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國內(nèi)包裝機(jī)械行業(yè)起步較晚，經(jīng)過近二十年來的發(fā)展，所生產(chǎn)的包裝機(jī)器已基本能滿足國內(nèi)的需求，但與發(fā)達(dá)國家相比仍然存在著明顯的差距，主 要體現(xiàn)在生產(chǎn)技術(shù)、相對(duì)品質(zhì)、技術(shù)創(chuàng)新能力及自動(dòng)化 程度等方面。國內(nèi)中小企業(yè)普遍靠購買技術(shù)含量較低 的機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，這些機(jī)械產(chǎn)品存在著自動(dòng) 化程度不高、操作及維護(hù)復(fù)雜、不同工況下適應(yīng)能力較 差等問題。而這些問題都與未來包裝機(jī)械發(fā)展的控制 智能化，結(jié)構(gòu)高精度化，機(jī)械設(shè)備更加簡易方便等趨勢 相違背〔如O以針對(duì)粉狀、粒狀及塊狀物料的包裝流水線機(jī)械 設(shè)備為例，對(duì)于小袋包裝的產(chǎn)品,普遍采用灌裝及封口一次成型的小型自動(dòng)化包裝機(jī)械或灌裝后手工操作的 小型流水線封口機(jī)械小型自動(dòng)化包裝機(jī)械在技 術(shù)水平上已較為成熟，在包裝行業(yè)已被廣泛采用。然 而在生產(chǎn)大包裝粉粒及塊狀物料的包裝設(shè)備,普遍存 在灌裝和封口環(huán)節(jié)脫節(jié)、灌裝后需要靠人工操作進(jìn)行 封口等問題，不利于連續(xù)生產(chǎn)，且封口設(shè)備往往受安裝 位置、包裝袋材質(zhì)等因素的制約，在不同工況下的適應(yīng) 度較差。

在上述背景下，課題組開發(fā)設(shè)計(jì)了一種針對(duì)粉粒及塊狀物料包裝流水線的自動(dòng)封口機(jī)。它具有傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定性高及自動(dòng)控制的特點(diǎn)，能極大地解 決大包裝下粉粒及塊狀物料包裝流水線灌裝與封口環(huán) 節(jié)脫節(jié)的問題，且通過機(jī)械調(diào)姿部分的設(shè)計(jì)，使封口設(shè) 備能夠滿足不同尺寸及方位布置的流水線使用。通過 控制部分的開發(fā)，使設(shè)備能夠全自動(dòng)無干預(yù)的運(yùn)行，并 能針對(duì)包裝材料的不同,調(diào)整封口環(huán)節(jié)各參數(shù)的設(shè)置， 實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材料都能較好的完成密封。

1總體布局設(shè)計(jì)

封口機(jī)的實(shí)際應(yīng)用布局效果如圖1所示。圖中展 示了封口機(jī)的實(shí)際應(yīng)用場景和在包裝流水線中的位置 布局，封口機(jī)位于流水線進(jìn)料傳送帶和出料傳送帶 之間

圖中所示機(jī)體主要由底座、升降臺(tái)和機(jī)箱3部分 組成，底座由地腳螺栓固定在地面上。封口機(jī)可自動(dòng) 調(diào)整，使進(jìn)料口適應(yīng)流水線進(jìn)料傳送帶的高度及離傳 送帶的距離。

2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

封口機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 2個(gè)部分，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括進(jìn)料口模塊、壓緊模 塊、封口模塊、出料部分及機(jī)械調(diào)姿部分設(shè)計(jì)5個(gè)部分。

2.1進(jìn)料口模塊

進(jìn)料口模塊是封口機(jī)設(shè)計(jì)最重要的部分,它負(fù)責(zé) 將待封口的包裝袋傳送進(jìn)封口機(jī)內(nèi)。為了確保包裝袋 能平穩(wěn)的進(jìn)入封口機(jī)，避免發(fā)生傾覆、導(dǎo)致包裝袋內(nèi)的 物料灑落在包裝機(jī)內(nèi)的問題，采用了傳送帶、傳動(dòng)滾 輪、物料導(dǎo)引桿及物料推板4種機(jī)械結(jié)構(gòu)配合布局的 形式，如圖2所示。

 

傳送帶將包裝袋輸送至封口平臺(tái),傳動(dòng)滾輪負(fù)責(zé) 將上袋口順暢的過渡進(jìn)入封口平臺(tái)上的封口壓桿內(nèi), 此處傳送帶及傳動(dòng)滾輪與進(jìn)料口接合處均設(shè)置有過渡 結(jié)構(gòu),防止包裝袋被卷入接合處。

