楊 靜 陳彩霞 羅哲輝 劉偕有

(1. 華南理工大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510642；3. 廣州拓普特輕工機(jī)械有限公司，廣東 廣州 511300)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，中國(guó)液體灌裝產(chǎn)品市場(chǎng)逐步擴(kuò)大，對(duì)液體灌裝產(chǎn)品的包裝質(zhì)量也提出了更高要求，其主要生產(chǎn)設(shè)備也逐漸趨向于智能化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化和結(jié)構(gòu)高精度化[1-2]。液體灌裝產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程通常分為洗瓶、灌裝和旋蓋3部分，通過(guò)旋轉(zhuǎn)的芯輪組件連接組合成一臺(tái)整機(jī)，形成完整的生產(chǎn)線。

完成旋蓋工作的旋蓋機(jī)目前有兩種形式：直線式和回轉(zhuǎn)式。崔巖等[3]設(shè)計(jì)了一種適合頻繁更換桶形的直線式旋蓋機(jī)，可快速更換旋蓋頭，但直線式旋蓋機(jī)為單通道工作，生產(chǎn)效率低、占地面積大，且難以與目前被廣泛應(yīng)用的回轉(zhuǎn)式灌裝機(jī)相配合[4-5]。孫秀延等[6]設(shè)計(jì)了一款12頭全自動(dòng)回轉(zhuǎn)式旋蓋機(jī)，生產(chǎn)效率可達(dá)80～100瓶/min，相比直線式旋蓋機(jī)，其生產(chǎn)效率明顯提高、結(jié)構(gòu)更加緊湊、整體占用空間更小，但未對(duì)回轉(zhuǎn)式旋蓋機(jī)的重要結(jié)構(gòu)凸輪進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。凸輪曲線設(shè)計(jì)不平滑會(huì)導(dǎo)致旋蓋機(jī)高速運(yùn)行時(shí)沖擊大、噪音大且磨損嚴(yán)重。吳佳等[7]發(fā)現(xiàn)五次多項(xiàng)式擬合凸輪曲線是回轉(zhuǎn)式旋蓋機(jī)凸輪曲線的最優(yōu)設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，試驗(yàn)擬完善回轉(zhuǎn)式旋蓋機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一款可實(shí)現(xiàn)14個(gè)工位同時(shí)高速旋蓋的回轉(zhuǎn)式旋蓋機(jī)，旨在為高速、高效回轉(zhuǎn)式旋蓋機(jī)的整體設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 多工位回轉(zhuǎn)式旋蓋機(jī)整體設(shè)計(jì)

1.1 整體布局

多工位回轉(zhuǎn)式旋蓋機(jī)與洗瓶、灌裝設(shè)備相連。其工藝流程為供瓶→供蓋→旋蓋→輸出。整體機(jī)構(gòu)包括電機(jī)1、減速器2、旋蓋執(zhí)行機(jī)構(gòu)4、供蓋機(jī)構(gòu)5以及輸送機(jī)構(gòu)，輸送機(jī)構(gòu)包括輸送鏈3和撥盤6(見(jiàn)圖1)。理蓋器通過(guò)離心旋轉(zhuǎn)，將蓋子以同一朝向沿蓋槽輸出[8]。輸送機(jī)構(gòu)貫穿整個(gè)生產(chǎn)線，灌裝好后由撥盤送入旋蓋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，旋蓋完成后由撥盤送至輸送鏈輸出。

