艾寶生，夏軍勇，賀 韌，孫 穎

（湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430072）

關(guān)鍵字：包裝機(jī)；移袋同步結(jié)構(gòu)；同步特性；機(jī)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

隨著包裝機(jī)械的迅速發(fā)展，包裝生產(chǎn)逐漸趨向于商品化、社會(huì)化和國(guó)際化［1］。預(yù)制袋包裝是一種被廣泛應(yīng)用的包裝形式，在食品、藥品和紡織品等產(chǎn)品上都得到了很普遍的應(yīng)用［2］。對(duì)包裝機(jī)械的研究對(duì)于包裝工業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步有著重要的意義［3］。尤其當(dāng)前是我國(guó)在國(guó)際包裝大國(guó)中占據(jù)重要地位的關(guān)鍵階段，迫切地要求現(xiàn)代包裝機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化和準(zhǔn)確化［4］。全自動(dòng)給袋式包裝機(jī)的出現(xiàn)在一定程度上代替了人工，極大地提高了食品包裝的自動(dòng)化程度及生產(chǎn)效率，人工和管理費(fèi)用都在不斷下降［5］。

盡管當(dāng)前包裝機(jī)的包裝速度得到很大的提升，但是普遍存在著抽真空和熱封效果不理想的問(wèn)題。人們?cè)谧分鹛岣咚俣鹊耐瑫r(shí)，末端執(zhí)行器的穩(wěn)定性卻在下降［6］，造成預(yù)期軌跡的波動(dòng)，嚴(yán)重影響抽真空效果。

為改進(jìn)移袋工序的結(jié)構(gòu)，減小末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡波動(dòng)，提高包裝袋的抽真空和熱封效果。本文設(shè)計(jì)一種空間連桿與凸輪組合的移袋同步機(jī)構(gòu)。通過(guò)凸輪反轉(zhuǎn)法研究移袋過(guò)程的凸輪實(shí)際廓線，由凸輪出發(fā)建立給袋式包裝機(jī)移袋同步機(jī)構(gòu)的虛擬模型，整體結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)。并使用運(yùn)動(dòng)仿真軟件對(duì)移袋機(jī)構(gòu)的同步特性進(jìn)行研究。利用樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到同步率和貼合率數(shù)據(jù)，結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性與先進(jìn)性。

1 回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)工作原理

回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)可以自動(dòng)完成包裝袋的取袋、撐袋、裝填、移袋、熱封和輸出等工序［7］。主要由供袋裝置、取袋裝置、裝填裝置、移袋裝置，熱封裝置和輸出裝置等組成。

其工作原理是通過(guò)取袋機(jī)構(gòu)完成包裝袋的取袋工作，然后機(jī)械手將包裝袋撐開(kāi)，接著依次完成下料、熱封及最后輸出過(guò)程。在工作過(guò)程中，動(dòng)力由驅(qū)動(dòng)裝置傳遞，各個(gè)工位同時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。取袋機(jī)構(gòu)首先取出放在工作臺(tái)一側(cè)固定工位的包裝袋，包裝袋被送到旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上被吸住隨工作臺(tái)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)一般設(shè)置成8，10，12個(gè)工位，本文設(shè)計(jì)的工作臺(tái)為12工位。當(dāng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)到下料工位時(shí)，包裝袋兩側(cè)伸出吸盤(pán)將包裝袋撐開(kāi)完成撐袋動(dòng)作，與此同時(shí)充填物料的裝置伸出將物料送入袋中。完成下料工序后，包裝袋在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)移袋工位，移袋機(jī)構(gòu)上的移袋夾板將包裝好物料的包裝袋從旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上取下，通過(guò)移袋操作將物料袋送至真空包裝室進(jìn)行熱封處理。進(jìn)行抽真空處理后的袋子隨著真空包裝室旋轉(zhuǎn)，到達(dá)指定位置后掉落在輸出裝置的傳送帶上，經(jīng)輸出裝置送出，至此完成物料的自動(dòng)包裝過(guò)程。

2 移袋同步機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值分析凸輪設(shè)計(jì)

