國內包裝機械行業起步較晚，經過近二十年來的發展，所生產的包裝機器已基本能滿足國內的需求，但與發達國家相比仍然存在著明顯的差距，主 要體現在生產技術、相對品質、技術創新能力及自動化 程度等方麵。國內中小企業普遍靠購買技術含量較低 的機械產品進行生產作業，這些機械產品存在著自動 化程度不高、操作及維護複雜、不同工況下適應能力較 差等問題。而這些問題都與未來包裝機械發展的控製 智能化，結構高精度化，機械設備更加簡易方便等趨勢 相違背〔如O以針對粉狀、粒狀及塊狀物料的包裝流水線機械 設備為例，對於小袋包裝的產品,普遍采用灌裝及封口一次成型的小型自動化包裝機械或灌裝後手工操作的 小型流水線封口機械小型自動化包裝機械在技 術水平上已較為成熟，在包裝行業已被廣泛采用。然 而在生產大包裝粉粒及塊狀物料的包裝設備,普遍存 在灌裝和封口環節脫節、灌裝後需要靠人工操作進行 封口等問題，不利於連續生產，且封口設備往往受安裝 位置、包裝袋材質等因素的製約，在不同工況下的適應 度較差。

在上述背景下，課題組開發設計了一種針對粉粒及塊狀物料包裝流水線的自動封口機。它具有傳動機 構簡單、運行穩定性高及自動控製的特點，能極大地解 決大包裝下粉粒及塊狀物料包裝流水線灌裝與封口環 節脫節的問題，且通過機械調姿部分的設計，使封口設 備能夠滿足不同尺寸及方位布置的流水線使用。通過 控製部分的開發，使設備能夠全自動無幹預的運行，並 能針對包裝材料的不同,調整封口環節各參數的設置， 實現對不同材料都能較好的完成密封。

1總體布局設計

封口機的實際應用布局效果如圖1所示。圖中展 示了封口機的實際應用場景和在包裝流水線中的位置 布局，封口機位於流水線進料傳送帶和出料傳送帶 之間

圖中所示機體主要由底座、升降台和機箱3部分 組成，底座由地腳螺栓固定在地麵上。封口機可自動 調整，使進料口適應流水線進料傳送帶的高度及離傳 送帶的距離。

2機械結構設計及係統實現

封口機的係統設計分為機械結構設計和係統實現 2個部分，其中機械結構設計包括進料口模塊、壓緊模 塊、封口模塊、出料部分及機械調姿部分設計5個部分。

2.1進料口模塊

進料口模塊是封口機設計最重要的部分,它負責 將待封口的包裝袋傳送進封口機內。為了確保包裝袋 能平穩的進入封口機，避免發生傾覆、導致包裝袋內的 物料灑落在包裝機內的問題，采用了傳送帶、傳動滾 輪、物料導引杆及物料推板4種機械結構配合布局的 形式，如圖2所示。

傳送帶將包裝袋輸送至封口平台,傳動滾輪負責 將上袋口順暢的過渡進入封口平台上的封口壓杆內, 此處傳送帶及傳動滾輪與進料口接合處均設置有過渡 結構,防止包裝袋被卷入接合處。

物料導引杆的設置是為了防止包裝袋在傳送帶傳 送進封口平台的過程中發生向前傾覆。係統通過光電 傳感器實時檢測包裝袋的位置並控製物料導引杆伴隨 包裝袋運動,若發生前覆,物料導引杆可通過斜向上運 動的方式將包裝袋袋口提升到封口機構上方，使封口 流程順利的進行。

物料推板的設置是為了防止包裝袋在運送至封口 平台時發生向後傾覆。當包裝袋隨傳送帶向封口平台 運動時，光電傳感器會實時檢測包裝袋的位置並通過 控製係統操控物料推板運動，有效防止包裝袋向後傾 覆並輔助將包裝袋推進封口平台。

進料口模塊使用了一個雙輸出軸步進電機和一個 微型步進電機進行驅動。驅動機構選用了皮帶輪、皮 帶、齒輪、小型塑料絲杆滑台、小型雙軸磁粉離合器和小 型製動器等進行功能布置，具體布置方式如圖3所示。

雙輸出軸電機的一端通過安裝皮帶輪及皮帶將轉 矩傳送給上方同樣安裝了皮帶輪的傳動滾輪軸，帶動 傳動滾輪轉動;雙輸出軸的另一端安裝了齒輪,通過與 下傳動軸的齒輪齧合,將轉矩傳送給下傳動軸,帶動下 傳動滾輪轉動並同時帶動從動輪及套在主、從動輪上 的傳送帶轉動。

