基于運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析的泡罩包裝機(jī)沖切模組設(shè)計(jì)

劉長(zhǎng)江 孔朵朵＊ 鄒瑤瑤

（1、溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州 3250002、浙江明天機(jī)械有限公司，浙江瑞安 325207）

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，包裝機(jī)械得到了飛速的發(fā)展。目前泡罩包裝機(jī)正由第2 第3 代逐漸的朝著第4 代過渡，第4 代的表現(xiàn)為全伺服、具有標(biāo)準(zhǔn)可拓展軟硬件、在線集成、分布式智能等特點(diǎn)，體現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行的智能化[1]。目前我國(guó)先進(jìn)的泡罩包裝機(jī)已經(jīng)具備了第4 代的特征，以國(guó)產(chǎn)DPH-268S 全伺服高速泡罩包裝機(jī)為例：機(jī)器采用全伺服控制，配備施耐德PLC控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紼RP 系統(tǒng)，并在系統(tǒng)中集成了自診斷、不同產(chǎn)品加工方法包裝過程在線適配功能，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備分布式智能控制。

雖然國(guó)產(chǎn)泡罩包裝機(jī)已經(jīng)跨越到第4 代，但第3 代的短板還沒有補(bǔ)齊，設(shè)備在整體運(yùn)行速度上與國(guó)外設(shè)還具有較高的差距，目前國(guó)外先進(jìn)設(shè)備產(chǎn)量可達(dá)600～1300 板/min，國(guó)內(nèi)設(shè)備普遍在300～700 板/min，造成以上差距的原因有：橫向尺寸差距、加熱成型速度、藥品充填速度、熱封速度、批號(hào)打印速度、橫撕裂速度、沖裁成型速度等，其中批號(hào)打印、橫撕裂、沖切往往在一個(gè)模組上完成統(tǒng)稱為沖切模組。該模組通常采用曲柄滑塊、齒輪、凸輪組合機(jī)構(gòu)進(jìn)行完成，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、成本較低，通過往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成壓痕、橫撕裂和沖裁。但同時(shí)該機(jī)構(gòu)還存在運(yùn)行效率低、運(yùn)行過程中慣量較大、易磨損、振動(dòng)大等缺點(diǎn)，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析方法對(duì)沖切模組進(jìn)行設(shè)計(jì)可以避免設(shè)計(jì)的盲目性，為設(shè)計(jì)以及選型提供依據(jù)。

1 模組設(shè)計(jì)要求與原理

1.1 模組設(shè)計(jì)要求

泡罩包裝機(jī)主要通過PVC、PVCD、ACLAK、PP 等材料實(shí)現(xiàn)片劑、膠囊、栓劑或其他食品、玩具、機(jī)電配件的包裝，滿足以上物品小劑量?jī)?chǔ)存使用需求[2]。設(shè)備通過薄膜放卷-加熱-泡罩成型-藥品填充-超聲波檢測(cè)-鋁箔熱封-批號(hào)打印-橫撕裂-板塊沖裁-分揀-裝盒等工序完成產(chǎn)品的包裝，其中批號(hào)打印、橫撕裂、板塊沖裁三個(gè)工序均通過往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)成型，且工序集中，并要求具有一致的工作節(jié)拍，可以采用一體化設(shè)計(jì)。沖切模組作為泡罩包裝機(jī)的一個(gè)重要部件，提出以下設(shè)計(jì)要求。

（1）滿足工序要求，泡罩包裝機(jī)工作過程中物料以及包裝材料始終貫穿其中，要滿足工序要求，打批號(hào)、橫撕、沖切三個(gè)工序一般依次實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)上有一定的連續(xù)性。

（2）滿足節(jié)拍一致要求，為了實(shí)現(xiàn)較高的加工效率設(shè)備的一個(gè)動(dòng)停節(jié)拍內(nèi)三個(gè)工序同時(shí)進(jìn)行。

（3）滿足慣性沖擊較小要求，模組在運(yùn)行過程中存在較大慣性力，對(duì)設(shè)備造成沖擊，對(duì)設(shè)備的壽命有嚴(yán)重的影響，合理的設(shè)計(jì)可以通過慣性力抵消以及平衡裝置設(shè)計(jì)減小沖擊力。