物料導(dǎo)引桿的設(shè)置是為了防止包裝袋在傳送帶傳 送進(jìn)封口平臺(tái)的過程中發(fā)生向前傾覆。系統(tǒng)通過光電 傳感器實(shí)時(shí)檢測包裝袋的位置并控制物料導(dǎo)引桿伴隨 包裝袋運(yùn)動(dòng),若發(fā)生前覆,物料導(dǎo)引桿可通過斜向上運(yùn) 動(dòng)的方式將包裝袋袋口提升到封口機(jī)構(gòu)上方，使封口 流程順利的進(jìn)行。

物料推板的設(shè)置是為了防止包裝袋在運(yùn)送至封口 平臺(tái)時(shí)發(fā)生向后傾覆。當(dāng)包裝袋隨傳送帶向封口平臺(tái) 運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電傳感器會(huì)實(shí)時(shí)檢測包裝袋的位置并通過 控制系統(tǒng)操控物料推板運(yùn)動(dòng)，有效防止包裝袋向后傾 覆并輔助將包裝袋推進(jìn)封口平臺(tái)。

進(jìn)料口模塊使用了一個(gè)雙輸出軸步進(jìn)電機(jī)和一個(gè) 微型步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選用了皮帶輪、皮 帶、齒輪、小型塑料絲桿滑臺(tái)、小型雙軸磁粉離合器和小 型制動(dòng)器等進(jìn)行功能布置，具體布置方式如圖3所示。

雙輸出軸電機(jī)的一端通過安裝皮帶輪及皮帶將轉(zhuǎn) 矩傳送給上方同樣安裝了皮帶輪的傳動(dòng)滾輪軸，帶動(dòng) 傳動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng);雙輸出軸的另一端安裝了齒輪,通過與 下傳動(dòng)軸的齒輪嚙合,將轉(zhuǎn)矩傳送給下傳動(dòng)軸,帶動(dòng)下 傳動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)并同時(shí)帶動(dòng)從動(dòng)輪及套在主、從動(dòng)輪上 的傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3中小型雙軸磁粉離合器的外側(cè)輸出軸及上傳 動(dòng)滾輪軸外側(cè)均配合有齒輪并分別通過與特定位置的 過渡齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)將轉(zhuǎn)矩從雙輸出軸電機(jī)轉(zhuǎn)換至雙軸 磁粉離合器上。離合器另一側(cè)的輸出軸與物料推板機(jī)構(gòu)的某一鉸接軸相連，物料推板由2個(gè)雙邊對(duì)稱的平 行四邊形桿件機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。

為了更好地完成進(jìn)料流程,可選用帶隔板的流水 線進(jìn)料傳送帶來輸送包裝袋"⁰"。

2.2壓緊模塊

包裝機(jī)壓緊模塊設(shè)計(jì)旨在將包裝袋袋口壓緊,為 封口流程做準(zhǔn)備。此處機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求在有限的機(jī)箱空 間內(nèi)完成封口機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置布置并通過最 簡單的機(jī)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)物料包裝袋的壓緊。同時(shí)需要考 慮使相關(guān)機(jī)構(gòu)適應(yīng)進(jìn)料口的空間布局及物料包裝袋的 進(jìn)料形式。因此壓緊模塊的設(shè)計(jì)選用并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián) 機(jī)構(gòu)協(xié)同布局的形式，實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)動(dòng)過程中完成包裝 袋口壓緊的功能。相關(guān)機(jī)構(gòu)布置形式如圖4所示。

載物板側(cè)板、上支撐桿、下支撐桿及連桿座一起構(gòu) 成一組平行四邊形機(jī)構(gòu)。2組對(duì)稱布置的平行四邊形機(jī)構(gòu)分別通過載物板與加固桿固定連接，從而搭建成 一個(gè)雙邊平行四邊形機(jī)構(gòu)框架。每組平行四邊形機(jī)構(gòu) 分別通過一組串聯(lián)桿件與轉(zhuǎn)動(dòng)桿相連,每組桿件由連 桿1、連桿2及連桿3組成。

圖4中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由固定在電機(jī)座上的步進(jìn)電機(jī)、 絲桿、光軸及配合在絲桿和光軸上的螺母滑塊組成。 螺母滑塊帶動(dòng)與其相鉸接的拉桿運(yùn)動(dòng);拉桿拉動(dòng)雙邊 傳動(dòng)桿發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng);雙邊傳動(dòng)桿通過帶滑槽的貼片推動(dòng) 固定在上支撐桿上的推桿及滑輪模塊運(yùn)動(dòng),從而完成 對(duì)壓緊模塊機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)。