圖3中小型雙軸磁粉離合器的外側輸出軸及上傳 動滾輪軸外側均配合有齒輪並分別通過與特定位置的 過渡齒輪齧合實現將轉矩從雙輸出軸電機轉換至雙軸 磁粉離合器上。離合器另一側的輸出軸與物料推板機構的某一鉸接軸相連，物料推板由2個雙邊對稱的平 行四邊形杆件機構驅動。

為了更好地完成進料流程,可選用帶隔板的流水 線進料傳送帶來輸送包裝袋"⁰"。

2.2壓緊模塊

包裝機壓緊模塊設計旨在將包裝袋袋口壓緊,為 封口流程做準備。此處機構設計要求在有限的機箱空 間內完成封口機構及其驅動機構的位置布置並通過最 簡單的機構形式實現物料包裝袋的壓緊。同時需要考 慮使相關機構適應進料口的空間布局及物料包裝袋的 進料形式。因此壓緊模塊的設計選用並聯機構和串聯 機構協同布局的形式，實現了在運動過程中完成包裝 袋口壓緊的功能。相關機構布置形式如圖4所示。

載物板側板、上支撐杆、下支撐杆及連杆座一起構 成一組平行四邊形機構。2組對稱布置的平行四邊形機構分別通過載物板與加固杆固定連接，從而搭建成 一個雙邊平行四邊形機構框架。每組平行四邊形機構 分別通過一組串聯杆件與轉動杆相連,每組杆件由連 杆1、連杆2及連杆3組成。

圖4中驅動機構由固定在電機座上的步進電機、 絲杆、光軸及配合在絲杆和光軸上的螺母滑塊組成。 螺母滑塊帶動與其相鉸接的拉杆運動;拉杆拉動雙邊 傳動杆發生轉動;雙邊傳動杆通過帶滑槽的貼片推動 固定在上支撐杆上的推杆及滑輪模塊運動,從而完成 對壓緊模塊機構的驅動。

壓緊模塊框架由一對並聯平行四邊形機構和2組 串聯連杆機構組成，其機構簡圖如圖5所示。

圖 5 中,L_Db 二 112 mm；£_BA 二 120 mm；L_Dc 二54 mm；

Lca 二 115 mm； 0 二 143. 50°； L_fg 二 125 mm； L_Fe 二 140 mm；Led 二66 mm；L_GD 二 120 mm；P 二 5. 74°。其中 Ldb ,

F 二 3n -2 Pl - Ph 二 3x7—2x 10 -0 = 1,即機構 隻具有1個自由度。

式中:n為構件數；Pl和Ph分別指機構所具有的低副 和高副的個數。針對運動輸出杆件Lgf的角度及角速 度變化進行計算分析。

由 DC + CA =DB +BA, 得到複數形式:

Ldc e訥³ +Lca eⁱ^² =Ldb c^+Lba e沖'。

用歐拉公式展開並使實部虛部相等，得到

J Ldc cos 小3 + Lca cos 處—Ldb cos 0 + Lba cos ® , I Ldc sin ^3 + Lca sin ^2 = Ldb sin 0 + Lba sin ©1。

聯立方程組可以解出：

, 1+1.62cos (53.5 - 4>1)

©3 — arccos 〔 +

「1.14+1.13cos (53.5—©1)

J 0.57sin (143.5-©₁)[1+1.62cos (143.5-©。] -1.62sin (143.5-©。卩.14+ 1.13cos(143.5-©。] 400 +222cos©】+300sin .

© ^— [1.14 + 1.13 cos (143.5-©】)].J0.14 - 2.11 cos (143.5 - ©₁) - 2.62 cos² (143.5 - ©₁) ^⁷⁴⁸ - ^{2 + 444cos} ©1+^600sin ©1. ©。⁽³⁾

.J 2.28sin (©3 -185.74)[ -1 +4.55cos (©3 -185.74)] -4.55sin (185.74 -©3)[5.39 -4.55cos (©3 -185.74)] 121-218.9cos ©3 -22sin ©3..

