食品高速裝盒機紙盒成型機構(gòu)設計模型圖及原理講解

國內(nèi)高速裝盒機與國外相比，速度上相差甚遠。其主要原因在于裝盒機的關(guān)鍵部件“取盒機構(gòu)”，缺乏最合理的設計理論和機構(gòu)參數(shù)，從而嚴重地影響高速裝盒機整體效率的提升。

本文通過介紹一種高速連續(xù)式取盒機構(gòu)的運動軌跡，為高速裝盒機的設計提供理論依據(jù)。

一、取盒動作簡介

取盒的過程如圖1所示，通過真空吸盤將處在供盒架上的藥盒從架子上抽出，然后在運動過程中又將紙盒稍微地撐開，最后放到生產(chǎn)線上以供后面裝藥品使用。具體過程如下：

• 吸盒：旋轉(zhuǎn)的吸盤逆時針轉(zhuǎn)到供盒架處(和水平面夾角30。)，真空吸盤開始吸住紙盒的一側(cè)，并將紙盒從供架盒上拉出來。

• 撐盒：當吸盤帶著紙盒轉(zhuǎn)到150°時，紙盒的側(cè)棱碰到斜塊，順勢滑下讓紙盒處于半撐開狀。

• 放盒：當紙盒轉(zhuǎn)到輸送帶的正上方，真空吸盤通氣，將紙盒放到運輸帶的卡槽中，運動中卡槽的一側(cè)將紙盒向前擠壓，使紙盒處于完全撐開狀，供后面裝入藥品使用。

二、取盒工藝軌跡的設計

吸盒、撐盒、放盒的三個動作作用點均勻分布，其最重要的動作在于吸盒處。當吸盤在上升的過程中吸住紙盒，到達頂點后又把紙盒往下拉，使紙盒脫離供盒架。

另外從動作過程分析得到，在吸盤旋轉(zhuǎn)一周的過程中只要在關(guān)鍵三個點上滿足速度和角度的要求，就可以滿足整個取盒動作要求，其他點上的動作可以隨意地根據(jù)實際情況去設計，其動作不影響整個取盒動作。

高速裝盒機取盒機構(gòu)的運動軌跡必須是連續(xù)的，而且為了增加機構(gòu)的穩(wěn)定性，整個運動軌跡也要緊湊。

根據(jù)實際情況，在滿足動作要求下可以將動作軌跡設計成圓形、等邊三角形、擺線如圖 2所示。現(xiàn)對幾種運動軌跡進行比較。

(1)圓形軌跡 如圖 2a所示，吸頭的軌跡為圓形，可以保證吸頭運動速度和加速度的連續(xù)性，機構(gòu)的穩(wěn)定性好。但是考慮到工藝要求，如圖1所示，取盒時紙盒被吸的表面和吸頭成 90°，隨著吸頭的運動，吸頭給紙盒一個沿圓切線方向向上的力，因為供盒架的上表面還有支撐 (圖 1中略去)，對紙盒的上表面進行限制，所以吸頭不能很好地將紙盒拉出。

(2)等邊三角形軌跡 如圖 2b所示，等邊三角形軌跡的三個關(guān)鍵點非常明顯，而且整個過程軌跡也很緊湊，也能將紙盒順利的拉出而不受供盒架的限制，但是吸盒前后軌跡的夾角是60°，不能進行調(diào)節(jié)，而吸盒前后的角度會影響到吸盒的時間，從而直接影響到吸盒的質(zhì)量。

(3)內(nèi)擺線軌跡 如圖 2c所示吸頭的軌跡為內(nèi)擺線軌跡，吸頭取盒時將紙盒向下拉，不受供盒架的位置限制，整個結(jié)構(gòu)非常緊湊，更重要的是吸盒前后的角度是可以通過調(diào)節(jié)圓弧的半徑進行改變，從而確定影響取盒質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。

綜上所述，從工藝要求和取盒質(zhì)量等方面考慮，內(nèi)擺線軌跡綜合了圓形軌跡和等邊三角形軌跡的優(yōu)點，所以內(nèi)擺線的軌跡最優(yōu)。

