咖啡膠囊鋁箔焊接設備設計與仿真

丁勁鋒 徐曉佐 徐 江

(1. 無錫太湖學院機電學院，江蘇 無錫 214000；2. 華中科技大學機械科學與工程學院儀器系，湖北 武漢 430074)

膠囊式咖啡是一種新型的咖啡產品[1-2]，在很短的時間便以其便利、口感獨特等優勢占據了咖啡消費市場中的重要位置。咖啡膠囊的生產主要由咖啡膠囊預制、咖啡膠囊填充封裝兩個部分組成。其中咖啡膠囊的預制過程包括9個關鍵工序：儲杯落杯、杯體沖孔、鋁箔焊接、濾水盤放置、濾水盤焊接、濾紙沖焊、成品檢測、紫外消毒以及良品下線。在這9個工序中，咖啡膠囊底部鋁箔的焊接是最為復雜和關鍵的工序，其焊接質量的好壞直接決定了整個咖啡膠囊的生產質量。在中國，由于咖啡飲品被人們接受的時間晚，同時咖啡膠囊也是近幾年才進入大眾的視野，國內咖啡膠囊生產設備的研發近乎于空白，為了滿足國內市場對于膠囊咖啡配套設備的需求，文章擬從其功能需求出發，確定鋁箔焊接設備的基本工作原理，并對咖啡膠囊底部鋁箔焊接設備進行設計以滿足實際咖啡膠囊生產的需要。

1 咖啡膠囊底部鋁箔焊接設備方案設計

1.1 鋁箔焊接設備功能需求分析

咖啡膠囊底部鋁箔焊接的目的是將杯體沖孔工序過后的杯體底部焊接上食用級PP鋁箔。因此在這一工序中，需要同時完成鋁箔上料收料、鋁箔沖切，以及鋁箔與杯體焊接3個步驟。根據實際生產需要，咖啡膠囊底部鋁箔焊接設備的功能需求：① 鋁箔卷料自動上料收料；② 可控制鋁箔卷料張緊；③ 從鋁箔原料上沖切出直徑為9 mm的圓形鋁箔；④ 鋁箔整平機構，以避免鋁箔邊緣披鋒及表面不平整的情況；⑤ 焊接過程中應給鋁箔與杯體間提供足夠的焊接壓力，以保證焊接效果最佳；⑥ 焊接機構與其他機構之間做隔熱處理。

1.2 鋁箔焊接設備工作原理

咖啡膠囊底部鋁箔焊接設備是整個咖啡膠囊生產線中的一個工位，因此鋁箔焊接設備的運動動作應該符合整個生產線的生產節拍，按照生產節拍的需求，整個鋁箔焊接設備的運動動作需要在1.2 s內完成。結合生產線中傳送鏈板的動作，咖啡膠囊底部鋁箔焊接設備的運動動作如圖1所示。

圖1 鋁箔焊接設備動作流程圖Figure 1 Action flow chart of aluminum foil welding equipment

2 鋁箔焊接設備傳動系統設計及其仿真分析

2.1 鋁箔焊接設備傳動系統設計

鋁箔焊接設備的主要傳動系統是控制沖切機構中鋁箔沖切平臺工作。實際生產中，沖切平臺需要完成一定的間歇運動以滿足生產節拍的需要。該套傳動系統由電機提供驅動力，帶動槽型凸輪傳動裝置，進而帶動傳動軸旋轉，給沖切執行機構提供驅動。其中，槽型凸輪傳動裝置起到了對整個設備工作動作的控制[3]。鋁箔焊接設備中槽型凸輪傳動裝置原理圖如圖2所示。

在實際咖啡膠囊生產過程中，單臺設備的工作周期為1.2 s，其中0.2 s的時間為設備等待鏈板運動時間，因此設備實際工作時間為1.0 s。對于鋁箔焊接設備，在其工作時間中需要預留0.2 s的焊接時間，將凸輪旋轉一周作為一個工作周期，可以得出凸輪的近休止角與遠休止角均為60°；根據減速機的輸出軸直徑設定凸輪基圓為20 mm，可以得到如表1所示的槽型凸輪設計參數。

表1 槽型凸輪設計參數Table 1 Design parameters of groove cam

1. 傳動軸 2. 擺桿 3. 推桿 4. 直線軸承座 5. 槽型凸輪圖2 槽型凸輪傳動裝置原理圖Figure 2 Schematic diagram of grooved cam gear

