包裝機(jī)供料裝置的改進(jìn)與曲槽槽輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉亞麗 張 俊 楊曉平 解邦銀

(1. 湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院, 湖北 襄陽(yáng) 441053；2. 襄陽(yáng)逸順機(jī)電科技有限公司,湖北 襄陽(yáng) 441000)

在食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)中有大量的粉料物品需進(jìn)行小袋全自動(dòng)包裝，而包裝機(jī)的供料裝置用于將待包裝的粉料物品從料堆中定量分離，并按全自動(dòng)包裝機(jī)設(shè)定的時(shí)間節(jié)拍快速、平穩(wěn)地輸送到卸料位置處放料[1]。目前廣泛使用的供料裝置為可調(diào)量杯式計(jì)量裝置，其計(jì)量準(zhǔn)確，能對(duì)計(jì)量容積進(jìn)行調(diào)節(jié)以滿足不同包裝規(guī)格的需求[2]。但現(xiàn)有供料裝置的轉(zhuǎn)盤均為勻速旋轉(zhuǎn)，包裝速度為中、低速，提高轉(zhuǎn)速后存在卸料不完全和撒料的問(wèn)題，主要是因?yàn)樘岣咿D(zhuǎn)速后，卸料時(shí)間變短，同時(shí)粉料的離心力增加后易在料門打開時(shí)產(chǎn)生飛濺。

試驗(yàn)擬將曲線槽槽輪機(jī)構(gòu)應(yīng)用于粉料包裝機(jī)的供料裝置中，實(shí)現(xiàn)供料轉(zhuǎn)盤的周期性變速旋轉(zhuǎn)，即卸料區(qū)轉(zhuǎn)盤低速旋轉(zhuǎn)而非卸料區(qū)轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)，旨在為保證穩(wěn)定供料的前提下極大地提高轉(zhuǎn)盤的平均轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)包裝。

1 供料裝置的工作原理和改進(jìn)

全自動(dòng)小型包裝機(jī)中通常采用容積方式進(jìn)行計(jì)量，其中可調(diào)量杯式計(jì)量的供料裝置應(yīng)用較為廣泛，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由裝填計(jì)量部件和容積調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成，包括料斗、轉(zhuǎn)盤、刮料器、量杯和蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)等[3]。

1.1 可調(diào)量杯式供料裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

6套圓筒形狀的定量杯13和可調(diào)量杯14分別安裝在轉(zhuǎn)盤9和量杯座8上并形成一個(gè)整體，通過(guò)連接盤12與主軸2連接，主軸2通過(guò)軸承安裝在固定座3上；蝸輪6通過(guò)軸承空套在主軸2上，蝸輪6與量杯調(diào)節(jié)座7之間通過(guò)螺紋副連接。當(dāng)需要容積調(diào)節(jié)時(shí)，裝置不工作，主軸2以及與其連接的轉(zhuǎn)盤9和定量杯13靜止不動(dòng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)與蝸桿5相連接的手柄驅(qū)動(dòng)蝸輪6旋轉(zhuǎn)，因受到立桿17的限制，量杯調(diào)節(jié)座7不能旋轉(zhuǎn)，則在螺紋副作用下向上或向下移動(dòng)，從而帶動(dòng)量杯座8和可調(diào)量杯14上升或下降，使量杯組的容積增大或減小，實(shí)現(xiàn)容量調(diào)節(jié)。當(dāng)供料裝置工作時(shí)，量杯調(diào)節(jié)座7及蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)固定不動(dòng)，轉(zhuǎn)盤9經(jīng)由齒輪傳動(dòng)、槽輪機(jī)構(gòu)1和主軸2驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)量杯組一起旋轉(zhuǎn)，量杯座8下部安裝的料門15封住可調(diào)量杯14的底面，并通過(guò)安裝在卸料口處的撥桿16完成料門15的打開和關(guān)閉。轉(zhuǎn)盤9旋轉(zhuǎn)時(shí)，粉料靠自重裝填至量杯組內(nèi)，并被固定不動(dòng)的刮料器10刮平。

1. 槽輪機(jī)構(gòu) 2. 主軸 3. 固定座 4. 機(jī)架 5. 蝸桿 6. 蝸輪 7. 量杯調(diào)節(jié)座 8. 量杯座 9. 轉(zhuǎn)盤 10. 刮料器 11. 料斗 12. 連接盤 13. 定量杯 14. 可調(diào)量杯 15. 料門 16. 撥桿 17. 立桿

