瓶蓋機機械系統設計關鍵技術分析

臺阝金華，段俊法

（華北水利水電學院 機械學院，河南 鄭州 450011）

瓶蓋機機械系統設計關鍵技術分析

臺阝金華，段俊法

（華北水利水電學院 機械學院，河南 鄭州 450011）

包裝機械是包裝工業的一大門類產品，是集機、電、光、氣、生、磁為一體的機械電子設備，它給行業提供必要的技術設備，以完成所要求的產品包裝工藝過程。本文主要針對瓶蓋機機械系統設計問題提出自己一點看法，對于今后瓶蓋機機械系統設計具有一定幫助。

機械制造；瓶蓋機；機構設計；包裝機械

1 概述

單瓶蓋機的功能是實現送蓋，沖裁紙片，并將其塞入瓶蓋內。為了能完成120只/min的功能，設備機械結構采用振動料斗理蓋、雙通道送蓋、雙刀口沖裁、兩個步進電機控制送蓋、一個步進電機控制送紙。電磁閥控制氣缸帶動活塞塞紙等設計。機械系統整體流程如圖1所示。瓶蓋機的機械系統由理蓋機構、瓶蓋傳送機構、墊片材料傳送機構、沖裁機構和塞紙機構等幾部分組成[1，2]。

圖1 系統加工工序流程圖

2 理蓋機構

由振動料斗上料，定向機構設計與加工是振動上料器設計與制造過程中一個非常突出和棘手的問題。尤其對于一些形狀復雜的工件，相應的定向機構幾乎難以用通常的視圖來表達，在實際制造與加工過程中，只能邊調整邊修磨，加工周期很長。定向機構所起的作用，在本項目中來說，就是要保證瓶蓋在送入雙排軌道時，要蓋口朝上。如果瓶蓋處于其他姿態，沖裁的紙片就沒辦法塞入，而且還可能因為機械碰撞而產生嚴重的設備故障。定向常有兩種基本方法，即積極定向法和消極定向法。消極定向法的特點是，按照選定的定向基準，采取措施讓符合要求的物件在供送滑道上始終保持穩定運動狀態，并設法剔除不符合要求的物件，使之集中回流。積極定向法的特點是，采取強制措施使原來不符合定向要求的物件全部改變為規定基準方向。這里采用消極定向原理。

3 瓶蓋傳送機構

3.1 送蓋方案的比較和確定

較之國內一些同類型的設備，本設備提高加工速度的關鍵，在于采用雙排列行進蓋機制。也就是從振動料斗出來的瓶蓋，經過預定軌道，到達沖裁位置時，成兩行排列，沖刀每次同時沖裁兩個墊片，然后由塞入機構塞進兩個瓶蓋。軌道設計如圖2所示。這樣，較之單行加工方式，其他條件等同的情況下，生產速度提高一倍。同理，如果采用三行進蓋甚至四行進蓋，加工速度會更快。但是盲目的增加行數也會出現難以解決的問題。

振動料斗位置較高，瓶蓋經過振動上料器的整理，進入沖裁軌道時都是開口向上并排成兩行到達沖裁位置。由于采用金屬軌道，瓶蓋質量較小，蓋面和軌道之間摩擦力很小，因此，驅動瓶蓋到達沖裁位置，僅僅依賴瓶蓋受重力作用是不夠的，還涉及到一個瓶蓋定位問題。如前所述，瓶蓋到達沖裁位置必須排列整齊，正對沖刀，所以本設備在沖裁位置之前需安裝卡輪。

考慮到控制的要求，驅動采用兩個品牌型號完全相同的步進電機。其中一個齒輪順時針旋轉，另一個則逆時針旋轉。每旋轉90°的圓心角，送蓋機構就向前推了一排（2個）瓶蓋。旋轉一整周，將有4排（8個）瓶蓋經過特型齒輪，往前推進，周而復始。該機構不但能給瓶蓋前進以足夠的推力，而且能保證瓶蓋在進入沖裁位置時排列整齊，起到定位功能。

