(dòng)系統(tǒng)7將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力分配給各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并協(xié)調(diào)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作一致。

1.2 原設(shè)備存在的問題及改進(jìn)措施

（1）原設(shè)備常常存在包裝袋錯(cuò)邊起皺、包裝袋封口外形不正、商標(biāo)圖案錯(cuò)位的問題，這是由于原設(shè)備各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力是由一根動(dòng)力軸分配的，縱封機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)行星差動(dòng)輪系、圓錐帶式變速器、齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)初始位置修正、調(diào)速和換向的，其調(diào)節(jié)不易控制，從而導(dǎo)致縱封輥輪的牽引速度與橫封封頭瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度不匹配所致。針對(duì)此問題，改進(jìn)措施是：將縱封機(jī)構(gòu)從傳動(dòng)系統(tǒng)中獨(dú)立出來(lái)，由單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)控制，其速度大小由機(jī)械控制轉(zhuǎn)化為PLC控制，不僅可避免各執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的強(qiáng)耦合，便于協(xié)調(diào)和控制各執(zhí)行構(gòu)件的速度一致或匹配，又能簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈，降低設(shè)計(jì)和制造成本。

（2）不同長(zhǎng)度的包裝袋要求有不同的包裝袋下降速度，就必須能夠改變橫封輥輪的轉(zhuǎn)速與之匹配，原設(shè)備采用更換不同直徑的從動(dòng)鏈輪的方式來(lái)調(diào)節(jié)橫封輥輪的轉(zhuǎn)速，由于鏈輪直徑是離散的幾個(gè)固定值，所以包裝袋的長(zhǎng)度規(guī)格就不連續(xù)可調(diào)，且更換鏈輪較麻煩。為了適應(yīng)包裝袋長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)任意可調(diào)，改進(jìn)措施是將橫封機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈上的主鏈輪改為偏心鏈輪，通過(guò)調(diào)整鏈輪的偏心距來(lái)調(diào)節(jié)橫封機(jī)構(gòu)的封合瞬時(shí)速度，使之與包裝袋下降速度匹配，保證包裝機(jī)各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)

改進(jìn)后的傳動(dòng)系統(tǒng)方案的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示，電動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶輪D1/D2帶動(dòng)減速器，減速器通過(guò)鏈條Z1/Z2帶動(dòng)動(dòng)力分配軸Ⅰ旋轉(zhuǎn)，并將動(dòng)力分配給三路。第1路動(dòng)力傳給供料系統(tǒng)，通過(guò)錐齒輪Z3/Z4嚙合帶動(dòng)傳動(dòng)軸Ⅱ旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)齒輪Z5/Z6、Z7/Z8嚙合帶動(dòng)供料盤軸IV旋轉(zhuǎn)，使供料系統(tǒng)以傳動(dòng)比i＝1/6運(yùn)行，軸Ⅳ上的離合器用于包裝機(jī)調(diào)試時(shí)使用，以避免供料；第2路動(dòng)力傳給橫封機(jī)構(gòu)，通過(guò)偏心鏈輪Z9/Z10和齒輪組Z11/Z12、Z13/Z14、Z15/Z16帶動(dòng)橫封軸Ⅶ、Ⅷ反向變速旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)比i＝1/2，橫封輥輪每轉(zhuǎn)180°封口一次；第3路動(dòng)力傳給剪切機(jī)構(gòu)，通過(guò)齒輪Z17/Z18、Z18/Z19嚙合帶動(dòng)切斷軸Ⅹ上的刀片旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)剪切運(yùn)動(dòng)，其傳動(dòng)比i＝1，實(shí)現(xiàn)一袋一切斷，當(dāng)軸Ⅰ上離合器斷開時(shí)不切斷包裝袋。

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Figure 2 Transmission system

縱向機(jī)構(gòu)的動(dòng)力不再取自動(dòng)力分配軸Ⅰ，而是設(shè)立單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)同步齒型帶D3/D4、齒輪Z20/Z21帶動(dòng)縱封軸Ⅴ、Ⅵ旋轉(zhuǎn)，以牽引、熱封合包裝袋，其速度由袋長(zhǎng)決定，通過(guò)檢測(cè)動(dòng)力分配軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。供膜裝置和稱重分揀裝置分別用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由PLC控制器協(xié)調(diào)各動(dòng)作。