1.2 裝置改進(jìn)

原裝置均布有6組量杯，其動(dòng)力分配是從分配軸上通過(guò)兩對(duì)傳動(dòng)比分別為3和2的兩級(jí)齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，保證分配軸每轉(zhuǎn)1周，供料裝置卸料1次，熱封機(jī)構(gòu)完成1次封裝[3]。為實(shí)現(xiàn)供料裝置變速供料，采用3撥銷6槽槽輪機(jī)構(gòu)取代傳動(dòng)比為2的一對(duì)齒輪機(jī)構(gòu)，3撥銷6槽槽輪機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)變速、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，撥銷盤每轉(zhuǎn)1周則槽輪轉(zhuǎn)1/2周，能滿足裝置時(shí)間節(jié)拍的需求，也能保證包裝機(jī)的整個(gè)結(jié)構(gòu)不被改變，按對(duì)應(yīng)的中心距來(lái)設(shè)計(jì)槽輪機(jī)構(gòu)即可。

2 勻速供料時(shí)卸料時(shí)間的計(jì)算

可調(diào)量杯式供料裝置的卸料過(guò)程如圖2所示，A、B處是內(nèi)徑為r1的量杯，O′處是內(nèi)徑為r2的卸料口，R為量杯的分布圓半徑。當(dāng)轉(zhuǎn)盤9逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，量杯從B處開始卸料，旋轉(zhuǎn)2θ后到達(dá)B′處時(shí)卸料完畢，2θ稱為單量杯的卸料角，量杯掃過(guò)圓弧BO′B′所需的時(shí)間即單量杯的卸料時(shí)間。

圖2 粉料卸料過(guò)程示意圖

實(shí)際上，r2略大于r1，為了計(jì)算方便，取r2近似等于r1，則：

(1)

設(shè)供料裝置上分布有n組量杯，包裝機(jī)的最大包裝速度為m袋/min，則單量杯掃過(guò)一個(gè)卸料角2θ(rad)所需的時(shí)間(s)為：

(2)

3 曲槽槽輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)

直槽槽輪機(jī)構(gòu)由于在撥銷進(jìn)出槽口時(shí)加速度不連續(xù)而導(dǎo)致柔性沖擊，不適合于高速運(yùn)動(dòng)[4]，因此設(shè)計(jì)了曲槽槽輪機(jī)構(gòu)，使槽輪的角速度和角加速度在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中連續(xù)變化，其運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖3 所示。當(dāng)主動(dòng)撥銷盤繞O1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，槽輪繞O2按事先選取的凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，前半程加速段，撥銷與曲槽的Ⅰ—Ⅱ段側(cè)面接觸，驅(qū)動(dòng)槽輪旋轉(zhuǎn)；后半程減速段，撥銷與曲槽的Ⅱ—Ⅲ段側(cè)面接觸，阻止槽輪旋轉(zhuǎn)。為保證角加速度在槽底部換向，避免橫向沖擊的發(fā)生，需選取具有對(duì)稱性的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如正弦、修正正弦、對(duì)稱梯形等[5]。

設(shè)撥銷盤與槽輪的中心距為a，槽輪的分度角為2Φ，槽輪的槽數(shù)應(yīng)與供料裝置上量杯的分布組數(shù)n一致，則：

Φ=π/n，

(3)

L=a×sinΦ，

(4)

(5)

式中：

r0——撥銷半徑，mm；

L——撥銷回轉(zhuǎn)半徑，mm；

Rc——槽輪外徑，mm。

若槽輪無(wú)停留地周期性運(yùn)動(dòng)，可在撥銷盤上均勻分布多個(gè)撥銷，在前一個(gè)撥銷剛脫離槽輪時(shí)，后一個(gè)撥銷進(jìn)入槽輪，而符合這個(gè)條件的槽輪槽數(shù)只能為3、4、6槽，實(shí)際工作中一般選擇6槽槽輪機(jī)構(gòu)，其對(duì)應(yīng)的撥銷數(shù)為3。