©^5— [5.9-4.55cos (© - 185.74)]* ^4.9+4.55cos (© - 185.74) -20.7cos²(© -185.74) ^{+521 -437}-^8cos © "^44sin ©/ ©°

由公式(3)和(4)可知運動輸出杆Lgf的運動規律 由主動杆L_Bo的運動唯一決定,給出杆L_Bo的角度或角 速度即可得到Lgf的角度及角速度。繼續對公式(3) 和(4)求導即可得到杆Lgf由主動杆Lbo決定的加速度 變化規律。

2.3封口模塊

封口模塊的作用是將壓緊後的物料包裝袋袋口進 行密封並在包裝袋上印上生產日期或批號等信息。物 料包裝袋的封口機構采用了壓合熱封的形式,物料包 裝袋應具有熱封性。如圖6所示,模塊由6部分組成。

在壓緊模塊運行時,壓杆倒向模杆，將物料包裝袋 袋口壓在壓杆與模杆之間，模杆上有可拆卸更換的壓 碼模塊，通過更換數字及字母來完成對包裝袋的打碼 工作。

模杆通過固定片與載杆相固定，模杆和載杆間布 置有高導熱性能電阻絲，電阻絲與模杆、載杆間填充包 裹有石棉，模杆由高導熱性的銅合金製成，當電阻絲通 電發熱時，熱量會通過石棉層均勻的傳導到模杆上，此 時壓杆在設定溫度下壓緊特定時間即能完成對物料包 裝袋的熱封。

2.4出料部分

出料口的作用是將完成熱封後的物料包裝袋排出 封口機並轉移至流水線出料傳送帶上。此部分的設計 承接前麵所述的壓緊模塊與封口模塊,它由小型直線 氣泵、載物板翻板、轉動軸和出料坡道4個部件組成, 如圖7所示。

載物板翻板通過轉動軸與載物板相鉸接。封口流 程結束後，係統控製壓緊模塊電機反轉一定圈數，使壓 緊模塊鬆開,小型氣缸向上運動,將載物板翻板頂起相 應距離,使物料包裝袋從載物板滑向出料坡道並最終 轉移至封口機外的出料口流水線傳送帶上。

2.5機械調姿部分

封口機在安裝及運行過程中,進料口及出料口的 位置時常會受到流水線布局、操作環境等一些外在因 素的限製,機械調姿部分的設計旨在針對上述外在因 素做出相應調整，使機體相對進、出流水線傳送帶的位 置保持在合適的範圍之內，保證物料包裝袋的封口流 程順利進行。

機械調姿包含3個部分:角度、高度和距離。3個 部分的機構均布置在底座及機體平台上,如圖8所示。 底座內部由電機及行星齒輪構成，可以旋轉，用來調整 封口

3.1仿真分析

為了能夠直觀的分析壓緊模塊機構運行的合理 性，借助ADAMS軟件進行運動學仿真分析。將運動 機構模型導入ADAMS中並進行相關參數的配置，如 圖10所示。

分析時首先按螺母滑塊設計運行速度0. 06 m/s 對仿真驅動電機進行配置，使機構進行動態運行。通 過對機構動態仿真結果的分析,證明了機構框架的運 行姿態符合預期，達到了相關設計的功能要求。

接著選取幾個重要的鉸接點進行受力分析。文中 選取拉杆與雙邊傳動杆上貼片相連的鉸接點進行示例 分析，由於這個鉸接點承載著由螺母滑塊傳遞過來的 驅動拉力，因而是個重要的受力點,其在X, Y, Z方向 上的受力及合力情況如圖11所示。

由圖11可知,空載時單個方向上的受力最大不超 過16 N,合力不超過18 N,相鉸接的拉杆和貼片材料 均選用普通的碳鋼。為了驗證鉸接處強度的可靠性, 選取最大受力時刻，借助SolidWorks中的Simulation對 鉸接點進行靜力學分析,應力分布如圖12所示。

應力分布表明鉸鏈處所受應力遠小於材料的屈服 極限,由此證明了此處鉸鏈具有運行安全性和可靠性。 機構其他鉸接點的仿真分析均與上述分析類似，不再 贅述。

3.2試製及調試

為了驗證壓緊模塊的設計機構在實際運行中的穩 定性與可靠性，對這一模塊進行了機構的試製。在樣 機的運行調試過程中，初步驗證了機構設計的合理性 與運行穩定性，達到了設計預期。

4結語

課題組設計開發的粉粒及塊狀物料包裝流水線自 動封口機，采用模塊化的設計理念，並以STM32為核 心的控製係統統一指令下,實現了封口流程的全自動 化運行，極大地解決了大包裝下的粉粒及塊狀物料包 裝流水線灌裝和封口環節脫節並需要人為幹預的問 題,具有較好的市場應用前景。

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