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國內(nèi)包裝機械行業(yè)起步較晚，經(jīng)過近二十年來的發(fā)展，所生產(chǎn)的包裝機器已基本能滿足國內(nèi)的需求，但與發(fā)達國家相比仍然存在著明顯的差距，主 要體現(xiàn)在生產(chǎn)技術、相對品質、技術創(chuàng)新能力及自動化 程度等方面。國內(nèi)中小企業(yè)普遍靠購買技術含量較低 的機械產(chǎn)品進行生產(chǎn)作業(yè)，這些機械產(chǎn)品存在著自動 化程度不高、操作及維護復雜、不同工況下適應能力較 差等問題。而這些問題都與未來包裝機械發(fā)展的控制 智能化，結構高精度化，機械設備更加簡易方便等趨勢 相違背〔如O以針對粉狀、粒狀及塊狀物料的包裝流水線機械 設備為例，對于小袋包裝的產(chǎn)品,普遍采用灌裝及封口一次成型的小型自動化包裝機械或灌裝后手工操作的 小型流水線封口機械小型自動化包裝機械在技 術水平上已較為成熟，在包裝行業(yè)已被廣泛采用。然 而在生產(chǎn)大包裝粉粒及塊狀物料的包裝設備,普遍存 在灌裝和封口環(huán)節(jié)脫節(jié)、灌裝后需要靠人工操作進行 封口等問題，不利于連續(xù)生產(chǎn)，且封口設備往往受安裝 位置、包裝袋材質等因素的制約，在不同工況下的適應 度較差。

在上述背景下，課題組開發(fā)設計了一種針對粉粒及塊狀物料包裝流水線的自動封口機。它具有傳動機 構簡單、運行穩(wěn)定性高及自動控制的特點，能極大地解 決大包裝下粉粒及塊狀物料包裝流水線灌裝與封口環(huán) 節(jié)脫節(jié)的問題，且通過機械調姿部分的設計，使封口設 備能夠滿足不同尺寸及方位布置的流水線使用。通過 控制部分的開發(fā)，使設備能夠全自動無干預的運行，并 能針對包裝材料的不同,調整封口環(huán)節(jié)各參數(shù)的設置， 實現(xiàn)對不同材料都能較好的完成密封。

1總體布局設計

封口機的實際應用布局效果如圖1所示。圖中展 示了封口機的實際應用場景和在包裝流水線中的位置 布局，封口機位于流水線進料傳送帶和出料傳送帶 之間

圖中所示機體主要由底座、升降臺和機箱3部分 組成，底座由地腳螺栓固定在地面上。封口機可自動 調整，使進料口適應流水線進料傳送帶的高度及離傳 送帶的距離。

2機械結構設計及系統(tǒng)實現(xiàn)

封口機的系統(tǒng)設計分為機械結構設計和系統(tǒng)實現(xiàn) 2個部分，其中機械結構設計包括進料口模塊、壓緊模 塊、封口模塊、出料部分及機械調姿部分設計5個部分。

2.1進料口模塊

進料口模塊是封口機設計最重要的部分,它負責 將待封口的包裝袋傳送進封口機內(nèi)。為了確保包裝袋 能平穩(wěn)的進入封口機，避免發(fā)生傾覆、導致包裝袋內(nèi)的 物料灑落在包裝機內(nèi)的問題，采用了傳送帶、傳動滾 輪、物料導引桿及物料推板4種機械結構配合布局的 形式，如圖2所示。

 

傳送帶將包裝袋輸送至封口平臺,傳動滾輪負責 將上袋口順暢的過渡進入封口平臺上的封口壓桿內(nèi), 此處傳送帶及傳動滾輪與進料口接合處均設置有過渡 結構,防止包裝袋被卷入接合處。

物料導引桿的設置是為了防止包裝袋在傳送帶傳 送進封口平臺的過程中發(fā)生向前傾覆。系統(tǒng)通過光電 傳感器實時檢測包裝袋的位置并控制物料導引桿伴隨 包裝袋運動,若發(fā)生前覆,物料導引桿可通過斜向上運 動的方式將包裝袋袋口提升到封口機構上方，使封口 流程順利的進行。

物料推板的設置是為了防止包裝袋在運送至封口 平臺時發(fā)生向后傾覆。當包裝袋隨傳送帶向封口平臺 運動時，光電傳感器會實時檢測包裝袋的位置并通過 控制系統(tǒng)操控物料推板運動，有效防止包裝袋向后傾 覆并輔助將包裝袋推進封口平臺。

進料口模塊使用了一個雙輸出軸步進電機和一個 微型步進電機進行驅動。驅動機構選用了皮帶輪、皮 帶、齒輪、小型塑料絲桿滑臺、小型雙軸磁粉離合器和小 型制動器等進行功能布置，具體布置方式如圖3所示。