圖3 槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖

3.2 變速供料時(shí)卸料時(shí)間的計(jì)算

當(dāng)供料裝置的轉(zhuǎn)盤按事先選取的運(yùn)動(dòng)規(guī)律做變速運(yùn)動(dòng)時(shí)，為保證卸料充分，卸料口位于撥銷進(jìn)出曲槽槽輪槽口的時(shí)刻，應(yīng)是槽輪周期性變速運(yùn)動(dòng)前一周期的終止端和后一周期的起始端，其運(yùn)動(dòng)速度較低，掃過(guò)卸料角2θ的時(shí)間較長(zhǎng)，有利于卸料。

在槽輪的一個(gè)分度周期2Ф中，掃過(guò)半卸料角θ的無(wú)因次角位移為Sθ，則：

(6)

根據(jù)所選取的無(wú)因次運(yùn)動(dòng)規(guī)律S=S(T)，利用數(shù)值計(jì)算方法或Excel公式功能，可以方便地求解出無(wú)因次角位移為Sθ所對(duì)應(yīng)的無(wú)因次時(shí)間Tθ，即：

S(Tθ)=Sθ。

(7)

假設(shè)變速供料時(shí)的最大包裝速度為m′袋/min，則單量杯掃過(guò)一個(gè)卸料角2θ(rad)所需的時(shí)間(s)為：

(8)

(9)

3.3 槽輪輪廓曲線的生成

根據(jù)作圖法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線的反轉(zhuǎn)法原理，現(xiàn)假想整個(gè)槽輪機(jī)構(gòu)以-ω2的角速度反轉(zhuǎn)，如圖4所示，槽輪將相對(duì)靜止不動(dòng)，撥銷盤繞其回轉(zhuǎn)中心以角速度ω1勻速自轉(zhuǎn)，又隨機(jī)架O2O1繞槽輪回轉(zhuǎn)中心O2以角速度ω2公轉(zhuǎn)，ω2的大小由所選定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定，O2O1’C’為任一位置，在這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，撥銷中心C的運(yùn)動(dòng)軌跡即為槽輪的理論廓線，而撥銷圓族的包絡(luò)線形成了實(shí)際廓線，也是距離理論廓線為r0的等距線[6-7]。

圖4 槽輪曲線的反轉(zhuǎn)法生成原理

3.4 供料裝置參數(shù)化三維模型的建立

參數(shù)化設(shè)計(jì)有利于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，其在建立三維模型過(guò)程中對(duì)零件幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)添加不同的方程式，施以各種合理的約束，通過(guò)修改這些參數(shù)的具體數(shù)值，自動(dòng)更新并生成新的三維模型，實(shí)現(xiàn)模型的尺寸驅(qū)動(dòng)[7-8]。以包裝機(jī)中槽輪為例進(jìn)行建模：

(1) 確定零件的主參數(shù)：一般將零件的設(shè)計(jì)參數(shù)、重要結(jié)構(gòu)尺寸確定為主參數(shù)，如槽輪的中心距、槽數(shù)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律類型、撥銷直徑等。在Pro/E軟件中點(diǎn)選“工具→參數(shù)”下拉菜單項(xiàng)，設(shè)置各主參數(shù)名稱、類型和初始值，在“工具→關(guān)系”下拉菜單項(xiàng)建立各參數(shù)之間的關(guān)系式。

(2) 建立反轉(zhuǎn)法裝配模型：使用主參數(shù)建立的槽輪機(jī)構(gòu)各零件模型，其中槽輪為無(wú)槽的坯體，并按反轉(zhuǎn)法原理的裝配順序建立裝配模型[9]，添加約束類型和條件。

(3) 繪制槽輪的理論廓線：在“應(yīng)用程序→機(jī)構(gòu)”模塊，定義撥盤電機(jī)的速度表達(dá)式為120、機(jī)架電機(jī)的位置表達(dá)式為60×[t-0.5×sin(360×t)/pi]，其中t為系統(tǒng)變量，其值從0到1變化。對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真后，點(diǎn)取“插入→軌跡曲線”菜單項(xiàng)，在槽輪零件中繪制撥銷中心點(diǎn)的軌跡曲線，即槽輪的理論廓線[10]。

(4) 陣列槽輪曲槽創(chuàng)建：對(duì)槽輪坯體編輯，利用偏距功能，將偏距設(shè)為撥銷半徑，可切除得到槽輪的一個(gè)曲槽，使用軸陣列創(chuàng)建各個(gè)曲槽，周向陣列個(gè)數(shù)為槽輪槽數(shù)。

