回轉式給袋包裝機移袋機構同步特性分析

艾寶生，夏軍勇，賀 韌，孫 穎

（湖北工業(yè)大學 機械工程學院，武漢 430072）

關鍵字：包裝機；移袋同步結構；同步特性；機構優(yōu)化

0 引言

隨著包裝機械的迅速發(fā)展，包裝生產逐漸趨向于商品化、社會化和國際化［1］。預制袋包裝是一種被廣泛應用的包裝形式，在食品、藥品和紡織品等產品上都得到了很普遍的應用［2］。對包裝機械的研究對于包裝工業(yè)的發(fā)展與進步有著重要的意義［3］。尤其當前是我國在國際包裝大國中占據重要地位的關鍵階段，迫切地要求現代包裝機能夠實現自動化和準確化［4］。全自動給袋式包裝機的出現在一定程度上代替了人工，極大地提高了食品包裝的自動化程度及生產效率，人工和管理費用都在不斷下降［5］。

盡管當前包裝機的包裝速度得到很大的提升，但是普遍存在著抽真空和熱封效果不理想的問題。人們在追逐提高速度的同時，末端執(zhí)行器的穩(wěn)定性卻在下降［6］，造成預期軌跡的波動，嚴重影響抽真空效果。

為改進移袋工序的結構，減小末端執(zhí)行器的運動軌跡波動，提高包裝袋的抽真空和熱封效果。本文設計一種空間連桿與凸輪組合的移袋同步機構。通過凸輪反轉法研究移袋過程的凸輪實際廓線，由凸輪出發(fā)建立給袋式包裝機移袋同步機構的虛擬模型，整體結構緊湊，傳動平穩(wěn)。并使用運動仿真軟件對移袋機構的同步特性進行研究。利用樣機現場試驗得到同步率和貼合率數據，結果驗證設計的可行性與先進性。

1 回轉式給袋包裝機工作原理

回轉式給袋包裝機可以自動完成包裝袋的取袋、撐袋、裝填、移袋、熱封和輸出等工序［7］。主要由供袋裝置、取袋裝置、裝填裝置、移袋裝置，熱封裝置和輸出裝置等組成。

其工作原理是通過取袋機構完成包裝袋的取袋工作，然后機械手將包裝袋撐開，接著依次完成下料、熱封及最后輸出過程。在工作過程中，動力由驅動裝置傳遞，各個工位同時穩(wěn)定運行。取袋機構首先取出放在工作臺一側固定工位的包裝袋，包裝袋被送到旋轉工作臺上被吸住隨工作臺做旋轉運動，旋轉工作臺一般設置成8，10，12個工位，本文設計的工作臺為12工位。當工作臺旋轉到下料工位時，包裝袋兩側伸出吸盤將包裝袋撐開完成撐袋動作，與此同時充填物料的裝置伸出將物料送入袋中。完成下料工序后，包裝袋在旋轉工作臺上繼續(xù)轉動到達移袋工位，移袋機構上的移袋夾板將包裝好物料的包裝袋從旋轉工作臺上取下，通過移袋操作將物料袋送至真空包裝室進行熱封處理。進行抽真空處理后的袋子隨著真空包裝室旋轉，到達指定位置后掉落在輸出裝置的傳送帶上，經輸出裝置送出，至此完成物料的自動包裝過程。

2 移袋同步機構設計

2.1 數值分析凸輪設計

移袋凸輪和同步凸輪組成的共軛凸輪示意如圖1所示。

圖1 共軛凸輪示意圖Fig.1 Schematic diagram of a conjugate cam

在移袋同步機構中，機構末端執(zhí)行器移袋夾板的運動規(guī)律與凸輪的形狀輪廓有著密切的聯系。移袋夾板的運動軌跡由移袋凸輪和同步凸輪的實際輪廓形狀共同決定，故對凸輪輪廓的設計十分重要，它會直接影響移袋過程同步率和貼合率的高低，間接決定包裝袋抽真空和熱封效果的好壞。本文通過從動件的運動規(guī)律反過來設計凸輪運動規(guī)律，首先從凸輪理論分析出發(fā)計算得到凸輪理論輪廓曲線，經過理論廓線建模仿真分析得到實際工作的凸輪輪廓曲線［8］；再根據凸輪實際輪廓曲線進行移袋同步機構設計。

在三角形OAA'中，滾子半徑的連線與極徑間的夾角：

由正弦和余弦定理：

故滾子的中心相對于凸輪的轉角：

同步凸輪廓線求解，如圖2所示。

圖2 同步凸輪廓線求解示意圖Fig.2 Schematic diagram of the synchronous cam contour line solution

