茶餅內(nèi)包裝機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

李瑩+葉恬羽+何邦貴+郭蕾蕾

摘要：目的：為促進(jìn)普洱茶餅內(nèi)包裝由手工包裝模式到機(jī)械化模式的轉(zhuǎn)變，設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)新型內(nèi)包裝機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。方法：設(shè)計(jì)采用相機(jī)光圈式折紙機(jī)構(gòu)，通過光圈的收縮，穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)了對茶餅的包裝。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)結(jié)合Pro/E和其Mechanism建模仿真的方法，建立精確可靠的虛擬樣機(jī)模型。結(jié)果：試驗(yàn)仿真結(jié)果表明，虛擬樣機(jī)的工作行程、運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)設(shè)一致。結(jié)論：驗(yàn)證了該內(nèi)包裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際可行性，為物理樣機(jī)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(guān)鍵詞：茶餅內(nèi)包裝；光圈折紙機(jī)構(gòu)；Pro/E建模；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

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

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(gè)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(jī)械化成為各普洱茶企業(yè)的迫切需求。而其難點(diǎn)則是內(nèi)包裝的生產(chǎn)線機(jī)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(shè)計(jì)茶餅內(nèi)包裝的折紙機(jī)構(gòu)并對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。分析在輸入已知數(shù)據(jù)的情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作行程和運(yùn)動(dòng)路徑能否達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，從而對折紙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性作出判斷。

1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖1可知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由六個(gè)機(jī)構(gòu)組成，分別是推餅機(jī)構(gòu)、上下折紙盤、折紙餅、光圈折紙機(jī)構(gòu)、頂餅機(jī)構(gòu)。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(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)推餅桿向下運(yùn)動(dòng)，將茶餅經(jīng)過包裝面紙推進(jìn)光圈折紙機(jī)構(gòu)中，完成棉紙預(yù)包裝折疊；第三步，轉(zhuǎn)動(dòng)折紙柄，最終由光圈折紙機(jī)構(gòu)完成折紙，實(shí)現(xiàn)完整規(guī)則的扇形包裝。以下為執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊關(guān)鍵零部件三維實(shí)體模型的造型設(shè)計(jì)。

1.1 下折紙盤

下折紙盤是一塊扇形齒槽凸臺(tái)，沿周向均布有三十六個(gè)扇形齒槽。其中一個(gè)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(gè)扇形齒槽的每一個(gè)齒槽的角度為10度。扇形齒槽的槽形與凸臺(tái)外側(cè)交線是一段螺旋線。在Pro/E建模生成扇形齒槽時(shí)，先利用曲線命令中的從方程，建立扇形齒沿凸臺(tái)外側(cè)的螺旋線方程時(shí)選擇笛卡爾坐標(biāo)系，如式（1）所示，凸臺(tái)的外圓半徑為200，10為一個(gè)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(gè)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(yīng)的扇形圓盤，由氣缸驅(qū)動(dòng)提供動(dòng)力實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)到折紙位置時(shí)，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(shè)計(jì)上折紙盤與下折紙盤齒槽錯(cuò)開1度。建立上折紙盤扇形齒三維模型時(shí)，只需將下折紙盤的建模過程中的螺旋曲線的方程改動(dòng)一下即可，改動(dòng)后方程如式（2）所示。利用Pro/E建立的上折紙盤的三維實(shí)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(jī)構(gòu)

光圈折紙機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想來源是照相機(jī)中可調(diào)節(jié)徑向伸縮光圈，該光圈折紙機(jī)構(gòu)主要由四個(gè)部分組成，分別為上蓋、折紙葉片、折紙機(jī)構(gòu)下部、折紙柄。

①折紙葉片。

機(jī)構(gòu)共有12片葉片，只需設(shè)計(jì)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(shí)確定折紙柄的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為50度時(shí)，葉片收縮后形成的圓經(jīng)計(jì)算其直徑近似為Φ65mm，其圓直徑比封口標(biāo)簽的直徑Φ60mm 大5mm。在Pro/E中建立葉片的三維實(shí)體模型如圖4（b）。

