基于SolidWorks的包裝機(jī)供料系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)

劉海生，王宏達(dá)，李 菡，解邦銀

（1.湖北文理學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，襄陽(yáng) 441053；2. 湖北文理學(xué)院 省級(jí)協(xié)同創(chuàng)新中心，襄陽(yáng) 441053；3.湖北襄陽(yáng)逸順機(jī)電科技有限公司，襄陽(yáng) 441000 )

基于SolidWorks的包裝機(jī)供料系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)

劉海生1,2，王宏達(dá)1,2，李 菡1,2，解邦銀3

（1.湖北文理學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，襄陽(yáng) 441053；2. 湖北文理學(xué)院 省級(jí)協(xié)同創(chuàng)新中心，襄陽(yáng) 441053；3.湖北襄陽(yáng)逸順機(jī)電科技有限公司，襄陽(yáng) 441000 )

0 引言

自動(dòng)包裝機(jī)的供料系統(tǒng)是包裝機(jī)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，其主要功能是將待包裝的物料從料堆中分離出來(lái)，并遵循包裝機(jī)的時(shí)間節(jié)拍把物料送到指定的位置上，能完成待包裝物料的定量、定時(shí)的供送和容量調(diào)節(jié)。它要求供料快而平穩(wěn)、送料精確，以提高包裝機(jī)生產(chǎn)效率和包裝質(zhì)量；而且供料系統(tǒng)的適應(yīng)范圍要廣，以滿足包裝規(guī)格的變化，因此包裝機(jī)供料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理將直接影響包裝機(jī)的性能和效率[1]。因此，本文運(yùn)用三維CAD軟件SolidWorks和尺寸驅(qū)動(dòng)參數(shù)化建模技術(shù)[2]，通過(guò)建立方程式來(lái)實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)供料系統(tǒng)的三維模型參數(shù)化設(shè)計(jì)與裝配，能極大地縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間，提高新產(chǎn)品的性能和研發(fā)效率。

1 包裝機(jī)供料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 供料系統(tǒng)的分類

供料系統(tǒng)由計(jì)量裝置和填充機(jī)構(gòu)兩部分組成。而計(jì)量是包裝過(guò)程中的一道必要工序，其包裝精確會(huì)直接影響包裝產(chǎn)品的質(zhì)量；填充機(jī)構(gòu)能將具有一定數(shù)量的被包裝物料充填到包裝容器內(nèi)。在自動(dòng)包裝機(jī)中計(jì)量裝置與填充機(jī)構(gòu)常常合二為一，形成一種自動(dòng)化較高的綜合裝置，并以計(jì)量為主，按計(jì)量方式，可分類為容積式、稱重式和計(jì)數(shù)式。

1.2 可調(diào)量杯式計(jì)量裝置

本裝置適用于食品、醫(yī)藥、茶葉、化工等產(chǎn)品中的松散狀、無(wú)粘性、細(xì)小顆粒物品的小劑量自動(dòng)包裝。在小型全自動(dòng)包裝機(jī)中，常用容積式計(jì)量方式，在此使用可調(diào)量杯式計(jì)量裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由料斗(圖1中未畫)、回轉(zhuǎn)盤、刮料器和調(diào)節(jié)部件等組成[3]。

該裝置的工作原理是：供料系統(tǒng)工作時(shí)，量杯調(diào)節(jié)座6以及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定不動(dòng)，回轉(zhuǎn)盤9經(jīng)由齒輪1、主軸13、聯(lián)接盤15帶動(dòng)，通過(guò)軸承對(duì)2和軸承對(duì)10的支撐實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)盤上有六套圓筒形狀的上量杯16(定量杯)和下量杯17(可調(diào)量杯)，計(jì)量杯底部由活門18蓋住。物料由料斗送入由回轉(zhuǎn)盤9和刮料器11組成的空腔內(nèi)，再靠自重流入量杯組內(nèi)，回轉(zhuǎn)盤9旋轉(zhuǎn)時(shí)刮料器11刮去定量杯16上多余的物料。

