瓶蓋機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

臺阝金華，段俊法

（華北水利水電學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450011）

瓶蓋機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

臺阝金華，段俊法

（華北水利水電學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450011）

包裝機(jī)械是包裝工業(yè)的一大門類產(chǎn)品，是集機(jī)、電、光、氣、生、磁為一體的機(jī)械電子設(shè)備，它給行業(yè)提供必要的技術(shù)設(shè)備，以完成所要求的產(chǎn)品包裝工藝過程。本文主要針對瓶蓋機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題提出自己一點(diǎn)看法，對于今后瓶蓋機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定幫助。

機(jī)械制造；瓶蓋機(jī)；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；包裝機(jī)械

1 概述

單瓶蓋機(jī)的功能是實(shí)現(xiàn)送蓋，沖裁紙片，并將其塞入瓶蓋內(nèi)。為了能完成120只/min的功能，設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)采用振動料斗理蓋、雙通道送蓋、雙刀口沖裁、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制送蓋、一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制送紙。電磁閥控制氣缸帶動活塞塞紙等設(shè)計(jì)。機(jī)械系統(tǒng)整體流程如圖1所示。瓶蓋機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)由理蓋機(jī)構(gòu)、瓶蓋傳送機(jī)構(gòu)、墊片材料傳送機(jī)構(gòu)、沖裁機(jī)構(gòu)和塞紙機(jī)構(gòu)等幾部分組成[1，2]。

圖1 系統(tǒng)加工工序流程圖

2 理蓋機(jī)構(gòu)

由振動料斗上料，定向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工是振動上料器設(shè)計(jì)與制造過程中一個(gè)非常突出和棘手的問題。尤其對于一些形狀復(fù)雜的工件，相應(yīng)的定向機(jī)構(gòu)幾乎難以用通常的視圖來表達(dá)，在實(shí)際制造與加工過程中，只能邊調(diào)整邊修磨，加工周期很長。定向機(jī)構(gòu)所起的作用，在本項(xiàng)目中來說，就是要保證瓶蓋在送入雙排軌道時(shí)，要蓋口朝上。如果瓶蓋處于其他姿態(tài)，沖裁的紙片就沒辦法塞入，而且還可能因?yàn)闄C(jī)械碰撞而產(chǎn)生嚴(yán)重的設(shè)備故障。定向常有兩種基本方法，即積極定向法和消極定向法。消極定向法的特點(diǎn)是，按照選定的定向基準(zhǔn)，采取措施讓符合要求的物件在供送滑道上始終保持穩(wěn)定運(yùn)動狀態(tài)，并設(shè)法剔除不符合要求的物件，使之集中回流。積極定向法的特點(diǎn)是，采取強(qiáng)制措施使原來不符合定向要求的物件全部改變?yōu)橐?guī)定基準(zhǔn)方向。這里采用消極定向原理。

3 瓶蓋傳送機(jī)構(gòu)

3.1 送蓋方案的比較和確定

較之國內(nèi)一些同類型的設(shè)備，本設(shè)備提高加工速度的關(guān)鍵，在于采用雙排列行進(jìn)蓋機(jī)制。也就是從振動料斗出來的瓶蓋，經(jīng)過預(yù)定軌道，到達(dá)沖裁位置時(shí)，成兩行排列，沖刀每次同時(shí)沖裁兩個(gè)墊片，然后由塞入機(jī)構(gòu)塞進(jìn)兩個(gè)瓶蓋。軌道設(shè)計(jì)如圖2所示。這樣，較之單行加工方式，其他條件等同的情況下，生產(chǎn)速度提高一倍。同理，如果采用三行進(jìn)蓋甚至四行進(jìn)蓋，加工速度會更快。但是盲目的增加行數(shù)也會出現(xiàn)難以解決的問題。

振動料斗位置較高，瓶蓋經(jīng)過振動上料器的整理，進(jìn)入沖裁軌道時(shí)都是開口向上并排成兩行到達(dá)沖裁位置。由于采用金屬軌道，瓶蓋質(zhì)量較小，蓋面和軌道之間摩擦力很小，因此，驅(qū)動瓶蓋到達(dá)沖裁位置，僅僅依賴瓶蓋受重力作用是不夠的，還涉及到一個(gè)瓶蓋定位問題。如前所述，瓶蓋到達(dá)沖裁位置必須排列整齊，正對沖刀，所以本設(shè)備在沖裁位置之前需安裝卡輪。

考慮到控制的要求，驅(qū)動采用兩個(gè)品牌型號完全相同的步進(jìn)電機(jī)。其中一個(gè)齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)則逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。每旋轉(zhuǎn)90°的圓心角，送蓋機(jī)構(gòu)就向前推了一排（2個(gè)）瓶蓋。旋轉(zhuǎn)一整周，將有4排（8個(gè)）瓶蓋經(jīng)過特型齒輪，往前推進(jìn)，周而復(fù)始。該機(jī)構(gòu)不但能給瓶蓋前進(jìn)以足夠的推力，而且能保證瓶蓋在進(jìn)入沖裁位置時(shí)排列整齊，起到定位功能。