雙輸出軸電機的一端通過安裝皮帶輪及皮帶將轉 矩傳送給上方同樣安裝了皮帶輪的傳動滾輪軸，帶動 傳動滾輪轉動;雙輸出軸的另一端安裝了齒輪,通過與 下傳動軸的齒輪嚙合,將轉矩傳送給下傳動軸,帶動下 傳動滾輪轉動并同時帶動從動輪及套在主、從動輪上 的傳送帶轉動。

圖3中小型雙軸磁粉離合器的外側輸出軸及上傳 動滾輪軸外側均配合有齒輪并分別通過與特定位置的 過渡齒輪嚙合實現(xiàn)將轉矩從雙輸出軸電機轉換至雙軸 磁粉離合器上。離合器另一側的輸出軸與物料推板機構的某一鉸接軸相連，物料推板由2個雙邊對稱的平 行四邊形桿件機構驅動。

為了更好地完成進料流程,可選用帶隔板的流水 線進料傳送帶來輸送包裝袋"⁰"。

2.2壓緊模塊

包裝機壓緊模塊設計旨在將包裝袋袋口壓緊,為 封口流程做準備。此處機構設計要求在有限的機箱空 間內(nèi)完成封口機構及其驅動機構的位置布置并通過最 簡單的機構形式實現(xiàn)物料包裝袋的壓緊。同時需要考 慮使相關機構適應進料口的空間布局及物料包裝袋的 進料形式。因此壓緊模塊的設計選用并聯(lián)機構和串聯(lián) 機構協(xié)同布局的形式，實現(xiàn)了在運動過程中完成包裝 袋口壓緊的功能。相關機構布置形式如圖4所示。

載物板側板、上支撐桿、下支撐桿及連桿座一起構 成一組平行四邊形機構。2組對稱布置的平行四邊形機構分別通過載物板與加固桿固定連接，從而搭建成 一個雙邊平行四邊形機構框架。每組平行四邊形機構 分別通過一組串聯(lián)桿件與轉動桿相連,每組桿件由連 桿1、連桿2及連桿3組成。

圖4中驅動機構由固定在電機座上的步進電機、 絲桿、光軸及配合在絲桿和光軸上的螺母滑塊組成。 螺母滑塊帶動與其相鉸接的拉桿運動;拉桿拉動雙邊 傳動桿發(fā)生轉動;雙邊傳動桿通過帶滑槽的貼片推動 固定在上支撐桿上的推桿及滑輪模塊運動,從而完成 對壓緊模塊機構的驅動。

壓緊模塊框架由一對并聯(lián)平行四邊形機構和2組 串聯(lián)連桿機構組成，其機構簡圖如圖5所示。

圖 5 中,L_Db 二 112 mm；£_BA 二 120 mm；L_Dc 二54 mm；

Lca 二 115 mm； 0 二 143. 50°； L_fg 二 125 mm； L_Fe 二 140 mm；Led 二66 mm；L_GD 二 120 mm；P 二 5. 74°。其中 Ldb ,

F 二 3n -2 Pl - Ph 二 3x7—2x 10 -0 = 1,即機構 只具有1個自由度。

式中:n為構件數(shù)；Pl和Ph分別指機構所具有的低副 和高副的個數(shù)。針對運動輸出桿件Lgf的角度及角速 度變化進行計算分析。

由 DC + CA =DB +BA, 得到復數(shù)形式:

Ldc e訥³ +Lca eⁱ^² =Ldb c^+Lba e沖'。

用歐拉公式展開并使實部虛部相等，得到

J Ldc cos 小3 + Lca cos 處—Ldb cos 0 + Lba cos ® , I Ldc sin ^3 + Lca sin ^2 = Ldb sin 0 + Lba sin ©1。

聯(lián)立方程組可以解出：

, 1+1.62cos (53.5 - 4>1)

©3 — arccos 〔 +

「1.14+1.13cos (53.5—©1)

J 0.57sin (143.5-©₁)[1+1.62cos (143.5-©。] -1.62sin (143.5-©。卩.14+ 1.13cos(143.5-©。] 400 +222cos©】+300sin .

© ^— [1.14 + 1.13 cos (143.5-©】)].J0.14 - 2.11 cos (143.5 - ©₁) - 2.62 cos² (143.5 - ©₁) ^⁷⁴⁸ - ^{2 + 444cos} ©1+^600sin ©1. ©。⁽³⁾

.J 2.28sin (©3 -185.74)[ -1 +4.55cos (©3 -185.74)] -4.55sin (185.74 -©3)[5.39 -4.55cos (©3 -185.74)] 121-218.9cos ©3 -22sin ©3..

