瓶蓋墊片沖塞機的設計與研究*

黃 晉，劉楚輝，徐 樂，夏 琳，彭姣嬌

（嘉興學院機電工程學院，浙江嘉興 314000）

瓶蓋墊片沖塞機的設計與研究*

黃 晉，劉楚輝，徐 樂，夏 琳，彭姣嬌

（嘉興學院機電工程學院，浙江嘉興 314000）

針對現有瓶蓋墊片沖塞機所存在的生產能力不足的問題，提出一種新的設計方案。采用傳送帶取代傳統的振動送料盤送蓋，以大大提高理蓋速度并降低噪聲。利用蓋口朝向不同的瓶蓋重心位置上的差異進行瓶蓋篩選，剔除蓋口朝向不滿足要求的瓶蓋，方法簡單而有效。將瓶蓋墊片的沖裁和填塞進行合并，縮短了工序，可顯著提高生產效率。通過更換不同型號的沖裁模、轉盤和推桿，并調節送蓋滑道兩側夾板的間距就能適應不同規格瓶蓋的要求，為實現瓶蓋的高速全自動生產奠定了基礎。關鍵詞：理蓋；重力選蓋；送蓋；墊片沖塞

0 引言

瓶蓋自動塞墊技術是近幾年隨著瓶蓋生產自動化水平提升產生的，利用該技術可提高瓶蓋生產效率，保證瓶蓋衛生。北京先略投資咨詢有限公司對瓶蓋墊片自動沖塞機市場進行了深入、廣泛的調查，并結合國家統計局、商務部、工商部門、海關和行業協會等官方權威數據，整理發布了《2013年中國瓶蓋墊片自動沖塞機市場調研報告》。根據該報告，我國瓶蓋墊片自動沖塞機的產量逐年增長，且增長比例呈上升趨勢。然而，與西方發達國家相比，我國的瓶蓋墊片沖塞機依舊存在機械性能落后，自動化水平低，對不同規格瓶蓋的適應性差等諸多不足[1]。

河南省安陽市華強包裝有限責任公司于2010年推出了效率高、清潔度好、能適合于不同規格的瓶蓋及鋁箔墊片的高速瓶蓋塞墊機。該機器具有自動理蓋、瓶蓋輸送、塞墊入蓋和點膠4大功能，采用振動上料盤將凌亂的瓶蓋排列輸出，并使所有瓶蓋蓋口朝上，理好的瓶蓋被有序、準確地輸送至墊片入蓋機構完成點膠和墊片塞入動作；但是，該機器需提前把墊片剪切好才能再加工，不能完全實現自動化生產，且成本較高[2]。我國雖然有巨大的市場以及良好的發展前景，但在瓶蓋墊片沖塞機研制上存在技術瓶頸，長期受制于人，嚴重阻礙了行業的發展。因此，有必要設計適應性強、效率高、自動化程度更高的瓶蓋墊片沖塞機，從而提高我國在該行業中的競爭力[3]。

1 瓶蓋墊片沖塞機的結構與工作原理

如圖1所示，瓶蓋墊片沖塞機的工作過程可分為理蓋、送蓋、送紙、沖裁、塞墊和廢紙料回收6個主要工序。

圖1 瓶蓋墊片沖塞機的工作過程

瓶蓋墊片沖塞機的基本結構如圖2所示，主要包括理蓋機構、送蓋機構、送紙機構、沖裁機構、塞墊機構和廢紙料回收機構六大組成部分。理蓋機構由一個槽型傳送帶和兩根固定于傳送帶上方的檔桿組成。送蓋機構由送蓋滑道和旋轉送蓋機構組成，送蓋滑道位于傳送帶左側，靠近傳送帶的部分與傳送帶位于同一平面上，并帶有一個選蓋缺口，送蓋滑道通向其下部安裝的旋轉送蓋機構。

瓶蓋在經過理蓋機構的傳送與整理后進入送蓋機構，此時瓶蓋的蓋口存在兩種不同的朝向，當它們滑至選蓋缺口時，開口方向不滿足要求的瓶蓋翻倒并滑回料箱，其余瓶蓋則順利通過缺口并繼續下滑，經送蓋滑道底部的開孔和豎管，按順序落入下面連接的旋轉送蓋機構。旋轉送蓋機構可準確控制其轉角和停止位置，按一定時間間隔將瓶蓋送到指定沖塞位置。瓶蓋定位夾緊機構夾緊瓶蓋實現精確定位，沖裁塞墊機構將紙料沖裁成墊片并進一步將其塞入瓶蓋。完成墊片沖塞后，紙料輸送機構將紙料向前輸送給定的距離，沖裁后余下的廢紙料由廢料回收機構向前卷起，之后旋轉送蓋機構轉動一個指定的角度，使完成塞墊的瓶蓋從送蓋轉盤的定位孔中落下至成品箱，并將新的未塞墊的瓶蓋送至沖塞位置。

