劉海生 張 俊 李 菡 解邦銀

（1.湖北文理學院機械與汽車工程學院，湖北 襄陽 441053；2.汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 襄陽 441053；3.湖北襄陽逸順機電科技有限公司，湖北 襄陽 441000）

高精度小包裝物品因其包裝精巧和攜帶方便，廣泛應用于食鹽、味精、雞精、白糖、預混料、添加劑、種子等顆粒狀的定量包裝。目前，國內(nèi)外大多數(shù)包裝機械存在著一些明顯的缺陷，主要是在立式包裝機中存在包裝袋錯邊起皺、包裝袋封口外形不正等問題，這主要是橫封瞬時速度與縱封速度不相同、剪斷滾刀的線速度與料袋下降速度不匹配引起的［1］。肖蓉川［2］運用數(shù)學計算方法確定偏心鏈輪參數(shù)，其過程復雜又不直觀；韓炬等［3］應用 Matlab編寫程序和Creo Parametric軟件對熱封機構(gòu)進行了建模及動力學分析，但未對熱封機構(gòu)的參數(shù)進行確定和優(yōu)化，且現(xiàn)有研究均限于局部機構(gòu)。為此，本研究擬借助SolidWorks三維軟件對全自動立式包裝機整機實現(xiàn)參數(shù)化設計、三維建模和運動分析，以提高設計質(zhì)量和性能、縮短設計周期。

1 全自動包裝機的組成及存在的問題

1.1 全自動包裝機的組成

袋裝全自動包裝機是集制袋、計量、充填、封裝、剪切、稱重等功能為一體的包裝設備。由于生產(chǎn)批量較大，常選用多工位、連續(xù)型運動形式，以提高包裝效率，本機采用立式直線型工藝要求路線［1，4］，它由供料系統(tǒng)1、供膜裝置2、縱封機構(gòu)3、橫封機構(gòu)4、剪切機構(gòu)5、稱重分揀裝置6、傳動系統(tǒng)7、機架及控制系統(tǒng)組成，見圖1。

圖1 包裝機的組成Figure 1 The structure of pockaging machine

工作時，供料系統(tǒng)1采用六工位旋轉(zhuǎn)運動將被包裝物料填充到可調(diào)式量杯中進行計量，并定時充填到由供膜裝置2形成的漏斗狀袋筒內(nèi)；然后縱封機構(gòu)3通過一對做等速相向回轉(zhuǎn)的輥輪，對袋筒加熱封邊及牽引運動，橫封機構(gòu)4帶動一對熱封頭實現(xiàn)袋筒封口，同時保證熱封瞬時熱封頭與連續(xù)運動著的袋筒具有相同的線速度；最后由剪切機構(gòu)5驅(qū)動旋轉(zhuǎn)式輥刀將包裝袋切斷，并通過稱重分揀裝置6對成品袋進行自動稱重和分揀歸類。傳動系統(tǒng)7將電動機的動力分配給各執(zhí)行機構(gòu)，并協(xié)調(diào)各機構(gòu)動作一致。

1.2 原設備存在的問題及改進措施

（1）原設備常常存在包裝袋錯邊起皺、包裝袋封口外形不正、商標圖案錯位的問題，這是由于原設備各執(zhí)行機構(gòu)的動力是由一根動力軸分配的，縱封機構(gòu)經(jīng)過行星差動輪系、圓錐帶式變速器、齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)初始位置修正、調(diào)速和換向的，其調(diào)節(jié)不易控制，從而導致縱封輥輪的牽引速度與橫封封頭瞬時運動速度不匹配所致。針對此問題，改進措施是：將縱封機構(gòu)從傳動系統(tǒng)中獨立出來，由單獨的步進電機控制，其速度大小由機械控制轉(zhuǎn)化為PLC控制，不僅可避免各執(zhí)行機構(gòu)間的強耦合，便于協(xié)調(diào)和控制各執(zhí)行構(gòu)件的速度一致或匹配，又能簡化傳動鏈，降低設計和制造成本。

（2）不同長度的包裝袋要求有不同的包裝袋下降速度，就必須能夠改變橫封輥輪的轉(zhuǎn)速與之匹配，原設備采用更換不同直徑的從動鏈輪的方式來調(diào)節(jié)橫封輥輪的轉(zhuǎn)速，由于鏈輪直徑是離散的幾個固定值，所以包裝袋的長度規(guī)格就不連續(xù)可調(diào)，且更換鏈輪較麻煩。為了適應包裝袋長度在一定范圍內(nèi)任意可調(diào)，改進措施是將橫封機構(gòu)傳動鏈上的主鏈輪改為偏心鏈輪，通過調(diào)整鏈輪的偏心距來調(diào)節(jié)橫封機構(gòu)的封合瞬時速度，使之與包裝袋下降速度匹配，保證包裝機各機構(gòu)協(xié)調(diào)運動。