3.2 送紙與送蓋互相配合的方案比較和確定

為了保證墊片紙條更充分的利用，送蓋和送紙的方向不能在一條直線上，而應該保持一定的角度，如圖2所示。當采用a和b的排列方式時，鋁箔墊片和蓋列方向完全一致，其墊片材料利用率分別為78.5%和72.35%。但是，無間隙排列時，刀具難以實現，所以a只是一種理想狀況，必須像圖b那樣留有間隙。當采用c和d的排列方式時，鋁箔墊片和蓋列夾角120°，其墊片材料利用率分別為84.13%和77.98%。同理，c也只是一種理想狀況，難以實現。但是比較d和b，采用d方式時，墊片材料利用率比b狀況下提高了5.63%。作為一種生產效率較高，產量較大的加工機械來說，原材料的節省能有效的降低成本，提高經濟效益。因此，本設備在設計時，鋁箔紙墊片和蓋列要設計成d方式，即夾角120°。

3.3 送蓋機構的力學估算及控制電機選擇

步進電機必須為卡輪提供足夠的轉矩以做到：

①克服卡住瓶蓋和軌道的摩擦力；

②克服卡輪本身的轉動慣量；

③保證送蓋機構能推動瓶蓋在軌道上前進。

卡輪送蓋過程中，瓶蓋和金屬材質軌道底、軌道壁產生一定摩擦阻力，但因瓶蓋質量很輕（12g），這一摩擦力可以忽略不計；卡輪材料為聚四氟乙烯，質量較小（約26g），本身轉動慣量很小；瓶蓋在送到卡輪位置之前，傾斜的軌道能給瓶蓋下滑提供動力。在卡輪位置之后的軌道很短（大約3～4個瓶蓋直徑的長度），雖然瓶蓋列完全依賴卡輪的撥動才能前進，但是瓶蓋列和軌道底的摩擦阻力非常小，卡輪工作扭矩實在太小，不可能超過軸的材料承受范圍，因此，無需對卡輪的傳動軸進行校核。這里直接選用了42BYGH250A四相步進電機。

4 傳送機構設計及控制電機選擇

本設備所用的墊片材料，是單面鍍金屬膜的紙條，有一定厚度和硬度。初始狀態是卷在軸筒上，就如同日常生活所用的卷筒紙。在紙條到達沖裁機構時，事先要拉直攤平，再傳送到排列好的瓶蓋正上方。考慮到沖裁落料之后，紙條中間會有規則排列的圓形孔洞，如果在沖裁機構后面用拉的方式送紙，可能會因為受力點過小而將紙條拉斷。所以本課題擬在沖裁機構之前，用兩個圓形滾筒來送紙。主動滾筒由步進電機拖動。

根據滾筒的直徑尺寸、加工速率、待加工瓶蓋的直徑等參數，可以計算出帶動滾筒的電機額定速度。根據紙片的厚度和硬度，調整兩個滾筒之間的距離。通過試驗，可以測得帶動滾筒送紙所需要的轉矩。以摩擦力30N，主動軸直徑15mm計，則步進電機負載轉矩必須不小于225Nmm。根據上述參數要求，送紙滾筒選用57BYG007.4四相步進電機驅動。

5 沖裁機構

5.1 曲柄滑塊機構和偏心輪機構（圖3）

曲柄滑塊機構是由鉸鏈四桿機構演化而來。當機架和搖桿的長度同時無限增長，鉸鏈D無限延移時，這時桿上C點的運動軌跡由圖中弧線變為直線，桿的運動變為移動，此運動可用與桿固聯的滑塊及機架固聯的導軌來實現，就演化為曲柄滑塊機構。此機構為含有一個移動副的四桿機構，若不考慮哪個桿作機架，就是含有一個移動副的構件系統。曲柄滑塊機構中滑塊C點的運動軌跡稱為導路，C點在兩個極限位置之間的距離稱為行程，用H表示，如果導路通過曲柄回轉中心，稱為對心曲柄滑塊機構。如果導路不通過曲柄的回轉中心，成為偏置曲柄滑塊機構[3，4]。