設O'A'=L1，O'B'=L'1，OO'=L2，OA'=R，OB'=R'，∠A'O'B'通過測量得到。則：

故得B點的坐標為（θB，R'）。

同步凸輪輪廓線可以得到凸輪滾子半徑的連線與極徑之間的夾角：

r'和 δ 根據式（3）-（6）可得：

同步凸輪滾子中心相對凸輪轉角：

在移袋同步機構中，凸輪帶動移袋擺臂沿Y軸方向做往復擺動，其各自的運動循環(huán)如圖3所示。

圖3 凸輪擺臂運動循環(huán)圖Fig.3 Movement cycle diagram of cam swing arm

通過凸輪擺臂的運動循環(huán)圖，運用MATLAB軟件進行編程，得到移袋機構中移袋凸輪和同步凸輪的虛擬建模實際廓線，如圖4所示。

圖4 凸輪的實際外輪廓曲線圖Fig.4 Diagram of the actual outer profile of the cam

針對數值分析設計得到的新凸輪，對整個機構進行運動學仿真，得到末端執(zhí)行器的角加速度圖像曲線如圖5所示。其曲線整體運動規(guī)律基本不變，最值與之前移袋機構相比較小，整體變化波動不大，從而驗證方法的可靠性和有效性。

圖5 末端執(zhí)行器角加速度曲線圖Fig.5 Angular acceleration graphs of end-effector

2.2 移袋同步機構建模

根據得到的凸輪參數使用UG軟件對移袋同步機構進行完整建模，建立的簡要虛擬模型如圖6所示。

圖6 移袋機構示意圖Fig.6 Schematic diagram of the bag moving mechanism

本文設計的移袋同步機構適用于中高速給袋式自動真空包裝機。采用空間連桿與凸輪組合的機構，整體具有結構緊湊、運動平穩(wěn)、制造方便和適用范圍廣等優(yōu)點。移袋同步機構為新型給袋式包裝機核心機構，由末端執(zhí)行器移袋夾板完成移袋動作，移袋的同步率和貼合率直接影響塑料包裝袋的抽真空和熱封效果，進而影響整個回轉式給袋包裝機的工作性能［9］。本文主要對移袋機構的同步特性進行分析，驗證其是否能夠實現預期的移袋運動，以及順利實現移袋運動之后，在移袋的過程中是否具有較好的同步率和貼合率，保證食品包裝的合格率。

3 移袋機構同步特性分析

將模型簡化后在UG中打開，并添加相關的運動副和約束，對其進行機構運動仿真。設計真空包裝室周圍一共有12個包裝工位，單次移袋動作時間為1 s，其相應轉過的角度為30°，故其工作移袋速度為60袋/min。根據其運動仿真得到單次移袋的零件各個時刻對應的角度時序如圖7所示。

圖7 時序圖Fig.7 Time sequence diagram

可以看出，在單次移袋運動周期內，凸輪正好旋轉1周，之后重新移袋，而其他零件也符合周期規(guī)律。盡管在運動過程中角度會發(fā)生不同的變化，但最后都回歸到起始值。

在凸輪旋轉1周的過程中，其對應的擺臂做往復擺動，根據仿真得到的角位移曲線如圖8所示。

圖8 凸輪擺臂角位移曲線圖Fig.8 Angular displacement curve of cam swing arm

本文旨在驗證移袋機構的同步特性，以此來判斷移袋機構的設計是否合理可行，故在運動分析時，省略對其他無關零件的分析，只對末端執(zhí)行器移袋夾板進行運動分析［10］。

移袋機構的末端執(zhí)行器位移幅值曲線如圖9所示。

圖9 移袋位移曲線圖Fig.9 Bag moving displacement graph

移袋同步機構位移曲線在整體上呈現周期性變化，而在單次移袋過程中會實現移袋、給袋和回程3個動作，其移袋仿真位移曲線也完整地展示了這個過程，符合移袋同步機構往復運動的過程。其在越大值處的位移值波動越小，說明給袋的貼合率越好。在0.22～0.44 s時處于最小值，說明此時處于移袋過程，且其數值變化很小，移袋的貼合率很好，能夠在每次運動過程中到達指定的移袋和給袋位置；0.44 s以后屬于回程時間。位移運動曲線在給袋和移袋位置基本保持不變，表明移袋同步機構的貼合率表現優(yōu)異。

