李思聰，唐正寧

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，無錫 214122）

0 引言

目前我國的包裝機(jī)械通過引進(jìn)和吸收，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、質(zhì)量保障、創(chuàng)新能力上已經(jīng)有了較大發(fā)展［1］。

理料供送裝置作為包裝作業(yè)的起點(diǎn)，其可行性、高效性、可靠性等決定了包裝作業(yè)全自動化的實(shí)現(xiàn)，而自動化技術(shù)直接影響相關(guān)包裝設(shè)備的高效性、穩(wěn)定性、可靠性，以及設(shè)備的耗能與運(yùn)行環(huán)境等，而這些是包裝機(jī)械技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題［2］。

目前國內(nèi)外針對剛性物料的分離與自動上料的研究較多，但大多是針對外形規(guī)則物件的自動上料和現(xiàn)有分件螺桿裝置的技術(shù)分析改進(jìn)，針對異形物件的自動理料供送較少，所以本文針對不規(guī)則大頭物料的分件及供送作為切入點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外已有的相關(guān)研究進(jìn)行方法總結(jié)和借鑒，著重對整理供送上料進(jìn)行研究［3-5］。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 試管外形特性及供送要求

試管為醫(yī)院血凝儀設(shè)備專用試管，用于盛裝血液及相關(guān)醫(yī)學(xué)藥劑，如圖1所示，試管管身為圓錐狀，在管口有向外凸出的臺階：試管總長25 mm，管口直徑為10 mm，臺階的寬度為1 mm，管身的斜度約為2.76°。

本設(shè)計(jì)涉及階段為試管初始整理供送階段，需將試管包裝整理成圖1所示正向狀態(tài)供送至下一工位進(jìn)行灌裝操作。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)最終完整包裝裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)對供送對象的自動上料供送要求，現(xiàn)對研究裝置設(shè)計(jì)要求如下：

（1）試管逐個(gè)供送。要求被供送試管由料倉中的無序狀態(tài)最終在進(jìn)入下一步灌裝工位時(shí)完成姿態(tài)調(diào)節(jié)，并以特定姿態(tài)，即大頭端向上，實(shí)現(xiàn)逐個(gè)供送。

（2）試管供送速度600個(gè)/h。由于試管進(jìn)入下一步灌裝工位時(shí)要滿足灌裝機(jī)構(gòu)的調(diào)配時(shí)間，為滿足整個(gè)過程連續(xù)工作，單個(gè)試管的輸送時(shí)間應(yīng)小于單個(gè)灌裝針頭完成產(chǎn)品填充的時(shí)間。目前已知單個(gè)灌裝完成產(chǎn)品填充的時(shí)間為8～10 s，故計(jì)算得試管供送速度應(yīng)盡量滿足600個(gè)/h。

（3）采用步進(jìn)控制系統(tǒng)。由于整體裝置的工作要求，在其工作過程中常常需要中途停止裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，因此采用控制電機(jī)可較好完成啟停。

1.3 基本方案設(shè)計(jì)

料倉中的試管在自身重力作用下進(jìn)入輸料機(jī)構(gòu)與除料機(jī)構(gòu)的間隙，輸料機(jī)構(gòu)與除料機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動但保持兩者間間距不變，試管在此過程中下落至供送軌道，由于其凸臺結(jié)構(gòu)懸掛與供送軌道上，在重力作用下以正向姿態(tài)滑落下一工位進(jìn)行灌裝。

1.4 工作原理

（1）主要零部件及結(jié)構(gòu)。如圖2所示，該裝置的主要零部件包括：料倉：用于承裝散亂的試管；料倉支架：料倉下部支承及固定；外板：起到連接及固定作用；機(jī)架：主要用于個(gè)部件定位及裝配；連桿：用于傳遞曲柄與輸料機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動；曲柄：輸出整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方式；輸料機(jī)構(gòu)：與除料機(jī)構(gòu)進(jìn)行配合完成試管的分料及傳遞工作；除料機(jī)構(gòu)：與輸料機(jī)構(gòu)進(jìn)行配合完成試管的分料及傳遞工作，并保證物料分離過程中隔除多余物料；減速裝置：降低試管在輸料機(jī)構(gòu)與除料機(jī)構(gòu)間的滑落速度；滑道：用于完成試管到下一步灌裝工位的供送；電機(jī)：提供動力源；滑道支架：用作輸料機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動軸支撐以及滑道的結(jié)構(gòu)支承。

（2）工作原理及流程。試管由料倉中自由堆放，電機(jī)驅(qū)動曲柄轉(zhuǎn)動，將動力由連桿傳遞給輸料機(jī)構(gòu)與除料機(jī)構(gòu)，兩者由下至上開始往復(fù)運(yùn)動，運(yùn)動過程中兩者間間隙始終固定不變，且不斷推動料倉中的物料，物料在自身重力以及兩機(jī)構(gòu)的作用下掉落于輸料機(jī)構(gòu)與除料機(jī)構(gòu)的間隙中，輸料機(jī)構(gòu)與除料機(jī)構(gòu)繼續(xù)沿轉(zhuǎn)軸向上運(yùn)動，兩者間隙與水平面夾角不斷增大，試管由間隙向下滑落至滑道上，由于自身結(jié)構(gòu)以及滑道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響，在自身重力作用下，大頭端凸臺懸掛在滑道上側(cè)，以小端在下的姿態(tài)從其上滑落，直至下一工位進(jìn)行灌裝。

