包裝機供料裝置的改進與曲槽槽輪機構設計

劉亞麗 張 俊 楊曉平 解邦銀

(1. 湖北文理學院機械工程學院, 湖北 襄陽 441053；2. 襄陽逸順機電科技有限公司,湖北 襄陽 441000)

在食品、醫藥、化工等行業中有大量的粉料物品需進行小袋全自動包裝，而包裝機的供料裝置用于將待包裝的粉料物品從料堆中定量分離，并按全自動包裝機設定的時間節拍快速、平穩地輸送到卸料位置處放料[1]。目前廣泛使用的供料裝置為可調量杯式計量裝置，其計量準確，能對計量容積進行調節以滿足不同包裝規格的需求[2]。但現有供料裝置的轉盤均為勻速旋轉，包裝速度為中、低速，提高轉速后存在卸料不完全和撒料的問題，主要是因為提高轉速后，卸料時間變短，同時粉料的離心力增加后易在料門打開時產生飛濺。

試驗擬將曲線槽槽輪機構應用于粉料包裝機的供料裝置中，實現供料轉盤的周期性變速旋轉，即卸料區轉盤低速旋轉而非卸料區轉盤高速旋轉，旨在為保證穩定供料的前提下極大地提高轉盤的平均轉速，實現高速自動包裝。

1 供料裝置的工作原理和改進

全自動小型包裝機中通常采用容積方式進行計量，其中可調量杯式計量的供料裝置應用較為廣泛，其結構示意圖如圖1所示，主要由裝填計量部件和容積調節機構兩部分組成，包括料斗、轉盤、刮料器、量杯和蝸輪蝸桿機構等[3]。

1.1 可調量杯式供料裝置結構及工作原理

6套圓筒形狀的定量杯13和可調量杯14分別安裝在轉盤9和量杯座8上并形成一個整體，通過連接盤12與主軸2連接，主軸2通過軸承安裝在固定座3上；蝸輪6通過軸承空套在主軸2上，蝸輪6與量杯調節座7之間通過螺紋副連接。當需要容積調節時，裝置不工作，主軸2以及與其連接的轉盤9和定量杯13靜止不動，通過旋轉與蝸桿5相連接的手柄驅動蝸輪6旋轉，因受到立桿17的限制，量杯調節座7不能旋轉，則在螺紋副作用下向上或向下移動，從而帶動量杯座8和可調量杯14上升或下降，使量杯組的容積增大或減小，實現容量調節。當供料裝置工作時，量杯調節座7及蝸輪蝸桿機構固定不動，轉盤9經由齒輪傳動、槽輪機構1和主軸2驅動，帶動量杯組一起旋轉，量杯座8下部安裝的料門15封住可調量杯14的底面，并通過安裝在卸料口處的撥桿16完成料門15的打開和關閉。轉盤9旋轉時，粉料靠自重裝填至量杯組內，并被固定不動的刮料器10刮平。

1. 槽輪機構 2. 主軸 3. 固定座 4. 機架 5. 蝸桿 6. 蝸輪 7. 量杯調節座 8. 量杯座 9. 轉盤 10. 刮料器 11. 料斗 12. 連接盤 13. 定量杯 14. 可調量杯 15. 料門 16. 撥桿 17. 立桿

1.2 裝置改進

原裝置均布有6組量杯，其動力分配是從分配軸上通過兩對傳動比分別為3和2的兩級齒輪進行傳動，保證分配軸每轉1周，供料裝置卸料1次，熱封機構完成1次封裝[3]。為實現供料裝置變速供料，采用3撥銷6槽槽輪機構取代傳動比為2的一對齒輪機構，3撥銷6槽槽輪機構可以實現變速、連續運轉，撥銷盤每轉1周則槽輪轉1/2周，能滿足裝置時間節拍的需求，也能保證包裝機的整個結構不被改變，按對應的中心距來設計槽輪機構即可。

2 勻速供料時卸料時間的計算

可調量杯式供料裝置的卸料過程如圖2所示，A、B處是內徑為r1的量杯，O′處是內徑為r2的卸料口，R為量杯的分布圓半徑。當轉盤9逆時針旋轉時，量杯從B處開始卸料，旋轉2θ后到達B′處時卸料完畢，2θ稱為單量杯的卸料角，量杯掃過圓弧BO′B′所需的時間即單量杯的卸料時間。