1.2 旋蓋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

旋蓋執(zhí)行機(jī)構(gòu)為多工位回轉(zhuǎn)式旋蓋機(jī)，相比于傳統(tǒng)直線式旋蓋機(jī)，效率更高。旋蓋執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝配圖如圖2所示，主要包括傳動(dòng)齒輪1、軸承14、轉(zhuǎn)動(dòng)座15、固定齒輪17、齒輪軸套24、圓柱凸輪20、旋蓋頭25等。旋蓋過(guò)程中，旋蓋頭繞軸作自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并上下運(yùn)動(dòng)。旋蓋頭的自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)行星輪系實(shí)現(xiàn)，行星輪系由軸承14、轉(zhuǎn)動(dòng)座15、齒輪軸套24等組成。旋蓋頭與齒輪軸套及軸承配合，齒輪軸套兩端各有一個(gè)軸承，并固定于轉(zhuǎn)動(dòng)座上，齒輪軸套與固定齒輪嚙合，故轉(zhuǎn)動(dòng)座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，固定齒輪不動(dòng)，齒輪軸套隨轉(zhuǎn)動(dòng)座作公轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋蓋頭通過(guò)導(dǎo)向平鍵使傳動(dòng)軸與齒輪軸套配合，隨齒輪軸套作公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋蓋頭的上下運(yùn)動(dòng)需通過(guò)旋蓋傳動(dòng)組件按照?qǐng)A柱凸輪軌道實(shí)現(xiàn)上升下降，旋蓋頭公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，頂部凸輪固定不動(dòng)，旋蓋傳動(dòng)組件上有一軸承在凸輪軌道上運(yùn)動(dòng)，隨旋蓋頭公轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)旋蓋頭按凸輪軌道上升下降。旋蓋執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分3D示意圖如圖3所示。

旋蓋頭(圖4)由O型密封圈3、壓蓋頭6、鋼珠7、磁耦合離合器9等組成。旋蓋頭完成抓蓋動(dòng)作依靠壓蓋頭實(shí)現(xiàn)，壓蓋頭通過(guò)內(nèi)壁的齒與蓋子外側(cè)的槽卡住，壓蓋頭上有6顆鋼珠，通過(guò)O型密封圈對(duì)鋼珠施加壓力，以此抓緊瓶蓋。影響旋蓋松緊程度的離合器采用磁耦合離合器，其由上、下兩個(gè)圓盤組成，每個(gè)圓盤上各有18個(gè)小磁鐵，上圓盤與旋蓋體連接，下圓盤與封蓋連接，兩者之間形成間隙，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)封蓋高度改變間隙大小[9]。上、下圓盤存在磁力線聯(lián)系，旋蓋體隨旋蓋頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)上圓盤旋轉(zhuǎn)，通過(guò)磁力線聯(lián)系使下圓盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，以此傳遞力矩。通過(guò)調(diào)整兩個(gè)圓盤間隙，使離合器兩部分形成相同的最大力矩。瓶蓋旋緊后，旋緊的力矩超過(guò)離合器最大力矩，離合器上、下圓盤因此打滑，既保證了瓶蓋的緊度，又不損壞瓶與瓶蓋[10]。

1. 電機(jī) 2. 減速器 3. 輸送鏈 4. 旋蓋執(zhí)行機(jī)構(gòu) 5. 供蓋機(jī)構(gòu) 6. 撥盤

1.3 參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)旋蓋機(jī)旋蓋頭數(shù)為14，即14個(gè)工位，這些工位具有連續(xù)性及互不干擾性，可同時(shí)工作。其他參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示，旋蓋頭部件及行星輪系可按不同的容器和瓶蓋進(jìn)行更換。

2 凸輪曲線

凸輪是一種能使從動(dòng)件完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律的機(jī)械傳動(dòng)形式。旋蓋執(zhí)行機(jī)構(gòu)是旋蓋機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，而圓柱凸輪是決定旋蓋頭完成上下和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的重要結(jié)構(gòu)，只有確定最優(yōu)的凸輪曲線，才能減少旋蓋機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的震動(dòng)、沖擊[11]，使旋蓋機(jī)持續(xù)高速平穩(wěn)運(yùn)行。

1. 傳動(dòng)齒輪 2. 止動(dòng)螺母 3. 擋板 4. 底座擋水條 5. 下圍板 6. 支承座 7. 托瓶轉(zhuǎn)軸蓋板 8. 壓環(huán) 9. 卡瓶板托盤 10. 卡瓶板 11. 旋蓋護(hù)瓶支桿螺母 12. 旋蓋護(hù)瓶板支柱Ⅰ 13. 固定軸 14. 軸承 15. 轉(zhuǎn)動(dòng)座 16. 支撐座 17. 固定齒輪 18. 齒輪套 19. 平健 20. 圓柱凸輪 21. 圍板 22. 頂板架 23. 旋蓋傳動(dòng) 24. 齒輪軸套 25. 旋蓋頭 26. 旋蓋護(hù)瓶板支柱Ⅱ 27. 星輪固定桿 28. 定位環(huán) 29. 墊環(huán) 30. 出瓶輸送鏈前端支架 31. 托瓶轉(zhuǎn)軸

