刘亚丽 张 俊 杨晓平 解邦银

(1. 湖北文理学院机械工程学院, 湖北 襄阳 441053；2. 襄阳逸顺机电科技有限公司,湖北 襄阳 441000)

在食品、医药、化工等行业中有大量的粉料物品需进行小袋全自动包装，而包装机的供料装置用于将待包装的粉料物品从料堆中定量分离，并按全自动包装机设定的时间节拍快速、平稳地输送到卸料位置处放料[1]。目前广泛使用的供料装置为可调量杯式计量装置，其计量准确，能对计量容积进行调节以满足不同包装规格的需求[2]。但现有供料装置的转盘均为匀速旋转，包装速度为中、低速，提高转速后存在卸料不完全和撒料的问题，主要是因为提高转速后，卸料时间变短，同时粉料的离心力增加后易在料门打开时产生飞溅。

试验拟将曲线槽槽轮机构应用于粉料包装机的供料装置中，实现供料转盘的周期性变速旋转，即卸料区转盘低速旋转而非卸料区转盘高速旋转，旨在为保证稳定供料的前提下极大地提高转盘的平均转速，实现高速自动包装。

1 供料装置的工作原理和改进

全自动小型包装机中通常采用容积方式进行计量，其中可调量杯式计量的供料装置应用较为广泛，其结构示意图如图1所示，主要由装填计量部件和容积调节机构两部分组成，包括料斗、转盘、刮料器、量杯和蜗轮蜗杆机构等[3]。

1.1 可调量杯式供料装置结构及工作原理

6套圆筒形状的定量杯13和可调量杯14分别安装在转盘9和量杯座8上并形成一个整体，通过连接盘12与主轴2连接，主轴2通过轴承安装在固定座3上；蜗轮6通过轴承空套在主轴2上，蜗轮6与量杯调节座7之间通过螺纹副连接。当需要容积调节时，装置不工作，主轴2以及与其连接的转盘9和定量杯13静止不动，通过旋转与蜗杆5相连接的手柄驱动蜗轮6旋转，因受到立杆17的限制，量杯调节座7不能旋转，则在螺纹副作用下向上或向下移动，从而带动量杯座8和可调量杯14上升或下降，使量杯组的容积增大或减小，实现容量调节。当供料装置工作时，量杯调节座7及蜗轮蜗杆机构固定不动，转盘9经由齿轮传动、槽轮机构1和主轴2驱动，带动量杯组一起旋转，量杯座8下部安装的料门15封住可调量杯14的底面，并通过安装在卸料口处的拨杆16完成料门15的打开和关闭。转盘9旋转时，粉料靠自重装填至量杯组内，并被固定不动的刮料器10刮平。

1. 槽轮机构 2. 主轴 3. 固定座 4. 机架 5. 蜗杆 6. 蜗轮 7. 量杯调节座 8. 量杯座 9. 转盘 10. 刮料器 11. 料斗 12. 连接盘 13. 定量杯 14. 可调量杯 15. 料门 16. 拨杆 17. 立杆

1.2 装置改进

原装置均布有6组量杯，其动力分配是从分配轴上通过两对传动比分别为3和2的两级齿轮进行传动，保证分配轴每转1周，供料装置卸料1次，热封机构完成1次封装[3]。为实现供料装置变速供料，采用3拨销6槽槽轮机构取代传动比为2的一对齿轮机构，3拨销6槽槽轮机构可以实现变速、连续运转，拨销盘每转1周则槽轮转1/2周，能满足装置时间节拍的需求，也能保证包装机的整个结构不被改变，按对应的中心距来设计槽轮机构即可。

2 匀速供料时卸料时间的计算

可调量杯式供料装置的卸料过程如图2所示，A、B处是内径为r1的量杯，O′处是内径为r2的卸料口，R为量杯的分布圆半径。当转盘9逆时针旋转时，量杯从B处开始卸料，旋转2θ后到达B′处时卸料完毕，2θ称为单量杯的卸料角，量杯扫过圆弧BO′B′所需的时间即单量杯的卸料时间。