（4）滿足結(jié)構(gòu)緊湊要求，結(jié)構(gòu)緊湊可以優(yōu)化整機(jī)的布局。

（5）滿足經(jīng)濟(jì)性要求，在滿足以上條件基礎(chǔ)之上，盡量減少電機(jī)和零件的數(shù)量以及零件制造難度、模組裝配難度。

1.2 模組機(jī)械原理設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)泡罩包裝機(jī)打批號(hào)、橫撕裂、沖切工序的機(jī)構(gòu)方案有多種，為了滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)采用了兩個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)通過齒輪組傳動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)。橫撕裂與沖切裝置采用左右對(duì)稱布置，在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)慣量的抵消，底部打批號(hào)裝置采用凸輪機(jī)構(gòu)避免了模組整體慣量的增加。機(jī)構(gòu)通過齒輪組實(shí)現(xiàn)一個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，保證了三個(gè)模組運(yùn)動(dòng)節(jié)拍的一致性，機(jī)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 模組機(jī)構(gòu)示意圖

2 沖切機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分與動(dòng)力學(xué)分析

2.1 沖裁力計(jì)算

泡罩包裝機(jī)按照可裁切PVC 厚0.25mm 長(zhǎng)≤270mm、可裁切PTP 厚0.02mm 長(zhǎng)≤270mm 同時(shí)可以裁切3 片進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。沖裁示意圖如圖2 所示。由于PTP 與PVC 均屬于較軟材質(zhì)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算沖裁間隙Z=（6%～8%）×t，t 為材料厚度，Z 取中間值為0.019mm[3]。

圖2 沖裁示意圖

沖裁力是落料或沖孔時(shí)材料對(duì)凸模的最大抵抗力，該力也是確定沖裁機(jī)構(gòu)應(yīng)具有的最小壓力。泡罩包裝機(jī)沖裁力計(jì)算公式為：

式中L 為沖裁輪廓線長(zhǎng)度，單位mm；n 為同時(shí)沖裁片數(shù)；t1為PTP 厚度，單位mm；t2為PVC 厚度，單位mm；K 為安全系數(shù)，考慮到刃口鈍化、不均勻以及材料性能與厚度等因素的影響，取1.3；τ1為PTP 抗剪強(qiáng)度，單位MPa；τ2為PVC 抗剪強(qiáng)度，單位MPa。

國(guó)標(biāo)規(guī)定泡罩包裝用鋁箔8079-H18（PTP）抗拉強(qiáng)度σb≤150MPa，藥用聚氯乙烯硬片（PVC）抗拉強(qiáng)度σb≥44MPa，為了保證設(shè)備的可靠性取聚氯乙烯抗剪強(qiáng)度為50MPa。根據(jù)材料抗拉與抗剪強(qiáng)度關(guān)系公式σb=1.3τ 計(jì)算可得τ1=115MPa、τ2=38MPa。板料厚度t1=0.02mm，t2=0.25mm，安全系數(shù)K=1.3，帶入公式計(jì)算可得F沖裁=12.43KN[4-5]。

2.2 沖裁機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

本設(shè)計(jì)一次沖裁可獲得三板，要達(dá)到1200 板/min，可確定沖裁頻率n=400 次/min，考慮到設(shè)計(jì)、安裝、標(biāo)準(zhǔn)件等因素確定沖切模組沖程為H=18mm，從模組制造成本角度考慮出發(fā)選取沖切模組許用壓力角[α]=4.34°。圖3 為沖切機(jī)構(gòu)示意圖，曲柄OA 長(zhǎng)度為沖切模組行程的一半r=9mm，連桿AB 長(zhǎng)度為l=r/sin[α]=119mm，滑塊行程為s，引入連桿系數(shù)λ=sin[α]。根據(jù)沖切機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以得到?jīng)_切凸模位移、速度、加速的計(jì)算公式。

圖3 沖切機(jī)構(gòu)曲柄滑塊模型

沖切凸模s—α 公式為：

沖切凸模a—α 公式為：

繪制位移、速度、加速度曲線，如圖4。

圖4 沖切機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線圖

2.3 沖裁機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)沖切機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，受力圖如圖5 所示，沖切凸模受力平衡FABcosβ=F，由于AB 連桿為二力桿，AB 桿對(duì)曲柄OA 在O 點(diǎn)的力與FAB方向大小都相等，根據(jù)曲柄OA 合力偶矩為零可知FABrsin（α+β）=M，建立力矩M 與力F 的關(guān)系：