壓緊模塊框架由一對(duì)并聯(lián)平行四邊形機(jī)構(gòu)和2組 串聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)組成，其機(jī)構(gòu)簡圖如圖5所示。

圖 5 中,L_Db 二 112 mm；£_BA 二 120 mm；L_Dc 二54 mm；

Lca 二 115 mm； 0 二 143. 50°； L_fg 二 125 mm； L_Fe 二 140 mm；Led 二66 mm；L_GD 二 120 mm；P 二 5. 74°。其中 Ldb ,

F 二 3n -2 Pl - Ph 二 3x7—2x 10 -0 = 1,即機(jī)構(gòu) 只具有1個(gè)自由度。

式中:n為構(gòu)件數(shù)；Pl和Ph分別指機(jī)構(gòu)所具有的低副 和高副的個(gè)數(shù)。針對(duì)運(yùn)動(dòng)輸出桿件Lgf的角度及角速 度變化進(jìn)行計(jì)算分析。

由 DC + CA =DB +BA, 得到復(fù)數(shù)形式:

Ldc e訥³ +Lca eⁱ^² =Ldb c^+Lba e沖'。

用歐拉公式展開并使實(shí)部虛部相等，得到

J Ldc cos 小3 + Lca cos 處—Ldb cos 0 + Lba cos ® , I Ldc sin ^3 + Lca sin ^2 = Ldb sin 0 + Lba sin ©1。

聯(lián)立方程組可以解出：

, 1+1.62cos (53.5 - 4>1)

©3 — arccos 〔 +

「1.14+1.13cos (53.5—©1)

J 0.57sin (143.5-©₁)[1+1.62cos (143.5-©。] -1.62sin (143.5-©。卩.14+ 1.13cos(143.5-©。] 400 +222cos©】+300sin .

© ^— [1.14 + 1.13 cos (143.5-©】)].J0.14 - 2.11 cos (143.5 - ©₁) - 2.62 cos² (143.5 - ©₁) ^⁷⁴⁸ - ^{2 + 444cos} ©1+^600sin ©1. ©。⁽³⁾

.J 2.28sin (©3 -185.74)[ -1 +4.55cos (©3 -185.74)] -4.55sin (185.74 -©3)[5.39 -4.55cos (©3 -185.74)] 121-218.9cos ©3 -22sin ©3..

©^5— [5.9-4.55cos (© - 185.74)]* ^4.9+4.55cos (© - 185.74) -20.7cos²(© -185.74) ^{+521 -437}-^8cos © "^44sin ©/ ©°

 

由公式(3)和(4)可知運(yùn)動(dòng)輸出桿Lgf的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 由主動(dòng)桿L_Bo的運(yùn)動(dòng)唯一決定,給出桿L_Bo的角度或角 速度即可得到Lgf的角度及角速度。繼續(xù)對(duì)公式(3) 和(4)求導(dǎo)即可得到桿Lgf由主動(dòng)桿Lbo決定的加速度 變化規(guī)律。

2.3封口模塊

封口模塊的作用是將壓緊后的物料包裝袋袋口進(jìn) 行密封并在包裝袋上印上生產(chǎn)日期或批號(hào)等信息。物 料包裝袋的封口機(jī)構(gòu)采用了壓合熱封的形式,物料包 裝袋應(yīng)具有熱封性。如圖6所示,模塊由6部分組成。

在壓緊模塊運(yùn)行時(shí),壓桿倒向模桿，將物料包裝袋 袋口壓在壓桿與模桿之間，模桿上有可拆卸更換的壓 碼模塊，通過更換數(shù)字及字母來完成對(duì)包裝袋的打碼 工作。

模桿通過固定片與載桿相固定，模桿和載桿間布 置有高導(dǎo)熱性能電阻絲，電阻絲與模桿、載桿間填充包 裹有石棉，模桿由高導(dǎo)熱性的銅合金制成，當(dāng)電阻絲通 電發(fā)熱時(shí)，熱量會(huì)通過石棉層均勻的傳導(dǎo)到模桿上，此 時(shí)壓桿在設(shè)定溫度下壓緊特定時(shí)間即能完成對(duì)物料包 裝袋的熱封。