图2 粉料卸料过程示意图

实际上，r2略大于r1，为了计算方便，取r2近似等于r1，则：

(1)

设供料装置上分布有n组量杯，包装机的最大包装速度为m袋/min，则单量杯扫过一个卸料角2θ(rad)所需的时间(s)为：

(2)

3 曲槽槽轮机构设计

3.1 运动参数

直槽槽轮机构由于在拨销进出槽口时加速度不连续而导致柔性冲击，不适合于高速运动[4]，因此设计了曲槽槽轮机构，使槽轮的角速度和角加速度在整个运动过程中连续变化，其运动关系如图3 所示。当主动拨销盘绕O1顺时针旋转时，槽轮绕O2按事先选取的凸轮从动件运动规律顺时针旋转，前半程加速段，拨销与曲槽的Ⅰ—Ⅱ段侧面接触，驱动槽轮旋转；后半程减速段，拨销与曲槽的Ⅱ—Ⅲ段侧面接触，阻止槽轮旋转。为保证角加速度在槽底部换向，避免横向冲击的发生，需选取具有对称性的运动规律，如正弦、修正正弦、对称梯形等[5]。

设拨销盘与槽轮的中心距为a，槽轮的分度角为2Φ，槽轮的槽数应与供料装置上量杯的分布组数n一致，则：

Φ=π/n，

(3)

L=a×sinΦ，

(4)

(5)

式中：

r0——拨销半径，mm；

L——拨销回转半径，mm；

Rc——槽轮外径，mm。

若槽轮无停留地周期性运动，可在拨销盘上均匀分布多个拨销，在前一个拨销刚脱离槽轮时，后一个拨销进入槽轮，而符合这个条件的槽轮槽数只能为3、4、6槽，实际工作中一般选择6槽槽轮机构，其对应的拨销数为3。

图3 槽轮机构的运动关系示意图

3.2 变速供料时卸料时间的计算

当供料装置的转盘按事先选取的运动规律做变速运动时，为保证卸料充分，卸料口位于拨销进出曲槽槽轮槽口的时刻，应是槽轮周期性变速运动前一周期的终止端和后一周期的起始端，其运动速度较低，扫过卸料角2θ的时间较长，有利于卸料。

在槽轮的一个分度周期2Ф中，扫过半卸料角θ的无因次角位移为Sθ，则：

(6)

根据所选取的无因次运动规律S=S(T)，利用数值计算方法或Excel公式功能，可以方便地求解出无因次角位移为Sθ所对应的无因次时间Tθ，即：

S(Tθ)=Sθ。

(7)

假设变速供料时的最大包装速度为m′袋/min，则单量杯扫过一个卸料角2θ(rad)所需的时间(s)为：

(8)

(9)

3.3 槽轮轮廓曲线的生成

根据作图法设计凸轮轮廓曲线的反转法原理，现假想整个槽轮机构以-ω2的角速度反转，如图4所示，槽轮将相对静止不动，拨销盘绕其回转中心以角速度ω1匀速自转，又随机架O2O1绕槽轮回转中心O2以角速度ω2公转，ω2的大小由所选定的运动规律决定，O2O1’C’为任一位置，在这种复合运动过程中，拨销中心C的运动轨迹即为槽轮的理论廓线，而拨销圆族的包络线形成了实际廓线，也是距离理论廓线为r0的等距线[6-7]。

图4 槽轮曲线的反转法生成原理

3.4 供料装置参数化三维模型的建立

参数化设计有利于提高产品的设计效率，其在建立三维模型过程中对零件几何参数和结构参数添加不同的方程式，施以各种合理的约束，通过修改这些参数的具体数值，自动更新并生成新的三维模型，实现模型的尺寸驱动[7-8]。以包装机中槽轮为例进行建模：

(1) 确定零件的主参数：一般将零件的设计参数、重要结构尺寸确定为主参数，如槽轮的中心距、槽数、运动规律类型、拨销直径等。在Pro/E软件中点选“工具→参数”下拉菜单项，设置各主参数名称、类型和初始值，在“工具→关系”下拉菜单项建立各参数之间的关系式。