在鋁箔沖切與焊接過程中，必須保證末端執行機構，即沖切平臺的運動平穩且無沖擊，這就需要槽型凸輪傳動裝置的輸出速度、加速度曲線是連續變化且無突變的。由于槽型凸輪傳動裝置的運動輸出依賴于凸輪運動曲線，因此需要選取合理的凸輪運動曲線。凸輪運動曲線主要包括多項式運動曲線和三角函數運動曲線。三角函數運動曲線中，余弦曲線在推程、回程起止點存在柔性沖擊，正弦曲線雖然在推程、回程階段加速度無突變，但由于其加工難度大，且無法保證實際加速度與理論符合。在多項式運動曲線中一次曲線、二次曲線在推程、回程起止點存在剛性沖擊。根據現有文獻[4-5]對高次多項式凸輪曲線的分析，其中五次曲線在運動過程中的速度、加速度無突變，即無剛性沖擊、也無柔性沖擊，因此將其作為槽型凸輪傳動裝置運動曲線。

五次凸輪曲線表達式為：

(1)

式中：

Ci——運動多項式系數(i=0，1，…，5)；

h——凸輪運動行程，mm；

δi——凸輪運動角(i=0，1，2)，°；

φ——運動轉角，°；

s1(φ)、s3(φ)——凸輪的推程與回程運動曲線；

s2(φ)——遠休止運動曲線

s4(φ)——近休止運動曲線。

式(1)中s1(φ)與s3(φ)未知，需要通過凸輪的運動邊界條件進行求解，槽型凸輪的運動邊界條件如式(2)所示。

(2)

將式(1)代入式(2)可以得到非齊次線性方程組:

(3)

式中：

ω——凸輪的角速度，rad/s；

t——推桿的推程，mm。

求解式(3)即可得到推程階段的五次凸輪曲線多項式：

(4)

同理可得到回程階段的五次凸輪曲線多項式：

(5)

根據槽型凸輪的設計參數以及得到的凸輪五次凸輪曲線表達式[6]，可以繪制出圖3所示的槽型凸輪傳動裝置中推桿的位移曲線、速度曲線以及加速度曲線。

圖3 推桿運動曲線Figure 3 Pusher movement curve

確定槽型凸輪的運動曲線后，為了求得槽型凸輪的輪廓曲線，需要使用反轉法原理，最終得到凸輪理論的輪廓曲線的參數方程：

(6)

式中：

r——槽型凸輪基圓半徑，mm；

s(t)——推桿位移，mm；

e——槽型凸輪的偏心距，mm。

根據式(1)以及式(6)，可以繪制出槽型凸輪的輪廓曲線，如圖4所示。

圖4 槽型凸輪理論輪廓曲線Figure 4 The theoretical contour curve of the grooved cam

鋁箔焊接設備將鋁箔上料收料機構與凸輪傳動裝置安放在側面的T形柜中，實現了鋁箔上料收料機構與鋁箔沖切焊接部位分體式安裝，給兩套部分都預留了很大的安裝與操作空間。對于凸輪傳動裝置，則將槽型凸輪與驅動電機布置在T形柜兩側，槽型凸輪傳動裝置的結構圖如圖5所示。

1. 傳動擺桿 2. 傳動軸 3. 擺桿滑塊 4. 槽型凸輪 5. 推桿 6. 直線軸承

2.2 基于Adams的傳動系統運動學仿真

通過SolidWorks對傳動系統進行參數化建模，并將建立的傳動系統模型導入至Adams中，根據整個傳動系統的實際運動情況對導入的模型進行材料以及約束的設置[7]，其約束設置如表2所示。

表2 鋁箔焊接設備動力學模型約束設置Table 2 Constraint setting of dynamic model of aluminum foil welding equipment

設定仿真時間為兩個工作周期，即2.4 s，最終得到推桿的運動曲線圖如圖6所示。

圖6 推桿運動曲線Figure 6 Pusher movement curve

推桿運動的位移、速度與加速度曲線呈周期性變化，且與所設計的槽型凸輪運動曲線一致。鋁箔焊接設備傳動系統的末端執行件是沖切平臺，因此對沖切平臺的運動曲線進行繪制并分析，沖切平臺的運動曲線如圖7所示。

圖7 沖切平臺運動曲線Figure 7 Motion curve of punching platform

由沖切平臺的運動曲線可知，沖切平臺行程、速度與加速度曲線呈周期性變化，且沖切平臺的加速度曲線沒有突變以及斷點，各個位置的過渡平滑，沒有剛性沖擊以及柔性沖擊，因此可得該鋁箔焊接設備傳動系統符合設計以及實際生產要求。

