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0引言
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們需求的多樣化，對(duì)產(chǎn)品的包裝要求越來越高，迫切要求包裝實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。經(jīng)過三十多年的快速發(fā)展，我國包裝技術(shù)及裝備的水平已有很大提升，部分產(chǎn)品處于國際領(lǐng)先地位，但由于起步較晚，相比于美、日、德等發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平，我國產(chǎn)品的技術(shù)水平、智能化、成套性、創(chuàng)新性產(chǎn)品等還存在較大的差距［1-2］，開展現(xiàn)代包裝關(guān)鍵技術(shù)及裝備智能化的研究及產(chǎn)業(yè)化具有十分重要的意義。
回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)適用于預(yù)制包裝袋的顆粒、粉末、塊體、液料等的包裝，包裝袋圖案完美，封口品質(zhì)好［3-4］。供袋機(jī)構(gòu)是給袋包裝機(jī)的重要組成，多采用凸輪連桿復(fù)合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾持器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，機(jī)構(gòu)性能直接影響包裝速度與包裝精度。研究人員采用不同的方法研發(fā)高性能執(zhí)行機(jī)構(gòu)［5-7］，晏祖根等運(yùn)用工作循環(huán)圖等設(shè)計(jì)了穿箭式捆扎機(jī)頭，王興東綜合考慮尺寸公差和配合等因素優(yōu)化平面連桿機(jī)構(gòu)，張英建立了平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型?；诎b機(jī)及供袋機(jī)構(gòu)工作原理的分析，設(shè)計(jì)了自動(dòng)供袋工藝，建立了機(jī)構(gòu)分析的數(shù)學(xué)模型，確定了機(jī)構(gòu)尺寸及位置關(guān)系。
1回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)工作原理
回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)可自動(dòng)完成預(yù)制包裝袋上袋、物料計(jì)量充填、包裝袋封口和成品整形輸出等包裝工序。綜合包裝物性、包裝速度、封合方式以及制造成本等因素，包裝機(jī)可設(shè)計(jì)成6工位、8工位、10工位等不同形式。圖1包裝機(jī)為8工位回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)，主要由供袋、充填、封口、成品整形輸出等部件以及間歇回轉(zhuǎn)運(yùn)袋系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。工序盤間歇回轉(zhuǎn)，驅(qū)使鉗手夾持供袋機(jī)構(gòu)輸送的預(yù)制包裝袋，順序間歇地通過供袋、打碼、開袋、充填、清口、封合、輸出等工位，完成物料的自動(dòng)包裝。

按物料及包裝要求的不同，如花生、瓜子等顆粒狀物料，豆瓣醬等醬狀物料，榨菜等條狀物料等，充填裝置可采用不同類型的攪拌、輸送、計(jì)量、充填機(jī)構(gòu)。已充填物料的包裝袋，應(yīng)對(duì)包裝袋進(jìn)行整形，并對(duì)封口部位進(jìn)行除塵、清口等處理，以保證封合質(zhì)量。按包裝要求不同，可對(duì)包裝袋進(jìn)行二次封口，并完成氣調(diào)、真空等包裝操作。
包裝機(jī)主電機(jī)通過鏈傳動(dòng)、槽輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)工序盤做間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，通過凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)將主運(yùn)動(dòng)傳遞到各個(gè)執(zhí)行部件，如圖2所示，結(jié)合氣動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工藝動(dòng)作。機(jī)器設(shè)置多處檢測裝置，如出現(xiàn)故障，檢測裝置將故障信號(hào)反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)做出相應(yīng)的故障提示并停機(jī)，以避免安全事故和物料浪費(fèi)。包裝速度由物料特性、包裝重量及包裝精度等確定，可根據(jù)包裝要求和生產(chǎn)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)包裝速度。

2供袋部件自動(dòng)供袋工藝
供袋部件是回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)的重要組成，其組成與工作原理如圖2所示，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、分配軸、一次上袋機(jī)構(gòu)、二次上袋機(jī)構(gòu)、夾取提升機(jī)構(gòu)、掃袋皮帶、送袋皮帶、供袋平臺(tái)和基座等組成。供袋部件的機(jī)構(gòu)分析簡化模型如圖3所示，為清晰表達(dá)，各驅(qū)動(dòng)凸輪及相應(yīng)擺桿機(jī)構(gòu)分開繪制，其軸心分別對(duì)應(yīng)分配軸軸心O1和擺桿軸軸心O2。