2 傳動系統(tǒng)的改進

改進后的傳動系統(tǒng)方案的運動簡圖如圖2所示，電動機通過皮帶輪D1/D2帶動減速器，減速器通過鏈條Z1/Z2帶動動力分配軸Ⅰ旋轉(zhuǎn)，并將動力分配給三路。第1路動力傳給供料系統(tǒng)，通過錐齒輪Z3/Z4嚙合帶動傳動軸Ⅱ旋轉(zhuǎn)，再通過齒輪Z5/Z6、Z7/Z8嚙合帶動供料盤軸IV旋轉(zhuǎn)，使供料系統(tǒng)以傳動比i＝1/6運行，軸Ⅳ上的離合器用于包裝機調(diào)試時使用，以避免供料；第2路動力傳給橫封機構(gòu)，通過偏心鏈輪Z9/Z10和齒輪組Z11/Z12、Z13/Z14、Z15/Z16帶動橫封軸Ⅶ、Ⅷ反向變速旋轉(zhuǎn)，傳動比i＝1/2，橫封輥輪每轉(zhuǎn)180°封口一次；第3路動力傳給剪切機構(gòu)，通過齒輪Z17/Z18、Z18/Z19嚙合帶動切斷軸Ⅹ上的刀片旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)剪切運動，其傳動比i＝1，實現(xiàn)一袋一切斷，當軸Ⅰ上離合器斷開時不切斷包裝袋。

圖2 傳動系統(tǒng)示意圖Figure 2 Transmission system

縱向機構(gòu)的動力不再取自動力分配軸Ⅰ，而是設立單獨的步進電機驅(qū)動，通過同步齒型帶D3/D4、齒輪Z20/Z21帶動縱封軸Ⅴ、Ⅵ旋轉(zhuǎn)，以牽引、熱封合包裝袋，其速度由袋長決定，通過檢測動力分配軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)步進電機的脈沖數(shù)來實現(xiàn)。供膜裝置和稱重分揀裝置分別用伺服電機驅(qū)動，由PLC控制器協(xié)調(diào)各動作。

3 橫封機構(gòu)的改進

包裝機的縱封輥輪有兩個作用：① 縱向封合作用；② 帶動包裝膜進行送膜。而橫封輥輪的封合是間斷的，按正常的工作要求是在橫封進行封合這段時間內(nèi)，它的線速度應與縱封輥輪的線速度保持一致，否則會使包裝膜受拉伸而破損或者是松弛起皺，造成封合不良。為此，本機設置偏心鏈輪機構(gòu)（圖3），以保證袋長在一定范圍內(nèi)變化時，能使橫封輥輪在封合時的圓周線速度與縱封輥輪的線速度相一致，以使包裝機適應不同包裝袋的長度需求，保證機器的正常工作。通過調(diào)節(jié)鏈輪相對于主軸的偏心位置以改變偏心距，進而實現(xiàn)變傳動比（式（1））傳動［2］，工作時鏈輪帶動橫封軸做變速轉(zhuǎn)動且保持與包裝袋下落速度一致，保證密封質(zhì)量。

圖3 偏心鏈輪機構(gòu)Figure 3 Mechanism of eccentric sprocket

式中：

ω0——主動偏心鏈輪的等角速度，rad/s；

ω——從動鏈輪的瞬時角速度，rad/s；

e——主動鏈輪的偏心距，mm；

L——主從鏈輪的回轉(zhuǎn)中心距，mm；

R——主從鏈輪的節(jié)圓半徑，mm。

4 包裝機的參數(shù)化建模與模擬仿真

4.1 各零件的參數(shù)化設計

參數(shù)化技術(shù)是在工程設計實際應用中常用的CAD技術(shù)，它借助一組參數(shù)來控制設計結(jié)果，通過更換該組參數(shù)值以實現(xiàn)一系列相似零件的設計建模，可大大提高產(chǎn)品的設計效率?，F(xiàn)以偏心鏈輪設計為例，詳細介紹在SolidWorks中的參數(shù)化建模過程［5－7］：