圖5 沖切機(jī)構(gòu)受力分析

沖切模組在沖切PVC 與PTP 薄片時(shí)所需F沖裁=12.43KN，設(shè)計(jì)安全系數(shù)取1.5，則設(shè)計(jì)壓力為18.65KN，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)沖切模組設(shè)計(jì)壓力一般為標(biāo)稱壓力的0.75 倍，通過計(jì)算可得沖切模組標(biāo)稱壓力Fg=24.87KN。在沖切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通常當(dāng)α 與機(jī)構(gòu)許用壓力角[α]相等時(shí)，曲柄所需轉(zhuǎn)矩作為電機(jī)選取依據(jù)，用MgL表示。凸模沖切力大小為：

當(dāng)F=Fg=24.87KN，計(jì)算可得MgL=18.22N.m，曲柄轉(zhuǎn)角α 與F 變化關(guān)系如圖6 所示。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)角α 變小時(shí)，沖切模組向右運(yùn)行，此時(shí)沖切模組受力先變小然后逐漸變大，當(dāng)轉(zhuǎn)角α=[α]時(shí)，F(xiàn) 大小等于沖切模組標(biāo)稱壓力，此時(shí)沖切模組開始進(jìn)行沖切作業(yè)。

圖6 沖切機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角與凸模受力關(guān)系

3 模組電機(jī)選擇

沖切機(jī)構(gòu)電機(jī)選擇按照模組一個(gè)周期內(nèi)平均能量計(jì)算，其功率選取公式確定為：

式中A 為沖切模組一工作循環(huán)中消耗的能量，t 為沖切模組單次行程循環(huán)周期，k 為電動(dòng)機(jī)選型功率與平均功率比值，由于沖切模組沖切頻率為400 次/min，取k=1.6。

沖切模組彈性變形消耗功A3（開式壓力機(jī)垂直剛度推薦值Ck=400KN/mm）：

滑塊空行程功A4（一般為沖切模組連續(xù)行程的10%～35%，此處選取為22.5%）：

飛輪消耗功A5（一般為沖切模組連續(xù)行程的6%～30%，此處選取為18%）：

計(jì)算可得沖切模組一工作循環(huán)消耗能量A=147.31J，為了保證設(shè)備的功率足夠，此處取三個(gè)模組消耗的功相同進(jìn)行概算計(jì)算，并將齒輪的效率計(jì)算在內(nèi)，齒輪的傳動(dòng)效率取η=0.9。則模組電機(jī)的功率為：A5=18%A

選取380VYE2 系列5.5KW 三項(xiàng)異步交流電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速2840r/min，減速電機(jī)選取R47 斜齒輪減速機(jī)，減速比為7.1。

4 基于運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析軟件的分析驗(yàn)證

采用三維建模軟件對(duì)模組進(jìn)行建模，建模完成之后對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并將模型導(dǎo)入到運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析軟件中對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。設(shè)置模組輸入轉(zhuǎn)速400r/min，并基于圖7 設(shè)置沖切、打批號(hào)、橫撕裂機(jī)構(gòu)參數(shù)化受力。

圖7 模組建模與分析

運(yùn)行分析，分析結(jié)果如圖8 所示，電機(jī)所需功率峰值為5.16KW。本設(shè)計(jì)計(jì)算功率為5.24KW，選型功率為5.5KW，設(shè)計(jì)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。

圖8 電機(jī)功率曲線

5 結(jié)論

本研究首先對(duì)沖切模組提出了設(shè)計(jì)要求，確定了沖切模組機(jī)構(gòu)原理；然后通過運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算得出沖切凸模所需沖裁力為12.43KN，沖切模組標(biāo)稱壓力24.87KN，以及曲柄轉(zhuǎn)角與凸模受力關(guān)系，在以上基礎(chǔ)之上對(duì)電機(jī)及減速機(jī)進(jìn)行了選型；最后本研究采用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真得出了仿真電機(jī)所需功率為5.16KW 與設(shè)計(jì)及選型結(jié)果相吻合。

本研究采用運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算以及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析軟件進(jìn)行驗(yàn)證，為泡罩包裝機(jī)沖切模組設(shè)計(jì)提供了嚴(yán)密的設(shè)計(jì)思路，其他研究人員針對(duì)類似設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)可以參考以上設(shè)計(jì)方法。但設(shè)計(jì)過程中沒有對(duì)沒有嚴(yán)格考慮到打批號(hào)、橫撕裂機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)需求，希望通過后續(xù)研究進(jìn)一步完善。