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0引言
隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們需求的多樣化，對產(chǎn)品的包裝要求越來越高，迫切要求包裝實現(xiàn)機械化和自動化。經(jīng)過三十多年的快速發(fā)展，我國包裝技術及裝備的水平已有很大提升，部分產(chǎn)品處于國際領先地位，但由于起步較晚，相比于美、日、德等發(fā)達國家的先進水平，我國產(chǎn)品的技術水平、智能化、成套性、創(chuàng)新性產(chǎn)品等還存在較大的差距［1-2］，開展現(xiàn)代包裝關鍵技術及裝備智能化的研究及產(chǎn)業(yè)化具有十分重要的意義。
回轉(zhuǎn)式給袋包裝機適用于預制包裝袋的顆粒、粉末、塊體、液料等的包裝，包裝袋圖案完美，封口品質(zhì)好［3-4］。供袋機構(gòu)是給袋包裝機的重要組成，多采用凸輪連桿復合機構(gòu)實現(xiàn)夾持器等執(zhí)行機構(gòu)的動作，機構(gòu)性能直接影響包裝速度與包裝精度。研究人員采用不同的方法研發(fā)高性能執(zhí)行機構(gòu)［5-7］，晏祖根等運用工作循環(huán)圖等設計了穿箭式捆扎機頭，王興東綜合考慮尺寸公差和配合等因素優(yōu)化平面連桿機構(gòu)，張英建立了平面并聯(lián)機構(gòu)正運動學模型。基于包裝機及供袋機構(gòu)工作原理的分析，設計了自動供袋工藝，建立了機構(gòu)分析的數(shù)學模型，確定了機構(gòu)尺寸及位置關系。
1回轉(zhuǎn)式給袋包裝機工作原理
回轉(zhuǎn)式給袋包裝機可自動完成預制包裝袋上袋、物料計量充填、包裝袋封口和成品整形輸出等包裝工序。綜合包裝物性、包裝速度、封合方式以及制造成本等因素，包裝機可設計成6工位、8工位、10工位等不同形式。圖1包裝機為8工位回轉(zhuǎn)式給袋包裝機，主要由供袋、充填、封口、成品整形輸出等部件以及間歇回轉(zhuǎn)運袋系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。工序盤間歇回轉(zhuǎn)，驅(qū)使鉗手夾持供袋機構(gòu)輸送的預制包裝袋，順序間歇地通過供袋、打碼、開袋、充填、清口、封合、輸出等工位，完成物料的自動包裝。

按物料及包裝要求的不同，如花生、瓜子等顆粒狀物料，豆瓣醬等醬狀物料，榨菜等條狀物料等，充填裝置可采用不同類型的攪拌、輸送、計量、充填機構(gòu)。已充填物料的包裝袋，應對包裝袋進行整形，并對封口部位進行除塵、清口等處理，以保證封合質(zhì)量。按包裝要求不同，可對包裝袋進行二次封口，并完成氣調(diào)、真空等包裝操作。
包裝機主電機通過鏈傳動、槽輪機構(gòu)驅(qū)動工序盤做間歇轉(zhuǎn)動，通過凸輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)將主運動傳遞到各個執(zhí)行部件，如圖2所示，結(jié)合氣動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)末端執(zhí)行機構(gòu)的工藝動作。機器設置多處檢測裝置，如出現(xiàn)故障，檢測裝置將故障信號反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)做出相應的故障提示并停機，以避免安全事故和物料浪費。包裝速度由物料特性、包裝重量及包裝精度等確定，可根據(jù)包裝要求和生產(chǎn)需要自動調(diào)節(jié)包裝速度。

2供袋部件自動供袋工藝
供袋部件是回轉(zhuǎn)式給袋包裝機的重要組成，其組成與工作原理如圖2所示，主要由驅(qū)動電機、分配軸、一次上袋機構(gòu)、二次上袋機構(gòu)、夾取提升機構(gòu)、掃袋皮帶、送袋皮帶、供袋平臺和基座等組成。供袋部件的機構(gòu)分析簡化模型如圖3所示，為清晰表達，各驅(qū)動凸輪及相應擺桿機構(gòu)分開繪制，其軸心分別對應分配軸軸心O1和擺桿軸軸心O2。