移袋凸輪和同步凸輪組成的共軛凸輪示意如圖1所示。

圖1 共軛凸輪示意圖Fig.1 Schematic diagram of a conjugate cam

在移袋同步機(jī)構(gòu)中，機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器移袋夾板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與凸輪的形狀輪廓有著密切的聯(lián)系。移袋夾板的運(yùn)動(dòng)軌跡由移袋凸輪和同步凸輪的實(shí)際輪廓形狀共同決定，故對(duì)凸輪輪廓的設(shè)計(jì)十分重要，它會(huì)直接影響移袋過(guò)程同步率和貼合率的高低，間接決定包裝袋抽真空和熱封效果的好壞。本文通過(guò)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律反過(guò)來(lái)設(shè)計(jì)凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律，首先從凸輪理論分析出發(fā)計(jì)算得到凸輪理論輪廓曲線，經(jīng)過(guò)理論廓線建模仿真分析得到實(shí)際工作的凸輪輪廓曲線［8］；再根據(jù)凸輪實(shí)際輪廓曲線進(jìn)行移袋同步機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在三角形OAA'中，滾子半徑的連線與極徑間的夾角：

由正弦和余弦定理：

故滾子的中心相對(duì)于凸輪的轉(zhuǎn)角：

同步凸輪廓線求解，如圖2所示。

圖2 同步凸輪廓線求解示意圖Fig.2 Schematic diagram of the synchronous cam contour line solution

設(shè)O'A'=L1，O'B'=L'1，OO'=L2，OA'=R，OB'=R'，∠A'O'B'通過(guò)測(cè)量得到。則：

故得B點(diǎn)的坐標(biāo)為（θB，R'）。

同步凸輪輪廓線可以得到凸輪滾子半徑的連線與極徑之間的夾角：

r'和 δ 根據(jù)式（3）-（6）可得：

同步凸輪滾子中心相對(duì)凸輪轉(zhuǎn)角：

在移袋同步機(jī)構(gòu)中，凸輪帶動(dòng)移袋擺臂沿Y軸方向做往復(fù)擺動(dòng)，其各自的運(yùn)動(dòng)循環(huán)如圖3所示。

圖3 凸輪擺臂運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖Fig.3 Movement cycle diagram of cam swing arm

通過(guò)凸輪擺臂的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖，運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行編程，得到移袋機(jī)構(gòu)中移袋凸輪和同步凸輪的虛擬建模實(shí)際廓線，如圖4所示。

圖4 凸輪的實(shí)際外輪廓曲線圖Fig.4 Diagram of the actual outer profile of the cam

針對(duì)數(shù)值分析設(shè)計(jì)得到的新凸輪，對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到末端執(zhí)行器的角加速度圖像曲線如圖5所示。其曲線整體運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本不變，最值與之前移袋機(jī)構(gòu)相比較小，整體變化波動(dòng)不大，從而驗(yàn)證方法的可靠性和有效性。

圖5 末端執(zhí)行器角加速度曲線圖Fig.5 Angular acceleration graphs of end-effector

2.2 移袋同步機(jī)構(gòu)建模

根據(jù)得到的凸輪參數(shù)使用UG軟件對(duì)移袋同步機(jī)構(gòu)進(jìn)行完整建模，建立的簡(jiǎn)要虛擬模型如圖6所示。

圖6 移袋機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the bag moving mechanism

本文設(shè)計(jì)的移袋同步機(jī)構(gòu)適用于中高速給袋式自動(dòng)真空包裝機(jī)。采用空間連桿與凸輪組合的機(jī)構(gòu)，整體具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、制造方便和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。移袋同步機(jī)構(gòu)為新型給袋式包裝機(jī)核心機(jī)構(gòu)，由末端執(zhí)行器移袋夾板完成移袋動(dòng)作，移袋的同步率和貼合率直接影響塑料包裝袋的抽真空和熱封效果，進(jìn)而影響整個(gè)回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)的工作性能［9］。本文主要對(duì)移袋機(jī)構(gòu)的同步特性進(jìn)行分析，驗(yàn)證其是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的移袋運(yùn)動(dòng)，以及順利實(shí)現(xiàn)移袋運(yùn)動(dòng)之后，在移袋的過(guò)程中是否具有較好的同步率和貼合率，保證食品包裝的合格率。

