劉海生,王宏達,李 菡,解邦銀
(1.湖北文理學院 機械與汽車工程學院,襄陽 441053;2. 湖北文理學院 省級協(xié)同創(chuàng)新中心,襄陽 441053;3.湖北襄陽逸順機電科技有限公司,襄陽 441000 )
基于SolidWorks的包裝機供料系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計
劉海生1,2,王宏達1,2,李 菡1,2,解邦銀3
(1.湖北文理學院 機械與汽車工程學院,襄陽 441053;2. 湖北文理學院 省級協(xié)同創(chuàng)新中心,襄陽 441053;3.湖北襄陽逸順機電科技有限公司,襄陽 441000 )
自動包裝機的供料系統(tǒng)是包裝機的主要執(zhí)行機構(gòu)之一,其主要功能是將待包裝的物料從料堆中分離出來,并遵循包裝機的時間節(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,因此包裝機供料系統(tǒng)的設(shè)計是否合理將直接影響包裝機的性能和效率[1]。因此,本文運用三維CAD軟件SolidWorks和尺寸驅(qū)動參數(shù)化建模技術(shù)[2],通過建立方程式來實現(xiàn)包裝機供料系統(tǒng)的三維模型參數(shù)化設(shè)計與裝配,能極大地縮短系統(tǒng)的設(shè)計時間,提高新產(chǎn)品的性能和研發(fā)效率。
供料系統(tǒng)由計量裝置和填充機構(gòu)兩部分組成。而計量是包裝過程中的一道必要工序,其包裝精確會直接影響包裝產(chǎn)品的質(zhì)量;填充機構(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)。在自動包裝機中計量裝置與填充機構(gòu)常常合二為一,形成一種自動化較高的綜合裝置,并以計量為主,按計量方式,可分類為容積式、稱重式和計數(shù)式。
本裝置適用于食品、醫(yī)藥、茶葉、化工等產(chǎn)品中的松散狀、無粘性、細小顆粒物品的小劑量自動包裝。在小型全自動包裝機中,常用容積式計量方式,在此使用可調(diào)量杯式計量裝置,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,量杯調(diào)節(jié)座6以及調(diào)節(jié)機構(gòu)固定不動,回轉(zhuǎn)盤9經(jīng)由齒輪1、主軸13、聯(lián)接盤15帶動,通過軸承對2和軸承對10的支撐實現(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)時刮料器11刮去定量杯16上多余的物料。
容積調(diào)節(jié)過程:精細調(diào)節(jié)時,包裝機不運行,主軸13靜止不動,與主軸13連接的回轉(zhuǎn)盤9和上量杯16也靜止不動。當順時針轉(zhuǎn)動與蝸桿5相連接的手柄(圖1中未畫)時,蝸輪4也順時針旋轉(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,當逆時針轉(zhuǎn)動手柄,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,從而達到調(diào)節(jié)容量的作用。當調(diào)節(jié)容量較大時,松開螺釘14,通過增加或減少調(diào)節(jié)墊12的個數(shù)來改變整個調(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)量杯式計量裝置
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,固定不動的活門支架7上所安裝的滾輪31推動活門18的A面,使活門18繞銷軸32旋轉(zhuǎn)一個角度,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;當回轉(zhuǎn)盤9繼續(xù)轉(zhuǎn)動時,活門支架7上所安裝的另一滾輪33推動活門18的B面,使活門18繞銷軸32反向旋轉(zhuǎn)一個角度,料門便閉合,從而阻止物料下落。滾輪31和33的位置可以進行調(diào)整,以保證活門打開、關(guān)閉的時刻。
圖2 活門開關(guān)原理圖(頂視圖)
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,建立模型過程中對幾何參數(shù)和尺寸參數(shù)施加各種合理的約束或方程式,當修改模型的尺寸參數(shù)值時,系統(tǒng)自動求解并生成新的三維模型,從而實現(xiàn)尺寸對模型的尺寸驅(qū)動。其設(shè)計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、自動化的設(shè)計模型?,F(xiàn)以包裝機中的蝸桿為例說明其建模過程[4~6]:
1)確定主參數(shù)。通常情況下,選取零件的設(shè)計參數(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)。對于蝸桿,有蝸桿頭數(shù)、蝸輪齒數(shù)、模數(shù)、蝸桿長度等。在SolidWorks中點擊下拉菜單“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“旋轉(zhuǎn)凸臺”命令生成蝸桿軸基體的實體模型,在畫制旋轉(zhuǎn)截面草圖時,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)會自動計算齒頂圓半徑值并在其數(shù)值前顯示∑標記,如圖4 所示,同時還將該方程式加入整體變量對話框中。也可把倒角一起繪出。
3)繪制螺旋線。建立一個基準面,以蝸桿齒頂圓半徑繪出螺旋線基準圓,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。在螺旋線起點處繪出蝸桿的齒形截面草圖,中心線到原點的距離為蝸桿分度圓半徑,其方程式為 = “m”*“q”/2,再分別標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“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”對話框中修改相應(yīng)參數(shù)的數(shù)值即可自動創(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
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)計方法,在零件模型的參數(shù)化基礎(chǔ)上,對各零件的裝配關(guān)系實施約束,根據(jù)零件間的相對位置和配合關(guān)系來合理地建立其裝配約束關(guān)系,同時建立零部件相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)化方程式,以保證參數(shù)間的聯(lián)動性,實現(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裝配模式[7],先建立零件的裝配布局圖,再利用草圖對所有零件、部件應(yīng)用三個基準面約束進行定位。在參數(shù)化裝配設(shè)計時,同樣要在裝配體模型中確定主參數(shù)及其所驅(qū)動的參數(shù),建立裝配關(guān)系方程式來控制驅(qū)動,并檢驗結(jié)構(gòu)上有無零件干涉或其他錯誤,最終實現(xiàn)整個供料系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計,如圖5所示。
圖5 供料系統(tǒng)裝配模型
本文詳細介紹了用廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等行業(yè)顆粒物料自動包裝機中常用的可調(diào)量杯式供料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理,分析了容積計量的大范圍調(diào)節(jié)和精細調(diào)節(jié)的方法,該系統(tǒng)運行平穩(wěn)、可靠,容量調(diào)節(jié)范圍大、通用性強,對目前人們傾向于個性化、獨立性小包裝提供市場應(yīng)用前景。
利用SolidWorks軟件的參數(shù)化技術(shù),通過在零件各特征間、部件各零件間實施的約束關(guān)聯(lián)和尺寸關(guān)聯(lián),建立的參數(shù)化設(shè)計模型可以實現(xiàn)產(chǎn)品的自動化設(shè)計,有利于產(chǎn)品更新?lián)Q代和系列化設(shè)計,在更大程度上提高了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率。
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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
論述了自動包裝機中可調(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,可以快速實現(xiàn)對模型的修改和產(chǎn)品系列化設(shè)計,有效地提高了產(chǎn)品的設(shè)計效率。
供料系統(tǒng);包裝機;參數(shù)化設(shè)計;體積計量;實體建模
劉海生(1967 -),男,吉林人,副教授,主要從事機械設(shè)計和發(fā)動機性能研究。
TH122; TP391.7
A
1009-0134(2014)06(上)-0145-03
10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).41
2014-03-23