包裝機(jī)移袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與模態(tài)分析

艾寶生， 夏軍勇， 陳長興， 孫 穎， 田 原

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)能夠取代手工包裝，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的包裝自動化，降低企業(yè)成本，提高生產(chǎn)效率[1-2]。操作工人只需將若干袋子放在取袋裝置上，回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)會自動完成取袋、撐袋、落料、移袋、熱封、整型輸出等工序[3-4]。移袋機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)功能實(shí)現(xiàn)的主要機(jī)構(gòu)之一，是包裝機(jī)完成自動包裝的基礎(chǔ)，需要設(shè)計(jì)出優(yōu)良的結(jié)構(gòu)才能保證目標(biāo)設(shè)計(jì)的60袋/min的包裝速度[8]。

本文從移袋機(jī)構(gòu)的工作原理出發(fā)，對一種新型移袋機(jī)構(gòu)移袋上擺臂和同步大擺臂的位移、速度運(yùn)動特性曲線進(jìn)行分析。為驗(yàn)證振動因素不會對移袋效果產(chǎn)生較大影響，對移袋結(jié)構(gòu)做了模態(tài)分析。仿真分析結(jié)果表明，移袋機(jī)構(gòu)在工作過程中不會出現(xiàn)共振，移袋效率和精度也不會受到影響。

1 移袋機(jī)構(gòu)工作原理及模型

移袋機(jī)構(gòu)主要是由移袋上擺臂、輔助連桿、同步大擺臂、移袋上拉桿、同步上拉桿、移袋旋轉(zhuǎn)臂、同步旋轉(zhuǎn)臂、移袋下拉桿、同步下拉桿、移袋凸輪擺臂、同步凸輪擺臂、移袋凸輪和同步凸輪等組成。本文的移袋機(jī)采用空間凸輪連桿組合式結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定、制造方便和適用范圍較廣等優(yōu)點(diǎn)。末端執(zhí)行器移袋夾板的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)移袋動作，可通過其軌跡的仿真來改善移袋裝置的移袋機(jī)構(gòu)。而移袋機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)移袋裝置最為核心的部件，其設(shè)計(jì)的好壞會對整個(gè)包裝機(jī)的工作性能產(chǎn)生直接影響。

回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)的工作原理是：當(dāng)真空旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤以給定的速度做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，發(fā)動機(jī)帶動移袋凸輪和同步凸輪轉(zhuǎn)動，分別帶動與之相連的擺臂；移袋凸輪擺臂和同步凸輪擺臂都實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動，將動力傳遞給同步和移袋下拉桿；兩個(gè)下拉桿分別使移袋旋轉(zhuǎn)臂和同步旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動，分別與相對應(yīng)的上拉桿連接；移袋上拉桿帶動移袋上擺臂運(yùn)動，使之能夠做往復(fù)轉(zhuǎn)動，同步上拉桿則連接同步大擺臂和輔助連桿，使同步大擺臂能同時(shí)向真空轉(zhuǎn)配轉(zhuǎn)盤以及移袋機(jī)構(gòu)做進(jìn)給運(yùn)動；同步大擺臂接有移袋夾板，其末端執(zhí)行器移袋夾板做往復(fù)擺動；當(dāng)同步大擺臂在靠近真空旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤時(shí)，給袋夾板也正好與轉(zhuǎn)盤上的工作面貼合，送出包裝袋，進(jìn)而最終實(shí)現(xiàn)包裝的工作。

移袋機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)的核心執(zhí)行部件。移袋夾板夾取機(jī)夾轉(zhuǎn)盤裝置上的包裝袋，將包裝袋夾取到做勻速轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)真空室，然后移袋夾板和旋轉(zhuǎn)真空室貼合做勻速轉(zhuǎn)動。待上述工序完成后，移袋夾板回到初始位置準(zhǔn)備下一次的移袋動作，同時(shí)，運(yùn)輸裝置將成品送至裝箱處。移袋裝置的移袋動作如圖1所示，末端執(zhí)行器移袋夾板的運(yùn)動軌跡如圖2所示。

圖1 移袋裝置移袋動作

圖2 移袋夾板的運(yùn)動軌跡

移袋夾板的運(yùn)動軌跡主要分為三個(gè)部分：AB段為移袋段，移袋夾板抓取機(jī)夾轉(zhuǎn)盤裝置上充滿物品的包裝袋，然后運(yùn)輸?shù)阶鰟蛩俎D(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)真空室；BC段為同步段，移袋夾板和旋轉(zhuǎn)真空室一起勻速運(yùn)動，保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，待包裝袋和真空室固定；CA段為回程段，包裝袋和真空室固定后，移袋夾板回到開始取袋位置，開始新一輪的循環(huán)工作。