3 移袋機(jī)構(gòu)同步特性分析

將模型簡(jiǎn)化后在UG中打開(kāi)，并添加相關(guān)的運(yùn)動(dòng)副和約束，對(duì)其進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。設(shè)計(jì)真空包裝室周圍一共有12個(gè)包裝工位，單次移袋動(dòng)作時(shí)間為1 s，其相應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為30°，故其工作移袋速度為60袋/min。根據(jù)其運(yùn)動(dòng)仿真得到單次移袋的零件各個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的角度時(shí)序如圖7所示。

圖7 時(shí)序圖Fig.7 Time sequence diagram

可以看出，在單次移袋運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，凸輪正好旋轉(zhuǎn)1周，之后重新移袋，而其他零件也符合周期規(guī)律。盡管在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中角度會(huì)發(fā)生不同的變化，但最后都回歸到起始值。

在凸輪旋轉(zhuǎn)1周的過(guò)程中，其對(duì)應(yīng)的擺臂做往復(fù)擺動(dòng)，根據(jù)仿真得到的角位移曲線如圖8所示。

圖8 凸輪擺臂角位移曲線圖Fig.8 Angular displacement curve of cam swing arm

本文旨在驗(yàn)證移袋機(jī)構(gòu)的同步特性，以此來(lái)判斷移袋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理可行，故在運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，省略對(duì)其他無(wú)關(guān)零件的分析，只對(duì)末端執(zhí)行器移袋夾板進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析［10］。

移袋機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行器位移幅值曲線如圖9所示。

圖9 移袋位移曲線圖Fig.9 Bag moving displacement graph

移袋同步機(jī)構(gòu)位移曲線在整體上呈現(xiàn)周期性變化，而在單次移袋過(guò)程中會(huì)實(shí)現(xiàn)移袋、給袋和回程3個(gè)動(dòng)作，其移袋仿真位移曲線也完整地展示了這個(gè)過(guò)程，符合移袋同步機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。其在越大值處的位移值波動(dòng)越小，說(shuō)明給袋的貼合率越好。在0.22～0.44 s時(shí)處于最小值，說(shuō)明此時(shí)處于移袋過(guò)程，且其數(shù)值變化很小，移袋的貼合率很好，能夠在每次運(yùn)動(dòng)過(guò)程中到達(dá)指定的移袋和給袋位置；0.44 s以后屬于回程時(shí)間。位移運(yùn)動(dòng)曲線在給袋和移袋位置基本保持不變，表明移袋同步機(jī)構(gòu)的貼合率表現(xiàn)優(yōu)異。

移袋同步機(jī)構(gòu)的移袋角速度曲線如圖10所示。

圖10 移袋角速度曲線圖Fig.10 Angular velocity graph for bag moving

移袋同步機(jī)構(gòu)角速度的變化體現(xiàn)其同步率，優(yōu)化的主要目的是使角速度能盡可能的保持周期性變化，使得機(jī)構(gòu)的同步率盡可能高。設(shè)計(jì)得到的運(yùn)動(dòng)曲線在移袋的工位角速度變化明顯，最后回程時(shí)角速度也回歸初值，整體符合移袋運(yùn)動(dòng)規(guī)律。移袋同步時(shí)存在微小的角度變化，說(shuō)明真空裝配室與移袋機(jī)構(gòu)的給袋夾板之間的同步率還未達(dá)到100%，但是真空裝配室完整旋轉(zhuǎn)1周的過(guò)程中呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，其同步特性表現(xiàn)良好，已經(jīng)滿足企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求。

移袋同步機(jī)構(gòu)的移袋速度曲線如圖11所示。

圖11 移袋速度曲線圖Fig.11 Bag moving speed graph

對(duì)移袋機(jī)構(gòu)的移袋夾板進(jìn)行速度分析，了解移袋夾板的速度變化情況。移袋夾板的工作速度滿足實(shí)際的生產(chǎn)要求，工作速度過(guò)大可能導(dǎo)致生產(chǎn)安全問(wèn)題，過(guò)小會(huì)影響給袋式包裝機(jī)的生產(chǎn)效率。波形符合移袋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其整體呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，符合設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)調(diào)試

