EPS雙層包裝袋開袋裝置的優化設計

鄧援超， 黃 朋

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

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EPS雙層包裝袋開袋裝置的優化設計

鄧援超， 黃 朋

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

對包裝線上開袋裝置的機構進行優化設計，應用了平面連桿結構，達到了包裝過程中動作穩定、可靠的效果。

開袋裝置； 優化設計； 平面連桿； 包裝機械

EPS(可發性聚苯乙烯)雙層包裝袋由內袋和外袋構成，外袋材質是黃皮紙質，而內袋材質主要是塑料薄膜。對于塑料薄膜材質的內袋來說，塑料薄膜在合攏的時候兩邊的單層薄膜有一定的黏合，想要穩定打開內袋難度很大[1]。但是EPS自動包裝機主要核心部分是灌裝工位，在灌裝工位需要將包裝袋的內袋和外袋打開，這樣伸縮裝料管才能進入到內袋口里面進行灌裝，因此，包裝袋內袋和外袋打開對開袋裝置的設計成功與否十分重要。

1 開袋裝置設計原理

開袋裝置是由吸袋部件和抓袋部件兩個部件組成。吸袋部件和抓袋部件兩者的運動是有關聯的，它們各自的運動效果，都會直接影響包裝袋內外袋的開口形狀和開口質量。這是開袋裝置設計的關鍵所在。開袋裝置是灌裝工位重要組成部分。雙層包裝袋運送到灌裝工位時，其狀態是垂直于底面，因此基于以上的一些因素，開袋裝置設計原理主要是：內袋夾頭和外袋夾頭分別夾住雙層包裝袋的內袋和外袋，而在內袋夾頭和外袋夾頭的垂直方向上(包裝袋兩側)分別加上多個內袋吸盤和外袋吸盤。當內外夾頭同時向里收縮時，包裝袋兩側的內外袋吸盤同時向外運動。由于內外袋吸盤緊貼在內袋和外袋的表面，兩側吸盤在向外運動的同時，吸盤里面產生了一定的真空，此時包裝袋內袋和外袋的相對應的吸盤一層薄膜和黃皮紙會隨著吸盤的向外運動而分開[1]。開袋裝置設計原理如圖1所示。

1-內袋吸盤；2-內袋夾頭；3-吸盤

在內外夾頭向里收縮的同時，內外袋吸盤向外運動，雙層包裝袋的內袋口就被打開成近似矩形的形狀，伸縮裝料管伸到內袋口里進行灌裝。包裝袋打開后的狀態如圖2所示。

圖2 內袋口成形狀態

2 開袋裝置結構優化設計

2.1 結構方案設計

設計開袋裝置的目的就是能夠很好地將包裝袋內袋口順利打開，且在開袋裝置運動的過程中能保持內袋口不會從吸盤脫落，因此吸袋部件的結構設計相當重要。

吸袋部件主要功能是在吸盤張開合攏的過程當中，在吸盤吸力的作用下將包裝袋內外袋打開。平面連桿機構在實際運用中非常廣泛，車輪聯動機構、破碎機、飛機起落架機構都運用到了平面連桿機構。其機構結構簡單，可以完成多種運動規律和運動軌跡要求，能實現較大行程或增力的作用。因此，吸袋部件主要由平行四邊形機構和雙曲柄搖桿機構組成。平行四邊形機構使內外袋吸盤張開合攏，雙曲柄搖桿機構則起到傳動力作用。在兩個機構組合的基礎上，現設計了兩種吸袋部件結構方案(圖3、圖4)。

1-齒輪; 2-調節連桿; 3-氣缸; 4-四邊形機構;

1-調節連桿; 2-曲柄; 3-氣缸; 4-四邊形機構;

2.2 方案比較

方案一主要是通過氣缸伸縮帶動連桿運動，兩邊連桿上各帶有一個齒輪，連桿運動的同時兩齒輪嚙合，齒輪嚙合帶動兩側調節連桿做平面運動，帶動平行四邊形機構運動，完成吸盤張開合攏動作。方案一中吸盤張開最大狀態如圖5所示。

圖5 方案一吸袋部件吸盤張開狀態

圖6 方案二吸袋部件吸盤張開狀態

結構方案二主要是通過氣缸伸縮帶動曲柄運動，曲柄的旋轉帶動兩邊的調節連桿做平面運動，并帶動平行四邊形機構運動，完成吸盤張開合攏動作。方案二中吸盤張開最大狀態如圖6所示。

對比上述兩種方案：方案一采用了齒輪機構傳動，其特點是在理論上能實現完全對稱運動，但齒輪加工精度和安裝要求較高；方案二全部采用連桿傳動，結構簡單，但理論上只能實現近似對稱運動[2-3]。

2.3 方案結構受力分析

本文主要討論方案二。其平面連桿運動原理如圖7所示。

圖7 方案二的平面連桿運動原理

該機構為平面八桿機構，由機構自由度計算公式可以算出機構自由度

F=3n-2PL-PH，

其中：n為活動構件數；PL為低副數；PH為高副數。

機構自由度F=3×7-2×10-0=1，即該機構是自由度為1的平面八桿機構，有一個主動件，故機構具有唯一確定運動。[4-5]

對開袋機構進行受力分析(圖8)。

圖8 開袋裝置初始位置受力分析

由于該機構左右基本對稱，故只對右側進行初始狀態受力分析，可得：

其中：α1=17°、α2=3°、α3=19°均很小，有效分力Ft大，其中α3=19°為壓力角；當機構運動后，α1減小，α2，α3增大。在極限位置，機構反向運動，其受力如圖9所示。

圖9 開袋裝置極限位置受力分析

則

角α1′=6°、α2′=22°、α3′=39°均很小，有效分力Ft大，其中壓力角α3′=39°。由此可知[4]，此機構在運動過程中其壓力角均小于50°，機構傳動性能良好。

3 結束語

本文在分析機構需實現的基本動作和功能的基礎上，提出兩種基本方案，并進行了對比分析，確定最佳的可行的方案。目前該部件在現場運行可靠、穩定。

[1] 余 敏.TIF自動包裝機開袋裝置動力特性研究[D].武漢：湖北工業大學，2014.

[2] 宋永強.機械壓力機多連桿機構優化設計及運動仿真研究[D].濟南：山東大學，2011.

[3] 李春廣,高 斌.傳動角與平面連桿機構的設計[D].鄭州：鄭州紡織工學院，1997.

[4] 魏 兵，熊禾根.機械原理[M].武漢：華中科技大學出版社，2007:9-88.

[5] 濮良貴,紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2006:3-36.

[責任編校： 張 眾]

The Optimization Design of the Bag Opening Devices

DENG Yuanchao, HUANG Peng

(SchoolofmechanicalEngin. ,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

The online bag opening device of the mechanism was optimized for packaging design. The application of planar linkage structure achieved the effect of the stable and reliable action in the process of packaging.

open bag device; optimization design; planar linkage; packaging devices

2014-11-21

鄧援超(1963-)， 男， 湖北孝感人，湖北工業大學教授，研究方向為機械設計及理論

黃 朋(1988-)，男，湖北鄂州人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為機械設計及理論

1003-4684(2015)01-0056-03

TS262.5

A