移袋夾板在取袋的過程中可能出現(xiàn)夾持不穩(wěn)、易脫落、空袋和漏氣等問題，對后續(xù)熱封工作造成重大影響，影響包裝袋的包裝質(zhì)量。針對這些問題，對移袋機(jī)構(gòu)中的移袋凸輪、同步凸輪和空間連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到一種新型的空間凸輪組合式移袋機(jī)構(gòu)，并對其進(jìn)行運(yùn)動特性分析。本設(shè)計(jì)通過保持回程段的運(yùn)動軌跡不變，將移袋段(AB段)和同步段(BC段)的軌跡進(jìn)行改良，對移袋機(jī)構(gòu)中的凸輪輪廓曲線進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的凸輪輪廓曲線(圖3)。通過解決上述問題，提高新型給袋式包裝機(jī)在移袋過程中的同步率和貼合率。

圖3 凸輪實(shí)際外廓

根據(jù)末端執(zhí)行器的軌跡要求，采用空間凸輪連桿組合式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型的移袋同步機(jī)構(gòu)，使用UG軟件對移袋同步機(jī)構(gòu)進(jìn)行完整建模，得到的虛擬模型如圖4所示。

1-真空包裝室； 2-移袋旋轉(zhuǎn)臂； 3-同步下拉桿； 4-同步凸輪擺臂； 5-同步凸輪； 6-移袋凸輪； 7-移袋凸輪擺臂； 8-移袋下拉桿； 9-移袋上拉桿； 10-同步上拉桿； 11-同步旋轉(zhuǎn)臂； 12-同步大擺臂； 13-移袋上擺臂； 14-輔助連桿； 15-移袋旋轉(zhuǎn)氣缸； 16-移袋夾板圖4 移袋機(jī)構(gòu)三維模型

本文主要是對移袋機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和模態(tài)分析，主要的目的是：驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的移袋給袋運(yùn)動；移袋運(yùn)動實(shí)現(xiàn)之后，考察移袋過程是否滿足實(shí)際生產(chǎn)要求的同步率和貼合率，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析；驗(yàn)證設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)是否發(fā)生影響移袋裝置工作性能的共振；驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的可行性。

2 移袋機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

將模型簡化后在UG中打開，并添加相關(guān)的運(yùn)動副和約束。真空旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤一共設(shè)置12個(gè)工位，每秒鐘旋轉(zhuǎn)30°，也就是12 s剛好能夠轉(zhuǎn)一圈，故其移袋速度為60袋/min。

移袋機(jī)構(gòu)的動力由電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)后接有減速機(jī)，驅(qū)動電機(jī)選用額定轉(zhuǎn)速ne=750 r/min，實(shí)際工作轉(zhuǎn)速n=600 r/min，減速機(jī)的減速比i=1/10，則其所連的凸輪的轉(zhuǎn)速為nt=1 r/s。

對移袋機(jī)構(gòu)中移袋上擺臂和同步大擺臂位移和速度進(jìn)行分析，了解移袋夾板的加速度瞬時(shí)變化，知道移袋夾板何時(shí)發(fā)生急停，是否發(fā)生抖動影響給袋式包裝機(jī)的正常工作。根據(jù)運(yùn)動仿真得到位移曲線如圖5、圖6所示。

圖5 同步大擺臂位移曲線

圖6 移袋上擺臂位移曲線

圖5、圖6可見，移袋上擺臂和同步大擺臂的位移運(yùn)動特性曲線呈周期性變化，沒有發(fā)生突變，移袋機(jī)構(gòu)中移袋上擺臂和同步大擺臂一起做往復(fù)運(yùn)動，驅(qū)動移袋夾板實(shí)現(xiàn)移袋、同步和回程三個(gè)動作，符合預(yù)期移袋機(jī)構(gòu)做往復(fù)運(yùn)動的移袋動作。其中，曲線的周期性變化說明了在貼合率上表現(xiàn)優(yōu)異。

對移袋機(jī)構(gòu)中移袋上擺臂和同步大擺臂進(jìn)行位置分析，了解每一個(gè)構(gòu)件在工作時(shí)發(fā)生的位置變化，在安裝過程中需要預(yù)留多大的安裝空間，同時(shí)也知道移袋裝置中的構(gòu)件不會和其它構(gòu)件發(fā)生干涉，證明了移袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

對移袋機(jī)構(gòu)中移袋上擺臂和同步大擺臂進(jìn)行速度分析，了解移袋夾板的速度和位移變化。移袋夾板的工作速度也滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，工作速度過大可能導(dǎo)致生產(chǎn)安全問題，過小會影響給袋式包裝機(jī)的生產(chǎn)效率。通過運(yùn)動仿真得到的同步大擺臂和移袋上擺臂的速度運(yùn)動曲線如圖7、圖8所示。