（1）人工將預(yù)制包裝袋放到供袋平臺(tái)上；（2）送袋皮帶采用多根橡膠圓帶，安裝在供袋平臺(tái)的底部；橡膠圓帶壓緊包裝袋，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)作用下，將包裝袋摩擦輸送至掃袋工位；；（3）掃袋皮帶采用多根橡膠圓帶，斜向安裝在供袋平臺(tái)的上端；驅(qū)動(dòng)電機(jī)按控制系統(tǒng)指令間歇旋轉(zhuǎn)，將單張包裝袋依次摩擦輸送至一次上袋工位P1；（4）電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，通過分配軸上的一次上袋凸輪，驅(qū)動(dòng)安裝在一次上袋機(jī)構(gòu)末端的真空吸盤相應(yīng)動(dòng)作，真空吸盤在P1 工位處吸附單張包裝袋，移送到二次上袋工位P2；（5）分配軸上的二次上袋凸輪驅(qū)動(dòng)二次上袋機(jī)構(gòu)末端的真空吸盤動(dòng)作，真空吸盤P2在工位處吸附包裝袋，移送到二次上袋工位P3；（6）分配軸上的夾袋凸輪驅(qū)動(dòng)夾袋提升機(jī)構(gòu)末端的齒輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)夾持器相向動(dòng)作，在P3工位夾持包裝袋；同時(shí)，與二次上袋機(jī)構(gòu)的平行四邊形機(jī)構(gòu)協(xié)同動(dòng)作，夾持包裝袋平動(dòng)移送到包裝機(jī)的上袋工位P4；（7）安裝在工序盤上的鉗手動(dòng)作，在P4工位夾持包裝袋，完成包裝袋的自動(dòng)供袋；工序盤旋轉(zhuǎn)，鉗手夾持包裝袋輸送至后續(xù)的開袋、充填、封口等包裝工位。
3供袋部件的機(jī)構(gòu)選型與工作循環(huán)圖設(shè)計(jì)
多機(jī)構(gòu)協(xié)同動(dòng)作的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，可通過伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、氣動(dòng)系統(tǒng)等，結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這種方式結(jié)構(gòu)尺寸較大、造價(jià)較高，當(dāng)包裝速度、包裝尺寸發(fā)生變化時(shí)，要修改控制程序的相關(guān)參數(shù)，要求使用人員具有較高的技術(shù)水平，限制其在包裝機(jī)械領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。
凸輪機(jī)構(gòu)可通過凸輪輪廓軌跡曲線的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)多運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)；但機(jī)構(gòu)制造與調(diào)整要求較高，磨損后會(huì)影響運(yùn)動(dòng)規(guī)律的準(zhǔn)確性。連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、承載能力大、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，但無法實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件較長時(shí)間的精確停頓和任意軌跡運(yùn)動(dòng)。單一機(jī)構(gòu)因其固有的局限性，無法滿足多方面的要求，因此，自動(dòng)機(jī)械多采用基于凸輪、連桿的復(fù)合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。
供袋部件的供袋動(dòng)作包括兩部分：一是供袋平臺(tái)的掃袋皮帶和送袋皮帶的摩擦驅(qū)動(dòng)，分別由各自電機(jī)驅(qū)動(dòng)；二是分配軸上的凸輪組及連桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)一次上袋機(jī)構(gòu)、二次上袋機(jī)構(gòu)、夾袋提升機(jī)構(gòu)以及真空吸盤、夾持器進(jìn)行協(xié)同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)包裝袋自動(dòng)供袋。
綜合集中驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)尺寸、控制等多方面因素，包裝機(jī)的供袋部件采用凸輪、連桿的復(fù)合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)預(yù)制包裝袋的自動(dòng)供袋動(dòng)作，機(jī)構(gòu)模型見圖3。
以包裝機(jī)的設(shè)計(jì)包裝速度50袋/min為例進(jìn)行供袋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，每個(gè)包裝袋的自動(dòng)上袋時(shí)間為1.2s，即以分配軸O1為基準(zhǔn)軸的供袋機(jī)構(gòu)工作循環(huán)時(shí)間tk=1.2s。根據(jù)包裝機(jī)的生產(chǎn)能力要求，結(jié)合供袋機(jī)構(gòu)的自動(dòng)供袋工藝，綜合考慮各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)、時(shí)間同步和空間不干涉，以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律誤差、運(yùn)動(dòng)副間隙、機(jī)構(gòu)元件加工與裝配誤差、機(jī)構(gòu)元件運(yùn)動(dòng)變形等因素，可分配各供袋動(dòng)作所需時(shí)間與運(yùn)動(dòng)循環(huán)時(shí)間的占比關(guān)系，設(shè)計(jì)供袋機(jī)構(gòu)的工作循環(huán)圖，如圖4所示。根據(jù)工作循環(huán)圖，利用相關(guān)的機(jī)構(gòu)綜合、凸輪設(shè)計(jì)理論和仿真技術(shù)，可完成供袋機(jī)構(gòu)的尺寸優(yōu)化與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4二次上袋機(jī)構(gòu)建模與設(shè)計(jì)
4.1機(jī)構(gòu)建模
二次上袋機(jī)構(gòu)是供袋部件的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，真空吸盤V安裝在搖桿HJ末端，夾持器的驅(qū)動(dòng)齒輪安裝在平動(dòng)桿M1M2上，如圖5所示，其性能直接影響包裝機(jī)的包裝速度與包裝精度。
分配軸上的主動(dòng)凸輪A連續(xù)回轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)搖桿JHV擺動(dòng)到JH＇V＇位置，真空吸盤V吸取包裝袋，從P2位置移動(dòng)到P3位置；夾持器夾取包裝袋，將包裝袋從P3位置平移到P4位置；工序盤鉗手夾持包裝袋，間歇移送到下一個(gè)包裝工位。

