李永濤,劉興德,錢 程,刁建超,陳永軍

(1.人民郵電出版社,北京 100161;2.吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,吉林 吉林 132022;3.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院,吉林 吉林 132022)

多數(shù)個(gè)體生產(chǎn)者和農(nóng)村生產(chǎn)者在進(jìn)行液體食品、飲品的生產(chǎn)包裝中使用食品級塑料袋,其灌裝、封口生產(chǎn)操作多數(shù)仍然采用人工操作。操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大,對生產(chǎn)環(huán)境溫度、濕度等有一定要求,操作不當(dāng)還經(jīng)常導(dǎo)致手指燙傷。同時(shí),由于人的介入也存在食品、飲品衛(wèi)生安全隱患[1]。為此,開發(fā)全自動(dòng)液體自動(dòng)灌裝、封口設(shè)備,液體封口機(jī)就是該設(shè)備的重要組成部分。

1 總體方案

待封口原料袋如圖1所示,材質(zhì)為聚丙烯, “方框”框選區(qū)域?yàn)榉饪趨^(qū)域。

圖1 原料袋圖

依據(jù)所開發(fā)設(shè)備的使用環(huán)境——生產(chǎn)車間與生活空間重疊,為避免氣動(dòng)的噪聲擾民,運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力源均采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。如圖2所示,電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙旋向絲杠螺母副,帶動(dòng)封口壓板開合,實(shí)現(xiàn)封口動(dòng)作。左右兩個(gè)開合板分別安裝耐高溫橡膠和加熱塊,實(shí)現(xiàn)壓緊和封口操作。

封口機(jī)的控制系統(tǒng)分為溫度控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)兩部分,其中溫度控制系統(tǒng)由溫度控制器控制加熱單元(加熱棒)來給右側(cè)壓板加熱,再由溫度傳感器檢測溫度是否到達(dá)預(yù)設(shè)值。若溫度到達(dá)預(yù)設(shè)值,則輸出溫度達(dá)標(biāo)信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)控制器,作為輸出控制信號(hào)的必要條件[2];若溫度沒有到達(dá)預(yù)設(shè)值,則反饋給溫度控制器繼續(xù)控制加熱棒加熱,直到達(dá)到預(yù)設(shè)值。并且,控制封口壓板溫度在一定范圍,實(shí)現(xiàn)封口機(jī)工作時(shí)在一定范圍內(nèi)的溫度控制。而運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和壓力傳感器組成。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)控制器接收到溫度傳感器的溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值信號(hào)時(shí),且接收到灌裝完成信號(hào)時(shí),開始控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩壓板進(jìn)行閉合運(yùn)動(dòng)。當(dāng)左右壓板接觸時(shí),通過壓力傳感器檢測兩壓板間壓力,壓力到達(dá)預(yù)設(shè)值(≤100 N)時(shí),計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí),進(jìn)行封口。計(jì)時(shí)結(jié)束,則表示封口完成。步進(jìn)電機(jī)開始驅(qū)動(dòng)復(fù)位,進(jìn)行下一次封口循環(huán),具體控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

2 結(jié)構(gòu)部分

如圖4所示,結(jié)構(gòu)部分主要由導(dǎo)軌副、雙向絲杠副、步進(jìn)電機(jī)等構(gòu)成。

圖4 封口機(jī)軸測圖

雙向絲杠上的兩個(gè)滑塊上分別安裝左右連接板,連接板上分別壓板,左側(cè)壓板帶壓力傳感器和耐高溫橡膠條,右側(cè)壓板安裝有加熱板和溫度傳感器。步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與雙向絲杠相連,帶動(dòng)滑塊開合運(yùn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)左右壓板運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)封口動(dòng)作。結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表

3 力學(xué)分析

最大工作載荷Fm的計(jì)算:工作載荷是影響絲桿導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素[3]。本例中的工作滑塊為水平布置,采用單導(dǎo)軌、雙滑塊的支承形式。已知移動(dòng)部件總重量G=10N,工作臺(tái)受橫向載荷Fx=100 N,受縱向載荷Fy=0,受垂直方向載荷忽略不計(jì),即Fz=0。按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算,實(shí)驗(yàn)公式見表2。

表2 最大工作載荷Fm實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)表

求得絲桿導(dǎo)軌副的最大工作載荷:

Fm=KFx+μ(Fz+Fy+G)=111.5 N 。

(1)

