食品用碗/杯自動包裝機(jī)構(gòu)的設(shè)計

趙紀(jì)國，朱月松，沙 杰，簡洋洋，席偉偉

（1.鄭州科技學(xué)院 實踐中心，鄭州 450064；2.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引言

隨著生活節(jié)奏的加快和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，無人自動化售賣設(shè)備越來越被人們所接受［1］。食品自動化無人售賣設(shè)備產(chǎn)品的包裝形式主要有兩種：一是預(yù)包裝，二是現(xiàn)場包裝［2］。預(yù)包裝占據(jù)的空間結(jié)構(gòu)大，并影響顧客食用的口感；現(xiàn)場包裝，可以節(jié)約設(shè)備空間結(jié)構(gòu)，保證食用口感。但是，目前市場的現(xiàn)場包裝裝置經(jīng)常出現(xiàn)故障、運行不可靠、工作效率低。因此，針對上述情況，課題組研發(fā)了一種食品用碗/杯自動包裝機(jī)構(gòu)。

1 工作原理

目前，針對市場上特定的碗/杯：具有一定強(qiáng)度的碗/杯，成品成摞擺放，相鄰的碗/杯之間有一定的間隙（1.5～4 mm）。設(shè)計碗/杯自動包裝機(jī)構(gòu)。采用凸輪自動分離的原理［3］，即利用凸輪逐漸插入相鄰兩碗/杯之間的間隙，隨著凸輪的旋轉(zhuǎn)逐漸實現(xiàn)碗/杯自動分離。凸輪自動分離機(jī)構(gòu)的工作原理［4］，如圖1所示。蓋子自動分離機(jī)構(gòu)設(shè)計原理和碗/杯自動分離原理一樣，本文以碗/杯自動分離結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行自動分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

碗/杯自動包裝機(jī)構(gòu)主要有三部分組成：一是碗/杯的自動分離機(jī)構(gòu)，二是蓋子的自動分離機(jī)構(gòu)，三是壓蓋機(jī)構(gòu)。碗/杯自動包裝機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。碗/杯自動分離機(jī)構(gòu)關(guān)鍵在于分離凸輪的設(shè)計。

2.1 分離凸輪曲線設(shè)計要求

為了實現(xiàn)碗/杯的自動分離，分離凸輪應(yīng)該具有支撐、下降、剝離三個功能，為實現(xiàn)上述功能，凸輪應(yīng)須有：支撐曲面、下降曲面和剝離曲面，如圖3所示。

這些曲面生成應(yīng)是曲面在凸輪圓柱體上形成了多段曲線徑向拉伸而成。支撐曲面支撐碗/杯；下降曲面使碗/杯平穩(wěn)的下降一定高度，進(jìn)入剝離曲面；剝離曲線段把碗/杯平穩(wěn)的從碗/杯堆中分離，并且每次精準(zhǔn)的分離一個，落入指定的位置。當(dāng)開始進(jìn)入剝離曲線時，支撐曲線支撐碗/杯堆中剝離碗/杯的上一個碗/杯，隨著剝離曲線的進(jìn)入，碗/杯逐漸完成與碗/杯堆的分離。

2.2 分離凸輪曲線設(shè)計原則

分離凸輪曲線設(shè)計的目的是讓碗/杯快速可靠平穩(wěn)的實現(xiàn)分離，因此凸輪曲線的設(shè)計從碗/杯的運動分析開始［5-6］。為了使運動簡化，對凸輪曲線進(jìn)行無量綱化處理，無量綱最大速度Vm和最大加速度Am，對凸輪自動分離機(jī)構(gòu)運動的精度和穩(wěn)定影響最大。為了實現(xiàn)碗/杯平穩(wěn)快速可靠的逐個分離，Vm和Am選擇原則：Vm越大，動量越大，為了使碗/杯運動平穩(wěn)，應(yīng)使動量小一些；最大壓力角αmax會隨著Vm的增大而增大，αmax會加劇磨損，為了減少磨損，Vm應(yīng)該選擇較小的［7］。

最大加速度Am越大時，碗/杯的慣性力越大，并且分離凸輪的磨損會加劇，導(dǎo)致分離運動波動大、降低分離精度。所以凸輪設(shè)計曲線應(yīng)選擇最大加速度Am值小的運動曲線。

從動件無停歇運動的加速度曲線有正弦加速度、余弦加速度、改進(jìn)等速、改進(jìn)梯形加速度、改進(jìn)正弦加速度等曲線。根據(jù)上述的選型原則，選擇Am、Vm特性值小的，經(jīng)過對比和分析，碗/杯下落運動的速度曲線選用改進(jìn)正弦加速度運動規(guī)律。

