曹肖兵

（上海言筑機(jī)械設(shè)備有限公司，上海 201802）

預(yù)灌裝是灌裝行業(yè)和包裝行業(yè)中的一道重要工序，在食品、化妝、化工及醫(yī)藥等行業(yè)廣泛應(yīng)用。但是，我國早期在包裝設(shè)備方面的設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造及售后維修等方面嚴(yán)重缺乏實際經(jīng)驗，致使國內(nèi)預(yù)灌裝工序比較復(fù)雜。在外部機(jī)械結(jié)構(gòu)上，它存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工制造成本高及售后維修困難等缺點，阻礙了我國包裝行業(yè)的發(fā)展。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技水平的發(fā)展，許多生產(chǎn)制造工廠對包裝設(shè)備自動化程度提出了更高要求。但是，由于現(xiàn)有設(shè)備普遍存在各種缺陷，比如拆外包機(jī)在執(zhí)行各種操作時有可能會污染巢盒，進(jìn)而污染內(nèi)部產(chǎn)品，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時不利于企業(yè)的快速健康發(fā)展。此外，現(xiàn)有的拆外包機(jī)在通用化方面程度不高，整體機(jī)械的生產(chǎn)和維修售后較為困難[1]。在此背景下，需要對現(xiàn)有拆外包機(jī)進(jìn)行技術(shù)升級改造，設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單、加工制造成本低以及通用化程度高的拆外包機(jī)。

1 拆外包機(jī)系統(tǒng)組成

拆外包機(jī)系統(tǒng)主要包括滑動氣缸機(jī)構(gòu)、滑臂機(jī)構(gòu)、真空吸附機(jī)構(gòu)及螺旋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖1所示。滑動氣缸機(jī)構(gòu)中，滑動氣缸是拆外包機(jī)的主要動力源。通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)氣缸桿伸縮來調(diào)節(jié)滑臂的移動距離，便于吸附機(jī)構(gòu)與巢盒精準(zhǔn)對接。滑臂機(jī)構(gòu)利用機(jī)械臂工作原理設(shè)計，與滑動氣缸桿末端連接，通過氣缸作用帶動滑臂運(yùn)動，可以更好地調(diào)節(jié)末端真空吸附機(jī)構(gòu)的位置，使其與巢盒精準(zhǔn)對接。一方面，真空吸附機(jī)構(gòu)可用來支撐固定真空吸附嘴；另一方面，利用真空吸盤原理可以將巢盒吸緊，以便改變巢盒位置。螺旋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)利用絲杠螺母副傳動，通過轉(zhuǎn)動調(diào)整旋鈕，調(diào)整真空吸附管架的高度，可以對不同規(guī)格的巢盒進(jìn)行相關(guān)操作，極大地優(yōu)化了拆外包機(jī)的柔性度[2]。

2 拆外包機(jī)總體規(guī)劃和工作原理

為更好地便于讀者理解拆外包機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計人員給出整體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。其中，圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）分別為本次設(shè)計的拆外包機(jī)3個視圖?？梢?，設(shè)計的拆外包機(jī)主要包括真空吸附嘴、真空吸附管及其支架、真空過渡管、軟管、中間套、支撐部件、滑動氣缸、調(diào)節(jié)旋鈕以及滑臂等。這些部件相互配合可以實現(xiàn)巢盒工位的自動搬運(yùn)功能[3]。

滑動氣缸機(jī)構(gòu)是主要的傳動部件。在滑動氣缸的輸出末端安裝滑臂，通過調(diào)節(jié)氣缸桿的伸縮量改變滑臂位置，進(jìn)而改變末端真空吸附嘴位置，便于真空吸附嘴與巢盒精準(zhǔn)對接。

滑臂機(jī)構(gòu)利用機(jī)械臂工作原理設(shè)計，與滑動氣缸桿末端連接，通過氣缸作用帶動滑臂運(yùn)動，可以更好地調(diào)節(jié)末端真空吸附機(jī)構(gòu)的位置，使其與巢盒精準(zhǔn)對接。

真空吸附機(jī)構(gòu)是拆外包機(jī)的關(guān)鍵部件之一，主要由真空吸附嘴、吸附管、真空吸附管架、中間套、支撐部件、真空過度管以及軟管等組成。其中，支撐部件作為中間媒介，將真空吸附管架與滑臂串聯(lián)。當(dāng)滑動氣缸運(yùn)動時，在滑臂傳力作用下帶動支撐部件沿預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)行，進(jìn)而帶動真空吸附管架和整個真空吸附機(jī)構(gòu)運(yùn)動，實現(xiàn)真空吸附嘴與巢盒對接[4]。

對于支撐部件，巢盒通常為矩形狀且具有一定的高度和寬度。利用真空吸附管架可以將末端的真空吸附嘴支撐起來，使其距離地面保持一定的高度。將吸附管固定在真空吸附管架頂部，同時利用真空過渡管將吸附管與真空吸附嘴連接，一方面可以對末端的真空吸附嘴起到支撐和固定作用，另一方面可以通過兩種管道調(diào)節(jié)末端真空吸附嘴的橫向位置，使其可以適用于多種寬度的巢盒。