最大動(dòng)載荷FQ的計(jì)算:絲桿轉(zhuǎn)速500 r/min,取絲桿的使用壽命T=15 000 h,代入L0=60nT/106,得絲桿壽命系數(shù)L0=450(單位為106r)。

取載荷系數(shù)fw=1.2,滾道硬度為60HRC時(shí),取硬度系數(shù)fH=1.0。

(2)

電機(jī)采用57BYGH56型號(hào),絲桿導(dǎo)軌副采用1204型號(hào)的組件。其電機(jī)速度、轉(zhuǎn)矩輸出等見表3。絲桿、導(dǎo)軌的具體參數(shù)如表4、表5所示[3]。

表3 電機(jī)的基本參數(shù)

表4 絲桿的具體參數(shù)

表5 導(dǎo)軌模組參數(shù)

一般旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械公式如式(3)[4]所示。

(3)

已知TD=1.2 N/m,nD=500 r/min,帶入公式(3)可得P=0.062 8 kW=62.8 W。

電機(jī)軸上靜阻負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式如式(4)所示。

(4)

已知正常工作時(shí)作用力Fmax<100 N,故取F=100 N,vm=0.03 m/s,wD=52.3 rad/s,傳動(dòng)效率η=90%。代入式(4)得T1=0.063

設(shè)計(jì)的機(jī)加件——連接板和壓板是主要受力零件,需要校核計(jì)算,以驗(yàn)證其應(yīng)力、應(yīng)變是否符合受力、形變要求。

如圖5、6所示,在封口機(jī)封口時(shí)左右兩壓板間壓力≤100 N(計(jì)算時(shí)取100 N);左右兩連板分別通過4個(gè)M5的螺釘連接到螺母滑塊上。采用NX Nastran的有限元高級仿真分析[5],網(wǎng)格采用的是3D四面體網(wǎng)格劃分,受力零件材質(zhì)為Aluminum_2014(2A12鋁合金)。約束、施加載荷大小與位置分布如圖5、6所示。分別在4個(gè)螺紋連接處采用固定約束;右側(cè)壓板施加載荷100 N,其中加熱條部分占60%,上下分別占20%;左側(cè)壓板載荷施加在耐高溫橡膠條上,大小為100 N[6]。

圖5 右側(cè)原件有限元網(wǎng)格劃分、受力及約束結(jié)果

圖6 左側(cè)原件有限元網(wǎng)格劃分、受力及約束結(jié)果

左右兩側(cè)極限應(yīng)力分布結(jié)果如圖7、圖8所示,加熱部分原件連接板上的極限應(yīng)力為8.085 MPa,壓力檢測原件連接板上的極限應(yīng)力為33.09 MPa,而2A12鋁合金的應(yīng)力屈服極限為265 MPa[4],故滿足設(shè)計(jì)需求。

圖7 右側(cè)加熱部分原件應(yīng)力分析圖

圖8 左側(cè)壓力檢測部分原件應(yīng)力分析圖

左右兩側(cè)極限應(yīng)變分布結(jié)果如圖9、圖10所示。右側(cè)加熱部分原件的極限應(yīng)變?yōu)?.023 mm,左側(cè)壓力檢測部分原件的極限應(yīng)變?yōu)?.332 mm。其偏差在可控范圍之內(nèi),故其滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 右側(cè)加熱部分原件應(yīng)變分析圖

圖10 左側(cè)壓力檢測部分原件應(yīng)變分析圖

產(chǎn)品實(shí)物樣機(jī)和實(shí)際封口效果如圖11所示,考慮到成本,機(jī)架采用鋁型材,規(guī)格40 mm×40 mm×4 mm,大基板采用2A12鋁合金板,厚度為6 mm,控制柜采用PLA經(jīng)過3D打印成型。灌裝水略高于大氣壓(沒有具體測量壓值),起封口效果良好,封口機(jī)樣機(jī)與封口效果如圖11所示。

圖11 封口機(jī)樣機(jī)與封口效果

4 結(jié) 論

該封口機(jī)采用三維CAD設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì),通過對關(guān)鍵部件進(jìn)行分析計(jì)算,保證了薄弱部分的安全可靠。經(jīng)過制造、采購和裝配調(diào)試后進(jìn)行了封口試驗(yàn),并取得了良好的封口效果。該封口機(jī)成本相對低,制造成本是市場同類產(chǎn)品售價(jià)的1/10,是一款適用于個(gè)體經(jīng)營者和農(nóng)村生產(chǎn)者的新型液體封口機(jī)。