圖2 瓶蓋墊片沖塞機的結構

圖3 瓶蓋在傳送帶和傾斜檔桿共同推動下的受力分析

2 瓶蓋輸送與初選

傳送帶的整體高度為1 000 mm，寬度為400 mm，與豎直面成一定角度γ傾斜布置。傳送帶的表面分布有一系列凹槽，每條槽可容納一定數量的瓶蓋，將其向上輸送并完成初步篩選。每條凹槽從料箱中帶上來的瓶蓋有一部分未完全躺臥于槽內，當它們碰到水平檔桿時將被刮落，掉回料箱。每條凹槽內剩下的瓶蓋均完全躺臥于槽內，不會互相重疊、干擾。這部分瓶蓋可隨輸送帶一起繼續向上運動，直至碰到傾斜檔桿，然后在其推動下進入選蓋滑道。為了保證瓶蓋能順利地被推送進入送蓋滑道，傳送帶上的每條凹槽的下側面均向左傾斜α角，取值范圍為2°～5°，同時，傾斜檔桿與水平面之間的夾角β也必須取適當的角度值。

躺臥于傳送帶凹槽內的瓶蓋在傳送帶和傾斜檔桿的綜合推動下向左滑動時的受力如圖3所示。瓶蓋受到一個空間力系的作用，包括：重力G、凹槽下側面施加的支撐力N1和摩擦力Ff1、凹槽底面施加的支撐力N2和摩擦力Ff2以及傾斜檔桿施加的正壓力N3和摩擦力Ff3。當瓶蓋在傳送帶和傾斜檔桿的綜合推動下，沿著凹槽向左勻速滑動時，需滿足以下力平衡方程和力矩平衡條件[4]：

其中，m為單個瓶蓋的質量；g為重力加速度。根據摩擦力和正壓力的關系，又有：

其中，f為橡膠傳送帶與塑料瓶蓋間的摩擦因數。當瓶蓋在傳送帶和傾斜檔桿的綜合推動下，沿著凹槽向左勻速滑動時，它在xoy坐標平面內需滿足以下力矩平衡條件：

其中，r為瓶蓋外圓柱面的半徑。

取瓶蓋與傳送帶的摩擦因數f=0.33，單個瓶蓋質量為m=2.087克，瓶蓋外圓柱面的半徑r= 28 mm，傳送帶上每條凹槽下側面的左傾角α= 2°，傳送帶與豎直面之間的夾角γ=15°，聯立(1)式、(2)式和(3)式即可解得傾斜檔桿與水平面之間的夾角β=33.248°，設計取值為β=34°。

3 瓶蓋篩選

要保證能夠將墊片塞入瓶蓋內，通過送蓋滑道進入墊片沖塞機構的瓶蓋必須是蓋口朝上的。為了獲得朝向滿足這一要求的瓶蓋，在送蓋滑道的前段上開出一個缺口，具體結構如圖4所示。

如圖4所示，瓶蓋重心點到蓋口平面的垂直距離為a，到滑道底面的垂直距離為c，滑道底部的選蓋缺口沿寬度方向的尺寸為b。當瓶蓋的蓋口朝向選蓋缺口一側時，瓶蓋滑至選蓋缺口處時的受力平衡方程為：

其中，f‘為送蓋滑道底面與塑料瓶蓋間的摩擦因數。由上式可解得：

當瓶蓋的蓋口朝向選蓋缺口時，瓶蓋不會繞B點翻倒的力矩條件為：

將(5)式代入(6)式有：

對于那些蓋口背對選蓋缺口的瓶蓋，若有：

瓶蓋重力和選蓋滑道對瓶蓋的支撐力所產生的力矩鈞為翻轉力矩，瓶蓋必將翻倒并滑回料箱；若有：

選蓋滑道對瓶蓋的支撐力所產生的力矩為翻轉力矩，而瓶蓋重力所產生的力矩為阻止瓶蓋翻轉的力矩，此時瓶蓋繞B點翻倒的力矩條件為：

將(5)式代入(10)式有：

當瓶蓋的蓋口背對選蓋缺口時，綜合以上(8)、(9)和(11)式有瓶蓋必將翻倒的條件為：b＞h-2a-2rtanθ。于是，選蓋缺口的尺寸須滿足條件：

才能保證選蓋滑道能實現選蓋的功能。

圖4 瓶蓋滑至選蓋缺口時的受力分析

4 旋轉送蓋與定位夾緊機構

如圖5（a）所示，旋轉送蓋機構包括一個由電機驅動的轉盤、一個固定不動的扇形檔板和一個弧形擋條。如圖5（b）所示，固定于沖裁模下表面上的氣缸及其推桿與轉盤和扇形檔板一起構成了瓶蓋定位夾緊機構。

