化妝品自動裝盒機取盒-開盒機構的設計與仿真

余杰先，李克天，向 飛

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510006）

化妝品自動裝盒機取盒-開盒機構的設計與仿真

余杰先，李克天，向 飛

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510006）

通過對化妝品裝盒機取盒-開盒機構的分析，研究了實現(xiàn)內擺線運動軌跡的行星輪式取盒-開盒機構。確定了兩旋轉中心距離和吸頭半徑等關鍵參數(shù)對取盒效率的影響，建立了數(shù)學模型，分析了機構運動的速度和加速度，利用Matlab軟件對機構中的吸頭的運動軌跡、位移、速度、加速度進行仿真并繪制出相應的曲線，為機構的優(yōu)化提供理論依據(jù)。最終設計出能夠實現(xiàn)高取盒效率的取盒機構。該機構有易于制造、運行平穩(wěn)、結構緊湊等特點。

自動裝盒機；取盒機構；行星輪；擺線；仿真

0 引言

自動裝盒機屬于包裝機械的一種，在制藥行業(yè)、食品加工行業(yè)、化妝品行業(yè)的包裝中應用非常廣泛。自動裝盒機一般包括取盒-開盒機構、物品輸送機構、說明書折疊機構、紙盒輸送機構、推料機構、封盒機構等。而取盒-開盒機構起著至關重要的作用，其性能的好壞直接影響自動裝盒機的整機質量[1-2]。

隨著化妝品行業(yè)的蓬勃發(fā)展，市場對化妝品自動裝盒機的要求越來越高，集中體現(xiàn)在對裝盒速度的要求不斷提高。而傳統(tǒng)化妝品自動裝盒機中的凸輪-擺桿式取盒-開盒機構不利于裝盒速度的提高，故要大幅提高化妝品自動裝盒機的裝盒速度，改進取盒-開盒機構勢在必行[3-4]。

本文提出一種連續(xù)式的取盒-開盒機構，通過建立數(shù)學模型，并進行該機構的運動學分析，確定關鍵參數(shù)，并通過Matlab軟件對該機構的運動方程進行仿真繪制出吸頭的位移、速度、加速度曲線。

1 機構的動作和軌跡分析

1.1 取盒-開盒動作分析

如圖1所示，采用三個吸頭同時連續(xù)工作能明顯提高取盒-開盒的效率，三個吸頭在空間上圓周均布列，相臨兩個吸頭之間的角度為120°。通過對吸頭上吸盤進行通氣和斷氣即可實現(xiàn)對紙盒的吸取和釋放。吸頭從供盒架處吸取紙盒，并做圓周運動，轉過120°后，通過碰撞斜塊的圓弧面，使紙盒的棱邊因為受到一定的擠壓作用而處于半打開狀態(tài)，繼續(xù)做120°圓周運動后到達輸送帶的卡槽上，這時由于紙盒還有一個水平的速度分量，在卡槽里半打開的紙盒將會完全打開，并由輸送帶卡槽保持完全打開的狀態(tài)，以便接下來推料機構把化妝品和說明書推進紙盒內。這樣就完成了一個取盒-開盒動作流程。

圖1 取盒—開盒動作簡圖

1.2 軌跡分析

由上述的取盒-開盒動作分析可見，在一個取盒-開盒流程中，要重點考慮的地方是呈120°圓周分布的三個工作點，亦即是吸盤在供盒架吸取紙盒的地方、運動過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，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，以免對紙盒造成傷害。在卡槽釋放紙盒的時候也要求吸盤釋放紙盒后迅速向上運動，以免吸盤碰到運動著的卡槽。顯然，在這個工作點，都有一個“下降→上升→下降”的趨勢。故把軌跡設計為如圖2所示的內擺線形狀[5]。

圖2 內擺線形狀

2 機構的原理以及設計

機械制造中一般采用行星輪系來實現(xiàn)內擺線的運動軌跡，本文也采用這種原理來實現(xiàn)吸頭的內擺線運動軌跡，圖3是機構的原理圖。

吸頭連桿4連接在從動齒輪5上，而從動齒輪5、定齒輪2、轉向齒輪3組成了行星輪系，故當轉盤1轉動的時候既能帶動從動齒輪5公轉，又能通過轉向齒輪3使從動齒輪5自轉，只要控制齒輪間的傳動比合適，就能使吸頭形成內擺線軌跡[6]。

圖3 機構的原理簡圖

3 數(shù)學模型的建立

運動模型如圖4所示。以轉盤的圓心為坐標原點建立坐標xoy系作為基本坐標系。以從動齒輪的圓心作為原點建立坐標系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坐標系的30°上，即θ0=30°，oo'=r，r為從動齒輪圓心到轉盤1圓心的距離，r1為吸頭到從動齒輪5的距離。由軌跡要求知道當轉盤1轉動了（θ·θ0）角度時，從動齒輪5實際轉動了3（θ·θ0）。把吸頭的位移分解到基坐標系xoy下求解得[7]：