2.3 從動件運動規(guī)律的設(shè)計

碗/杯在分離過程中有3種狀態(tài)：第1種是高度保持不變；第2種是穩(wěn)定的下落；第3種是與碗/杯堆剝離。分離凸輪曲線的設(shè)計包括三個部分：支撐曲線；下降曲線；剝離曲線。上述3段曲線沿分離凸輪圓周分布，通過計算分析，3段曲線的圓周角度規(guī)劃如表1所示。

表1 凸輪曲線運動規(guī)律

由圖3和表1可知，分離凸輪有一部分是雙曲線，即支撐曲線和剝離曲線同時工作。當(dāng)分離凸輪從0°開始旋轉(zhuǎn)時，凸輪的支撐曲線和剝離曲線同時工作，剝離曲線開始剝離碗/杯堆最下邊的碗/杯，支撐曲線支撐最下邊碗/杯的上一個，剝離完成后，支撐曲線支撐的碗/杯變成最底部的碗/杯，經(jīng)過下降曲線，碗/杯到達(dá)可以剝離的高度，隨著凸輪的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，碗/杯的高度先保持一段時間，然后進(jìn)入剝離曲線，碗/杯落入預(yù)定好的位置，凸輪每旋轉(zhuǎn)一圈，碗/杯就自動分離出來一個。

分離凸輪的下降曲線和剝離曲線均使碗/杯高度下降，碗/杯的下降過程要求平穩(wěn)，因此分離凸輪下降和剝離階段速度曲線按照改進(jìn)正弦加速度曲線設(shè)計。碗/杯在支撐階段高度不變，該階段凸輪曲線為等半徑的空間圓弧曲線。圖4是改進(jìn)正弦加速度運動規(guī)律的加速度與時間的關(guān)系圖。對加速度A關(guān)于時間T進(jìn)行積分，可以得到無因次的位移方程式，把得到的無因次位移方程式轉(zhuǎn)化為實際位移方程式，最后通過計算轉(zhuǎn)化可以得到下降和剝離階段凸輪曲線的三維坐標(biāo)點。圖5所示的餐碗為例進(jìn)行自動分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計，具體的過程如下。

通過對圖4和圖5的分析計算，可以得到下降曲線和剝離曲線的無量綱位移線方程［8-9］：

根據(jù)s=hS，把無量綱位移曲線方程變換為有量綱位移曲線方程。

剝離曲線的第一段有量綱位移曲線方程為：

下降曲線的有量綱位移曲線方程為：

剝離曲線的第二段有量綱位移曲線方程為：

支撐階段的凸輪曲線是兩段等半徑的圓弧，第一段支撐曲線的空間曲線表達(dá)式如式（13）所示，第二段支撐曲線的空間曲線表達(dá)式如式（14）所示。根據(jù)式（13）、（14）可做凸輪支撐曲線的空間曲線圖。

根據(jù)餐碗的尺寸，設(shè)定分離凸輪的直徑為50 mm，高度為15 mm。把通過位移曲線方程式得到三維坐標(biāo)值導(dǎo)入到Solidworks預(yù)先建立的圓柱模型上，通過去除材料、倒角等操作，最后得到空間圓柱凸輪的模型［10］。

3 運動學(xué)仿真分析

運動學(xué)仿真采用Solidworks Motion插件［11-12］，在運動學(xué)仿真之前，仿真對象需要被簡化，把對象簡化為三個沿圓周均勻分布的空間圓柱凸輪和餐碗。通過Solidworks Motion對空間圓柱凸輪的落碗運動學(xué)仿真分析可知，空間圓柱凸輪的剝離曲線、支撐曲線可以實現(xiàn)預(yù)期的功能，剝離曲線的第一段曲線把最下端的碗從碗堆上剝離出來經(jīng)過剝離曲線的第二段曲線落入到指定的位置，碗堆最下端碗的上一個碗隨著空間圓柱凸輪的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過下降曲線，進(jìn)入剝離準(zhǔn)備位置，隨著凸輪的旋轉(zhuǎn)，碗被剝離。通過分析位移圖解，發(fā)現(xiàn)碗下落的位移曲線與設(shè)計的相符，因此空間圓柱凸輪的設(shè)計能夠滿足要求。

4 結(jié)語

對餐盒自動分離機(jī)構(gòu)中圓柱凸輪的下降階段、支撐階段和剝離階段的運動進(jìn)行規(guī)劃，其中下降和剝離曲線采用最大速度和最大加速度均較小的改進(jìn)正弦加速度速度運動規(guī)律設(shè)計，得到凸輪空間位移曲線；利用MATLAB獲得空間凸輪曲線實際坐標(biāo)值及采用3D打印加工出凸輪；采用Solidworks運動學(xué)仿真驗證凸輪設(shè)計的合理性。最終形成一種穩(wěn)定可靠快速的餐盒自動分離機(jī)構(gòu)設(shè)計方法。