可調(diào)式扎帶間歇進(jìn)給裝置的設(shè)計(jì)與分析

吳遵勝，周哲波

（安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南 232001）

動(dòng)化包裝工藝中經(jīng)常包含有扎帶進(jìn)行間歇剪裁的工序[1]，由于大多廠商包裝項(xiàng)目單一或生產(chǎn)規(guī)模較小，扎帶剪裁的長(zhǎng)度常為不可調(diào)，且結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)不合理，從而經(jīng)常出現(xiàn)剪裁長(zhǎng)度不均、牽引力不足、剪裁長(zhǎng)度不一、扎帶破損、安裝調(diào)試?yán)щy等問題。近年來(lái)，包裝設(shè)備向著柔性化、高速化、安全化的方向迅速發(fā)展[2]，對(duì)包裝設(shè)備提出了更高的要求，如何解決上述各種問題變得尤為迫切。其中，從結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式上對(duì)以往裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是一種可行的方法。

1 整機(jī)的組成及功能

可調(diào)式扎帶間歇進(jìn)給裝置（見圖1），主要由凸輪、主軸、機(jī)架、過(guò)帶槽、牽引及夾持部件以及電機(jī)組成。凸輪在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下為夾持及牽引部件的主臂提供左右擺動(dòng)的動(dòng)力；過(guò)帶槽布置在機(jī)架內(nèi)部用于方便扎帶的傳輸；夾持及牽引部件在凸輪及氣缸分別驅(qū)動(dòng)的定夾和動(dòng)夾完成過(guò)帶槽內(nèi)扎帶的夾持和牽引動(dòng)作，即實(shí)現(xiàn)扎帶的間歇性進(jìn)給。

圖1 可調(diào)式扎帶間歇進(jìn)給裝置爆炸結(jié)構(gòu)圖

2 輔助零部件的設(shè)計(jì)

2.1 凸輪的設(shè)計(jì)

凸輪結(jié)構(gòu)形式為盤形溝槽凸輪,見圖2。在滾子處于回程階段時(shí)可省去彈簧來(lái)使?jié)L子與凸輪保持時(shí)刻接觸，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)同時(shí)增加了可靠性[3]。為匹配整條產(chǎn)線的節(jié)拍以及該裝置中氣動(dòng)元件的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)而將該凸輪四個(gè)階段的角度進(jìn)行分配，見表1[4]。凸輪選用38CrMoAl 材料的鍛造毛坯，并進(jìn)行表面滲氮處理，極大提高了使用壽命及可靠性。

圖2 凸輪零件圖

表1 凸輪四個(gè)階段的角度與主軸轉(zhuǎn)角之間關(guān)系 /(°)

2.2 過(guò)帶槽的設(shè)計(jì)

過(guò)帶槽設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何能避免定夾和動(dòng)夾在松開扎帶進(jìn)入回程的過(guò)程中扎帶前后竄動(dòng)。扎帶竄動(dòng)問題會(huì)影響后續(xù)剪裁和包扎工序的效果。常用的扎帶材料為紙、玻璃紙、PE且?guī)н吀郊佑薪饘俳z[5]。將過(guò)帶槽的整體扎帶軌跡設(shè)計(jì)為圖1 所示的S 型，進(jìn)而使得扎帶在其中彎曲并貼緊槽壁保持一定的靜摩擦力來(lái)防止外界的干擾，避免扎帶前后竄動(dòng)的問題。

2.3 機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架包含底板和側(cè)壁，底板上開有用于固定各部件的螺紋孔和用于安裝各轉(zhuǎn)動(dòng)副的套筒；側(cè)壁上分別開有用于扎帶進(jìn)出的進(jìn)口和出口。選用不銹鋼作為機(jī)架的材料[6]，同時(shí)為了適應(yīng)大批量生產(chǎn)的要求，在機(jī)架底板上焊有若干不銹鋼套筒毛坯，并用數(shù)控機(jī)床加工，以保證各定位孔之間的尺寸精度和形位公差方便后續(xù)裝配[7]。

3 夾持及牽引部件的設(shè)計(jì)

3.1 牽引機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

牽引機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何能提供足夠的牽引力來(lái)避免設(shè)備卡頓。牽引機(jī)構(gòu)由凸輪通過(guò)滾子來(lái)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)力一定的情況下，將凸輪滾子與牽引機(jī)構(gòu)的主臂轉(zhuǎn)軸之間留有足夠的距離即可。同時(shí)利用主臂、副臂和調(diào)節(jié)桿的結(jié)構(gòu)來(lái)做到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)牽引長(zhǎng)度，具體結(jié)構(gòu)，見圖3中粗線所示。

