茶餅內(nèi)包裝機執(zhí)行機構設計及運動學仿真

李瑩+葉恬羽+何邦貴+郭蕾蕾

摘要：目的：為促進普洱茶餅內(nèi)包裝由手工包裝模式到機械化模式的轉變，設計了一種創(chuàng)新型內(nèi)包裝機的執(zhí)行機構。方法：設計采用相機光圈式折紙機構，通過光圈的收縮，穩(wěn)定地實現(xiàn)了對茶餅的包裝。采用虛擬樣機技術結合Pro/E和其Mechanism建模仿真的方法，建立精確可靠的虛擬樣機模型。結果：試驗仿真結果表明，虛擬樣機的工作行程、運動軌跡與預設一致。結論：驗證了該內(nèi)包裝執(zhí)行機構的實際可行性，為物理樣機建立提供可靠依據(jù)。

Abstract： Objective： In order to promote the change of the packaging of the Pu'er tea cake from the manual packaging mode to the mechanized model， an innovative actuator of the inner packaging machine was designed. Method： The design uses the camera aperture folding mechanism， through the shrinkage of the aperture， the tea cake can be packaged stably. A virtual and prototype model is established by using virtual prototyping technology combined with Pro / E and its Mechanism modeling and simulation. Results： The simulation results show that the working stroke and trajectory of the virtual prototype are consistent with the preset. Conclusion： The practical feasibility of the internal packaging actuator is verified， which provides a reliable basis for the establishment of physical prototype.

關鍵詞：茶餅內(nèi)包裝；光圈折紙機構；Pro/E建模；運動學仿真

Key words： tea cake inner packing；origami agencies；pro/E modeling；kinematics simulation

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）20-0108-03

0 引言

隨著茶餅日益受到人們的喜愛，其需求量也在與日俱增[1]。經(jīng)過對云南省加工生產(chǎn)普洱餅茶的企業(yè)考察后，發(fā)現(xiàn)餅茶目前整個包裝過程還是全部采用純手工操作。這樣大幅度增加了成本，且效率低。所以茶餅包裝生產(chǎn)線的機械化成為各普洱茶企業(yè)的迫切需求。而其難點則是內(nèi)包裝的生產(chǎn)線機械化[2]。本文以直徑為195cm，厚度為25mm的圓盤形茶餅為例，著重設計茶餅內(nèi)包裝的折紙機構并對其進行運動學分析。分析在輸入已知數(shù)據(jù)的情況下，執(zhí)行機構的工作行程和運動路徑能否達到預期的設計要求，從而對折紙機構設計的合理性作出判斷。

1 執(zhí)行機構結構設計

由圖1可知，執(zhí)行機構主要由六個機構組成，分別是推餅機構、上下折紙盤、折紙餅、光圈折紙機構、頂餅機構。工作過程：第一步，將餅茶放置到上折紙盤的凹槽上部，包裝棉紙放置到如圖所示的上折紙盤和下折紙盤的中間位置；第二步，推餅機構驅動推餅桿向下運動，將茶餅經(jīng)過包裝面紙推進光圈折紙機構中，完成棉紙預包裝折疊；第三步，轉動折紙柄，最終由光圈折紙機構完成折紙，實現(xiàn)完整規(guī)則的扇形包裝。以下為執(zhí)行機構模塊關鍵零部件三維實體模型的造型設計。

1.1 下折紙盤

下折紙盤是一塊扇形齒槽凸臺，沿周向均布有三十六個扇形齒槽。其中一個扇形齒槽的截面如圖2所示，齒槽的深度為20mm，均布三十六個扇形齒槽的每一個齒槽的角度為10度。扇形齒槽的槽形與凸臺外側交線是一段螺旋線。在Pro/E建模生成扇形齒槽時，先利用曲線命令中的從方程，建立扇形齒沿凸臺外側的螺旋線方程時選擇笛卡爾坐標系，如式（1）所示，凸臺的外圓半徑為200，10為一個扇形齒槽的角度，20為扇形齒槽的深度，生成一段螺旋線。然后草繪扇形齒槽的截面，利用“掃描混合”命令沿創(chuàng)建的螺旋曲線切除材料生成一個扇形齒槽。（見圖2）

x=200×cos（t×10）

y=200×sin（t×10） （1）

z=20×t+220

1.2 上折紙盤

上折紙盤是一塊與下折紙盤相對應的扇形圓盤，由氣缸驅動提供動力實現(xiàn)上下往復運動。運動到折紙位置時，為使得包裝面紙成形，上下折紙盤扇形齒間要留有一定的空隙，由此設計上折紙盤與下折紙盤齒槽錯開1度。建立上折紙盤扇形齒三維模型時，只需將下折紙盤的建模過程中的螺旋曲線的方程改動一下即可，改動后方程如式（2）所示。利用Pro/E建立的上折紙盤的三維實體模型如圖3所示。

x=200×cos（101-t×10）

y=200×sin（101-t×10）（2）

z=-20×t-15

1.3 光圈折紙機構

光圈折紙機構的設計思想來源是照相機中可調節(jié)徑向伸縮光圈，該光圈折紙機構主要由四個部分組成，分別為上蓋、折紙葉片、折紙機構下部、折紙柄。

①折紙葉片。

機構共有12片葉片，只需設計其中一片，其余相同。葉片尺寸通過作圖可知如圖4（a）所示，同時確定折紙柄的轉動角度為50度時，葉片收縮后形成的圓經(jīng)計算其直徑近似為Φ65mm，其圓直徑比封口標簽的直徑Φ60mm 大5mm。在Pro/E中建立葉片的三維實體模型如圖4（b）。