(5) 虛擬裝配：完成各零件的參數(shù)化模型后，在部件級(jí)建立各零件間相對(duì)位置的關(guān)系式和裝配約束類型，可實(shí)現(xiàn)裝配組件的同步更新，供料裝置的虛擬裝配模型如圖5所示。

4 實(shí)例應(yīng)用

針對(duì)某公司使用的DXDK40II型自動(dòng)包裝機(jī)存在的撒料問(wèn)題，對(duì)其中的10臺(tái)包裝機(jī)實(shí)施改進(jìn)設(shè)計(jì)。由該機(jī)的銘牌可知，其主要技術(shù)參數(shù)為總功率1.4 kW，包裝速度50～100袋/min，計(jì)量范圍5～40 mL。

4.1 改進(jìn)方案

通過(guò)對(duì)DXDK40II型包裝機(jī)進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)得供料裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)為量杯內(nèi)徑r1=15 mm，組量杯n=6，量杯分布圓半徑R=100 mm；傳動(dòng)系統(tǒng)為二級(jí)減速齒輪機(jī)構(gòu)，一級(jí)齒輪的模數(shù)1.5，齒數(shù)分別為75，25，二級(jí)齒輪的模數(shù)為2.5，齒數(shù)分別為26，52。

圖5 供料裝置的三維模型

經(jīng)計(jì)算可得：一級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)的中心距為75 mm、傳動(dòng)比為3；二級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)的中心距為100 mm、傳動(dòng)比為2。為保證供料裝置原有的時(shí)間節(jié)拍和結(jié)構(gòu)尺寸，改進(jìn)后的方案保留原有一級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)，將二級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)改成具有6槽3撥銷的曲槽槽輪機(jī)構(gòu)，槽輪機(jī)構(gòu)的中心距保持為100 mm，撥銷半徑取r0=6 mm，由式(5)得槽輪外徑Rc=86.81 mm，撥銷回轉(zhuǎn)半徑L=50 mm，撥銷盤直接使用一級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)中的大齒輪，在其上加工3個(gè)Φ10 mm的均布孔、安裝3個(gè)Φ12 mm的臺(tái)階撥銷軸，改進(jìn)后供料裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型如圖6所示。

4.2 卸料時(shí)間和包裝速度的對(duì)比

由式(1)、(2)可知，半卸料角θ=0.301 rad，按最大包裝速度(100袋/min)進(jìn)行勻速供料時(shí)，單量杯的卸料時(shí)間tθ=0.345 s。

圖6 改進(jìn)后的傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型

4.3 應(yīng)用效果

通過(guò)試驗(yàn)改進(jìn)，解決了包裝機(jī)在包裝速度達(dá)到75袋/min后開始出現(xiàn)卸料不完全和撒料的問(wèn)題，避免了橫縫不牢靠，包裝速度提高至90袋/min時(shí)仍運(yùn)行良好。改進(jìn)后包裝速度為90袋/min時(shí)的單量杯卸料時(shí)間為0.52 s、卸料區(qū)轉(zhuǎn)盤的平均轉(zhuǎn)速為1.16 rad/s,而改進(jìn)前包裝速度為75袋/min時(shí)的單量杯卸料時(shí)間為0.46 s、卸料區(qū)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為1.31 rad/s，各運(yùn)動(dòng)參數(shù)均得到了改善。

5 結(jié)論

(1) 將曲槽槽輪機(jī)構(gòu)應(yīng)用于自動(dòng)包裝機(jī)中，實(shí)現(xiàn)了變速供料，即卸料區(qū)域低速運(yùn)行、非卸料區(qū)域高速運(yùn)行，可以有效減少物料在卸料過(guò)程中造成的飛濺，為卸料提供了充裕的時(shí)間。

(2) 在保證勻速供料和變速供料具有相同卸料時(shí)間的條件下，變速供料的最大包裝速度比勻速供料時(shí)提高了35.6%，因此曲槽槽輪機(jī)構(gòu)適用于高速包裝場(chǎng)所。

(3) 利用Pro/E軟件參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，在各零部件間建立了結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系式和約束關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)了包裝機(jī)的自動(dòng)化和系列化設(shè)計(jì)，有利于產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

(4) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的曲槽槽輪機(jī)構(gòu)是為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)變速旋轉(zhuǎn)，只適用于3、4、6分度供料裝置。