軟管與氣源連接。通過軟管將支撐部件、真空真空過渡管、吸附管二級真空吸附嘴串聯(lián)起來形成一條完整的真空通道。工作時，設(shè)計人員將真空管道內(nèi)部的空氣抽取出來使其成為真空狀態(tài)。這樣真空吸附嘴可以更好地將巢盒吸緊，以便移動巢盒位置。此外，目前的巢盒種類較多，但其高度并不統(tǒng)一。因此，在支撐部件上增加調(diào)節(jié)旋鈕。通過該裝置可以調(diào)節(jié)真空吸附管架的高度，使其適用于多種規(guī)格型號的巢盒，進(jìn)一步增加拆外包機(jī)的柔性度[5]。

3 拆外包機(jī)氣動裝置設(shè)計計算

相較電缸而言，氣缸具有價格低、質(zhì)量輕及運(yùn)行速度快等優(yōu)點。因此，設(shè)計選用氣缸作為主要動力傳動部件。目前，常見的氣缸主要有單作用和雙作用兩種[6]。結(jié)合設(shè)計要求，最終選用雙作用式氣缸。它的主要功能是通過調(diào)節(jié)氣缸桿實現(xiàn)滑臂位姿，進(jìn)而帶動整個真空吸附機(jī)構(gòu)跟隨氣缸桿移動，以便末端的真空吸附嘴與巢盒精準(zhǔn)對接。為更好地驅(qū)動真空吸附機(jī)構(gòu)運(yùn)行，設(shè)計人員合理設(shè)計與計算氣缸。

雙作用氣缸示意圖如圖3所示，M為進(jìn)出氣口1（氣體壓強(qiáng)為0.65 MPa），N為進(jìn)出氣口2（氣體壓強(qiáng)為0.65 MPa），D為氣缸內(nèi)徑，d為推桿直徑，Q為缸體，W為活塞，E為氣缸伸縮桿，F(xiàn)1為氣缸桿回收移動時的輸出力，F(xiàn)2為氣缸桿外伸移動時的輸出力。當(dāng)氣缸動作帶動滑臂移動時，氣體從N口進(jìn)去，M口排出。此時，壓強(qiáng)P1=0 MPa，P2=P，推桿向上移動。氣缸桿回收移動時的拉力為：

式中：A1為無桿腔活塞的有效面積，且A2為有桿腔活塞的有效面積，且。

由式（1）可知，設(shè)計的真空吸附機(jī)構(gòu)總質(zhì)量約為37 kg，巢盒最大質(zhì)量約為3 kg。為留有安全系數(shù)，按50 kg計算負(fù)載，即F1為500 N。氣缸的動力來源于氣泵，額定壓強(qiáng)為1 MPa，即P為1 MPa。計算氣缸內(nèi)徑D時，可取推桿直徑d=0.3D。因此，設(shè)計人員可計算氣缸內(nèi)徑。結(jié)合巢盒工位移動行程，設(shè)計人員最終選用SC50-500的雙作用氣缸，理論推力約為1000 N，遠(yuǎn)大于500 N，滿足了使用要求。

4 結(jié)語

拆外包機(jī)是包裝行業(yè)常用的重要設(shè)備之一。雖然我國的拆外包機(jī)種類較多，但是大多數(shù)都無法實現(xiàn)通用化，且具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工制造成本高等缺陷，因此不利于我國包裝機(jī)械和包裝行業(yè)的發(fā)展。針對這一現(xiàn)狀在傳統(tǒng)的拆外包機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計了一款通用化程度高和結(jié)構(gòu)簡單的全自動拆外包機(jī)。

第一，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解拆外包機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理，同時掌握國內(nèi)外拆外包機(jī)的最新進(jìn)展，為設(shè)計提供參考依據(jù)。

第二，結(jié)合設(shè)計所提出的拆外包機(jī)整體設(shè)計方案，詳細(xì)介紹拆外包機(jī)的系統(tǒng)組成、各部分功能及其工作原理。

第三，詳細(xì)設(shè)計拆外包機(jī)的關(guān)鍵部件，主要包括氣缸機(jī)構(gòu)、滑臂機(jī)構(gòu)、真空吸附機(jī)構(gòu)等。

第四，詳細(xì)計算傳動氣缸并合理選型，使其可以滿足設(shè)計要求。

設(shè)計的全自動拆外包機(jī)相較于傳統(tǒng)設(shè)備在結(jié)構(gòu)上有了較大改進(jìn)，不僅簡化了結(jié)構(gòu)，降低了加工制造成本，且采用氣動裝置實現(xiàn)了巢盒工位的移動功能，污染程度小，反應(yīng)速度快，進(jìn)一步提高了拆外包機(jī)的工作效率，同時加快了我國包裝行業(yè)和灌裝行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。