©^5— [5.9-4.55cos (© - 185.74)]* ^4.9+4.55cos (© - 185.74) -20.7cos²(© -185.74) ^{+521 -437}-^8cos © "^44sin ©/ ©°

 

由公式(3)和(4)可知運動輸出桿Lgf的運動規(guī)律 由主動桿L_Bo的運動唯一決定,給出桿L_Bo的角度或角 速度即可得到Lgf的角度及角速度。繼續(xù)對公式(3) 和(4)求導即可得到桿Lgf由主動桿Lbo決定的加速度 變化規(guī)律。

2.3封口模塊

封口模塊的作用是將壓緊后的物料包裝袋袋口進 行密封并在包裝袋上印上生產(chǎn)日期或批號等信息。物 料包裝袋的封口機構采用了壓合熱封的形式,物料包 裝袋應具有熱封性。如圖6所示,模塊由6部分組成。

在壓緊模塊運行時,壓桿倒向模桿，將物料包裝袋 袋口壓在壓桿與模桿之間，模桿上有可拆卸更換的壓 碼模塊，通過更換數(shù)字及字母來完成對包裝袋的打碼 工作。

模桿通過固定片與載桿相固定，模桿和載桿間布 置有高導熱性能電阻絲，電阻絲與模桿、載桿間填充包 裹有石棉，模桿由高導熱性的銅合金制成，當電阻絲通 電發(fā)熱時，熱量會通過石棉層均勻的傳導到模桿上，此 時壓桿在設定溫度下壓緊特定時間即能完成對物料包 裝袋的熱封。

2.4出料部分

出料口的作用是將完成熱封后的物料包裝袋排出 封口機并轉移至流水線出料傳送帶上。此部分的設計 承接前面所述的壓緊模塊與封口模塊,它由小型直線 氣泵、載物板翻板、轉動軸和出料坡道4個部件組成, 如圖7所示。

載物板翻板通過轉動軸與載物板相鉸接。封口流 程結束后，系統(tǒng)控制壓緊模塊電機反轉一定圈數(shù)，使壓 緊模塊松開,小型氣缸向上運動,將載物板翻板頂起相 應距離,使物料包裝袋從載物板滑向出料坡道并最終 轉移至封口機外的出料口流水線傳送帶上。

2.5機械調姿部分

封口機在安裝及運行過程中,進料口及出料口的 位置時常會受到流水線布局、操作環(huán)境等一些外在因 素的限制,機械調姿部分的設計旨在針對上述外在因 素做出相應調整，使機體相對進、出流水線傳送帶的位 置保持在合適的范圍之內(nèi)，保證物料包裝袋的封口流 程順利進行。

機械調姿包含3個部分:角度、高度和距離。3個 部分的機構均布置在底座及機體平臺上,如圖8所示。 底座內(nèi)部由電機及行星齒輪構成，可以旋轉，用來調整 封口

3.1仿真分析

為了能夠直觀的分析壓緊模塊機構運行的合理 性，借助ADAMS軟件進行運動學仿真分析。將運動 機構模型導入ADAMS中并進行相關參數(shù)的配置，如 圖10所示。

分析時首先按螺母滑塊設計運行速度0. 06 m/s 對仿真驅動電機進行配置，使機構進行動態(tài)運行。通 過對機構動態(tài)仿真結果的分析,證明了機構框架的運 行姿態(tài)符合預期，達到了相關設計的功能要求。

接著選取幾個重要的鉸接點進行受力分析。文中 選取拉桿與雙邊傳動桿上貼片相連的鉸接點進行示例 分析，由于這個鉸接點承載著由螺母滑塊傳遞過來的 驅動拉力，因而是個重要的受力點,其在X, Y, Z方向 上的受力及合力情況如圖11所示。

 

由圖11可知,空載時單個方向上的受力最大不超 過16 N,合力不超過18 N,相鉸接的拉桿和貼片材料 均選用普通的碳鋼。為了驗證鉸接處強度的可靠性, 選取最大受力時刻，借助SolidWorks中的Simulation對 鉸接點進行靜力學分析,應力分布如圖12所示。

應力分布表明鉸鏈處所受應力遠小于材料的屈服 極限,由此證明了此處鉸鏈具有運行安全性和可靠性。 機構其他鉸接點的仿真分析均與上述分析類似，不再 贅述。

3.2試制及調試

為了驗證壓緊模塊的設計機構在實際運行中的穩(wěn) 定性與可靠性，對這一模塊進行了機構的試制。在樣 機的運行調試過程中，初步驗證了機構設計的合理性 與運行穩(wěn)定性，達到了設計預期。

4結語

課題組設計開發(fā)的粉粒及塊狀物料包裝流水線自 動封口機，采用模塊化的設計理念，并以STM32為核 心的控制系統(tǒng)統(tǒng)一指令下,實現(xiàn)了封口流程的全自動 化運行，極大地解決了大包裝下的粉粒及塊狀物料包 裝流水線灌裝和封口環(huán)節(jié)脫節(jié)并需要人為干預的問 題,具有較好的市場應用前景。

 

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