余杰先，李克天，向 飛

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

化妝品自動(dòng)裝盒機(jī)取盒-開盒機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

余杰先，李克天，向 飛

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

通過(guò)對(duì)化妝品裝盒機(jī)取盒-開盒機(jī)構(gòu)的分析，研究了實(shí)現(xiàn)內(nèi)擺線運(yùn)動(dòng)軌跡的行星輪式取盒-開盒機(jī)構(gòu)。確定了兩旋轉(zhuǎn)中心距離和吸頭半徑等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)取盒效率的影響，建立了數(shù)學(xué)模型，分析了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的速度和加速度，利用Matlab軟件對(duì)機(jī)構(gòu)中的吸頭的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移、速度、加速度進(jìn)行仿真并繪制出相應(yīng)的曲線，為機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)。最終設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)高取盒效率的取盒機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)有易于制造、運(yùn)行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

自動(dòng)裝盒機(jī)；取盒機(jī)構(gòu)；行星輪；擺線；仿真

0 引言

自動(dòng)裝盒機(jī)屬于包裝機(jī)械的一種，在制藥行業(yè)、食品加工行業(yè)、化妝品行業(yè)的包裝中應(yīng)用非常廣泛。自動(dòng)裝盒機(jī)一般包括取盒-開盒機(jī)構(gòu)、物品輸送機(jī)構(gòu)、說(shuō)明書折疊機(jī)構(gòu)、紙盒輸送機(jī)構(gòu)、推料機(jī)構(gòu)、封盒機(jī)構(gòu)等。而取盒-開盒機(jī)構(gòu)起著至關(guān)重要的作用，其性能的好壞直接影響自動(dòng)裝盒機(jī)的整機(jī)質(zhì)量[1-2]。

隨著化妝品行業(yè)的蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)化妝品自動(dòng)裝盒機(jī)的要求越來(lái)越高，集中體現(xiàn)在對(duì)裝盒速度的要求不斷提高。而傳統(tǒng)化妝品自動(dòng)裝盒機(jī)中的凸輪-擺桿式取盒-開盒機(jī)構(gòu)不利于裝盒速度的提高，故要大幅提高化妝品自動(dòng)裝盒機(jī)的裝盒速度，改進(jìn)取盒-開盒機(jī)構(gòu)勢(shì)在必行[3-4]。

本文提出一種連續(xù)式的取盒-開盒機(jī)構(gòu)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定關(guān)鍵參數(shù)，并通過(guò)Matlab軟件對(duì)該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行仿真繪制出吸頭的位移、速度、加速度曲線。

1 機(jī)構(gòu)的動(dòng)作和軌跡分析

1.1 取盒-開盒動(dòng)作分析

如圖1所示，采用三個(gè)吸頭同時(shí)連續(xù)工作能明顯提高取盒-開盒的效率，三個(gè)吸頭在空間上圓周均布列，相臨兩個(gè)吸頭之間的角度為120°。通過(guò)對(duì)吸頭上吸盤進(jìn)行通氣和斷氣即可實(shí)現(xiàn)對(duì)紙盒的吸取和釋放。吸頭從供盒架處吸取紙盒，并做圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過(guò)120°后，通過(guò)碰撞斜塊的圓弧面，使紙盒的棱邊因?yàn)槭艿揭欢ǖ臄D壓作用而處于半打開狀態(tài)，繼續(xù)做120°圓周運(yùn)動(dòng)后到達(dá)輸送帶的卡槽上，這時(shí)由于紙盒還有一個(gè)水平的速度分量，在卡槽里半打開的紙盒將會(huì)完全打開，并由輸送帶卡槽保持完全打開的狀態(tài)，以便接下來(lái)推料機(jī)構(gòu)把化妝品和說(shuō)明書推進(jìn)紙盒內(nèi)。這樣就完成了一個(gè)取盒-開盒動(dòng)作流程。