設(shè)計(jì)仿真完成后，對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行加工，對(duì)給袋式自動(dòng)包裝機(jī)進(jìn)行整體裝配以及相關(guān)設(shè)備調(diào)試，并對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行試運(yùn)行，其現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試如圖12所示。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試圖Fig.12 Pictures of on-site commissioning

回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)包含諸多的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，由控制面板可知，在運(yùn)行過(guò)程中可以得到實(shí)時(shí)工作的同步值和貼合值數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和相關(guān)計(jì)算分析。

4.2 結(jié)果分析

同步率P和貼合率Q是檢測(cè)移袋裝置的2個(gè)重要參數(shù)，P主要表示移袋夾板和真空包裝室的速度同步程度，Q表示移袋夾板上的包裝袋與真空室的貼合程度。這2個(gè)參數(shù)將直接決定包裝袋的真空效果，也間接決定產(chǎn)品合格率的高低。

設(shè)置真空裝配室的轉(zhuǎn)速為1/12 rad/s，旋轉(zhuǎn)半徑為500 mm，其數(shù)值大小用A表示。通過(guò)速度測(cè)量?jī)x得到經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的移袋機(jī)構(gòu)在BC段同步真空裝配室的轉(zhuǎn)速，用B表示。移袋夾板運(yùn)動(dòng)軌跡如圖13所示。

圖13 優(yōu)化后的移袋夾板軌跡圖Fig.13 Optimized trajectory diagram for bag moving cleats

則其同步率的計(jì)算公式：

式中P——移袋機(jī)構(gòu)同步率，%；

A——真空裝配室轉(zhuǎn)速，rad/s；

B——移袋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速，rad/s。

貼合率用包裝袋和真空室接觸面積的百分比表示。在真空室貼上125×125 mm的透明網(wǎng)格（刻有2 500個(gè)2.5×2.5 mm的小方格），包裝袋移到真空裝配室產(chǎn)生接觸痕跡，計(jì)算出所占區(qū)域的小方格總面積C，D表示透明網(wǎng)格的總面積，則移袋夾板在移袋過(guò)程中貼合率的計(jì)算公式：

式中Q——移袋機(jī)構(gòu)貼合率，%；

C——所占區(qū)域總面積，mm2；

D——透明網(wǎng)格總面積，mm2。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，統(tǒng)計(jì)10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其優(yōu)化前后的給袋式包裝機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 移袋同步機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison of test data before and after optimization of the bag moving synchronization mechanism （單位：%）

將表1中數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件中，得到給袋式包裝機(jī)優(yōu)化前后同步率和貼合率變化趨勢(shì)對(duì)比，如圖14所示。

圖14 優(yōu)化前后同步率和貼合率變化對(duì)比Fig.14 Comparison of changes in synchronization rate and fit rate before and after optimization

優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后得到的結(jié)果更加滿足生產(chǎn)要求，優(yōu)化后的平均同步率由97.1%提高到98.5%，平均貼合率由94.4%提高到98.1%。與此同時(shí)，整機(jī)在試運(yùn)行過(guò)程中的噪音和振動(dòng)都很小，穩(wěn)定性也得到加強(qiáng)，使用壽命更長(zhǎng)，可見(jiàn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)使得其性能得到穩(wěn)步提升。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)要求，通過(guò)凸輪參數(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，并根據(jù)其運(yùn)動(dòng)曲線對(duì)移袋機(jī)構(gòu)的同步特性進(jìn)行分析，周期性表現(xiàn)明顯；然后對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明符合企業(yè)生產(chǎn)要求；最后對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的移袋機(jī)構(gòu)同步率以及貼合率都得到很大的提升，分別達(dá)到98.5%和98.1%。從而保證包裝機(jī)生產(chǎn)的可靠性，具有極大的實(shí)用性［11-14］。