容積調(diào)節(jié)過(guò)程：精細(xì)調(diào)節(jié)時(shí)，包裝機(jī)不運(yùn)行，主軸13靜止不動(dòng)，與主軸13連接的回轉(zhuǎn)盤9和上量杯16也靜止不動(dòng)。當(dāng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)與蝸桿5相連接的手柄(圖1中未畫)時(shí)，蝸輪4也順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因活門支架7抱緊在量杯調(diào)節(jié)座6上、且受到支座21的限制而不能夠旋轉(zhuǎn)，則量杯調(diào)節(jié)座6便在螺紋副22作用下上升，并帶動(dòng)下量杯座8和下量杯17也上升，從而使量杯組的容積減小，被包裝物料也相應(yīng)減少；相反，當(dāng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，下量杯座8和下量杯17也在蝸桿蝸輪和螺紋副的共同作用下下降，從而使量杯組的容積增大，被包裝物料也相應(yīng)增加，從而達(dá)到調(diào)節(jié)容量的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)容量較大時(shí)，松開螺釘14，通過(guò)增加或減少調(diào)節(jié)墊12的個(gè)數(shù)來(lái)改變整個(gè)調(diào)節(jié)墊的厚度，從而可以上下調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)盤9的升降，再用螺釘14瑣緊回轉(zhuǎn)盤9和主軸13。

圖1 可調(diào)量杯式計(jì)量裝置

1.3 物料活門的開關(guān)原理

如圖2所示，已裝好物料的量杯組隨回轉(zhuǎn)盤9旋轉(zhuǎn)到卸料斗30(已移除，僅表示位置)上方時(shí)，固定不動(dòng)的活門支架7上所安裝的滾輪31推動(dòng)活門18的A面，使活門18繞銷軸32旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，便打開料門，物料從量杯組中下落到卸料斗30，裝入包裝袋中；當(dāng)回轉(zhuǎn)盤9繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，活門支架7上所安裝的另一滾輪33推動(dòng)活門18的B面，使活門18繞銷軸32反向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，料門便閉合，從而阻止物料下落。滾輪31和33的位置可以進(jìn)行調(diào)整，以保證活門打開、關(guān)閉的時(shí)刻。

圖2 活門開關(guān)原理圖(頂視圖)

2 供料系統(tǒng)的參數(shù)化建模

2.1 各零件的參數(shù)化三維造型

參數(shù)化建模就是在零件結(jié)構(gòu)和幾何形狀確定的前提下，建立模型過(guò)程中對(duì)幾何參數(shù)和尺寸參數(shù)施加各種合理的約束或方程式，當(dāng)修改模型的尺寸參數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)求解并生成新的三維模型，從而實(shí)現(xiàn)尺寸對(duì)模型的尺寸驅(qū)動(dòng)。其設(shè)計(jì)方法首先要確定零件的主參數(shù)，然后綜合利用SolidWorks軟件提供的系列表與方程式功能，建立其他尺寸變量與主參數(shù)的約束關(guān)系，形成參數(shù)化、自動(dòng)化的設(shè)計(jì)模型。現(xiàn)以包裝機(jī)中的蝸桿為例說(shuō)明其建模過(guò)程[4～6]：

1)確定主參數(shù)。通常情況下，選取零件的設(shè)計(jì)參數(shù)、主要結(jié)構(gòu)尺寸作為主參數(shù)，以便確定其他尺寸參數(shù)。對(duì)于蝸桿，有蝸桿頭數(shù)、蝸輪齒數(shù)、模數(shù)、蝸桿長(zhǎng)度等。在SolidWorks中點(diǎn)擊下拉菜單“工具→方程式”，輸入各主參數(shù)及其初始數(shù)值，如圖3所示。

2)建立蝸桿軸基體。通過(guò)“旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)”命令生成蝸桿軸基體的實(shí)體模型，在畫制旋轉(zhuǎn)截面草圖時(shí)，雙擊蝸桿齒頂圓半徑尺寸14，輸入方程式 =“m”*(“q”+2*“ha”)/2，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算齒頂圓半徑值并在其數(shù)值前顯示∑標(biāo)記，如圖4 所示，同時(shí)還將該方程式加入整體變量對(duì)話框中。也可把倒角一起繪出。