（1）為實現(xiàn)鏈輪的參數(shù)化和系列化，首先要確定鏈輪的主驅(qū)動參數(shù)，如鏈輪節(jié)距、齒數(shù)、鏈條滾子直徑、鏈輪寬度等作為整體變量，建立鏈輪的分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑和齒廓型面參數(shù)與主參數(shù)的尺寸關(guān)系，使這些次要參數(shù)依附于主參數(shù)。并在SolidWorks中通過“工具→方程式”下拉菜單，輸入各主參數(shù)及其初始數(shù)值、尺寸關(guān)系，見圖4。

圖4 建立主參數(shù)和方程式Figure 4 The establishment of the main parameters and equations

（2）運用“旋轉(zhuǎn)凸臺”命令生成鏈輪坯體、“拉伸切除”命令切出齒槽，鏈輪齒形是根據(jù)“三圓弧一直線”原則建立的，即齒溝圓弧、工作段圓弧、工作段直線、齒頂圓弧，它具有較好的嚙合性能和可加工性。在繪制草圖截面時通過雙擊各尺寸，輸入相應的方程式，系統(tǒng)會自動將該方程式加入方程式對話框中，并重新計算該尺寸值，在其數(shù)值前顯示∑標記，見圖5。各草圖必須完全定義，以確定各形狀之間的位置關(guān)系，保證模型對驅(qū)動參數(shù)的正確更新和重新構(gòu)建。

圖5 齒槽截面的參數(shù)化草圖Figure 5 The parametric sketch of tooth section

（3）對齒槽特征進行圓周陣列，生成各輪齒，并對軸面齒形兩側(cè)切成圓弧狀，以便于鏈節(jié)進入和退出嚙合。

4.2 虛擬裝配與模擬仿真

根據(jù)不同袋長的需求，必須輸出滿足工藝要求的角速度，使各機構(gòu)動作協(xié)調(diào)一致?？v封機構(gòu)的角速度可以通過袋長直接轉(zhuǎn)換成步進電機的脈沖數(shù)，所以設計的關(guān)鍵問題是保證偏心鏈輪機構(gòu)與料袋下落速度匹配，為此在SolidWorks COSMOSMotion模塊中設置各靜止和運動零部件，并添加運動副約束和驅(qū)動，對產(chǎn)品的可裝配性和運動特性進行分析［8，9］，包裝機主傳動系統(tǒng)的三維實體模型見圖6、偏心鏈輪機構(gòu)的輸出運動特性曲線見圖7。

圖6 傳動系統(tǒng)的三維模型Figuer 6 3Dmodel of transmission system

圖7 偏心鏈輪機構(gòu)輸出運動特性曲線Figure 7 The output movement characteristics of eccentric sprocket mechanism

通過對偏心鏈輪機構(gòu)運動仿真結(jié)果可知：①θ1和θ2分別為從動鏈輪具有最大、最小角速度時主動鏈輪的瞬時轉(zhuǎn)角，這兩個極值點將作為包裝機橫封機構(gòu)的熱封點；② 當兩鏈輪的回轉(zhuǎn)中心距L增大時，從動鏈輪的極限角速度幾乎不變，但其對應的主動鏈輪極限角θ1和θ2變化較大。在結(jié)構(gòu)允許的情況下，適當增大L有利于滿足橫封機構(gòu)讓袋的工藝需求；③ 偏心鏈輪的偏心距e變化時，從動鏈輪的極限角速度及其對應的極限角θ1和θ2會發(fā)生較大變化。在包裝袋長度較大時，應在較大的極限角速度下進行熱封，即選擇較大的鏈輪偏心距。因此根據(jù)袋長按照勻速可以計算出包裝袋的下降速度，從而通過仿真便可確定出鏈輪偏心距e。

5 結(jié)論

借助SolidWorks三維軟件完成了對全自動立式包裝機的傳動系統(tǒng)和橫封機構(gòu)的參數(shù)化建模和模擬仿真，解決了包裝袋易錯邊、起皺、夾料和封口不平的問題。已成功地對某藥業(yè)公司的10臺DXDK40II型包裝機實施了改進，提高了設備的自動化程度和包裝質(zhì)量。為節(jié)約成本盡量保留了原設備的傳動結(jié)構(gòu)，對今后新開發(fā)的包裝機可以采用全電動方式，各執(zhí)行機構(gòu)均采用步進電機或伺服電機直接驅(qū)動，將大幅簡化傳動系統(tǒng)，縮短生產(chǎn)周期、擴大設備應用范圍。

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2 肖蓉川.偏心鏈輪機構(gòu)在顆粒包裝機中的分析與設計［J］.包裝工程，2008，29（7）：57～59.

3 韓炬，王瑩，郭亞楠.包裝機熱封機構(gòu)的建模及動力學分析［J］.食品與機械，2013，29（1）：146～148.

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