圖3 夾持及牽引部件正反面結(jié)構(gòu)圖

牽引機(jī)構(gòu)主要由主臂、副臂、調(diào)節(jié)螺桿、定夾、凸輪隨動(dòng)器等組成。在凸輪的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)下，凸輪隨動(dòng)器與凸輪時(shí)刻配合并驅(qū)動(dòng)主臂往復(fù)擺動(dòng)，主臂的末端F 點(diǎn)處設(shè)置有定夾，其可與動(dòng)夾配合夾緊扎帶，F(xiàn)點(diǎn)往復(fù)擺動(dòng)的弧長(zhǎng)即為扎帶的行程。通過(guò)調(diào)整副臂上移動(dòng)副相對(duì)于調(diào)節(jié)螺桿的相對(duì)位置即可調(diào)節(jié)主臂和副臂之間的夾角，從而達(dá)到扎帶進(jìn)給行程的調(diào)節(jié)。運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，見圖4。

圖4 牽引機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

3.2 夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如果調(diào)節(jié)合適的夾持力，既能保證不打滑地牽引扎帶，同時(shí)保證扎帶不被過(guò)大的夾持力破損。另外，還有如何保證該機(jī)構(gòu)安裝后其工作的始末位置滿足設(shè)計(jì)要求。為了解決上述難點(diǎn)而將本機(jī)構(gòu)中增設(shè)一級(jí)可調(diào)連桿[8?10]，用于該機(jī)構(gòu)安裝完成后進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的始末位置調(diào)節(jié)，以達(dá)到理想的設(shè)計(jì)要求。夾持機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)，見圖5中粗線所示。

圖5 夾持及牽引部件正反面結(jié)構(gòu)圖

該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，見圖6。夾持機(jī)構(gòu)主要由直線氣缸、連桿、可調(diào)連桿、動(dòng)夾等組成，氣缸的類型設(shè)計(jì)為單作用彈簧復(fù)位直線往復(fù)式氣缸，各連桿之間通過(guò)關(guān)節(jié)軸承互相連接構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副，用以彌補(bǔ)制造誤差方便裝配。當(dāng)氣缸通氣時(shí)，其推桿向前運(yùn)動(dòng)至最大行程處，從而通過(guò)連桿和可調(diào)連桿帶動(dòng)動(dòng)夾向上運(yùn)動(dòng)并與牽引機(jī)構(gòu)的定夾相配合夾緊扎帶；同理，當(dāng)氣缸斷氣時(shí)，推桿在內(nèi)置彈簧的作用下復(fù)位至最小行程處，同時(shí)帶動(dòng)動(dòng)夾與定夾分開。設(shè)計(jì)了一級(jí)可調(diào)連桿用于調(diào)整執(zhí)行元件動(dòng)夾的初始位置。

圖6 夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

4 間歇進(jìn)給的工作原理

間歇進(jìn)給即為在牽引機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)按照一定的時(shí)序關(guān)系配合工作完成扎帶間歇性的輸送。牽引機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)的時(shí)序配合關(guān)系為：當(dāng)牽引機(jī)構(gòu)處于回程靜止階段時(shí)間段內(nèi)時(shí)氣缸由松開變?yōu)閵A緊；處于前進(jìn)時(shí)間段內(nèi)時(shí)氣缸保持夾緊；然后推程靜止階段時(shí)間段內(nèi)時(shí)氣缸由夾緊變?yōu)樗砷_；最后處于后退時(shí)間段內(nèi)時(shí)氣缸保持松開進(jìn)而完成一個(gè)扎帶間歇進(jìn)給周期。具體時(shí)序配合，見圖7。

圖7 牽引動(dòng)作與氣缸動(dòng)作之間的時(shí)序關(guān)系圖

5 進(jìn)給長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)函數(shù)

牽引機(jī)構(gòu)中可通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿來(lái)調(diào)節(jié)主臂和副臂之間的角度，進(jìn)而改變?cè)鷰看芜M(jìn)給的行程，同時(shí)主臂上刻有相應(yīng)的刻度用來(lái)指導(dǎo)具體角度與行程之間的關(guān)系方便用戶調(diào)節(jié)。

圖8 中，設(shè)主臂和副臂之間夾角為α，扎帶的行程為F，點(diǎn)擺動(dòng)的弧長(zhǎng)為L(zhǎng)。

圖8 牽引機(jī)構(gòu)各構(gòu)件尺寸參數(shù)示意圖

當(dāng)夾角α 固定時(shí)，可將連桿機(jī)構(gòu)看作為整體，那么線段BF擺動(dòng)的角度就等于線段BE擺動(dòng)的角度，可推導(dǎo)出線段BE 擺動(dòng)的角度，進(jìn)一步算出弧長(zhǎng)即行程。又因線段BE 的長(zhǎng)度受夾角α 控制，故將含有夾角α 的關(guān)系式代入弧長(zhǎng)公式中即可推導(dǎo)出主臂和副臂之間夾角α 與扎帶進(jìn)給行程即弧長(zhǎng)L 之間的具體函數(shù)關(guān)系。