1. 固定齒輪 2. 軸承 3. 圓柱凸輪 4. 轉(zhuǎn)動(dòng)座 5. 齒輪軸套 6. 旋蓋頭

1. 蓋殼 2. 滑套 3. O型密封圈 4. 封蓋 5. 壓蓋頭殼 6. 壓蓋頭 7. 鋼珠 8. 壓平墊 9. 磁耦合離合器 10. 雙列角接觸球軸承 11. 軸承軸 12. 旋蓋主體 13. 推出軸

表1 旋蓋機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圓柱凸輪側(cè)面的軌道是供旋蓋傳動(dòng)運(yùn)行和控制旋蓋傳動(dòng)另一頭連接的旋蓋頭實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)的。分蓋盤將瓶蓋輸入旋蓋機(jī)前，旋蓋頭需要有一個(gè)避讓分蓋盤的高位，旋蓋頭與分蓋盤上瓶蓋輸入位置重合前，旋蓋頭開(kāi)始下降準(zhǔn)備抓蓋，此段是下坡；旋蓋頭與瓶蓋輸入位置重合時(shí)，旋蓋頭處于最低位，完成抓蓋，而后開(kāi)始提升一小段避開(kāi)分蓋盤以及避免撞到下一工位輸入的瓶子，瓶子通過(guò)進(jìn)瓶芯輪輸入后，旋蓋頭開(kāi)始慢慢下降，在確保旋蓋頭與瓶子位置重合時(shí)下降至最低位，旋蓋頭內(nèi)部的彈簧持續(xù)施加壓力以壓住瓶口，并通過(guò)自轉(zhuǎn)旋蓋，旋蓋結(jié)束后，旋蓋頭將再次上升至避讓分蓋盤高位，而后開(kāi)始下一個(gè)工作循環(huán)。

通過(guò)上述運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析將旋蓋頭的工作循環(huán)分為：抓蓋前空位→下坡抓蓋區(qū)→抓蓋區(qū)→旋蓋前空位→下坡旋蓋區(qū)→旋蓋區(qū)→爬坡區(qū)。

2.1 凸輪曲線初步設(shè)計(jì)

設(shè)定旋蓋頭避讓分蓋盤上升至最高點(diǎn)需上升58 mm，下坡抓蓋下降19 mm，抓蓋區(qū)短暫上升2 mm，下坡旋蓋下降41 mm，分別取8個(gè)分區(qū)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角分別為θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7，設(shè)定滾子的回旋直徑D為393 mm。為保證機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行，通常規(guī)定凸輪機(jī)構(gòu)壓力角α不允許大于許用壓力角[α]，而[α]要遠(yuǎn)小于使凸輪機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖的臨界壓力角αc[12]。

凸輪機(jī)構(gòu)中爬坡區(qū)最易發(fā)生自鎖，因此取爬坡區(qū)過(guò)程中的壓力角α7=30°，則：

(1)

則θ7=29.307°；

即θ7取值最小為29.307°，此處取50°，則有：

抓蓋前空位區(qū)，旋蓋頭不作上下運(yùn)動(dòng)，取θ1=20°，則：

下坡抓蓋區(qū)，旋蓋頭作下降運(yùn)動(dòng)，下降H2=19 mm，取θ2=40°，則：

抓蓋區(qū)，旋蓋機(jī)抓住蓋后會(huì)作一個(gè)短暫的上升運(yùn)動(dòng)，上升H3=2 mm，取θ3=5°，則

旋蓋前空位區(qū)，旋蓋頭不作上下運(yùn)動(dòng)，取θ4=75°，則：

下坡旋蓋區(qū)，旋蓋頭作下降運(yùn)動(dòng)，下降H5=41 mm，取θ5=40°，則：

旋蓋區(qū)轉(zhuǎn)角θ6=360°-50°-25°-40°-5°-75°-40°=125°，則：

式中：

L1～L7——旋蓋頭各階段的水平移動(dòng)距離，mm；

H1～H7——旋蓋頭各階段的垂直移動(dòng)距離，mm。

綜上可得出旋蓋機(jī)凸輪曲線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并根據(jù)此運(yùn)動(dòng)規(guī)律繪制凸輪曲線如圖5所示。

