回转式给袋包装机移袋机构同步特性分析
时间：2023-02-16 23:25:04 来源：千叶帆 本文已影响人
艾宝生，夏军勇，贺 韧，孙 颖
（湖北工业大学 机械工程学院，武汉 430072）
关键字：包装机；
移袋同步结构；
同步特性；
机构优化
随着包装机械的迅速发展，包装生产逐渐趋向于商品化、社会化和国际化［1］。预制袋包装是一种被广泛应用的包装形式，在食品、药品和纺织品等产品上都得到了很普遍的应用［2］。对包装机械的研究对于包装工业的发展与进步有着重要的意义［3］。尤其当前是我国在国际包装大国中占据重要地位的关键阶段，迫切地要求现代包装机能够实现自动化和准确化［4］。全自动给袋式包装机的出现在一定程度上代替了人工，极大地提高了食品包装的自动化程度及生产效率，人工和管理费用都在不断下降［5］。
尽管当前包装机的包装速度得到很大的提升，但是普遍存在着抽真空和热封效果不理想的问题。人们在追逐提高速度的同时，末端执行器的稳定性却在下降［6］，造成预期轨迹的波动，严重影响抽真空效果。
为改进移袋工序的结构，减小末端执行器的运动轨迹波动，提高包装袋的抽真空和热封效果。本文设计一种空间连杆与凸轮组合的移袋同步机构。通过凸轮反转法研究移袋过程的凸轮实际廓线，由凸轮出发建立给袋式包装机移袋同步机构的虚拟模型，整体结构紧凑，传动平稳。并使用运动仿真软件对移袋机构的同步特性进行研究。利用样机现场试验得到同步率和贴合率数据，结果验证设计的可行性与先进性。
回转式给袋包装机可以自动完成包装袋的取袋、撑袋、装填、移袋、热封和输出等工序［7］。主要由供袋装置、取袋装置、装填装置、移袋装置，热封装置和输出装置等组成。
其工作原理是通过取袋机构完成包装袋的取袋工作，然后机械手将包装袋撑开，接着依次完成下料、热封及最后输出过程。在工作过程中，动力由驱动装置传递，各个工位同时稳定运行。取袋机构首先取出放在工作台一侧固定工位的包装袋，包装袋被送到旋转工作台上被吸住随工作台做旋转运动，旋转工作台一般设置成8，10，12个工位，本文设计的工作台为12工位。当工作台旋转到下料工位时，包装袋两侧伸出吸盘将包装袋撑开完成撑袋动作，与此同时充填物料的装置伸出将物料送入袋中。完成下料工序后，包装袋在旋转工作台上继续转动到达移袋工位，移袋机构上的移袋夹板将包装好物料的包装袋从旋转工作台上取下，通过移袋操作将物料袋送至真空包装室进行热封处理。进行抽真空处理后的袋子随着真空包装室旋转，到达指定位置后掉落在输出装置的传送带上，经输出装置送出，至此完成物料的自动包装过程。
2.1 数值分析凸轮设计
移袋凸轮和同步凸轮组成的共轭凸轮示意如图1所示。
图1 共轭凸轮示意图Fig.1 Schematic diagram of a conjugate cam
在移袋同步机构中，机构末端执行器移袋夹板的运动规律与凸轮的形状轮廓有着密切的联系。移袋夹板的运动轨迹由移袋凸轮和同步凸轮的实际轮廓形状共同决定，故对凸轮轮廓的设计十分重要，它会直接影响移袋过程同步率和贴合率的高低，间接决定包装袋抽真空和热封效果的好坏。本文通过从动件的运动规律反过来设计凸轮运动规律，首先从凸轮理论分析出发计算得到凸轮理论轮廓曲线，经过理论廓线建模仿真分析得到实际工作的凸轮轮廓曲线［8］；
再根据凸轮实际轮廓曲线进行移袋同步机构设计。
在三角形OAA"中，滚子半径的连线与极径间的夹角：
由正弦和余弦定理：
故滚子的中心相对于凸轮的转角：
同步凸轮廓线求解，如图2所示。
图2 同步凸轮廓线求解示意图Fig.2 Schematic diagram of the synchronous cam contour line solution
设O"A"=L1，O"B"=L"1，OO"=L2，OA"=R，OB"=R"，∠A"O"B"通过测量得到。则：
故得B点的坐标为（θB，R"）。
同步凸轮轮廓线可以得到凸轮滚子半径的连线与极径之间的夹角：
r"和 δ 根据式（3）-（6）可得：