（1）人工將預制包裝袋放到供袋平臺上；（2）送袋皮帶采用多根橡膠圓帶，安裝在供袋平臺的底部；橡膠圓帶壓緊包裝袋，在電機驅(qū)動作用下，將包裝袋摩擦輸送至掃袋工位；；（3）掃袋皮帶采用多根橡膠圓帶，斜向安裝在供袋平臺的上端；驅(qū)動電機按控制系統(tǒng)指令間歇旋轉(zhuǎn)，將單張包裝袋依次摩擦輸送至一次上袋工位P1；（4）電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)，通過分配軸上的一次上袋凸輪，驅(qū)動安裝在一次上袋機構(gòu)末端的真空吸盤相應動作，真空吸盤在P1 工位處吸附單張包裝袋，移送到二次上袋工位P2；（5）分配軸上的二次上袋凸輪驅(qū)動二次上袋機構(gòu)末端的真空吸盤動作，真空吸盤P2在工位處吸附包裝袋，移送到二次上袋工位P3；（6）分配軸上的夾袋凸輪驅(qū)動夾袋提升機構(gòu)末端的齒輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動夾持器相向動作，在P3工位夾持包裝袋；同時，與二次上袋機構(gòu)的平行四邊形機構(gòu)協(xié)同動作，夾持包裝袋平動移送到包裝機的上袋工位P4；（7）安裝在工序盤上的鉗手動作，在P4工位夾持包裝袋，完成包裝袋的自動供袋；工序盤旋轉(zhuǎn)，鉗手夾持包裝袋輸送至后續(xù)的開袋、充填、封口等包裝工位。
3供袋部件的機構(gòu)選型與工作循環(huán)圖設計
多機構(gòu)協(xié)同動作的復雜運動，可通過伺服電機、步進電機、氣動系統(tǒng)等，結(jié)合運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)。這種方式結(jié)構(gòu)尺寸較大、造價較高，當包裝速度、包裝尺寸發(fā)生變化時，要修改控制程序的相關參數(shù)，要求使用人員具有較高的技術水平，限制其在包裝機械領域的更廣泛應用。
凸輪機構(gòu)可通過凸輪輪廓軌跡曲線的設計，實現(xiàn)復雜的從動件運動規(guī)律，從而實現(xiàn)多運動機構(gòu)的運動協(xié)調(diào)；但機構(gòu)制造與調(diào)整要求較高，磨損后會影響運動規(guī)律的準確性。連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、承載能力大、可實現(xiàn)遠距離傳動，但無法實現(xiàn)從動件較長時間的精確停頓和任意軌跡運動。單一機構(gòu)因其固有的局限性，無法滿足多方面的要求，因此，自動機械多采用基于凸輪、連桿的復合機構(gòu)，實現(xiàn)多執(zhí)行機構(gòu)的復雜運動。
供袋部件的供袋動作包括兩部分：一是供袋平臺的掃袋皮帶和送袋皮帶的摩擦驅(qū)動，分別由各自電機驅(qū)動；二是分配軸上的凸輪組及連桿機構(gòu)，驅(qū)動一次上袋機構(gòu)、二次上袋機構(gòu)、夾袋提升機構(gòu)以及真空吸盤、夾持器進行協(xié)同動作，實現(xiàn)包裝袋自動供袋。
綜合集中驅(qū)動、結(jié)構(gòu)尺寸、控制等多方面因素，包裝機的供袋部件采用凸輪、連桿的復合機構(gòu)，實現(xiàn)預制包裝袋的自動供袋動作，機構(gòu)模型見圖3。
以包裝機的設計包裝速度50袋/min為例進行供袋機構(gòu)設計，每個包裝袋的自動上袋時間為1.2s，即以分配軸O1為基準軸的供袋機構(gòu)工作循環(huán)時間tk=1.2s。根據(jù)包裝機的生產(chǎn)能力要求，結(jié)合供袋機構(gòu)的自動供袋工藝，綜合考慮各執(zhí)行機構(gòu)的運動協(xié)調(diào)、時間同步和空間不干涉，以及機構(gòu)運動規(guī)律誤差、運動副間隙、機構(gòu)元件加工與裝配誤差、機構(gòu)元件運動變形等因素，可分配各供袋動作所需時間與運動循環(huán)時間的占比關系，設計供袋機構(gòu)的工作循環(huán)圖，如圖4所示。根據(jù)工作循環(huán)圖，利用相關的機構(gòu)綜合、凸輪設計理論和仿真技術，可完成供袋機構(gòu)的尺寸優(yōu)化與結(jié)構(gòu)設計。