化簡（1）式得：

令θ0=30°時，吸頭的運動方程為：

圖4 運動模型圖

利用Matlab軟件對上述運動方程進行仿真得出圖5和圖6的吸頭軌跡圖，驗證了以上運動方程的正確性。

圖5 吸頭運動軌跡圖

4 機構運動學分析及仿真

對運動方程組（2）進行一次求導可以得到吸頭的速度大小為v= x’2+y’2，將方程用Matlab進行仿真得到圖7吸頭的速度曲線圖[8-9]。

代入方程并化簡得：

當θ=30°、θ=120°、θ=240°時，cos3θ等于1，此時加速度a達到最大值。這三個角度恰好是吸頭在運動軌跡中的三個工作點。把方程用Matlab進行仿真得到圖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 結束語

由上述圖表可知吸頭的運動軌跡是準確的，而且位移、速度、加速度曲線都是連續(xù)平滑的，故不會產(chǎn)生沖擊。而且運動方程是關于θ的函數(shù)，通過改變r、r1兩個參數(shù)就能產(chǎn)生符合生產(chǎn)需求的內擺線軌跡形狀。該機構具有結構緊湊、零部件容易加工、體積小、性能穩(wěn)定、成本低等特點。所以該機構的取盒-開盒機構在化妝品自動裝盒機市場將會有很大的應用和發(fā)展前景。

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

［2］陳靖菲，錢煒，熊磊.間歇式藥品自動裝盒機［J］.包裝與食品機械，2009，27（6）：5-7.

［3］高軍，呂金麗.裝盒機構的設計［J］.機械傳動，2002，26（3）：71.

［4］陳閩，曹巨江.自動裝盒機打開機構運動方案設計與分析［J］.機械傳動，2010，34（3）：76-77.

［5］吳旭，任子文.具有速度和姿態(tài)要求軌跡的凸輪連桿機構設計［J］.機械設計與研究，2008，24（2）：117-120.

［6］李龍，田曉鴻，曹巨江.高速取盒機構運動軌跡設計與研究［J］.包裝與食品機械，2011，29（3）：28-30.

［7］李龍，曹巨江，田曉鴻.行星輪式取盒機構的研究與分析［J］.機械傳動，2011，12（3）：60-62.

［8］歐長勁，洪尉尉，彭寬棟.細絲拉絲機張力控制系統(tǒng)設計與仿真 ［J］.機電工程，2012（10）：1191-1194.

［9］苗國軍，陳軍.裝盒機說明書抓取裝置的運動學分析［J］.包裝與食品機械，2004，22（4）：10-13.

(編輯：王智圣)

圖3 收線排線系統(tǒng)流程圖

考慮到整個控制系統(tǒng)的功能要求、信號輸入輸出個數(shù)、控制穩(wěn)定性、指令系統(tǒng)、以及響應速度等因素，選用三菱的FX2N-32MT的PLC，收線和排線電機均采用臺達伺服電機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，多圈絕對值編碼器采用海德HEDSS光電旋轉編碼器。

5 結束語

根據(jù)微細扁線材的收卷過程，本文提出了一種基于交流伺服電機的收線排線控制方法，排線系統(tǒng)采用聯(lián)動式排線系統(tǒng)，以PLC為上位機控制整個系統(tǒng)的收線排線過程，用絕對值編碼器代替接近開關，通過人機界面可以方便的設置排線移動區(qū)間和線材寬度，PLC接受收線電機發(fā)送的脈沖信號，經(jīng)內部運算控制排線電機轉速，從而使收線和排線過程滿足一定關系，經(jīng)實踐，該系統(tǒng)在收卷截面形狀為扁平的微細扁線材時，運行可靠，速度控制精度高，排線均勻平整，系統(tǒng)穩(wěn)定，并能自動適應不同長度的收卷輥。

參考文獻：

［1］周偉春，郭鐘寧，何建文.微細扁線材生產(chǎn)工藝及其裝備開發(fā)［J］.機電工程技術，2008，37（12）：46-49，94.

［2］劉全軍，何建文，郭鐘寧.微細扁線材恒張力繞卷系統(tǒng)［J］.機電工程技術，2013，42（09）：98-102.

［3］中達電通.ASDA-B2系列伺服驅動器應用技術手冊［Z］.2012.

［4］三菱電機株式會社.FX1S，F(xiàn)X1N，F(xiàn)X2N，F(xiàn)X2NC系列編程手冊［Z］.2010.

第一作者簡介：賈 銳，男，1988年生，河北唐山人，碩士研究生。研究領域：先進制造技術，超精密加工技術。

(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。研究領域：機構優(yōu)化設計。

2014－02－27