②折紙機構下部。

折紙機構下部上槽的個數(shù)為12個，與這種葉片的個數(shù)相對應，且12個上槽沿徑向均勻分布。槽的寬度為折紙葉片朝向上槽凸臺的直徑，槽的深度等于凸臺的高度，槽的長度要大于葉片運動時凸臺沿徑向的位移。利用Pro/E 建立的折紙機構下部的三維實體模型，如圖5所示。

③折紙柄。

折紙柄是折紙機構中的關鍵部分，可通過折紙柄來回擺動帶動葉片實現(xiàn)葉片的徑向伸縮。折紙柄上沿徑向均勻分布有12個通孔，葉片朝向折紙柄的凸臺的直徑等于孔的直徑，折紙柄的厚度為凸臺的高度。利用Pro/E建立的折紙柄的三維實體模型如圖6所示。

④折紙柄機構原理。

已知上述折紙葉片作圖時已經(jīng)確定的折紙柄轉動的角度為50度，才能使葉片收縮后滿足運動要求。如圖7所示，折紙柄機構運動原理采用四桿機構，折紙柄的往復擺動是由驅動桿提供動力。通過作圖分析得出結果，當驅動桿逆時針轉動52度時，折紙柄會隨即順時針擺動50度，從而達到折紙柄的運動要求。

⑤光圈折紙機構的虛擬裝配。（表1、圖8）

2 普洱餅茶內(nèi)包裝機執(zhí)行機構的運動仿真

運用Pro/E軟件中專門做運動仿真分析的模塊Mechanism對機構進行運動學研究與分析。通過在驅動軸上添加驅動電機，可以使機構達到預期的運動效果，而且在仿真運動完成后，可以通過一些仿真數(shù)據(jù)對機構進行進一步的合理性分析。

測量推餅桿和上折紙盤的位置，設置坐標系為系統(tǒng)WCS坐標系，設置分量為X分量，測量的位移曲線如圖9所示，由圖及數(shù)據(jù)分析可以得出：推餅桿在1秒內(nèi)由初始位置414.5mm下降到了174.5mm，推餅桿的工作行程為414.5-174.5=240mm；上壓盤在0.355秒內(nèi)由初始位置334.5mm處下降到了300.5mm處，上折紙盤的工作行程為334.5-300.5=34.5mm。由此得出結論，推餅桿和上折紙盤的工作運動路徑符合設計要求。由此圖還可得出，上折紙盤先到達設定折紙位置，且壓住包裝棉紙，然后茶餅才被推餅桿推入光圈折紙機構中，符合設計要求可以達到設計目的。

圖10是運動角位移曲線圖，分別表示的是驅動桿（驅動折紙柄的桿）、折紙柄、光圈折紙機構。由圖及其數(shù)據(jù)分析可得，驅動桿從1.1秒開始運動至1.5秒，初始位置由-138.2度轉動至-86.2度，角位移為-86.2-（-138.2）=52度。折紙柄跟隨驅動桿從1.1秒開始運動至1.5，初始位置由-21度轉動至29度，角位移為29-（-21）=50度。光圈折紙機構下部從1.5秒開始運動至1.9秒，初始位置由-24.3度運動20.7度，角位移為20.7-（-24.3）=45度。由此可知，運動角位移曲線圖得出的參數(shù)均與設計參數(shù)一致，機構設計合理。由圖還可知，在1.9秒到2.4秒之間，折紙柄和光圈折紙機構下部均處于靜止，此時為貼標時間。貼完標簽后，驅動桿會先驅動折紙柄返回初始位置，最后光圈折紙機構下部開始返回到初始位置。

3 結論

采用Pro/E與其Mechanism模塊建模仿真的方法分析了普洱茶餅內(nèi)包裝機的執(zhí)行機構模塊關鍵零部件的可行性，驗證了結構設計能達到預期要求，且可以看出該執(zhí)行機構在工作中較平穩(wěn)，結構較簡單。

參考文獻：

[1]江鳳瓊，梁名志，王立波.云南茶葉產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對策研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2013，41（16）：7335-7336，7339.

[2]李樹江.虛擬設計在包裝機械產(chǎn)品開發(fā)中的應[J].中國機械，2014（3）：104-105.

[3]孟令立.模塊化包裝機械的設計仿真與優(yōu)化研究[碩士學位論文].天津，天津大學，2011.

[4]高學鎖，張新.Pro/E組件建模的一種實用方法[J].科技創(chuàng)新與應用，2016，0（6）：144-145.

[5]羅光漢.基于Pro/E的斜齒齒輪副變位系數(shù)與側隙的優(yōu)化設計[J].制造業(yè)自動化，2016，38（2）：115-116.