3 橫封機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

包裝機(jī)的縱封輥輪有兩個(gè)作用：① 縱向封合作用；② 帶動(dòng)包裝膜進(jìn)行送膜。而橫封輥輪的封合是間斷的，按正常的工作要求是在橫封進(jìn)行封合這段時(shí)間內(nèi)，它的線速度應(yīng)與縱封輥輪的線速度保持一致，否則會(huì)使包裝膜受拉伸而破損或者是松弛起皺，造成封合不良。為此，本機(jī)設(shè)置偏心鏈輪機(jī)構(gòu)（圖3），以保證袋長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，能使橫封輥輪在封合時(shí)的圓周線速度與縱封輥輪的線速度相一致，以使包裝機(jī)適應(yīng)不同包裝袋的長(zhǎng)度需求，保證機(jī)器的正常工作。通過(guò)調(diào)節(jié)鏈輪相對(duì)于主軸的偏心位置以改變偏心距，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變傳動(dòng)比（式（1））傳動(dòng)［2］，工作時(shí)鏈輪帶動(dòng)橫封軸做變速轉(zhuǎn)動(dòng)且保持與包裝袋下落速度一致，保證密封質(zhì)量。

圖3 偏心鏈輪機(jī)構(gòu)Figure 3 Mechanism of eccentric sprocket

式中：

ω0——主動(dòng)偏心鏈輪的等角速度，rad/s；

ω——從動(dòng)鏈輪的瞬時(shí)角速度，rad/s；

e——主動(dòng)鏈輪的偏心距，mm；

L——主從鏈輪的回轉(zhuǎn)中心距，mm；

R——主從鏈輪的節(jié)圓半徑，mm。

4 包裝機(jī)的參數(shù)化建模與模擬仿真

4.1 各零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化技術(shù)是在工程設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用中常用的CAD技術(shù)，它借助一組參數(shù)來(lái)控制設(shè)計(jì)結(jié)果，通過(guò)更換該組參數(shù)值以實(shí)現(xiàn)一系列相似零件的設(shè)計(jì)建模，可大大提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。現(xiàn)以偏心鏈輪設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹在SolidWorks中的參數(shù)化建模過(guò)程［5－7］：

（1）為實(shí)現(xiàn)鏈輪的參數(shù)化和系列化，首先要確定鏈輪的主驅(qū)動(dòng)參數(shù)，如鏈輪節(jié)距、齒數(shù)、鏈條滾子直徑、鏈輪寬度等作為整體變量，建立鏈輪的分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑和齒廓型面參數(shù)與主參數(shù)的尺寸關(guān)系，使這些次要參數(shù)依附于主參數(shù)。并在SolidWorks中通過(guò)“工具→方程式”下拉菜單，輸入各主參數(shù)及其初始數(shù)值、尺寸關(guān)系，見圖4。

圖4 建立主參數(shù)和方程式Figure 4 The establishment of the main parameters and equations

（2）運(yùn)用“旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)”命令生成鏈輪坯體、“拉伸切除”命令切出齒槽，鏈輪齒形是根據(jù)“三圓弧一直線”原則建立的，即齒溝圓弧、工作段圓弧、工作段直線、齒頂圓弧，它具有較好的嚙合性能和可加工性。在繪制草圖截面時(shí)通過(guò)雙擊各尺寸，輸入相應(yīng)的方程式，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將該方程式加入方程式對(duì)話框中，并重新計(jì)算該尺寸值，在其數(shù)值前顯示∑標(biāo)記，見圖5。各草圖必須完全定義，以確定各形狀之間的位置關(guān)系，保證模型對(duì)驅(qū)動(dòng)參數(shù)的正確更新和重新構(gòu)建。

圖5 齒槽截面的參數(shù)化草圖Figure 5 The parametric sketch of tooth section

（3）對(duì)齒槽特征進(jìn)行圓周陣列，生成各輪齒，并對(duì)軸面齒形兩側(cè)切成圓弧狀，以便于鏈節(jié)進(jìn)入和退出嚙合。

4.2 虛擬裝配與模擬仿真

根據(jù)不同袋長(zhǎng)的需求，必須輸出滿足工藝要求的角速度，使各機(jī)構(gòu)動(dòng)作協(xié)調(diào)一致?？v封機(jī)構(gòu)的角速度可以通過(guò)袋長(zhǎng)直接轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，所以設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是保證偏心鏈輪機(jī)構(gòu)與料袋下落速度匹配，為此在SolidWorks COSMOSMotion模塊中設(shè)置各靜止和運(yùn)動(dòng)零部件，并添加運(yùn)動(dòng)副約束和驅(qū)動(dòng)，對(duì)產(chǎn)品的可裝配性和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析［8，9］，包裝機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的三維實(shí)體模型見圖6、偏心鏈輪機(jī)構(gòu)的輸出運(yùn)動(dòng)特性曲線見圖7。