圖2 粉料卸料過程示意圖

實際上，r2略大于r1，為了計算方便，取r2近似等于r1，則：

(1)

設供料裝置上分布有n組量杯，包裝機的最大包裝速度為m袋/min，則單量杯掃過一個卸料角2θ(rad)所需的時間(s)為：

(2)

3 曲槽槽輪機構設計

3.1 運動參數

直槽槽輪機構由于在撥銷進出槽口時加速度不連續而導致柔性沖擊，不適合于高速運動[4]，因此設計了曲槽槽輪機構，使槽輪的角速度和角加速度在整個運動過程中連續變化，其運動關系如圖3 所示。當主動撥銷盤繞O1順時針旋轉時，槽輪繞O2按事先選取的凸輪從動件運動規律順時針旋轉，前半程加速段，撥銷與曲槽的Ⅰ—Ⅱ段側面接觸，驅動槽輪旋轉；后半程減速段，撥銷與曲槽的Ⅱ—Ⅲ段側面接觸，阻止槽輪旋轉。為保證角加速度在槽底部換向，避免橫向沖擊的發生，需選取具有對稱性的運動規律，如正弦、修正正弦、對稱梯形等[5]。

設撥銷盤與槽輪的中心距為a，槽輪的分度角為2Φ，槽輪的槽數應與供料裝置上量杯的分布組數n一致，則：

Φ=π/n，

(3)

L=a×sinΦ，

(4)

(5)

式中：

r0——撥銷半徑，mm；

L——撥銷回轉半徑，mm；

Rc——槽輪外徑，mm。

若槽輪無停留地周期性運動，可在撥銷盤上均勻分布多個撥銷，在前一個撥銷剛脫離槽輪時，后一個撥銷進入槽輪，而符合這個條件的槽輪槽數只能為3、4、6槽，實際工作中一般選擇6槽槽輪機構，其對應的撥銷數為3。

圖3 槽輪機構的運動關系示意圖

3.2 變速供料時卸料時間的計算

當供料裝置的轉盤按事先選取的運動規律做變速運動時，為保證卸料充分，卸料口位于撥銷進出曲槽槽輪槽口的時刻，應是槽輪周期性變速運動前一周期的終止端和后一周期的起始端，其運動速度較低，掃過卸料角2θ的時間較長，有利于卸料。

在槽輪的一個分度周期2Ф中，掃過半卸料角θ的無因次角位移為Sθ，則：

(6)

根據所選取的無因次運動規律S=S(T)，利用數值計算方法或Excel公式功能，可以方便地求解出無因次角位移為Sθ所對應的無因次時間Tθ，即：

S(Tθ)=Sθ。

(7)

假設變速供料時的最大包裝速度為m′袋/min，則單量杯掃過一個卸料角2θ(rad)所需的時間(s)為：

(8)

(9)

3.3 槽輪輪廓曲線的生成

根據作圖法設計凸輪輪廓曲線的反轉法原理，現假想整個槽輪機構以-ω2的角速度反轉，如圖4所示，槽輪將相對靜止不動，撥銷盤繞其回轉中心以角速度ω1勻速自轉，又隨機架O2O1繞槽輪回轉中心O2以角速度ω2公轉，ω2的大小由所選定的運動規律決定，O2O1’C’為任一位置，在這種復合運動過程中，撥銷中心C的運動軌跡即為槽輪的理論廓線，而撥銷圓族的包絡線形成了實際廓線，也是距離理論廓線為r0的等距線[6-7]。

圖4 槽輪曲線的反轉法生成原理

3.4 供料裝置參數化三維模型的建立

參數化設計有利于提高產品的設計效率，其在建立三維模型過程中對零件幾何參數和結構參數添加不同的方程式，施以各種合理的約束，通過修改這些參數的具體數值，自動更新并生成新的三維模型，實現模型的尺寸驅動[7-8]。以包裝機中槽輪為例進行建模：

(1) 確定零件的主參數：一般將零件的設計參數、重要結構尺寸確定為主參數，如槽輪的中心距、槽數、運動規律類型、撥銷直徑等。在Pro/E軟件中點選“工具→參數”下拉菜單項，設置各主參數名稱、類型和初始值，在“工具→關系”下拉菜單項建立各參數之間的關系式。