同步凸轮滚子中心相对凸轮转角：
在移袋同步机构中，凸轮带动移袋摆臂沿Y轴方向做往复摆动，其各自的运动循环如图3所示。
图3 凸轮摆臂运动循环图Fig.3 Movement cycle diagram of cam swing arm
通过凸轮摆臂的运动循环图，运用MATLAB软件进行编程，得到移袋机构中移袋凸轮和同步凸轮的虚拟建模实际廓线，如图4所示。
图4 凸轮的实际外轮廓曲线图Fig.4 Diagram of the actual outer profile of the cam
针对数值分析设计得到的新凸轮，对整个机构进行运动学仿真，得到末端执行器的角加速度图像曲线如图5所示。其曲线整体运动规律基本不变，最值与之前移袋机构相比较小，整体变化波动不大，从而验证方法的可靠性和有效性。
图5 末端执行器角加速度曲线图Fig.5 Angular acceleration graphs of end-effector
2.2 移袋同步机构建模
根据得到的凸轮参数使用UG软件对移袋同步机构进行完整建模，建立的简要虚拟模型如图6所示。
图6 移袋机构示意图Fig.6 Schematic diagram of the bag moving mechanism
本文设计的移袋同步机构适用于中高速给袋式自动真空包装机。采用空间连杆与凸轮组合的机构，整体具有结构紧凑、运动平稳、制造方便和适用范围广等优点。移袋同步机构为新型给袋式包装机核心机构，由末端执行器移袋夹板完成移袋动作，移袋的同步率和贴合率直接影响塑料包装袋的抽真空和热封效果，进而影响整个回转式给袋包装机的工作性能［9］。本文主要对移袋机构的同步特性进行分析，验证其是否能够实现预期的移袋运动，以及顺利实现移袋运动之后，在移袋的过程中是否具有较好的同步率和贴合率，保证食品包装的合格率。
将模型简化后在UG中打开，并添加相关的运动副和约束，对其进行机构运动仿真。设计真空包装室周围一共有12个包装工位，单次移袋动作时间为1 s，其相应转过的角度为30°，故其工作移袋速度为60袋/min。根据其运动仿真得到单次移袋的零件各个时刻对应的角度时序如图7所示。
图7 时序图Fig.7 Time sequence diagram
可以看出，在单次移袋运动周期内，凸轮正好旋转1周，之后重新移袋，而其他零件也符合周期规律。尽管在运动过程中角度会发生不同的变化，但最后都回归到起始值。
在凸轮旋转1周的过程中，其对应的摆臂做往复摆动，根据仿真得到的角位移曲线如图8所示。
图8 凸轮摆臂角位移曲线图Fig.8 Angular displacement curve of cam swing arm
本文旨在验证移袋机构的同步特性，以此来判断移袋机构的设计是否合理可行，故在运动分析时，省略对其他无关零件的分析，只对末端执行器移袋夹板进行运动分析［10］。
移袋机构的末端执行器位移幅值曲线如图9所示。
图9 移袋位移曲线图Fig.9 Bag moving displacement graph
移袋同步机构位移曲线在整体上呈现周期性变化，而在单次移袋过程中会实现移袋、给袋和回程3个动作，其移袋仿真位移曲线也完整地展示了这个过程，符合移袋同步机构往复运动的过程。其在越大值处的位移值波动越小，说明给袋的贴合率越好。在0.22～0.44 s时处于最小值，说明此时处于移袋过程，且其数值变化很小，移袋的贴合率很好，能够在每次运动过程中到达指定的移袋和给袋位置；
0.44 s以后属于回程时间。位移运动曲线在给袋和移袋位置基本保持不变，表明移袋同步机构的贴合率表现优异。
移袋同步机构的移袋角速度曲线如图10所示。
图10 移袋角速度曲线图Fig.10 Angular velocity graph for bag moving