4.2連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
二次上袋機(jī)構(gòu)由基于凸輪驅(qū)動(dòng)的擺桿機(jī)構(gòu)ABCD、雙搖桿機(jī)構(gòu)CDEF、雙搖桿機(jī)構(gòu)FGHJ和基于平行四邊形機(jī)構(gòu)M1N1-M2N2的復(fù)合機(jī)構(gòu)JKLM1M2四部分串聯(lián)組成。
對(duì)基于凸輪驅(qū)動(dòng)的擺桿機(jī)構(gòu)ABCD，可通過高副轉(zhuǎn)化低副的方式AUBC，將機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為雙搖桿機(jī)構(gòu)，如圖6所示，進(jìn)而分析機(jī)構(gòu)ABCD的性能。

對(duì)基于平行四邊形機(jī)構(gòu)M1N1-M2N2的復(fù)合機(jī)構(gòu)JKLM1M2，可基于平行四邊形機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，將機(jī)構(gòu)簡化為雙搖桿機(jī)構(gòu)JKLW，如圖7所示，研究桿件的輸入轉(zhuǎn)角θJ與鉸鏈點(diǎn)L的位置、速度的關(guān)系。

上述分析可知，二次上袋機(jī)構(gòu)可轉(zhuǎn)化為四個(gè)串聯(lián)的雙搖桿機(jī)構(gòu)。因此，二次上袋機(jī)構(gòu)的特性研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)，可先優(yōu)化設(shè)計(jì)各部分子機(jī)構(gòu)，確定各子機(jī)構(gòu)的連桿尺寸與位置；再綜合優(yōu)化二次上袋機(jī)構(gòu)，提高機(jī)構(gòu)的綜合性能。
以雙搖桿機(jī)構(gòu)FGHJ為例，采用矢量法建立的機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)分析模型如圖8所示，各矢量桿形成封閉的矢量多邊形FGHJF，構(gòu)件FG、GH、HJ、JF對(duì)應(yīng)的桿長、方位角、矢量桿

封閉矢量多邊形中，各矢量之和等于零，

對(duì)上式進(jìn)行推導(dǎo)、整理，可求得搖桿HJ的輸出轉(zhuǎn)角θ3、輸出轉(zhuǎn)速ω3與搖桿FG的輸入轉(zhuǎn)角θ1、輸入轉(zhuǎn)速ω1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系：

基于雙搖桿機(jī)構(gòu)FGHJ的分析流程，可建立各子機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；基于各子機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可綜合得到二次上袋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，進(jìn)而分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、機(jī)構(gòu)特性，優(yōu)化上袋機(jī)構(gòu)尺寸。
5結(jié)語
回轉(zhuǎn)式給袋包裝機(jī)總體布局設(shè)計(jì)需要，凸輪分配軸安裝在整機(jī)基座上，上袋機(jī)構(gòu)安裝在供袋平臺(tái)。采用供袋部件的機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)流程，綜合考慮機(jī)器的總體布局、包裝工位、機(jī)構(gòu)尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多種因素，優(yōu)化確定供袋機(jī)構(gòu)的各連桿尺寸（mm）：CB=125，BD=105，DE=645，EF=90，F(xiàn)G=130，GH=107，HJ=97，JK=25，KL=154，LM1=33，M1N1=200，其中連桿DE、連桿KL的兩端采用桿端軸承，桿長尺寸可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行微調(diào)。

作者：楊軍福，晏祖根，孫智慧，孟爽，耿志國，劉卓群

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