(2) 建立反轉法裝配模型：使用主參數建立的槽輪機構各零件模型，其中槽輪為無槽的坯體，并按反轉法原理的裝配順序建立裝配模型[9]，添加約束類型和條件。

(3) 繪制槽輪的理論廓線：在“應用程序→機構”模塊，定義撥盤電機的速度表達式為120、機架電機的位置表達式為60×[t-0.5×sin(360×t)/pi]，其中t為系統變量，其值從0到1變化。對機構進行運動仿真后，點取“插入→軌跡曲線”菜單項，在槽輪零件中繪制撥銷中心點的軌跡曲線，即槽輪的理論廓線[10]。

(4) 陣列槽輪曲槽創建：對槽輪坯體編輯，利用偏距功能，將偏距設為撥銷半徑，可切除得到槽輪的一個曲槽，使用軸陣列創建各個曲槽，周向陣列個數為槽輪槽數。

(5) 虛擬裝配：完成各零件的參數化模型后，在部件級建立各零件間相對位置的關系式和裝配約束類型，可實現裝配組件的同步更新，供料裝置的虛擬裝配模型如圖5所示。

4 實例應用

針對某公司使用的DXDK40II型自動包裝機存在的撒料問題，對其中的10臺包裝機實施改進設計。由該機的銘牌可知，其主要技術參數為總功率1.4 kW，包裝速度50～100袋/min，計量范圍5～40 mL。

4.1 改進方案

通過對DXDK40II型包裝機進行實測，測得供料裝置結構參數為量杯內徑r1=15 mm，組量杯n=6，量杯分布圓半徑R=100 mm；傳動系統為二級減速齒輪機構，一級齒輪的模數1.5，齒數分別為75，25，二級齒輪的模數為2.5，齒數分別為26，52。

圖5 供料裝置的三維模型

經計算可得：一級齒輪機構的中心距為75 mm、傳動比為3；二級齒輪機構的中心距為100 mm、傳動比為2。為保證供料裝置原有的時間節拍和結構尺寸，改進后的方案保留原有一級齒輪機構，將二級齒輪機構改成具有6槽3撥銷的曲槽槽輪機構，槽輪機構的中心距保持為100 mm，撥銷半徑取r0=6 mm，由式(5)得槽輪外徑Rc=86.81 mm，撥銷回轉半徑L=50 mm，撥銷盤直接使用一級齒輪機構中的大齒輪，在其上加工3個Φ10 mm的均布孔、安裝3個Φ12 mm的臺階撥銷軸，改進后供料裝置的傳動系統三維模型如圖6所示。

4.2 卸料時間和包裝速度的對比

由式(1)、(2)可知，半卸料角θ=0.301 rad，按最大包裝速度(100袋/min)進行勻速供料時，單量杯的卸料時間tθ=0.345 s。

圖6 改進后的傳動系統三維模型

4.3 應用效果

通過試驗改進，解決了包裝機在包裝速度達到75袋/min后開始出現卸料不完全和撒料的問題，避免了橫縫不牢靠，包裝速度提高至90袋/min時仍運行良好。改進后包裝速度為90袋/min時的單量杯卸料時間為0.52 s、卸料區轉盤的平均轉速為1.16 rad/s,而改進前包裝速度為75袋/min時的單量杯卸料時間為0.46 s、卸料區轉盤轉速為1.31 rad/s，各運動參數均得到了改善。

5 結論

(1) 將曲槽槽輪機構應用于自動包裝機中，實現了變速供料，即卸料區域低速運行、非卸料區域高速運行，可以有效減少物料在卸料過程中造成的飛濺，為卸料提供了充裕的時間。

(2) 在保證勻速供料和變速供料具有相同卸料時間的條件下，變速供料的最大包裝速度比勻速供料時提高了35.6%，因此曲槽槽輪機構適用于高速包裝場所。

(3) 利用Pro/E軟件參數化設計功能，在各零部件間建立了結構尺寸關系式和約束關系式，實現了包裝機的自動化和系列化設計，有利于產品更新換代，提高了產品設計效率與質量。

(4) 試驗設計的曲槽槽輪機構是為了實現連續變速旋轉，只適用于3、4、6分度供料裝置。