多工位回轉式灌裝飲料包裝旋蓋機設計

楊 靜 陳彩霞 羅哲輝 劉偕有

(1. 華南理工大學設計學院，廣東 廣州 510006；2. 華南農業大學藝術學院，廣東 廣州 510642；3. 廣州拓普特輕工機械有限公司，廣東 廣州 511300)

隨著經濟發展，中國液體灌裝產品市場逐步擴大，對液體灌裝產品的包裝質量也提出了更高要求，其主要生產設備也逐漸趨向于智能化、自動化、標準化和結構高精度化[1-2]。液體灌裝產品的生產過程通常分為洗瓶、灌裝和旋蓋3部分，通過旋轉的芯輪組件連接組合成一臺整機，形成完整的生產線。

完成旋蓋工作的旋蓋機目前有兩種形式：直線式和回轉式。崔巖等[3]設計了一種適合頻繁更換桶形的直線式旋蓋機，可快速更換旋蓋頭，但直線式旋蓋機為單通道工作，生產效率低、占地面積大，且難以與目前被廣泛應用的回轉式灌裝機相配合[4-5]。孫秀延等[6]設計了一款12頭全自動回轉式旋蓋機，生產效率可達80～100瓶/min，相比直線式旋蓋機，其生產效率明顯提高、結構更加緊湊、整體占用空間更小，但未對回轉式旋蓋機的重要結構凸輪進行設計和優化。凸輪曲線設計不平滑會導致旋蓋機高速運行時沖擊大、噪音大且磨損嚴重。吳佳等[7]發現五次多項式擬合凸輪曲線是回轉式旋蓋機凸輪曲線的最優設計方法。在此基礎上，試驗擬完善回轉式旋蓋機的整體結構，設計一款可實現14個工位同時高速旋蓋的回轉式旋蓋機，旨在為高速、高效回轉式旋蓋機的整體設計提供依據。

1 多工位回轉式旋蓋機整體設計

1.1 整體布局

多工位回轉式旋蓋機與洗瓶、灌裝設備相連。其工藝流程為供瓶→供蓋→旋蓋→輸出。整體機構包括電機1、減速器2、旋蓋執行機構4、供蓋機構5以及輸送機構，輸送機構包括輸送鏈3和撥盤6(見圖1)。理蓋器通過離心旋轉，將蓋子以同一朝向沿蓋槽輸出[8]。輸送機構貫穿整個生產線，灌裝好后由撥盤送入旋蓋執行機構，旋蓋完成后由撥盤送至輸送鏈輸出。

1.2 旋蓋執行機構

旋蓋執行機構為多工位回轉式旋蓋機，相比于傳統直線式旋蓋機，效率更高。旋蓋執行機構裝配圖如圖2所示，主要包括傳動齒輪1、軸承14、轉動座15、固定齒輪17、齒輪軸套24、圓柱凸輪20、旋蓋頭25等。旋蓋過程中，旋蓋頭繞軸作自轉及公轉運動，并上下運動。旋蓋頭的自轉及公轉運動通過行星輪系實現，行星輪系由軸承14、轉動座15、齒輪軸套24等組成。旋蓋頭與齒輪軸套及軸承配合，齒輪軸套兩端各有一個軸承，并固定于轉動座上，齒輪軸套與固定齒輪嚙合，故轉動座轉動時，固定齒輪不動，齒輪軸套隨轉動座作公轉及自轉運動。旋蓋頭通過導向平鍵使傳動軸與齒輪軸套配合，隨齒輪軸套作公轉與自轉運動。旋蓋頭的上下運動需通過旋蓋傳動組件按照圓柱凸輪軌道實現上升下降，旋蓋頭公轉運動時，頂部凸輪固定不動，旋蓋傳動組件上有一軸承在凸輪軌道上運動，隨旋蓋頭公轉時帶動旋蓋頭按凸輪軌道上升下降。旋蓋執行機構部分3D示意圖如圖3所示。