2.4出料部分

出料口的作用是將完成熱封后的物料包裝袋排出 封口機(jī)并轉(zhuǎn)移至流水線出料傳送帶上。此部分的設(shè)計(jì) 承接前面所述的壓緊模塊與封口模塊,它由小型直線 氣泵、載物板翻板、轉(zhuǎn)動(dòng)軸和出料坡道4個(gè)部件組成, 如圖7所示。

載物板翻板通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸與載物板相鉸接。封口流 程結(jié)束后，系統(tǒng)控制壓緊模塊電機(jī)反轉(zhuǎn)一定圈數(shù)，使壓 緊模塊松開,小型氣缸向上運(yùn)動(dòng),將載物板翻板頂起相 應(yīng)距離,使物料包裝袋從載物板滑向出料坡道并最終 轉(zhuǎn)移至封口機(jī)外的出料口流水線傳送帶上。

2.5機(jī)械調(diào)姿部分

封口機(jī)在安裝及運(yùn)行過程中,進(jìn)料口及出料口的 位置時(shí)常會(huì)受到流水線布局、操作環(huán)境等一些外在因 素的限制,機(jī)械調(diào)姿部分的設(shè)計(jì)旨在針對(duì)上述外在因 素做出相應(yīng)調(diào)整，使機(jī)體相對(duì)進(jìn)、出流水線傳送帶的位 置保持在合適的范圍之內(nèi)，保證物料包裝袋的封口流 程順利進(jìn)行。

機(jī)械調(diào)姿包含3個(gè)部分:角度、高度和距離。3個(gè) 部分的機(jī)構(gòu)均布置在底座及機(jī)體平臺(tái)上,如圖8所示。 底座內(nèi)部由電機(jī)及行星齒輪構(gòu)成，可以旋轉(zhuǎn)，用來調(diào)整 封口

3.1仿真分析

為了能夠直觀的分析壓緊模塊機(jī)構(gòu)運(yùn)行的合理 性，借助ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。將運(yùn)動(dòng) 機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入ADAMS中并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的配置，如 圖10所示。

分析時(shí)首先按螺母滑塊設(shè)計(jì)運(yùn)行速度0. 06 m/s 對(duì)仿真驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行配置，使機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)行。通 過對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果的分析,證明了機(jī)構(gòu)框架的運(yùn) 行姿態(tài)符合預(yù)期，達(dá)到了相關(guān)設(shè)計(jì)的功能要求。

接著選取幾個(gè)重要的鉸接點(diǎn)進(jìn)行受力分析。文中 選取拉桿與雙邊傳動(dòng)桿上貼片相連的鉸接點(diǎn)進(jìn)行示例 分析，由于這個(gè)鉸接點(diǎn)承載著由螺母滑塊傳遞過來的 驅(qū)動(dòng)拉力，因而是個(gè)重要的受力點(diǎn),其在X, Y, Z方向 上的受力及合力情況如圖11所示。

 

由圖11可知,空載時(shí)單個(gè)方向上的受力最大不超 過16 N,合力不超過18 N,相鉸接的拉桿和貼片材料 均選用普通的碳鋼。為了驗(yàn)證鉸接處強(qiáng)度的可靠性, 選取最大受力時(shí)刻，借助SolidWorks中的Simulation對(duì) 鉸接點(diǎn)進(jìn)行靜力學(xué)分析,應(yīng)力分布如圖12所示。

應(yīng)力分布表明鉸鏈處所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服 極限,由此證明了此處鉸鏈具有運(yùn)行安全性和可靠性。 機(jī)構(gòu)其他鉸接點(diǎn)的仿真分析均與上述分析類似，不再 贅述。

3.2試制及調(diào)試

為了驗(yàn)證壓緊模塊的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行中的穩(wěn) 定性與可靠性，對(duì)這一模塊進(jìn)行了機(jī)構(gòu)的試制。在樣 機(jī)的運(yùn)行調(diào)試過程中，初步驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性 與運(yùn)行穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

4結(jié)語

課題組設(shè)計(jì)開發(fā)的粉粒及塊狀物料包裝流水線自 動(dòng)封口機(jī)，采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，并以STM32為核 心的控制系統(tǒng)統(tǒng)一指令下,實(shí)現(xiàn)了封口流程的全自動(dòng) 化運(yùn)行，極大地解決了大包裝下的粉粒及塊狀物料包 裝流水線灌裝和封口環(huán)節(jié)脫節(jié)并需要人為干預(yù)的問 題,具有較好的市場應(yīng)用前景。

 

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