線段BE 擺動(dòng)的角度僅和固定轉(zhuǎn)動(dòng)副的相對(duì)距離e、線段BE 的長(zhǎng)度c、近休止半徑R1、遠(yuǎn)休止半徑R2相關(guān)。將牽引機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖簡(jiǎn)化為圖9。圖8中A、B分別為固定轉(zhuǎn)動(dòng)副，過(guò)A點(diǎn)分別以凸輪近休止半徑R1和遠(yuǎn)休止半徑R2作圓弧，與過(guò)B 點(diǎn)以線段BE 長(zhǎng)度c為半徑作的圓弧分別相交于P、M 點(diǎn)，那么線段BP 和BM 之間的夾角β即為線段BE 擺動(dòng)的角度，同樣也是線段BF擺動(dòng)的角度。

圖9 牽引機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖

推導(dǎo)過(guò)程如下：

其中,c2=a2+b2?2abcosα，得出主臂和副臂之間夾角α 與扎帶進(jìn)給行程即弧長(zhǎng)L 之間的具體函數(shù)關(guān)系為：

對(duì)于本設(shè)備而言，各尺寸參數(shù)為：a=100 mm，b=65 mm，e=150 mm，d=180 mm，R1=86 mm，R2=107 m。因此，可用MATLAB做出調(diào)節(jié)函數(shù)的圖像，見圖10。

圖10 角度α與行程L之間函數(shù)關(guān)系

本裝置中主臂和副臂之間夾角α 可在40°～80°內(nèi)自由調(diào)節(jié)，由圖10 可知扎帶進(jìn)給行程即弧長(zhǎng)L 可在32～98 mm內(nèi)較為精確的調(diào)節(jié)，此范圍滿足日常生產(chǎn)中的絕大部分扎帶長(zhǎng)度要求，并可由圖10 所示的函數(shù)關(guān)系對(duì)主臂上面板上進(jìn)行雕刻刻度，用以指導(dǎo)調(diào)試。

6 整機(jī)的裝配與調(diào)試

裝配時(shí)，首先將主軸安裝到機(jī)架上，將電機(jī)安裝在主軸下方，將過(guò)帶槽安裝到機(jī)架上，將凸輪固定安裝到主軸上方，最后將夾持及牽引部件安裝到機(jī)架上并使之與帶槽和凸輪配合，即完成安裝。

依據(jù)凸輪的四個(gè)工作階段對(duì)應(yīng)的理論位置來(lái)調(diào)試該裝置。即凸輪與凸輪隨動(dòng)器接觸的點(diǎn)處于“近休止階段””升程階段”“遠(yuǎn)休止階段”“回程階段”，分別對(duì)應(yīng)著夾持及牽引部件中定夾和動(dòng)夾的“最近行程處停頓狀態(tài)”“夾持并前進(jìn)狀態(tài)”“最遠(yuǎn)行程處停頓狀態(tài)”“送開并后退狀態(tài)”。根據(jù)扎帶的材料特性來(lái)選擇合適的直線氣缸壓力。根據(jù)所需的扎帶剪裁長(zhǎng)度和主臂上的刻度來(lái)調(diào)整主臂與副臂之間的夾角，最后來(lái)調(diào)整定夾和動(dòng)夾之間的相對(duì)位置。

7 結(jié)論

（1）為了解決目前生產(chǎn)中扎帶進(jìn)給工序常出現(xiàn)的進(jìn)給長(zhǎng)度不可調(diào)、剪裁長(zhǎng)度不均、設(shè)備卡頓、剪裁長(zhǎng)度不一、扎帶破損、安裝調(diào)試?yán)щy等問題，設(shè)計(jì)了全新的可調(diào)式扎帶間歇進(jìn)給裝置。

（2）對(duì)夾持機(jī)構(gòu)和牽引機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出主臂和副臂之間夾角與扎帶進(jìn)給行程即弧長(zhǎng)之間的函數(shù)關(guān)系式。

（3）對(duì)整機(jī)特別是夾持機(jī)構(gòu)的裝配和調(diào)試進(jìn)行了說(shuō)明，依據(jù)凸輪的四個(gè)階段對(duì)應(yīng)的理論位置來(lái)調(diào)試，保證了整機(jī)工作時(shí)的邏輯正確性。