回转式给袋包装机自动供袋机构设计

0 引言

随着国民经济的快速发展和人们需求的多样化，对产品的包装要求越来越高，迫切要求包装实现机械化和自动化。经过三十多年的快速发展，我国包装技术及装备的水平已有很大提升，部分产品处于国际领先地位，但由于起步较晚，相比于美、日、德等发达国家的先进水平，我国产品的技术水平、智能化、成套性、创新性产品等还存在较大的差距［1-2］，开展现代包装关键技术及装备智能化的研究及产业化具有十分重要的意义。

回转式给袋包装机适用于预制包装袋的颗粒、粉末、块体、液料等的包装，包装袋图案完美，封口品质好［3-4］。供袋机构是给袋包装机的重要组成，多采用凸轮连杆复合机构实现夹持器等执行机构的动作，机构性能直接影响包装速度与包装精度。研究人员采用不同的方法研发高性能执行机构［5-7］，晏祖根等运用工作循环图等设计了穿箭式捆扎机头，王兴东综合考虑尺寸公差和配合等因素优化平面连杆机构，张英建立了平面并联机构正运动学模型。基于包装机及供袋机构工作原理的分析，设计了自动供袋工艺，建立了机构分析的数学模型，确定了机构尺寸及位置关系。

1 回转式给袋包装机工作原理

回转式给袋包装机可自动完成预制包装袋上袋、物料计量充填、包装袋封口和成品整形输出等包装工序。综合包装物性、包装速度、封合方式以及制造成本等因素，包装机可设计成6工位、8工位、10工位等不同形式。图1包装机为8工位回转式给袋包装机，主要由供袋、充填、封口、成品整形输出等部件以及间歇回转运袋系统、电控系统等组成。工序盘间歇回转，驱使钳手夹持供袋机构输送的预制包装袋，顺序间歇地通过供袋、打码、开袋、充填、清口、封合、输出等工位，完成物料的自动包装。

图1 回转式给袋包装机组成与工艺流程

按物料及包装要求的不同，如花生、瓜子等颗粒状物料，豆瓣酱等酱状物料，榨菜等条状物料等，充填装置可采用不同类型的搅拌、输送、计量、充填机构。已充填物料的包装袋，应对包装袋进行整形，并对封口部位进行除尘、清口等处理，以保证封合质量。按包装要求不同，可对包装袋进行二次封口，并完成气调、真空等包装操作。

包装机主电机通过链传动、槽轮机构驱动工序盘做间歇转动，通过凸轮机构、连杆机构将主运动传递到各个执行部件，如图2所示，结合气动控制系统，实现末端执行机构的工艺动作。机器设置多处检测装置，如出现故障，检测装置将故障信号反馈至控制系统，控制系统做出相应的故障提示并停机，以避免安全事故和物料浪费。包装速度由物料特性、包装重量及包装精度等确定，可根据包装要求和生产需要自动调节包装速度。

图2 供袋部件组成与工作原理

2 供袋部件自动供袋工艺

供袋部件是回转式给袋包装机的重要组成，其组成与工作原理如图2所示，主要由驱动电机、分配轴、一次上袋机构、二次上袋机构、夹取提升机构、扫袋皮带、送袋皮带、供袋平台和基座等组成。供袋部件的机构分析简化模型如图3所示，为清晰表达，各驱动凸轮及相应摆杆机构分开绘制，其轴心分别对应分配轴轴心O1和摆杆轴轴心O2。

图3 供袋部件的机构分析简化模型

供袋部件的预制包装袋自动供袋工艺流程：

（1）人工将预制包装袋放到供袋平台上；（2）送袋皮带采用多根橡胶圆带，安装在供袋平台的底部；橡胶圆带压紧包装袋，在电机驱动作用下，将包装袋摩擦输送至扫袋工位；（3）扫袋皮带采用多根橡胶圆带，斜向安装在供袋平台的上端；驱动电机按控制系统指令间歇旋转，将单张包装袋依次摩擦输送至一次上袋工位P1；（4）电机连续旋转，通过分配轴上的一次上袋凸轮，驱动安装在一次上袋机构末端的真空吸盘相应动作，真空吸盘在P1工位处吸附单张包装袋，移送到二次上袋工位P2；（5）分配轴上的二次上袋凸轮驱动二次上袋机构末端的真空吸盘动作，真空吸盘P2在工位处吸附包装袋，移送到二次上袋工位P3；（6）分配轴上的夹袋凸轮驱动夹袋提升机构末端的齿轮旋转，驱动夹持器相向动作，在P3工位夹持包装袋；同时，与二次上袋机构的平行四边形机构协同动作，夹持包装袋平动移送到包装机的上袋工位P4；（7）安装在工序盘上的钳手动作，在P4工位夹持包装袋，完成包装袋的自动供袋；工序盘旋转，钳手夹持包装袋输送至后续的开袋、充填、封口等包装工位。

3 供袋部件的机构选型与工作循环图设计

多机构协同动作的复杂运动，可通过伺服电机、步进电机、气动系统等，结合运动控制系统实现。这种方式结构尺寸较大、造价较高，当包装速度、包装尺寸发生变化时，要修改控制程序的相关参数，要求使用人员具有较高的技术水平，限制其在包装机械领域的更广泛应用。