圖2 箔墊片材料利用率計算示意圖

圖3 曲柄滑塊機構

當行程H很小時，曲柄很短，受力又很大，此時可將轉動副B的尺寸擴大到超過曲柄長度，則曲柄AB就演化成幾何中心B不與轉動中心A重合的圓盤，稱為偏心輪。當曲柄長度很小時，通常都把曲柄做成偏心輪，這樣不僅增大了軸頸的尺寸，提高偏心軸的強度和剛度，而且當軸頸位于中部時，還可以安裝整體式連桿，使結構簡化。偏心輪機構結構簡單，其軸頸的強度和剛度大，廣泛用于曲柄長度要求較短、沖擊較強和體積較大的機械設備中。

5.2 沖裁機構設計

本設備所用的墊片材料，是單面鍍金屬膜的紙條，有一定的厚度及硬度。所以本機構擬采用由交流伺服電機帶動驅動軸，直接利用一個偏心軸，接上沖壓模具的曲柄滑塊機構進行紙片的沖壓。這種機構相對于利用液壓缸或其他機構，省去了中間的轉換和控制部分，具有機構運行穩定可靠、磨損小、壽命長等優點[4]。

設備沖裁機構設計中，由動力源驅動主動軸旋轉，帶動偏心輪，通過傳動板，帶動沖頭支架在導軌內上下滑動。沖頭支架以及沖刀，相當于滑塊，傳動板相當于曲柄，而主動軸圓心即為傳動中心A。沖裁機構設計的機械理論依據就是由曲柄滑塊演變的偏心輪機構。

6 壓入機構

沖刀裁好的紙片只是落在開口朝上的瓶蓋內。而由于紙片質量很小，一般狀況是下部是輕輕卡在瓶蓋內側螺紋之間；即便落到蓋底，也沒有嵌入蓋底的一圈專用卡紙螺紋內，所以一旦瓶蓋翻轉，紙片極易從蓋內重新掉落出來。合格的加工必須要將裁減下來的圓形紙片穩固的鑲嵌進卡紙螺紋，并保證瓶蓋翻轉時，不會脫落。

這里壓入紙片，是由氣動電磁閥控制氣缸，帶動兩個與瓶蓋內徑差不多大小的圓形塑料沖頭。塞紙裝置在沖裁位置之后，跟沖刀同步動作，沖裁和塞入相繼兩步完成。系統中配置有電磁閥控制氣缸，由單片機總體控制，達到與其他部件同步協調。

7 結語

瓶蓋墊片沖塞機是包裝機械的一大門類產品，其控制方法直接影響到該設備的生產速度。本文主要討論了瓶蓋機機械系統設計關鍵技術的設計思路，對于進一步研究包裝機械設計具有一定的幫助和參考價值。

[1] 張寶珍，樊軍慶.啤酒瓶自動啟蓋機設計[J].食品與機械，2008，（2）.

[2] 嚴書華.一種通用瓶蓋理蓋器與旋蓋機構的設計[J].機電技術，2007，（4）.

[3] 靳 嵐，謝黎明，沈 浩.基于Matlab的偏置曲柄滑塊機構的運動特性仿真研究[J].中國制造業信息化，2008，（23）.

[4] 張祖芳，仲太生，許 超.開式壓力機機身輕量化設計研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2003，38（3）：26-28.

[5] 年四甜.按最佳傳動角設計偏置曲柄滑塊機構[J].機械設計,2008,（12）.

[6] 李玉萍.提高擠壓模具使用壽命的措施[J].鍛壓裝備與制造技術，2005，40（6）：74-76.

Analysis on key technology in design of mechanical system for bottle cap machine

TAI Jinhua，DUAN Junfa
（School of Mechanical Engineering，North China University of Water Conservancy and Electric Power，Zhengzhou 450011，Henan China）

The solution on design of the mechanical system for the bottle cap machine has been put forward in the text，which provides reference to the design of the mechanical system of bottle cap machine in the future.

Packaging machinery；Bottle cap machine；Organization design

TH122

B

1672－0121（2011）06－0070－03

2011-09-05

臺阝金華（1973-），女，碩士，講師，從事機電控制技術的教學與研究