圖6 傳動(dòng)系統(tǒng)的三維模型Figuer 6 3Dmodel of transmission system

圖7 偏心鏈輪機(jī)構(gòu)輸出運(yùn)動(dòng)特性曲線Figure 7 The output movement characteristics of eccentric sprocket mechanism

通過(guò)對(duì)偏心鏈輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果可知：①θ1和θ2分別為從動(dòng)鏈輪具有最大、最小角速度時(shí)主動(dòng)鏈輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角，這兩個(gè)極值點(diǎn)將作為包裝機(jī)橫封機(jī)構(gòu)的熱封點(diǎn)；② 當(dāng)兩鏈輪的回轉(zhuǎn)中心距L增大時(shí)，從動(dòng)鏈輪的極限角速度幾乎不變，但其對(duì)應(yīng)的主動(dòng)鏈輪極限角θ1和θ2變化較大。在結(jié)構(gòu)允許的情況下，適當(dāng)增大L有利于滿足橫封機(jī)構(gòu)讓袋的工藝需求；③ 偏心鏈輪的偏心距e變化時(shí)，從動(dòng)鏈輪的極限角速度及其對(duì)應(yīng)的極限角θ1和θ2會(huì)發(fā)生較大變化。在包裝袋長(zhǎng)度較大時(shí)，應(yīng)在較大的極限角速度下進(jìn)行熱封，即選擇較大的鏈輪偏心距。因此根據(jù)袋長(zhǎng)按照勻速可以計(jì)算出包裝袋的下降速度，從而通過(guò)仿真便可確定出鏈輪偏心距e。

5 結(jié)論

借助SolidWorks三維軟件完成了對(duì)全自動(dòng)立式包裝機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)和橫封機(jī)構(gòu)的參數(shù)化建模和模擬仿真，解決了包裝袋易錯(cuò)邊、起皺、夾料和封口不平的問題。已成功地對(duì)某藥業(yè)公司的10臺(tái)DXDK40II型包裝機(jī)實(shí)施了改進(jìn)，提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度和包裝質(zhì)量。為節(jié)約成本盡量保留了原設(shè)備的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，對(duì)今后新開發(fā)的包裝機(jī)可以采用全電動(dòng)方式，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)均采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，將大幅簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)，縮短生產(chǎn)周期、擴(kuò)大設(shè)備應(yīng)用范圍。

1 許林成.包裝機(jī)械原理與設(shè)計(jì)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2004：122～177.

2 肖蓉川.偏心鏈輪機(jī)構(gòu)在顆粒包裝機(jī)中的分析與設(shè)計(jì)［J］.包裝工程，2008，29（7）：57～59.

3 韓炬，王瑩，郭亞楠.包裝機(jī)熱封機(jī)構(gòu)的建模及動(dòng)力學(xué)分析［J］.食品與機(jī)械，2013，29（1）：146～148.

4 陳士祥，束蓓，邵剛.一種新型立式充填自動(dòng)包裝機(jī)的系統(tǒng)［J］.包裝與食品機(jī)械，2007，23（6）：28～33.

5 黃文華.基于Solidworks的齒輪CAD關(guān)鍵技術(shù)的研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（16）：67～70.

6 陳鵬飛.基于ModelCenter的精密氣浮工件臺(tái)系統(tǒng)建模與參數(shù)優(yōu)化［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014（4）：15～18.

7 楊振和，蘇振華，楊卓.齒輪軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.食品與機(jī)械，2011，27（2）：50～51.

8 孫斐.自頂向下的旋轉(zhuǎn)閥參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.食品與機(jī)械，2011，27（2）：52～53.

9 陳塞克，凌軒.基于Solidworks齒輪連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真［J］.食品與機(jī)械，2012，28（6）：177～179.