瓶蓋經送蓋滑道底部的豎管，兩個一組按順序落入旋轉送蓋機構的轉盤的定位孔內，轉盤在步進電機的驅動下旋轉60°，推動瓶蓋使之進入沖塞位置，然后氣缸驅動推桿將瓶蓋從轉盤定位孔的大端推送至小端，并與轉盤一起壓緊、固定瓶蓋，接著由沖塞機構進行墊片的沖裁與填塞。沖塞桿完成沖塞時觸發行程開關，氣缸驅動推桿回縮，轉盤再次轉動。完成塞墊的瓶蓋在轉盤和扇形檔板上的弧形擋條的共同推動下，從轉盤定位孔的小端逐漸回到大端，并向扇形檔板的邊緣靠近，當其失去扇形檔板的托舉作用時便從轉盤固定孔的大端中掉落至成品箱[5-6]。

圖5 旋轉送蓋與定位夾緊機構的結構與組成示意圖

5 瓶蓋墊片沖塞

為了大幅度提高瓶蓋墊片沖塞機的工作效率，將瓶蓋墊片的沖裁和填塞工序合并。如圖6所示，沖塞機構主要由沖塞頭座、沖裁桿、填塞壓軸、沖裁桿檔板、壓軸檔板、沖裁彈簧、填塞彈簧、壓軸頭以及若干螺釘組成。沖裁桿與塞墊壓軸合而為一，沖裁桿為中空結構，填塞壓軸安裝在沖裁桿內，填塞壓軸頭的直徑略小于沖裁桿的內徑。沖裁桿完成墊片的沖裁后，沖塞頭繼續向下運動，當沖裁桿刀口上方的凸臺與沖裁模上表面接觸時，沖裁桿向下的運動受到阻擋，沖裁彈簧被壓縮，而填塞壓軸則繼續向下運動，將墊片壓入瓶蓋，當壓軸頭下表面到達瓶蓋底部時，填塞彈簧被壓縮，然后觸發行程開關，沖塞頭反向運動并回到初始位置。由于沖塞桿總行程不超過40 mm、動作迅速，且沖裁剪切力較小，故沖塞機構采用氣壓缸驅動。

圖6 沖塞機構的結構與組成

6 總結

針對我國現有瓶蓋墊片沖塞機所存在的問題，設計了一種新的高效瓶蓋墊片沖塞機。從瓶蓋墊片沖塞的功能需求出發，對瓶蓋沖塞機的理蓋機構、送蓋機構和沖塞機構進行了分析與設計。采用傳送帶送蓋，利用蓋口朝向不同的瓶蓋在重心位置上的差異進行瓶蓋篩選，方法簡單有效，提高理蓋速度并降低了噪聲。所設計的送蓋滑道為活動機構，通過調節兩側夾板的間距，并更換不同型號的送料板和擋料板，即可適應不同規格瓶蓋的生產。通過實現雙排送蓋設計，使得該高效瓶蓋墊片沖塞機的加工速度較之同類產品提高一倍。

［1］于策.包裝機械行業發展預測［J］.中國包裝工業，2006（3）：24-25.

［2］龔曄.國外包裝機械市場需求兩旺［J］.中國包裝工業，2006（4）：16-18.

［3］李楊.醫用瓶蓋沖塞機的機械設計與控制研究［D］.上海：上海大學，2007.

［4］鄭文緯，吳克堅.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［5］徐海琴，陶紀明，朱俊，等.瓶蓋沖塞機輸送滑軌結構動力特性分析與改進［J］.機械工程師，2007（10）：54-56.

［6］焦昊昊.瓶蓋同向排列的創新設計［J］.現代制造工程，2006（1）：111-112.

Design and Research of Machine for Blanking and Filling Paper Pad into Bottle Cap

HUANG Jin，LIU Chu-hui，XU Le，XIA Lin，PENG Jiao-jiao
（College of Mechanical-Electrical Engineering，Jiaxing University，Jiaxing314000，China）

Aim to the inefficiency of production which medicine bottle cap paper pad washing exists，a new design scheme is put forward. This project adopts the conveyor belt to replace the traditional vibration feeding plate to send cap that greatly enhances the speed of cap sorting as well as reduces noise.It takes advantages of the difference of cap center of gravity position because of caps mouth towards different direction and gets rid of the caps whose mouths’ direction cannot meet the requirements.This approach is quite easy and effective.In addition，combing blanking and tamping of cap gasket shorten the process and improve the efficiency of production significantly.What’s more，it can adapt to different caps of specification requirement by means of replacement of blanking die，turntable and push rod of different models and adjust to distance between slides to send cap on both sides of the plywood.It lays a solid foundation for the realization of high speed and automatic production of caps.

bottle cap sorting；bottle cap selection by gravity；bottle cap transportation；paper blanking and padding

TB486

：A

：1009－9492(2014)12－0047－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.011

黃 晉，男，1991年生，浙江人，大學本科。研究領域：瓶蓋墊片沖塞機設計。

(編輯：阮 毅)

*2014年浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃資助項目（2014R417011）

2014－06－29