旋蓋頭(圖4)由O型密封圈3、壓蓋頭6、鋼珠7、磁耦合離合器9等組成。旋蓋頭完成抓蓋動作依靠壓蓋頭實現，壓蓋頭通過內壁的齒與蓋子外側的槽卡住，壓蓋頭上有6顆鋼珠，通過O型密封圈對鋼珠施加壓力，以此抓緊瓶蓋。影響旋蓋松緊程度的離合器采用磁耦合離合器，其由上、下兩個圓盤組成，每個圓盤上各有18個小磁鐵，上圓盤與旋蓋體連接，下圓盤與封蓋連接，兩者之間形成間隙，并且可以通過調節封蓋高度改變間隙大小[9]。上、下圓盤存在磁力線聯系，旋蓋體隨旋蓋頭轉動時，帶動上圓盤旋轉，通過磁力線聯系使下圓盤一起轉動，以此傳遞力矩。通過調整兩個圓盤間隙，使離合器兩部分形成相同的最大力矩。瓶蓋旋緊后，旋緊的力矩超過離合器最大力矩，離合器上、下圓盤因此打滑，既保證了瓶蓋的緊度，又不損壞瓶與瓶蓋[10]。

1. 電機 2. 減速器 3. 輸送鏈 4. 旋蓋執行機構 5. 供蓋機構 6. 撥盤

1.3 參數設計

設計旋蓋機旋蓋頭數為14，即14個工位，這些工位具有連續性及互不干擾性，可同時工作。其他參數設計如表1所示，旋蓋頭部件及行星輪系可按不同的容器和瓶蓋進行更換。

2 凸輪曲線

凸輪是一種能使從動件完成復雜運動規律的機械傳動形式。旋蓋執行機構是旋蓋機的核心機構，而圓柱凸輪是決定旋蓋頭完成上下和旋轉運動的重要結構，只有確定最優的凸輪曲線，才能減少旋蓋機運行過程中的震動、沖擊[11]，使旋蓋機持續高速平穩運行。

1. 傳動齒輪 2. 止動螺母 3. 擋板 4. 底座擋水條 5. 下圍板 6. 支承座 7. 托瓶轉軸蓋板 8. 壓環 9. 卡瓶板托盤 10. 卡瓶板 11. 旋蓋護瓶支桿螺母 12. 旋蓋護瓶板支柱Ⅰ 13. 固定軸 14. 軸承 15. 轉動座 16. 支撐座 17. 固定齒輪 18. 齒輪套 19. 平健 20. 圓柱凸輪 21. 圍板 22. 頂板架 23. 旋蓋傳動 24. 齒輪軸套 25. 旋蓋頭 26. 旋蓋護瓶板支柱Ⅱ 27. 星輪固定桿 28. 定位環 29. 墊環 30. 出瓶輸送鏈前端支架 31. 托瓶轉軸

1. 固定齒輪 2. 軸承 3. 圓柱凸輪 4. 轉動座 5. 齒輪軸套 6. 旋蓋頭

1. 蓋殼 2. 滑套 3. O型密封圈 4. 封蓋 5. 壓蓋頭殼 6. 壓蓋頭 7. 鋼珠 8. 壓平墊 9. 磁耦合離合器 10. 雙列角接觸球軸承 11. 軸承軸 12. 旋蓋主體 13. 推出軸

表1 旋蓋機主要設計參數

圓柱凸輪側面的軌道是供旋蓋傳動運行和控制旋蓋傳動另一頭連接的旋蓋頭實現上下運動的。分蓋盤將瓶蓋輸入旋蓋機前，旋蓋頭需要有一個避讓分蓋盤的高位，旋蓋頭與分蓋盤上瓶蓋輸入位置重合前，旋蓋頭開始下降準備抓蓋，此段是下坡；旋蓋頭與瓶蓋輸入位置重合時，旋蓋頭處于最低位，完成抓蓋，而后開始提升一小段避開分蓋盤以及避免撞到下一工位輸入的瓶子，瓶子通過進瓶芯輪輸入后，旋蓋頭開始慢慢下降，在確保旋蓋頭與瓶子位置重合時下降至最低位，旋蓋頭內部的彈簧持續施加壓力以壓住瓶口，并通過自轉旋蓋，旋蓋結束后，旋蓋頭將再次上升至避讓分蓋盤高位，而后開始下一個工作循環。