②折紙機(jī)構(gòu)下部。

折紙機(jī)構(gòu)下部上槽的個(gè)數(shù)為12個(gè)，與這種葉片的個(gè)數(shù)相對應(yīng)，且12個(gè)上槽沿徑向均勻分布。槽的寬度為折紙葉片朝向上槽凸臺(tái)的直徑，槽的深度等于凸臺(tái)的高度，槽的長度要大于葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)凸臺(tái)沿徑向的位移。利用Pro/E 建立的折紙機(jī)構(gòu)下部的三維實(shí)體模型，如圖5所示。

③折紙柄。

折紙柄是折紙機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部分，可通過折紙柄來回?cái)[動(dòng)帶動(dòng)葉片實(shí)現(xiàn)葉片的徑向伸縮。折紙柄上沿徑向均勻分布有12個(gè)通孔，葉片朝向折紙柄的凸臺(tái)的直徑等于孔的直徑，折紙柄的厚度為凸臺(tái)的高度。利用Pro/E建立的折紙柄的三維實(shí)體模型如圖6所示。

④折紙柄機(jī)構(gòu)原理。

已知上述折紙葉片作圖時(shí)已經(jīng)確定的折紙柄轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為50度，才能使葉片收縮后滿足運(yùn)動(dòng)要求。如圖7所示，折紙柄機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理采用四桿機(jī)構(gòu)，折紙柄的往復(fù)擺動(dòng)是由驅(qū)動(dòng)桿提供動(dòng)力。通過作圖分析得出結(jié)果，當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)52度時(shí)，折紙柄會(huì)隨即順時(shí)針擺動(dòng)50度，從而達(dá)到折紙柄的運(yùn)動(dòng)要求。

⑤光圈折紙機(jī)構(gòu)的虛擬裝配。（表1、圖8）

2 普洱餅茶內(nèi)包裝機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

運(yùn)用Pro/E軟件中專門做運(yùn)動(dòng)仿真分析的模塊Mechanism對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)研究與分析。通過在驅(qū)動(dòng)軸上添加驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以使機(jī)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)效果，而且在仿真運(yùn)動(dòng)完成后，可以通過一些仿真數(shù)據(jù)對機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的合理性分析。

測量推餅桿和上折紙盤的位置，設(shè)置坐標(biāo)系為系統(tǒng)WCS坐標(biāo)系，設(shè)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(jié)論，推餅桿和上折紙盤的工作運(yùn)動(dòng)路徑符合設(shè)計(jì)要求。由此圖還可得出，上折紙盤先到達(dá)設(shè)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(jī)構(gòu)中，符合設(shè)計(jì)要求可以達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

圖10是運(yùn)動(dòng)角位移曲線圖，分別表示的是驅(qū)動(dòng)桿（驅(qū)動(dòng)折紙柄的桿）、折紙柄、光圈折紙機(jī)構(gòu)。由圖及其數(shù)據(jù)分析可得，驅(qū)動(dòng)桿從1.1秒開始運(yùn)動(dòng)至1.5秒，初始位置由-138.2度轉(zhuǎn)動(dòng)至-86.2度，角位移為-86.2-（-138.2）=52度。折紙柄跟隨驅(qū)動(dòng)桿從1.1秒開始運(yùn)動(dòng)至1.5，初始位置由-21度轉(zhuǎn)動(dòng)至29度，角位移為29-（-21）=50度。光圈折紙機(jī)構(gòu)下部從1.5秒開始運(yùn)動(dòng)至1.9秒，初始位置由-24.3度運(yùn)動(dòng)20.7度，角位移為20.7-（-24.3）=45度。由此可知，運(yùn)動(dòng)角位移曲線圖得出的參數(shù)均與設(shè)計(jì)參數(shù)一致，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)下部均處于靜止，此時(shí)為貼標(biāo)時(shí)間。貼完標(biāo)簽后，驅(qū)動(dòng)桿會(huì)先驅(qū)動(dòng)折紙柄返回初始位置，最后光圈折紙機(jī)構(gòu)下部開始返回到初始位置。

3 結(jié)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(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊關(guān)鍵零部件的可行性，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能達(dá)到預(yù)期要求，且可以看出該執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工作中較平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)較簡單。

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