圖7 同步大擺臂速度曲線

圖8 移袋上擺臂速度曲線

移袋上擺臂和同步大擺臂的速度運(yùn)動特性曲線變化較大，且變化時(shí)間短，說明移袋上擺臂和同步大擺臂在運(yùn)行過程中出現(xiàn)加速度突變。該突變主要是機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)摩擦和抖動問題，對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性能會產(chǎn)生一定影響。但根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求，移袋機(jī)構(gòu)中的移袋夾板完成移袋和同步動作后，移袋夾板迅速回到初始位置取袋，滿足企業(yè)的設(shè)計(jì)要求。因其振動反應(yīng)明顯，故有必要對其進(jìn)行模態(tài)分析，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的可行性。

3 移袋機(jī)構(gòu)模態(tài)分析

對移袋同步機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析可以得到該裝置振動時(shí)所對應(yīng)的固有頻率，進(jìn)行動態(tài)性能評價(jià)，使移袋機(jī)構(gòu)的工作頻率避開固有頻率，避免產(chǎn)生安全事故。

將優(yōu)化后得到的移袋機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真。運(yùn)用Workbench軟件和UG軟件對移袋機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬求解，按照下述步驟得到移袋機(jī)構(gòu)的前六階模態(tài)。

1)模型簡化：為了更好地得到移袋裝置的模態(tài)分析結(jié)果，減少計(jì)算量，在不影響最后模態(tài)結(jié)果的前提下，對優(yōu)化后的移袋機(jī)構(gòu)簡化處理。具體簡化為：a)忽略對模態(tài)結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)性倒角和圓角；b)忽略移袋機(jī)構(gòu)中微小螺紋孔和通孔；c)忽略移袋機(jī)構(gòu)中對結(jié)果影響不大的小零件、軸承和套筒等。

2)參數(shù)設(shè)置：將簡化后的移袋機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入Workbench軟件，對移袋機(jī)構(gòu)的材料屬性進(jìn)行定義。具體參數(shù)主要包括移袋機(jī)構(gòu)的材料、彈性模量、密度和泊松比，見表1。

表1 移袋同步機(jī)構(gòu)材料參數(shù)

3)添加約束：為了貼近真實(shí)工況，對移袋機(jī)構(gòu)添加相應(yīng)的約束條件，通過求解器求解，得到移袋裝置前六階固有頻率(圖9)。

圖9 移袋同步機(jī)構(gòu)前六階模態(tài)

4)結(jié)果分析。移袋機(jī)構(gòu)前六階的固有頻率分別為10.215、20.792、27.099、30.342、38.301 和44.356 Hz。當(dāng)工作頻率和固有頻率相等或者相近時(shí)，移袋機(jī)構(gòu)極有可能發(fā)生共振現(xiàn)象，移袋機(jī)構(gòu)前六階模態(tài)和振型具體情況如表2所示。

表2 移袋機(jī)構(gòu)前六階固有頻率和振型特點(diǎn)

對移袋機(jī)構(gòu)的模態(tài)結(jié)果進(jìn)行評估時(shí)，需要對移袋機(jī)構(gòu)的振源進(jìn)行分析。其主要振源來源于傳動裝置的慣性力、軸和連桿轉(zhuǎn)動的慣性力、機(jī)構(gòu)之間的沖擊力。如果固有頻率和移袋機(jī)構(gòu)的工作頻率相等時(shí)，極有可能產(chǎn)生共振，對整個(gè)移袋裝置的性能造成影響，甚至對本機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)造成破壞。本文得到移袋機(jī)構(gòu)的固有頻率集中在10～45 Hz之間，分布比較密集。因此，為了保證移袋機(jī)構(gòu)的移袋速度，移袋機(jī)構(gòu)的工作頻率應(yīng)該大于45 Hz比較合適。給袋式包裝機(jī)的技術(shù)要求選用電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為600 r/min，得到機(jī)構(gòu)的工作頻率為95 Hz左右，故機(jī)構(gòu)的工作頻率和固有頻率相差較大，不會相等，故不可能導(dǎo)致移袋機(jī)構(gòu)發(fā)生共振，不會影響移袋機(jī)構(gòu)整體的移袋效率。

4 結(jié)論

通過分析末端執(zhí)行器移袋夾板的軌跡，對凸輪輪廓曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到凸輪外廓曲線，并對移袋機(jī)構(gòu)的移袋上擺臂和同步大擺臂進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析，以確保移袋裝置的熱封效果。對機(jī)構(gòu)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，仿真分析移袋機(jī)構(gòu)的振動特性，其模態(tài)分析結(jié)果表明，移袋機(jī)構(gòu)工作頻率與固有頻率相差較大，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)良好，不會產(chǎn)生共振的情況，可行性較高，移袋效果能得到充分保障。