移袋同步机构角速度的变化体现其同步率，优化的主要目的是使角速度能尽可能的保持周期性变化，使得机构的同步率尽可能高。设计得到的运动曲线在移袋的工位角速度变化明显，最后回程时角速度也回归初值，整体符合移袋运动规律。移袋同步时存在微小的角度变化，说明真空装配室与移袋机构的给袋夹板之间的同步率还未达到100%，但是真空装配室完整旋转1周的过程中呈现周期性变化规律，其同步特性表现良好，已经满足企业的生产设计要求。
移袋同步机构的移袋速度曲线如图11所示。
图11 移袋速度曲线图Fig.11 Bag moving speed graph
对移袋机构的移袋夹板进行速度分析，了解移袋夹板的速度变化情况。移袋夹板的工作速度满足实际的生产要求，工作速度过大可能导致生产安全问题，过小会影响给袋式包装机的生产效率。波形符合移袋运动规律，其整体呈现周期性变化规律，符合设计预期目标。
4.1 试验调试
设计仿真完成后，对相关零部件进行加工，对给袋式自动包装机进行整体装配以及相关设备调试，并对物理样机进行试运行，其现场调试如图12所示。
图12 现场调试图Fig.12 Pictures of on-site commissioning
回转式给袋包装机包含诸多的实时检测系统，由控制面板可知，在运行过程中可以得到实时工作的同步值和贴合值数据，对数据进行整理和相关计算分析。
4.2 结果分析
同步率P和贴合率Q是检测移袋装置的2个重要参数，P主要表示移袋夹板和真空包装室的速度同步程度，Q表示移袋夹板上的包装袋与真空室的贴合程度。这2个参数将直接决定包装袋的真空效果，也间接决定产品合格率的高低。
设置真空装配室的转速为1/12 rad/s，旋转半径为500 mm，其数值大小用A表示。通过速度测量仪得到经过优化后的移袋机构在BC段同步真空装配室的转速，用B表示。移袋夹板运动轨迹如图13所示。
图13 优化后的移袋夹板轨迹图Fig.13 Optimized trajectory diagram for bag moving cleats
则其同步率的计算公式：
式中P——移袋机构同步率，%；
A——真空装配室转速，rad/s；
B——移袋机构转速，rad/s。
贴合率用包装袋和真空室接触面积的百分比表示。在真空室贴上125×125 mm的透明网格（刻有2 500个2.5×2.5 mm的小方格），包装袋移到真空装配室产生接触痕迹，计算出所占区域的小方格总面积C，D表示透明网格的总面积，则移袋夹板在移袋过程中贴合率的计算公式：
式中Q——移袋机构贴合率，%；
C——所占区域总面积，mm2；
D——透明网格总面积，mm2。
通过现场试验数据采集，统计10组试验数据进行计算，其优化前后的给袋式包装机试验数据如表1所示。
表1 移袋同步机构优化设计前后试验数据对比Tab.1 Comparison of test data before and after optimization of the bag moving synchronization mechanism （单位：%）
将表1中数据导入Origin软件中，得到给袋式包装机优化前后同步率和贴合率变化趋势对比，如图14所示。
图14 优化前后同步率和贴合率变化对比Fig.14 Comparison of changes in synchronization rate and fit rate before and after optimization
优化结构设计后得到的结果更加满足生产要求，优化后的平均同步率由97.1%提高到98.5%，平均贴合率由94.4%提高到98.1%。与此同时，整机在试运行过程中的噪音和振动都很小，稳定性也得到加强，使用寿命更长，可见设计的结构使得其性能得到稳步提升。
本文根据实际生产参数要求，通过凸轮参数优化结构设计，对机构进行动态仿真，并根据其运动曲线对移袋机构的同步特性进行分析，周期性表现明显；
然后对整个机构进行简化处理，进行模态分析，结果表明符合企业生产要求；
最后对机构进行调试验证，结果显示，设计的移袋机构同步率以及贴合率都得到很大的提升，分别达到98.5%和98.1%。从而保证包装机生产的可靠性，具有极大的实用性［11-14］。