三、機構(gòu)的組成及原理

實現(xiàn)擺線軌跡的機構(gòu)如圖 3所示 ，大轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，連軸齒輪和轉(zhuǎn)盤齒輪分別繞著固定齒輪 I和固定齒輪Ⅱ旋轉(zhuǎn)。小轉(zhuǎn)盤在隨著大轉(zhuǎn)盤公轉(zhuǎn)的同時，轉(zhuǎn)盤齒輪控制它也進行自轉(zhuǎn)，同理，連軸齒輪控制著主動齒輪公轉(zhuǎn)的同時也進行自轉(zhuǎn)，帶動從動齒輪轉(zhuǎn)動，真空吸頭和從動齒輪固連，所以吸頭進行公轉(zhuǎn)的同時也進行著自轉(zhuǎn)。所以只要控制齒輪之間的傳動比，就可以控制真空吸頭在指定的位置實現(xiàn)指定的動作。

四、關(guān)鍵參數(shù)的確定

對該機構(gòu)的運動過程進行建模，如圖 4所示。

以大轉(zhuǎn)盤的中心為坐標原點建立坐標，取小轉(zhuǎn)盤的中心與坐標原點成θ₀=30°，此時的位置即為吸盒的位置，建立小轉(zhuǎn)盤的動坐標 x'y'，再建立從動齒輪的動坐標 x"y"，兩個坐標的原點重合在主動齒輪的中心。根據(jù)動作要求進行設計，當大轉(zhuǎn)盤逆時針轉(zhuǎn)過一個(θ-θ₀)角度時，吸頭也逆時針轉(zhuǎn)過一個(θ-θ₀)角度，小轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)，為滿足動作要求，小轉(zhuǎn)盤須相對大轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn) 2(θ-θ₀)，才能滿足吸頭在轉(zhuǎn)過120°后，吸頭、從動齒輪、主動齒輪成為一條直線，形成方盒動作。所以相對固定坐標，小轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)了3(θ-θ₀)。把從動齒輪的坐標轉(zhuǎn)化到固定坐標中得：

當θ₀=30°時，化簡得到從動齒輪的運動方程為：

從運動方程中可以得出，從動齒輪中心的運動軌跡是關(guān)于θ的函數(shù)，軌跡的大小形狀由參數(shù)r和r₁來確定。

用Solidworks軟件對機構(gòu)進行建模，在用Solidworks Motion插件去模擬運動分析，得到從動齒輪的運動軌跡為擺線，如圖5所示，符合動作要求。

按照設計要求，該取盒機構(gòu)的轉(zhuǎn)速為 60r／min，即旋轉(zhuǎn)角度θ=ωt=2πt，裝上 3個吸頭 ，取盒速率為 180~／min。對運動方程進行二次求導得到該從動齒輪在運動一周內(nèi)的加速度為a=√(xⁿ²+yⁿ²)，化簡得 a=4π²√(r²+16r²+8rr₁cos30)，當cos3θ的值為 1時 ，即在 0=0°、120°、240°(此處角度 以與軸成 30。開始算起)位置時，加速度的值最大，也剛好是三個關(guān)鍵點，此時最大加速度為 a=4π²(r +4r₁)。從動齒輪的運動方程為連續(xù)的三角函數(shù)，其加速度也為連續(xù)函數(shù)，即該機構(gòu)能平穩(wěn)的運行，在角速度確定的情況下，加速度只與 r與 r₁有關(guān) ，所以只需調(diào)整其大小就可以控制最大加速度的大小，另外在 r和 r不變的情況下，也可以適當?shù)恼{(diào)整吸頭桿的長度，同樣可以控制加速度的大小 。

五、結(jié)束語

我司該 高速裝盒機 取盒機構(gòu)已投入實際生產(chǎn)，運行穩(wěn)定效率高，其效率是現(xiàn)有市場上低速型取盒機構(gòu)效率的2—3倍，而且穩(wěn)定性較高，增強了產(chǎn)品的市場競爭力。另外國內(nèi)的高速裝盒機剛剛起步，所以，該動作軌跡的取盒機構(gòu)將有很大的市場前景。