2.3 傳動系統的剛柔耦合分析

在鋁箔焊接設備傳動系統中，傳動軸作為傳動的主要零部件，其受力點多且各個受力點受到力的大小與方向均不同，因此選擇傳動軸作為柔性件對其在運動過程中的應力及形變進行分析[8]。

將在SolidWorks中建模生成的傳動軸模型導入至ANSYS有限元分析軟件中進行網格劃分以及模態分析計算[9]。傳動軸采用的材料是45號鋼，因此在材料參數中設置其密度為7 890 kg/m3，楊氏模量為2.09×1011，泊松比為0.269。劃分網格后，需要在傳動軸上設定與其他零部件接觸的剛性區域[10]。

在ANSYS有限元分析軟件中，生成傳動軸的36階模態，并將ANSYS中生成的模態中性文件(.mnf)導入至Adams，將原先的剛性件傳動軸替換成柔性件[11]。同樣設定仿真時間為兩個工作周期，即2.4 s，步長設定為190，完成仿真過程后，在繪圖界面添加其運動狀態中的形變動畫以及形變云圖，最終得到傳動軸在運動過程中發生的最大形變量為3.85×10-3mm，且根據熱點追蹤得知，其最大的形變發生在最左端，與擺軸的連接處。

為了得到傳動軸在運動過程中的應力，需要先加載Adams中的Durability插件，并添加傳動軸運動過程中的等效應力，最終得到的傳動軸運動過程傳動軸所受的最大應力為21.8 MPa，且根據熱點追蹤得知，發生最大應力是在傳動軸最左端，與擺軸的連接處。最后分析傳動軸在運動過程中各個時刻的最大等效應力圖，如圖8所示。

圖8 各個時刻傳動軸最大等效應力

傳動軸在運動過程中各個時刻的最大等效應力呈周期性變化，且各個階段中等效應力最大值出現在凸輪曲線的推程與回程過程中，其中推程產生最大的等效應力(21.8 MPa)。

3 鋁箔焊接設備整體結構設計

咖啡膠囊底部鋁箔焊接設備根據其功能，由鋁箔整平機構、托杯機構、鋁箔沖切機構、鋁箔焊接機構以及鋁箔上料收料機構五大部分組成，咖啡膠囊底部鋁箔焊接設備的整體結構如圖9所示。

1. 鋁箔上料收料機構 2. 鋁箔焊接機構 3. 托杯機構 4. 鋁箔整平機構 5. 鋁箔沖切機構

鋁箔整平機構的主要組成是兩個對稱的氣缸以及通過氣缸控制上、下行的鋁箔壓板組成，其整體結構如圖10所示。鋁箔整平機構的運動是通過氣缸驅動鋁箔壓板的上、下行來實現，當氣缸行至行程結束時，鋁箔下壓板與鋁箔游行板表面貼合，以達到鋁箔整平的功能。

1. 氣缸 2. 鋁箔壓板 3. 鋁箔游行板 4. 鋁箔游行板支撐塊 5. 氣缸固定板 6. 壓板隔熱圈 7. 鋁箔下壓板

托杯機構的目的是為了保護杯體在焊接過程中不受損壞。托杯機構的整體結構如圖11所示。

1. 鏈板 2. 托杯頂升件 3. 氣缸 4. 頂升氣缸支撐板 5. 支撐板固定塊 6. 調節塊

托杯機構主要由托杯頂升件、氣缸、頂升氣缸支撐板、支撐板固定塊以及調節塊組成。托杯機構和鋁箔整平機構都是為鋁箔沖切與焊接的動作作前期準備，當設備開始一個工作周期的動作時，托杯機構的氣缸與鋁箔整平機構中的氣缸同時動作，使得咖啡膠囊杯體脫離生產線鏈板。并且托杯頂升件內部按照咖啡膠囊杯體底部的尺寸設計出焊接平臺，其能保證在施加一定的焊接壓力時，杯體底部不會在外力的作用下損壞。

鋁箔上料收料機構由上料部分與收料兩個單獨部分組成。上料部分負責鋁箔卷料的放出，當拉膜伺服電機運動時，實現鋁箔卷料的運動；收料部分與上料部分結構相同，只是收廢料軸由單獨的電機帶動，以實現鋁箔廢料的回收。