4二次上袋機構(gòu)建模與設計
4.1機構(gòu)建模
二次上袋機構(gòu)是供袋部件的關鍵機構(gòu)，真空吸盤V安裝在搖桿HJ末端，夾持器的驅(qū)動齒輪安裝在平動桿M1M2上，如圖5所示，其性能直接影響包裝機的包裝速度與包裝精度。
分配軸上的主動凸輪A連續(xù)回轉(zhuǎn)，驅(qū)動搖桿JHV擺動到JH＇V＇位置，真空吸盤V吸取包裝袋，從P2位置移動到P3位置；夾持器夾取包裝袋，將包裝袋從P3位置平移到P4位置；工序盤鉗手夾持包裝袋，間歇移送到下一個包裝工位。

4.2連桿機構(gòu)設計
二次上袋機構(gòu)由基于凸輪驅(qū)動的擺桿機構(gòu)ABCD、雙搖桿機構(gòu)CDEF、雙搖桿機構(gòu)FGHJ和基于平行四邊形機構(gòu)M1N1-M2N2的復合機構(gòu)JKLM1M2四部分串聯(lián)組成。
對基于凸輪驅(qū)動的擺桿機構(gòu)ABCD，可通過高副轉(zhuǎn)化低副的方式AUBC，將機構(gòu)轉(zhuǎn)化為雙搖桿機構(gòu)，如圖6所示，進而分析機構(gòu)ABCD的性能。

對基于平行四邊形機構(gòu)M1N1-M2N2的復合機構(gòu)JKLM1M2，可基于平行四邊形機構(gòu)的特點，將機構(gòu)簡化為雙搖桿機構(gòu)JKLW，如圖7所示，研究桿件的輸入轉(zhuǎn)角θJ與鉸鏈點L的位置、速度的關系。

上述分析可知，二次上袋機構(gòu)可轉(zhuǎn)化為四個串聯(lián)的雙搖桿機構(gòu)。因此，二次上袋機構(gòu)的特性研究與優(yōu)化設計，可先優(yōu)化設計各部分子機構(gòu)，確定各子機構(gòu)的連桿尺寸與位置；再綜合優(yōu)化二次上袋機構(gòu)，提高機構(gòu)的綜合性能。
以雙搖桿機構(gòu)FGHJ為例，采用矢量法建立的機構(gòu)數(shù)學分析模型如圖8所示，各矢量桿形成封閉的矢量多邊形FGHJF，構(gòu)件FG、GH、HJ、JF對應的桿長、方位角、矢量桿

封閉矢量多邊形中，各矢量之和等于零，

對上式進行推導、整理，可求得搖桿HJ的輸出轉(zhuǎn)角θ3、輸出轉(zhuǎn)速ω3與搖桿FG的輸入轉(zhuǎn)角θ1、輸入轉(zhuǎn)速ω1之間的數(shù)學關系：

基于雙搖桿機構(gòu)FGHJ的分析流程，可建立各子機構(gòu)的運動學模型；基于各子機構(gòu)的運動學模型，可綜合得到二次上袋機構(gòu)的運動學模型，進而分析機構(gòu)的運動規(guī)律、機構(gòu)特性，優(yōu)化上袋機構(gòu)尺寸。
5結(jié)語
回轉(zhuǎn)式給袋包裝機總體布局設計需要，凸輪分配軸安裝在整機基座上，上袋機構(gòu)安裝在供袋平臺。采用供袋部件的機構(gòu)分析與設計流程，綜合考慮機器的總體布局、包裝工位、機構(gòu)尺寸與結(jié)構(gòu)設計等多種因素，優(yōu)化確定供袋機構(gòu)的各連桿尺寸（mm）：CB=125，BD=105，DE=645，EF=90，F(xiàn)G=130，GH=107，HJ=97，JK=25，KL=154，LM1=33，M1N1=200，其中連桿DE、連桿KL的兩端采用桿端軸承，桿長尺寸可根據(jù)實際需求進行微調(diào)。

作者：楊軍福，晏祖根，孫智慧，孟爽，耿志國，劉卓群

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