3)繪制螺旋線。建立一個(gè)基準(zhǔn)面，以蝸桿齒頂圓半徑繪出螺旋線基準(zhǔn)圓，單擊“插入→曲線→螺旋線”繪制螺旋線，然后雙擊螺旋線螺距10，添加方程式 = PI*“m”*“Z1”。

4)切出蝸桿齒形。在螺旋線起點(diǎn)處繪出蝸桿的齒形截面草圖，中心線到原點(diǎn)的距離為蝸桿分度圓半徑，其方程式為 = “m”*“q”/2，再分別標(biāo)注齒頂高尺寸的方程式 =“ha”*“m”、齒根高尺寸 = (“ha”+“c”)*“m”、分度圓齒厚尺寸 = PI*“m”/2。以此齒形草圖和螺旋線通過(guò)“掃描切除”方式切出齒形。

采用參數(shù)化建立的蝸桿模型，只需在“工具→方程式”對(duì)話框中修改相應(yīng)參數(shù)的數(shù)值即可自動(dòng)創(chuàng)建新的三維模型，形成系列產(chǎn)品。

圖4 蝸桿軸截面及其方程式

2.2 供料系統(tǒng)的參數(shù)化裝配

在供料系統(tǒng)的裝配中，采用了基于裝配體的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，在零件模型的參數(shù)化基礎(chǔ)上，對(duì)各零件的裝配關(guān)系實(shí)施約束，根據(jù)零件間的相對(duì)位置和配合關(guān)系來(lái)合理地建立其裝配約束關(guān)系，同時(shí)建立零部件相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)化方程式，以保證參數(shù)間的聯(lián)動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)同步更新。

建立裝配模型的關(guān)鍵是正確描述產(chǎn)品零部件間的裝配約束關(guān)系，為此遵循自頂向下的高級(jí)裝配模式[7]，先建立零件的裝配布局圖，再利用草圖對(duì)所有零件、部件應(yīng)用三個(gè)基準(zhǔn)面約束進(jìn)行定位。在參數(shù)化裝配設(shè)計(jì)時(shí)，同樣要在裝配體模型中確定主參數(shù)及其所驅(qū)動(dòng)的參數(shù)，建立裝配關(guān)系方程式來(lái)控制驅(qū)動(dòng)，并檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)上有無(wú)零件干涉或其他錯(cuò)誤，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)供料系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 供料系統(tǒng)裝配模型

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了用廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)顆粒物料自動(dòng)包裝機(jī)中常用的可調(diào)量杯式供料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理，分析了容積計(jì)量的大范圍調(diào)節(jié)和精細(xì)調(diào)節(jié)的方法，該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，容量調(diào)節(jié)范圍大、通用性強(qiáng)，對(duì)目前人們傾向于個(gè)性化、獨(dú)立性小包裝提供市場(chǎng)應(yīng)用前景。

利用SolidWorks軟件的參數(shù)化技術(shù)，通過(guò)在零件各特征間、部件各零件間實(shí)施的約束關(guān)聯(lián)和尺寸關(guān)聯(lián)，建立的參數(shù)化設(shè)計(jì)模型可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，有利于產(chǎn)品更新?lián)Q代和系列化設(shè)計(jì)，在更大程度上提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

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Parametric design of feeding system in package machine based on SolidWorks

LIU Hai-sheng1,2, WANG Hong-da1,2, LI Han1,2, XIE Bang-yin3

論述了自動(dòng)包裝機(jī)中可調(diào)量杯式供料裝置的結(jié)構(gòu)組成、工作原理和容積調(diào)節(jié)方式，應(yīng)用尺寸驅(qū)動(dòng)參數(shù)化建模技術(shù)，借助三維SolidWorks軟件提供的方程式，建立了包裝機(jī)供料系統(tǒng)的三維參數(shù)化零件模型與裝配模型，可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的修改和產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)，有效地提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

供料系統(tǒng)；包裝機(jī)；參數(shù)化設(shè)計(jì)；體積計(jì)量；實(shí)體建模

劉海生（1967 -），男，吉林人，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究。

TH122； TP391.7

A

1009-0134(2014)06(上)-0145-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).41

2014-03-23