1.5 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)目標(biāo)供送試管的外形及尺寸特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)將整理供送過程分為分料階段和供送階段。

（1）分料階段。如圖3所示，該階段主要涉及結(jié)構(gòu)為輸料機(jī)構(gòu)與除料機(jī)構(gòu)。原理及分料方法為：料倉中無序堆放的試管在重力作用下從料倉中滑落至輸料機(jī)構(gòu)軌道內(nèi)，輸料軌道為具有一定角度的斜面，除料機(jī)構(gòu)和輸料機(jī)構(gòu)由低于料倉口的初始位置同時(shí)向上運(yùn)動，推動料倉口的試管，不斷改變試管堆放狀態(tài)，同時(shí)兩機(jī)構(gòu)間間距保持不變，當(dāng)從料倉中掉落的試管與輸料軌道上兩機(jī)構(gòu)間產(chǎn)生間隙的大小完全吻合時(shí)，試管通過其間隙下滑至供送軌道，完成試管容器的分料過程。

（2）供送階段。利用目標(biāo)供送試管的凸臺結(jié)構(gòu)，使由輸送帶上傳送過來的單個(gè)容器以凸臺與導(dǎo)軌接觸，如圖1所示的正向狀態(tài)，利用其重心特點(diǎn)使管身部分懸空的方式懸掛在導(dǎo)軌上進(jìn)行輸送，實(shí)現(xiàn)物料的逐個(gè)定向同姿態(tài)輸送。

2 關(guān)鍵部件參數(shù)分析

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)計(jì)要求

（1）要求輸料機(jī)構(gòu)滿足：曲柄旋轉(zhuǎn)角為30°、90°和135°時(shí)，搖桿與其對應(yīng)旋轉(zhuǎn)角分別為113°、122°和136°；（2）試管供送平均速度為600個(gè)/h，誤差為±10個(gè)/h；（3）除料機(jī)構(gòu)與輸料機(jī)構(gòu)在相對運(yùn)動過程中產(chǎn)生的允許指定試管通過的間隙為13 mm。

2.1.2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

搖桿對應(yīng)輸料機(jī)構(gòu)，為滿足在運(yùn)動過程中的其上滑道與外部料倉中的滑道始終保持不間斷連接，選擇以輸料機(jī)構(gòu)滑道支架的起點(diǎn)處為其轉(zhuǎn)軸原點(diǎn)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，曲柄與輸料機(jī)構(gòu)間轉(zhuǎn)角應(yīng)滿足一定位置對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

其中，θ11=30°，θ31=113°；θ12=90°，θ32=122°；θ13=135°，θ33=136°，經(jīng)計(jì)算且驗(yàn)證得曲柄長20 mm，則連桿108 mm，搖桿長67 mm，機(jī)架長137 mm［3］。

2.1.3 步進(jìn)電機(jī)選擇

由于本裝置在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中需要頻繁的啟停，且需適應(yīng)變速要求，故采用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動該裝置。本裝置采用BYG混合式步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)控制性能好、動態(tài)響應(yīng)快、易于啟停、正反轉(zhuǎn)和變速控制。

2.2 輸料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)要求

（1）輸料機(jī)構(gòu)為扇形，其滑道與搖桿有效長度之間夾角為57°。

（2）輸料機(jī)構(gòu)的滑道與外滑道（供料機(jī)構(gòu)滑道）相接。

2.2.2 相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)包括用于作為滑道內(nèi)平面的內(nèi)板和兩個(gè)扇形薄外板，扇形薄板的邊和滑道內(nèi)平面共同組成了輸料機(jī)構(gòu)的滑道，內(nèi)板和外板之間為面接觸，采用螺栓連接。

（1）扇形角設(shè)計(jì)。輸料機(jī)構(gòu)的扇形角設(shè)計(jì)影響中間連桿的設(shè)計(jì)，將輸料機(jī)構(gòu)的外形設(shè)計(jì)成扇形用以保證輸料機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中，其與料倉之間的間隙始終不變，以防試管在此處從料倉中滑落。

已知輸料機(jī)構(gòu)與除料機(jī)構(gòu)在相對運(yùn)動過程中將形成一個(gè)13 mm的間隙，用以供試管通過。

假設(shè)試管由料倉中滑落至此處時(shí)以運(yùn)動至輸料機(jī)構(gòu)滑道中，當(dāng)輸料機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動時(shí)，由于滑道傾斜角變化，其上試管沿滑道繼續(xù)下滑。已知料倉水平放置，令輸料機(jī)構(gòu)運(yùn)動至最低點(diǎn)時(shí)，及輸料機(jī)構(gòu)與料倉口夾角為10°時(shí)，稍低于料倉底部，方便料倉中試管掉落其上。