通過上述運動過程分析將旋蓋頭的工作循環分為：抓蓋前空位→下坡抓蓋區→抓蓋區→旋蓋前空位→下坡旋蓋區→旋蓋區→爬坡區。

2.1 凸輪曲線初步設計

設定旋蓋頭避讓分蓋盤上升至最高點需上升58 mm，下坡抓蓋下降19 mm，抓蓋區短暫上升2 mm，下坡旋蓋下降41 mm，分別取8個分區所對應的轉角分別為θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7，設定滾子的回旋直徑D為393 mm。為保證機構平穩運行，通常規定凸輪機構壓力角α不允許大于許用壓力角[α]，而[α]要遠小于使凸輪機構發生自鎖的臨界壓力角αc[12]。

凸輪機構中爬坡區最易發生自鎖，因此取爬坡區過程中的壓力角α7=30°，則：

(1)

則θ7=29.307°；

即θ7取值最小為29.307°，此處取50°，則有：

抓蓋前空位區，旋蓋頭不作上下運動，取θ1=20°，則：

下坡抓蓋區，旋蓋頭作下降運動，下降H2=19 mm，取θ2=40°，則：

抓蓋區，旋蓋機抓住蓋后會作一個短暫的上升運動，上升H3=2 mm，取θ3=5°，則

旋蓋前空位區，旋蓋頭不作上下運動，取θ4=75°，則：

下坡旋蓋區，旋蓋頭作下降運動，下降H5=41 mm，取θ5=40°，則：

旋蓋區轉角θ6=360°-50°-25°-40°-5°-75°-40°=125°，則：

式中：

L1～L7——旋蓋頭各階段的水平移動距離，mm；

H1～H7——旋蓋頭各階段的垂直移動距離，mm。

綜上可得出旋蓋機凸輪曲線的運動規律，并根據此運動規律繪制凸輪曲線如圖5所示。

圖5 凸輪曲線

2.2 凸輪曲線擬合

通過2.1計算得出的凸輪曲線只是將旋蓋機旋蓋運動過程中的關鍵點用直線連接起來，若在關鍵點連接處直接倒角，則會導致旋蓋機高速運轉時存在柔性沖擊，旋蓋機存在噪音大、磨損大、工作效率降低等問題[13]。為提高凸輪曲線的穩定性，減小沖擊，對凸輪曲線進行擬合[14]。根據從動件常用運動規律特性比較，采用五次多項式擬合的凸輪曲線加速度未出現突變，因此選擇五次多項式對凸輪曲線進行優化[15]。凸輪從動件的五次多項式運動規律表達式為：

(2)

設定從動件在運動起始處θ=0，S=0，V=0，A=0；運動終點處θ=θ0，S=h，V=0，A=0，代入式(2)得五次多項式的位移方程式：

(3)

將7個運動分區的轉角θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7，以及推程和回程高度代入式(3)得：

S=

(4)

最終得到擬合優化后的圓柱凸輪曲線，并在SolidWork中建立圓柱凸輪的三維實體模型(見圖6)。

3 實驗驗證

3.1 生產能力測試

記錄旋蓋機一個月的工作情況，統計得到其生產能力約為14 000瓶/h，將其與普通直線式和回轉式旋蓋機生產能力進行對比，結果見圖7。由圖7可知，相較于普通直線式旋蓋機和回轉式旋蓋機，14頭多工位旋蓋機生產效率分別提高了23.33%，11.67%。

3.2 噪聲測試

當凸輪曲線不規則時，從動件速度和加速度會出現突變，從動件與凸輪機構之間會存在較強的振動和沖擊，從而引起噪聲。因此可通過測試旋蓋機實際運行過程中的噪聲強度，分析凸輪機構的穩定性[16]。

由表2可知，擬合后的凸輪機構產生的噪聲比擬合前的小6～9 dB，且均在85 dB以下，說明五次多項式擬合后的凸輪機構設計，從動件運動產生的振動沖擊更小，運行更加穩定，符合設計要求。

圖6 圓柱凸輪

圖7 旋蓋機生產能力對比圖

表2 噪聲實測對比

4 結論

設計了一款14頭多工位回轉式旋蓋機，其生產能力可達14 000瓶/h，提高了旋蓋機的生產效率；采用五次多項式擬合法對凸輪輪廓曲線進行優化，減小了旋蓋機運行過程中的噪聲和沖擊。但設計上仍有不足之處，例如需人工更換旋蓋頭等零件才可適用其他瓶型的生產，快速調節、更換相應機構以適用多種瓶型是未來改進方向。