移袋同步機構的移袋角速度曲線如圖10所示。

圖10 移袋角速度曲線圖Fig.10 Angular velocity graph for bag moving

移袋同步機構角速度的變化體現其同步率，優(yōu)化的主要目的是使角速度能盡可能的保持周期性變化，使得機構的同步率盡可能高。設計得到的運動曲線在移袋的工位角速度變化明顯，最后回程時角速度也回歸初值，整體符合移袋運動規(guī)律。移袋同步時存在微小的角度變化，說明真空裝配室與移袋機構的給袋夾板之間的同步率還未達到100%，但是真空裝配室完整旋轉1周的過程中呈現周期性變化規(guī)律，其同步特性表現良好，已經滿足企業(yè)的生產設計要求。

移袋同步機構的移袋速度曲線如圖11所示。

圖11 移袋速度曲線圖Fig.11 Bag moving speed graph

對移袋機構的移袋夾板進行速度分析，了解移袋夾板的速度變化情況。移袋夾板的工作速度滿足實際的生產要求，工作速度過大可能導致生產安全問題，過小會影響給袋式包裝機的生產效率。波形符合移袋運動規(guī)律，其整體呈現周期性變化規(guī)律，符合設計預期目標。

4 試驗及結果分析

4.1 試驗調試

設計仿真完成后，對相關零部件進行加工，對給袋式自動包裝機進行整體裝配以及相關設備調試，并對物理樣機進行試運行，其現場調試如圖12所示。

圖12 現場調試圖Fig.12 Pictures of on-site commissioning

回轉式給袋包裝機包含諸多的實時檢測系統(tǒng)，由控制面板可知，在運行過程中可以得到實時工作的同步值和貼合值數據，對數據進行整理和相關計算分析。

4.2 結果分析

同步率P和貼合率Q是檢測移袋裝置的2個重要參數，P主要表示移袋夾板和真空包裝室的速度同步程度，Q表示移袋夾板上的包裝袋與真空室的貼合程度。這2個參數將直接決定包裝袋的真空效果，也間接決定產品合格率的高低。

設置真空裝配室的轉速為1/12 rad/s，旋轉半徑為500 mm，其數值大小用A表示。通過速度測量儀得到經過優(yōu)化后的移袋機構在BC段同步真空裝配室的轉速，用B表示。移袋夾板運動軌跡如圖13所示。

圖13 優(yōu)化后的移袋夾板軌跡圖Fig.13 Optimized trajectory diagram for bag moving cleats

則其同步率的計算公式：

式中P——移袋機構同步率，%；

A——真空裝配室轉速，rad/s；

B——移袋機構轉速，rad/s。

貼合率用包裝袋和真空室接觸面積的百分比表示。在真空室貼上125×125 mm的透明網格（刻有2 500個2.5×2.5 mm的小方格），包裝袋移到真空裝配室產生接觸痕跡，計算出所占區(qū)域的小方格總面積C，D表示透明網格的總面積，則移袋夾板在移袋過程中貼合率的計算公式：

式中Q——移袋機構貼合率，%；

C——所占區(qū)域總面積，mm2；

D——透明網格總面積，mm2。

通過現場試驗數據采集，統(tǒng)計10組試驗數據進行計算，其優(yōu)化前后的給袋式包裝機試驗數據如表1所示。

表1 移袋同步機構優(yōu)化設計前后試驗數據對比Tab.1 Comparison of test data before and after optimization of the bag moving synchronization mechanism （單位：%）

將表1中數據導入Origin軟件中，得到給袋式包裝機優(yōu)化前后同步率和貼合率變化趨勢對比，如圖14所示。

圖14 優(yōu)化前后同步率和貼合率變化對比Fig.14 Comparison of changes in synchronization rate and fit rate before and after optimization

優(yōu)化結構設計后得到的結果更加滿足生產要求，優(yōu)化后的平均同步率由97.1%提高到98.5%，平均貼合率由94.4%提高到98.1%。與此同時，整機在試運行過程中的噪音和振動都很小，穩(wěn)定性也得到加強，使用壽命更長，可見設計的結構使得其性能得到穩(wěn)步提升。

5 結語

本文根據實際生產參數要求，通過凸輪參數優(yōu)化結構設計，對機構進行動態(tài)仿真，并根據其運動曲線對移袋機構的同步特性進行分析，周期性表現明顯；然后對整個機構進行簡化處理，進行模態(tài)分析，結果表明符合企業(yè)生產要求；最后對機構進行調試驗證，結果顯示，設計的移袋機構同步率以及貼合率都得到很大的提升，分別達到98.5%和98.1%。從而保證包裝機生產的可靠性，具有極大的實用性［11-14］。