3.2 送紙與送蓋互相配合的方案比較和確定

為了保證墊片紙條更充分的利用，送蓋和送紙的方向不能在一條直線上，而應(yīng)該保持一定的角度，如圖2所示。當(dāng)采用a和b的排列方式時(shí)，鋁箔墊片和蓋列方向完全一致，其墊片材料利用率分別為78.5%和72.35%。但是，無間隙排列時(shí)，刀具難以實(shí)現(xiàn)，所以a只是一種理想狀況，必須像圖b那樣留有間隙。當(dāng)采用c和d的排列方式時(shí)，鋁箔墊片和蓋列夾角120°，其墊片材料利用率分別為84.13%和77.98%。同理，c也只是一種理想狀況，難以實(shí)現(xiàn)。但是比較d和b，采用d方式時(shí)，墊片材料利用率比b狀況下提高了5.63%。作為一種生產(chǎn)效率較高，產(chǎn)量較大的加工機(jī)械來說，原材料的節(jié)省能有效的降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，本設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，鋁箔紙墊片和蓋列要設(shè)計(jì)成d方式，即夾角120°。

3.3 送蓋機(jī)構(gòu)的力學(xué)估算及控制電機(jī)選擇

步進(jìn)電機(jī)必須為卡輪提供足夠的轉(zhuǎn)矩以做到：

①克服卡住瓶蓋和軌道的摩擦力；

②克服卡輪本身的轉(zhuǎn)動慣量；

③保證送蓋機(jī)構(gòu)能推動瓶蓋在軌道上前進(jìn)。

卡輪送蓋過程中，瓶蓋和金屬材質(zhì)軌道底、軌道壁產(chǎn)生一定摩擦阻力，但因瓶蓋質(zhì)量很輕（12g），這一摩擦力可以忽略不計(jì)；卡輪材料為聚四氟乙烯，質(zhì)量較小（約26g），本身轉(zhuǎn)動慣量很小；瓶蓋在送到卡輪位置之前，傾斜的軌道能給瓶蓋下滑提供動力。在卡輪位置之后的軌道很短（大約3～4個(gè)瓶蓋直徑的長度），雖然瓶蓋列完全依賴卡輪的撥動才能前進(jìn)，但是瓶蓋列和軌道底的摩擦阻力非常小，卡輪工作扭矩實(shí)在太小，不可能超過軸的材料承受范圍，因此，無需對卡輪的傳動軸進(jìn)行校核。這里直接選用了42BYGH250A四相步進(jìn)電機(jī)。

4 傳送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制電機(jī)選擇

本設(shè)備所用的墊片材料，是單面鍍金屬膜的紙條，有一定厚度和硬度。初始狀態(tài)是卷在軸筒上，就如同日常生活所用的卷筒紙。在紙條到達(dá)沖裁機(jī)構(gòu)時(shí)，事先要拉直攤平，再傳送到排列好的瓶蓋正上方。考慮到?jīng)_裁落料之后，紙條中間會有規(guī)則排列的圓形孔洞，如果在沖裁機(jī)構(gòu)后面用拉的方式送紙，可能會因?yàn)槭芰c(diǎn)過小而將紙條拉斷。所以本課題擬在沖裁機(jī)構(gòu)之前，用兩個(gè)圓形滾筒來送紙。主動滾筒由步進(jìn)電機(jī)拖動。

根據(jù)滾筒的直徑尺寸、加工速率、待加工瓶蓋的直徑等參數(shù)，可以計(jì)算出帶動滾筒的電機(jī)額定速度。根據(jù)紙片的厚度和硬度，調(diào)整兩個(gè)滾筒之間的距離。通過試驗(yàn)，可以測得帶動滾筒送紙所需要的轉(zhuǎn)矩。以摩擦力30N，主動軸直徑15mm計(jì)，則步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須不小于225Nmm。根據(jù)上述參數(shù)要求，送紙滾筒選用57BYG007.4四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。

5 沖裁機(jī)構(gòu)

5.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和偏心輪機(jī)構(gòu)（圖3）

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是由鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)演化而來。當(dāng)機(jī)架和搖桿的長度同時(shí)無限增長，鉸鏈D無限延移時(shí)，這時(shí)桿上C點(diǎn)的運(yùn)動軌跡由圖中弧線變?yōu)橹本€，桿的運(yùn)動變?yōu)橐苿樱诉\(yùn)動可用與桿固聯(lián)的滑塊及機(jī)架固聯(lián)的導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn)，就演化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)為含有一個(gè)移動副的四桿機(jī)構(gòu)，若不考慮哪個(gè)桿作機(jī)架，就是含有一個(gè)移動副的構(gòu)件系統(tǒng)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中滑塊C點(diǎn)的運(yùn)動軌跡稱為導(dǎo)路，C點(diǎn)在兩個(gè)極限位置之間的距離稱為行程，用H表示，如果導(dǎo)路通過曲柄回轉(zhuǎn)中心，稱為對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。如果導(dǎo)路不通過曲柄的回轉(zhuǎn)中心，成為偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[3，4]。