圖1 取盒—開盒動(dòng)作簡(jiǎn)圖

1.2 軌跡分析

由上述的取盒-開盒動(dòng)作分析可見，在一個(gè)取盒-開盒流程中，要重點(diǎn)考慮的地方是呈120°圓周分布的三個(gè)工作點(diǎn)，亦即是吸盤在供盒架吸取紙盒的地方、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中紙盒碰撞斜塊圓弧面的地方、還有就是在卡槽吸盤釋放紙盒的地方。在吸盒的地方吸取紙盒后要迅速沿著原路退出來(lái)，以免碰到供盒架的支架。在和斜塊圓弧面碰撞的地方也要求只能一瞬間碰撞，以免對(duì)紙盒造成傷害。在卡槽釋放紙盒的時(shí)候也要求吸盤釋放紙盒后迅速向上運(yùn)動(dòng)，以免吸盤碰到運(yùn)動(dòng)著的卡槽。顯然，在這個(gè)工作點(diǎn)，都有一個(gè)“下降→上升→下降”的趨勢(shì)。故把軌跡設(shè)計(jì)為如圖2所示的內(nèi)擺線形狀[5]。

圖2 內(nèi)擺線形狀

2 機(jī)構(gòu)的原理以及設(shè)計(jì)

機(jī)械制造中一般采用行星輪系來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)擺線的運(yùn)動(dòng)軌跡，本文也采用這種原理來(lái)實(shí)現(xiàn)吸頭的內(nèi)擺線運(yùn)動(dòng)軌跡，圖3是機(jī)構(gòu)的原理圖。

吸頭連桿4連接在從動(dòng)齒輪5上，而從動(dòng)齒輪5、定齒輪2、轉(zhuǎn)向齒輪3組成了行星輪系，故當(dāng)轉(zhuǎn)盤1轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候既能帶動(dòng)從動(dòng)齒輪5公轉(zhuǎn)，又能通過(guò)轉(zhuǎn)向齒輪3使從動(dòng)齒輪5自轉(zhuǎn)，只要控制齒輪間的傳動(dòng)比合適，就能使吸頭形成內(nèi)擺線軌跡[6]。

圖3 機(jī)構(gòu)的原理簡(jiǎn)圖

3 數(shù)學(xué)模型的建立

運(yùn)動(dòng)模型如圖4所示。以轉(zhuǎn)盤的圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)xoy系作為基本坐標(biāo)系。以從動(dòng)齒輪的圓心作為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系x'o'y'，為了方便起見，以吸盤在吸盒位置作為起始位置，令圓心o'在xoy坐標(biāo)系的30°上，即θ0=30°，oo'=r，r為從動(dòng)齒輪圓心到轉(zhuǎn)盤1圓心的距離，r1為吸頭到從動(dòng)齒輪5的距離。由軌跡要求知道當(dāng)轉(zhuǎn)盤1轉(zhuǎn)動(dòng)了（θ·θ0）角度時(shí)，從動(dòng)齒輪5實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)了3（θ·θ0）。把吸頭的位移分解到基坐標(biāo)系xoy下求解得[7]：

化簡(jiǎn)（1）式得：

令θ0=30°時(shí)，吸頭的運(yùn)動(dòng)方程為：

圖4 運(yùn)動(dòng)模型圖

利用Matlab軟件對(duì)上述運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行仿真得出圖5和圖6的吸頭軌跡圖，驗(yàn)證了以上運(yùn)動(dòng)方程的正確性。

圖5 吸頭運(yùn)動(dòng)軌跡圖

4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真

對(duì)運(yùn)動(dòng)方程組（2）進(jìn)行一次求導(dǎo)可以得到吸頭的速度大小為v= x’2+y’2，將方程用Matlab進(jìn)行仿真得到圖7吸頭的速度曲線圖[8-9]。

代入方程并化簡(jiǎn)得：

當(dāng)θ=30°、θ=120°、θ=240°時(shí)，cos3θ等于1，此時(shí)加速度a達(dá)到最大值。這三個(gè)角度恰好是吸頭在運(yùn)動(dòng)軌跡中的三個(gè)工作點(diǎn)。把方程用Matlab進(jìn)行仿真得到圖8吸頭加速度曲線圖。