凸轮机构可通过凸轮轮廓轨迹曲线的设计，实现复杂的从动件运动规律，从而实现多运动机构的运动协调；但机构制造与调整要求较高，磨损后会影响运动规律的准确性。连杆机构结构简单、制造容易、承载能力大、可实现远距离传动，但无法实现从动件较长时间的精确停顿和任意轨迹运动。单一机构因其固有的局限性，无法满足多方面的要求，因此，自动机械多采用基于凸轮、连杆的复合机构，实现多执行机构的复杂运动。

供袋部件的供袋动作包括两部分：一是供袋平台的扫袋皮带和送袋皮带的摩擦驱动，分别由各自电机驱动；二是分配轴上的凸轮组及连杆机构，驱动一次上袋机构、二次上袋机构、夹袋提升机构以及真空吸盘、夹持器进行协同动作，实现包装袋自动供袋。

综合集中驱动、结构尺寸、控制等多方面因素，包装机的供袋部件采用凸轮、连杆的复合机构，实现预制包装袋的自动供袋动作，机构模型见图3。

以包装机的设计包装速度50袋/min为例进行供袋机构设计，每个包装袋的自动上袋时间为1.2 s，即以分配轴O1为基准轴的供袋机构工作循环时间tk=1.2 s。根据包装机的生产能力要求，结合供袋机构的自动供袋工艺，综合考虑各执行机构的运动协调、时间同步和空间不干涉，以及机构运动规律误差、运动副间隙、机构元件加工与装配误差、机构元件运动变形等因素，可分配各供袋动作所需时间与运动循环时间的占比关系，设计供袋机构的工作循环图，如图4所示。根据工作循环图，利用相关的机构综合、凸轮设计理论和仿真技术，可完成供袋机构的尺寸优化与结构设计。

图4 供袋机构工作循环图

4 二次上袋机构建模与设计

4.1 机构建模

二次上袋机构是供袋部件的关键机构，真空吸盘V安装在摇杆HJ末端，夹持器的驱动齿轮安装在平动杆M1M2上，如图5所示，其性能直接影响包装机的包装速度与包装精度。

分配轴上的主动凸轮A连续回转，驱动摇杆JHV摆动到JH＇V＇位置，真空吸盘V吸取包装袋，从P2位置移动到P3位置；夹持器夹取包装袋，将包装袋从P3位置平移到P4位置；工序盘钳手夹持包装袋，间歇移送到下一个包装工位。

图5 二次上袋机构的三维模型及机构简图

4.2 连杆机构设计

二次上袋机构由基于凸轮驱动的摆杆机构ABCD、双摇杆机构CDEF、双摇杆机构FGHJ和基于平行四边形机构M1N1-M2N2的复合机构JKLM1M2四部分串联组成。

对基于凸轮驱动的摆杆机构ABCD，可通过高副转化低副的方式AUBC，将机构转化为双摇杆机构，如图6所示，进而分析机构ABCD的性能。

图6 凸轮驱动摆杆机构ABCD的转化原理

对基于平行四边形机构M1N1-M2N2的复合机构JKLM1M2，可基于平行四边形机构的特点，将机构简化为双摇杆机构JKLW，如图7所示，研究杆件的输入转角θJ与铰链点L的位置、速度的关系。

图7 复合机构JKLM1M2的转化分析原理

上述分析可知，二次上袋机构可转化为四个串联的双摇杆机构。因此，二次上袋机构的特性研究与优化设计，可先优化设计各部分子机构，确定各子机构的连杆尺寸与位置；再综合优化二次上袋机构，提高机构的综合性能。

以双摇杆机构FGHJ为例，采用矢量法建立的机构数学分析模型如图8所示，各矢量杆形成封闭的矢量多边形FGHJF，构件JF对应的杆长、方位角、矢量杆分别为（i=1,2,3,4）。

图8 双摇杆FGHJ机构的数学分析模型

封闭矢量多边形中，各矢量之和等于零，

H点的位移方程：

对上式进行推导、整理，可求得摇杆HJ的输出转角θ3、输出转速ω3与摇杆FG的输入转角θ1、输入转速ω1之间的数学关系：

基于双摇杆机构FGHJ的分析流程，可建立各子机构的运动学模型；基于各子机构的运动学模型，可综合得到二次上袋机构的运动学模型，进而分析机构的运动规律、机构特性，优化上袋机构尺寸。

5 结语

回转式给袋包装机总体布局设计需要，凸轮分配轴安装在整机基座上，上袋机构安装在供袋平台。采用供袋部件的机构分析与设计流程，综合考虑机器的总体布局、包装工位、机构尺寸与结构设计等多种因素，优化确定供袋机构的各连杆尺寸（mm）：CB=125，BD=105，DE=645，EF=90，FG=130，GH=107，HJ=97，JK=25，KL=154，LM1=33，M1N1=200，其中连杆DE、连杆KL的两端采用杆端轴承，杆长尺寸可根据实际需求进行微调。

参考文献：

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