圖5 凸輪曲線

2.2 凸輪曲線擬合

通過(guò)2.1計(jì)算得出的凸輪曲線只是將旋蓋機(jī)旋蓋運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)用直線連接起來(lái)，若在關(guān)鍵點(diǎn)連接處直接倒角，則會(huì)導(dǎo)致旋蓋機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在柔性沖擊，旋蓋機(jī)存在噪音大、磨損大、工作效率降低等問(wèn)題[13]。為提高凸輪曲線的穩(wěn)定性，減小沖擊，對(duì)凸輪曲線進(jìn)行擬合[14]。根據(jù)從動(dòng)件常用運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性比較，采用五次多項(xiàng)式擬合的凸輪曲線加速度未出現(xiàn)突變，因此選擇五次多項(xiàng)式對(duì)凸輪曲線進(jìn)行優(yōu)化[15]。凸輪從動(dòng)件的五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律表達(dá)式為：

(2)

設(shè)定從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)起始處θ=0，S=0，V=0，A=0；運(yùn)動(dòng)終點(diǎn)處θ=θ0，S=h，V=0，A=0，代入式(2)得五次多項(xiàng)式的位移方程式：

(3)

將7個(gè)運(yùn)動(dòng)分區(qū)的轉(zhuǎn)角θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7，以及推程和回程高度代入式(3)得：

S=

(4)

最終得到擬合優(yōu)化后的圓柱凸輪曲線，并在SolidWork中建立圓柱凸輪的三維實(shí)體模型(見(jiàn)圖6)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 生產(chǎn)能力測(cè)試

記錄旋蓋機(jī)一個(gè)月的工作情況，統(tǒng)計(jì)得到其生產(chǎn)能力約為14 000瓶/h，將其與普通直線式和回轉(zhuǎn)式旋蓋機(jī)生產(chǎn)能力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知，相較于普通直線式旋蓋機(jī)和回轉(zhuǎn)式旋蓋機(jī)，14頭多工位旋蓋機(jī)生產(chǎn)效率分別提高了23.33%，11.67%。

3.2 噪聲測(cè)試

當(dāng)凸輪曲線不規(guī)則時(shí)，從動(dòng)件速度和加速度會(huì)出現(xiàn)突變，從動(dòng)件與凸輪機(jī)構(gòu)之間會(huì)存在較強(qiáng)的振動(dòng)和沖擊，從而引起噪聲。因此可通過(guò)測(cè)試旋蓋機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的噪聲強(qiáng)度，分析凸輪機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性[16]。

由表2可知，擬合后的凸輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲比擬合前的小6～9 dB，且均在85 dB以下，說(shuō)明五次多項(xiàng)式擬合后的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊更小，運(yùn)行更加穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 圓柱凸輪

圖7 旋蓋機(jī)生產(chǎn)能力對(duì)比圖

表2 噪聲實(shí)測(cè)對(duì)比

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款14頭多工位回轉(zhuǎn)式旋蓋機(jī)，其生產(chǎn)能力可達(dá)14 000瓶/h，提高了旋蓋機(jī)的生產(chǎn)效率；采用五次多項(xiàng)式擬合法對(duì)凸輪輪廓曲線進(jìn)行優(yōu)化，減小了旋蓋機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的噪聲和沖擊。但設(shè)計(jì)上仍有不足之處，例如需人工更換旋蓋頭等零件才可適用其他瓶型的生產(chǎn)，快速調(diào)節(jié)、更換相應(yīng)機(jī)構(gòu)以適用多種瓶型是未來(lái)改進(jìn)方向。