圖6 吸頭xy方向位移曲線圖

圖7 吸頭速度曲線圖

圖8 吸頭加速度曲線圖

5 結(jié)束語(yǔ)

由上述圖表可知吸頭的運(yùn)動(dòng)軌跡是準(zhǔn)確的，而且位移、速度、加速度曲線都是連續(xù)平滑的，故不會(huì)產(chǎn)生沖擊。而且運(yùn)動(dòng)方程是關(guān)于θ的函數(shù)，通過(guò)改變r(jià)、r1兩個(gè)參數(shù)就能產(chǎn)生符合生產(chǎn)需求的內(nèi)擺線軌跡形狀。該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、零部件容易加工、體積小、性能穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)。所以該機(jī)構(gòu)的取盒-開盒機(jī)構(gòu)在化妝品自動(dòng)裝盒機(jī)市場(chǎng)將會(huì)有很大的應(yīng)用和發(fā)展前景。

［1］黃麗文.國(guó)產(chǎn)藥品裝盒機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展研究［J］.包裝與食品機(jī)械，2006，24（3）：36-38.

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(編輯：王智圣)

圖3 收線排線系統(tǒng)流程圖

考慮到整個(gè)控制系統(tǒng)的功能要求、信號(hào)輸入輸出個(gè)數(shù)、控制穩(wěn)定性、指令系統(tǒng)、以及響應(yīng)速度等因素，選用三菱的FX2N-32MT的PLC，收線和排線電機(jī)均采用臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)EC?MA-C20401ES， 配 套 的 伺 服 放 大 器 為ASD-B20121-B，額定速度可大3 000 r/min，輸出扭矩0.32 N·m，功率0.1 kW。觸摸屏選用威綸通MT506MV，TFT型LCD顯示器：5.6"，256色，分辨率：320×234，多圈絕對(duì)值編碼器采用海德HEDSS光電旋轉(zhuǎn)編碼器。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)微細(xì)扁線材的收卷過(guò)程，本文提出了一種基于交流伺服電機(jī)的收線排線控制方法，排線系統(tǒng)采用聯(lián)動(dòng)式排線系統(tǒng)，以PLC為上位機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的收線排線過(guò)程，用絕對(duì)值編碼器代替接近開關(guān)，通過(guò)人機(jī)界面可以方便的設(shè)置排線移動(dòng)區(qū)間和線材寬度，PLC接受收線電機(jī)發(fā)送的脈沖信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算控制排線電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使收線和排線過(guò)程滿足一定關(guān)系，經(jīng)實(shí)踐，該系統(tǒng)在收卷截面形狀為扁平的微細(xì)扁線材時(shí)，運(yùn)行可靠，速度控制精度高，排線均勻平整，系統(tǒng)穩(wěn)定，并能自動(dòng)適應(yīng)不同長(zhǎng)度的收卷輥。

參考文獻(xiàn)：

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第一作者簡(jiǎn)介：賈 銳，男，1988年生，河北唐山人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：先進(jìn)制造技術(shù)，超精密加工技術(shù)。

(編輯：阮 毅)

Design and Simulation of Boxing Taking Mechanism in a Automatic Cartoner for Comestics

YU Jie-xian，LI Ke-tian，XIANG Fei
（College of Mechanical&Electrical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

This paper analyzed the motion and trajectory of a boxing taking mechanism in a automatic cartoner，designed a new type of high-efficiency boxing taking mechanism，worked out how the key parameters influence on the efficiency of boxing taking mechanism，provided theoretical principle for optimal design by its kinematic analysis.In fact，the designed mechanism has some advantages such as easy to manufacture，work steadily，tight in structure etc.

automatic packing machine；box-taking mechanism；gear planet；cycloid；simulation

TH122

A

1009－9492(2014)08－0090－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.027

余杰先，男，1988年生，廣西玉林人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2014－02－27