如圖5所示，可將以上描述轉(zhuǎn)化為：當(dāng)搖桿運(yùn)動至最低極位時(shí)，保證滑道與水平線夾角小于，其中為最大許用夾角，取C=67 mm，即實(shí)際搖桿長度，取D=10 mm，即試管直徑。計(jì)算過程如下。

此時(shí)φ1=32.328°，根據(jù)0≤α≤8.584°，可得扇形夾角γ取值范圍為49.088°≤γ≤57.672°，取γ=57°。

（2）輸料機(jī)構(gòu)外板設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和滑道的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，輸料機(jī)構(gòu)外板可簡化為一半徑為80 mm，滑道高為10 mm，圓心角為57°的扇形結(jié)構(gòu)。板厚設(shè)計(jì)為2 mm。

（3）輸料機(jī)構(gòu)內(nèi)板設(shè)計(jì)。根據(jù)試管的尺寸，兩個(gè)滑道之間的距離應(yīng)該介于8～10 mm之間。為了保證試管輸送的可靠性，也為了安裝方便，取兩個(gè)滑道之間的距離為8.5 mm，故根據(jù)配合要求，內(nèi)板的厚度取8.5 mm。

2.3 除料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 設(shè)計(jì)要求

（1）除料機(jī)構(gòu)與輸料機(jī)構(gòu)之間間隙為13 mm；（2）除料機(jī)構(gòu)與輸料機(jī)構(gòu)間隙旁設(shè)置擋板；（3）除料裝置上設(shè)置減速裝置。

2.3.2 相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求除料機(jī)構(gòu)與輸料機(jī)構(gòu)間的間隙為13 mm，除料機(jī)構(gòu)內(nèi)部件的下表面應(yīng)設(shè)計(jì)為平面。

（1）除料機(jī)構(gòu)內(nèi)板設(shè)計(jì)。除料機(jī)構(gòu)內(nèi)板設(shè)計(jì)要求為：內(nèi)板底部應(yīng)該是一個(gè)平面；要求在內(nèi)部件上裝一個(gè)減速裝置，當(dāng)試管在滑道中下滑的時(shí)候起到緩沖作用。目前已知的是內(nèi)部件上繞機(jī)架旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸孔中心位置和中間連桿連接處的位置。

（2）除料機(jī)構(gòu)外板設(shè)計(jì)。為防止物料在輸料機(jī)構(gòu)與除料機(jī)構(gòu)間供送時(shí)，多余物料的進(jìn)入，為簡化設(shè)計(jì)，可加長除料機(jī)構(gòu)的外板，使其變成擋板。

（3）除料機(jī)構(gòu)隔板設(shè)計(jì)。根據(jù)隔板設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)要求，將隔板設(shè)計(jì)為扇形邊，兩隔板間距離僅容一個(gè)試管通過；隔板夾在內(nèi)板兩側(cè)，起到封閉滑道的作用，其應(yīng)與內(nèi)部件固連，兩者一起運(yùn)動。

3 運(yùn)動仿真分析

利用UG運(yùn)動仿真模塊進(jìn)行主要部件的位移分析，確定輸料機(jī)構(gòu)和除料機(jī)構(gòu)的相對運(yùn)動是否設(shè)計(jì)合理。

輸料機(jī)構(gòu)和除料機(jī)構(gòu)在Z軸方向上的位移規(guī)律及對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)值方向全部相同。輸料機(jī)構(gòu)和除料機(jī)構(gòu)的相對運(yùn)動關(guān)系得到驗(yàn)證，檢驗(yàn)合格。

4 結(jié)語

本文在不干涉其他包裝工位相關(guān)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對實(shí)現(xiàn)無序試管包裝的逐個(gè)定向供送要求，設(shè)計(jì)了一種全自動整理供送裝置。首先，根據(jù)試管自身外形結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)出一種供送滑道，滑道由兩軌道組成，中間留空，可以讓試管利用自身大頭端凸臺結(jié)構(gòu)在自身重力的作用下自動完成定向滑落；其次，為實(shí)現(xiàn)對試管分料整理，設(shè)計(jì)出分料機(jī)構(gòu)，包含除料機(jī)構(gòu)和輸料機(jī)構(gòu)，其兩者共同作用可以實(shí)現(xiàn)試管的單個(gè)輸送，并巧妙利用四桿機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)簡單，動作方便，節(jié)省空間，穩(wěn)定運(yùn)行的操作流程。本設(shè)計(jì)著眼于解決在有限空間內(nèi)試管的全自動整理供送問題，簡化動作流程并提高裝置運(yùn)轉(zhuǎn)效率，為滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的整體全自動化包裝要求，最終形成一套完整整理供送工藝流程，為此類包裝的理料工序提供參考和依據(jù)。