圖2 箔墊片材料利用率計(jì)算示意圖

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

當(dāng)行程H很小時(shí)，曲柄很短，受力又很大，此時(shí)可將轉(zhuǎn)動副B的尺寸擴(kuò)大到超過曲柄長度，則曲柄AB就演化成幾何中心B不與轉(zhuǎn)動中心A重合的圓盤，稱為偏心輪。當(dāng)曲柄長度很小時(shí)，通常都把曲柄做成偏心輪，這樣不僅增大了軸頸的尺寸，提高偏心軸的強(qiáng)度和剛度，而且當(dāng)軸頸位于中部時(shí)，還可以安裝整體式連桿，使結(jié)構(gòu)簡化。偏心輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，其軸頸的強(qiáng)度和剛度大，廣泛用于曲柄長度要求較短、沖擊較強(qiáng)和體積較大的機(jī)械設(shè)備中。

5.2 沖裁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)備所用的墊片材料，是單面鍍金屬膜的紙條，有一定的厚度及硬度。所以本機(jī)構(gòu)擬采用由交流伺服電機(jī)帶動驅(qū)動軸，直接利用一個(gè)偏心軸，接上沖壓模具的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行紙片的沖壓。這種機(jī)構(gòu)相對于利用液壓缸或其他機(jī)構(gòu)，省去了中間的轉(zhuǎn)換和控制部分，具有機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、磨損小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)[4]。

設(shè)備沖裁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由動力源驅(qū)動主動軸旋轉(zhuǎn)，帶動偏心輪，通過傳動板，帶動沖頭支架在導(dǎo)軌內(nèi)上下滑動。沖頭支架以及沖刀，相當(dāng)于滑塊，傳動板相當(dāng)于曲柄，而主動軸圓心即為傳動中心A。沖裁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)械理論依據(jù)就是由曲柄滑塊演變的偏心輪機(jī)構(gòu)。

6 壓入機(jī)構(gòu)

沖刀裁好的紙片只是落在開口朝上的瓶蓋內(nèi)。而由于紙片質(zhì)量很小，一般狀況是下部是輕輕卡在瓶蓋內(nèi)側(cè)螺紋之間；即便落到蓋底，也沒有嵌入蓋底的一圈專用卡紙螺紋內(nèi)，所以一旦瓶蓋翻轉(zhuǎn)，紙片極易從蓋內(nèi)重新掉落出來。合格的加工必須要將裁減下來的圓形紙片穩(wěn)固的鑲嵌進(jìn)卡紙螺紋，并保證瓶蓋翻轉(zhuǎn)時(shí)，不會脫落。

這里壓入紙片，是由氣動電磁閥控制氣缸，帶動兩個(gè)與瓶蓋內(nèi)徑差不多大小的圓形塑料沖頭。塞紙裝置在沖裁位置之后，跟沖刀同步動作，沖裁和塞入相繼兩步完成。系統(tǒng)中配置有電磁閥控制氣缸，由單片機(jī)總體控制，達(dá)到與其他部件同步協(xié)調(diào)。

7 結(jié)語

瓶蓋墊片沖塞機(jī)是包裝機(jī)械的一大門類產(chǎn)品，其控制方法直接影響到該設(shè)備的生產(chǎn)速度。本文主要討論了瓶蓋機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)思路，對于進(jìn)一步研究包裝機(jī)械設(shè)計(jì)具有一定的幫助和參考價(jià)值。

[1] 張寶珍，樊軍慶.啤酒瓶自動啟蓋機(jī)設(shè)計(jì)[J].食品與機(jī)械，2008，（2）.

[2] 嚴(yán)書華.一種通用瓶蓋理蓋器與旋蓋機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2007，（4）.

[3] 靳 嵐，謝黎明，沈 浩.基于Matlab的偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性仿真研究[J].中國制造業(yè)信息化，2008，（23）.

[4] 張祖芳，仲太生，許 超.開式壓力機(jī)機(jī)身輕量化設(shè)計(jì)研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2003，38（3）：26-28.

[5] 年四甜.按最佳傳動角設(shè)計(jì)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2008,（12）.

[6] 李玉萍.提高擠壓模具使用壽命的措施[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005，40（6）：74-76.

Analysis on key technology in design of mechanical system for bottle cap machine

TAI Jinhua，DUAN Junfa
（School of Mechanical Engineering，North China University of Water Conservancy and Electric Power，Zhengzhou 450011，Henan China）

The solution on design of the mechanical system for the bottle cap machine has been put forward in the text，which provides reference to the design of the mechanical system of bottle cap machine in the future.

Packaging machinery；Bottle cap machine；Organization design

TH122

B

1672－0121（2011）06－0070－03

2011-09-05

臺阝金華（1973-），女，碩士，講師，從事機(jī)電控制技術(shù)的教學(xué)與研究