鋁箔上料部分的機構簡圖如圖12所示。鋁箔上料部分主要由氣脹軸、重力輥、重力輥擺桿、滑動輥以及負責拉膜的拉膜輥和壓膜輥組成[12]。在鋁箔上料部分中，拉膜輥依靠伺服電機驅動，在壓膜輥的配合下拉動鋁箔卷料運動。其中滑動輥與重力輥擺桿上的重力輥起到了控制鋁箔卷料張緊以及控制氣脹軸旋轉放料的作用。通過重力輥的自然下垂，使得在鋁箔表面形成1/2倍單根重力輥重量的張緊力，以保證鋁箔表面平整。

1. 鋁箔卷料 2. 氣脹軸 3. 重力輥擺桿 4. 重力輥 5. 滑動輥 6. 拉膜輥 7. 壓膜輥

重力輥皮帶機構的目的是實現重力輥對于氣脹軸旋轉放料的控制。重力輥皮帶機構簡圖如圖13所示。在重力輥皮帶機構中，摩擦輪布置在氣脹軸的尾端，同時后擺桿處于重力輥擺桿軸的尾端。當重力輥自然下垂時，皮帶與摩擦輪間存在壓力，它們之間的摩擦力使得氣脹軸無法旋轉；而當拉膜輥拉動鋁箔時，重力輥被抬起，當后擺桿運動至一定角度時，皮帶與摩擦輪間的摩擦力減小，氣脹軸在重力輥的帶動下實現旋轉，此時重力輥下擺，當皮帶再次被拉緊時，氣脹軸停止旋轉并被抱死。

數據挖掘過程始于數據預處理，在數據挖掘過程中數據的預處理占據很很重要的地位[8]，數據挖掘結果在很大程度上是由數據決定的。在數據庫中數據是海量的，而且具有很多種不同的不可用的數據形式，這些數據會導致數據挖掘結果不理想，所以有必要預處理數據庫中的數據樣本。

鋁箔收料部分與鋁箔上料部分的結構相同，但是鋁箔收料部分無重力輥皮帶機構，其收廢料軸是由電機驅動，以實現鋁箔廢料的持續回收。

1. 摩擦輪 2. 后擺桿 3. 皮帶 4. 檔桿圖13 重力輥皮帶機構Figure 13 Gravity roller belt mechanism

鋁箔沖切機構的功能是在鋁箔卷料上沖切下直徑為9 mm的圓形鋁箔，為鋁箔焊接過程提供原料。鋁箔沖切機構的整體結構圖如圖14所示。鋁箔沖切機構采用的是搖桿滑塊機構來實現鋁箔的沖切動作。通過槽型凸輪傳動系統的驅動，使得傳動軸轉動，傳動軸帶動上轉座擺動一定的角度，進而使得軸承連桿帶動沖切平臺通過滑塊以及固定在外框架的導軌實現上下運動[13]。通過槽型凸輪的控制，能夠實現沖切平臺按照規定的工作節拍進行動作，進而完成鋁箔沖切的功能。

1. 傳動軸 2. 外框架 3. 軸承連桿 4. 沖切平臺 5. 鋁箔切刀 6. 上轉座

鋁箔焊接機構的功能是通過熱焊頭將沖切出的鋁箔與咖啡膠囊杯體焊接至一體，在焊接過程中需要保證一定的焊接時間和焊接壓力。鋁箔焊接機構結構如圖15所示。

1. 氣缸 2. 氣缸固定板 3. 緩沖塊 4. 推板 5. 導桿 6. 下底板 7. 沖切平臺 8. 熱焊頭 9. 矩形彈簧

當鋁箔沖切機構完成沖切動作后，鋁箔焊接機構中的氣缸運動。推動推板在導桿的導向下做向下運動，當焊頭與杯體底部接觸時，鋁箔焊接機構中的氣缸并未行至最終行程，此時氣缸持續頂出使得鋁箔焊接機構的矩形彈簧發生形變，進而產生一定的焊接壓力，進一步改善焊接質量。

4 結論

設計了一套基于槽型凸輪傳動的咖啡膠囊鋁箔焊接設備，其主要由鋁箔整平機構、托杯機構、鋁箔沖切機構、鋁箔焊接機構以及鋁箔上料收料機構五大部分組成。并對鋁箔焊接設備中最主要的鋁箔沖切機構傳動系統進行了詳細設計及仿真。在ADAMS環境下，通過對所設計的傳動系統進行運動學分析，以及對其中傳動軸這一關鍵零部件進行剛柔耦合分析，驗證了該套鋁箔焊接設備設計的可行性。該套咖啡膠囊鋁箔焊接設備采用的送料方式為直拉膜形式，相比于斜拉膜送料，其材料利用率不高，因此在未來的工作中需改進結構，將鋁箔送料機構設計為斜拉膜送料的方式，以實現物料利用率的最大化。