(2) 建立反转法装配模型：使用主参数建立的槽轮机构各零件模型，其中槽轮为无槽的坯体，并按反转法原理的装配顺序建立装配模型[9]，添加约束类型和条件。

(3) 绘制槽轮的理论廓线：在“应用程序→机构”模块，定义拨盘电机的速度表达式为120、机架电机的位置表达式为60×[t-0.5×sin(360×t)/pi]，其中t为系统变量，其值从0到1变化。对机构进行运动仿真后，点取“插入→轨迹曲线”菜单项，在槽轮零件中绘制拨销中心点的轨迹曲线，即槽轮的理论廓线[10]。

(4) 阵列槽轮曲槽创建：对槽轮坯体编辑，利用偏距功能，将偏距设为拨销半径，可切除得到槽轮的一个曲槽，使用轴阵列创建各个曲槽，周向阵列个数为槽轮槽数。

(5) 虚拟装配：完成各零件的参数化模型后，在部件级建立各零件间相对位置的关系式和装配约束类型，可实现装配组件的同步更新，供料装置的虚拟装配模型如图5所示。

4 实例应用

针对某公司使用的DXDK40II型自动包装机存在的撒料问题，对其中的10台包装机实施改进设计。由该机的铭牌可知，其主要技术参数为总功率1.4 kW，包装速度50～100袋/min，计量范围5～40 mL。

4.1 改进方案

通过对DXDK40II型包装机进行实测，测得供料装置结构参数为量杯内径r1=15 mm，组量杯n=6，量杯分布圆半径R=100 mm；传动系统为二级减速齿轮机构，一级齿轮的模数1.5，齿数分别为75，25，二级齿轮的模数为2.5，齿数分别为26，52。

图5 供料装置的三维模型

经计算可得：一级齿轮机构的中心距为75 mm、传动比为3；二级齿轮机构的中心距为100 mm、传动比为2。为保证供料装置原有的时间节拍和结构尺寸，改进后的方案保留原有一级齿轮机构，将二级齿轮机构改成具有6槽3拨销的曲槽槽轮机构，槽轮机构的中心距保持为100 mm，拨销半径取r0=6 mm，由式(5)得槽轮外径Rc=86.81 mm，拨销回转半径L=50 mm，拨销盘直接使用一级齿轮机构中的大齿轮，在其上加工3个Φ10 mm的均布孔、安装3个Φ12 mm的台阶拨销轴，改进后供料装置的传动系统三维模型如图6所示。

4.2 卸料时间和包装速度的对比

由式(1)、(2)可知，半卸料角θ=0.301 rad，按最大包装速度(100袋/min)进行匀速供料时，单量杯的卸料时间tθ=0.345 s。

图6 改进后的传动系统三维模型

4.3 应用效果

通过试验改进，解决了包装机在包装速度达到75袋/min后开始出现卸料不完全和撒料的问题，避免了横缝不牢靠，包装速度提高至90袋/min时仍运行良好。改进后包装速度为90袋/min时的单量杯卸料时间为0.52 s、卸料区转盘的平均转速为1.16 rad/s,而改进前包装速度为75袋/min时的单量杯卸料时间为0.46 s、卸料区转盘转速为1.31 rad/s，各运动参数均得到了改善。

5 结论

(1) 将曲槽槽轮机构应用于自动包装机中，实现了变速供料，即卸料区域低速运行、非卸料区域高速运行，可以有效减少物料在卸料过程中造成的飞溅，为卸料提供了充裕的时间。

(2) 在保证匀速供料和变速供料具有相同卸料时间的条件下，变速供料的最大包装速度比匀速供料时提高了35.6%，因此曲槽槽轮机构适用于高速包装场所。

(3) 利用Pro/E软件参数化设计功能，在各零部件间建立了结构尺寸关系式和约束关系式，实现了包装机的自动化和系列化设计，有利于产品更新换代，提高了产品设计效率与质量。

(4) 试验设计的曲槽槽轮机构是为了实现连续变速旋转，只适用于3、4、6分度供料装置。