包裝機移袋機構設計與模態分析

艾寶生， 夏軍勇， 陳長興， 孫 穎， 田 原

(湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

回轉式給袋包裝機能夠取代手工包裝，實現企業的包裝自動化，降低企業成本，提高生產效率[1-2]。操作工人只需將若干袋子放在取袋裝置上，回轉式給袋包裝機會自動完成取袋、撐袋、落料、移袋、熱封、整型輸出等工序[3-4]。移袋機構是回轉式給袋包裝機功能實現的主要機構之一，是包裝機完成自動包裝的基礎，需要設計出優良的結構才能保證目標設計的60袋/min的包裝速度[8]。

本文從移袋機構的工作原理出發，對一種新型移袋機構移袋上擺臂和同步大擺臂的位移、速度運動特性曲線進行分析。為驗證振動因素不會對移袋效果產生較大影響，對移袋結構做了模態分析。仿真分析結果表明，移袋機構在工作過程中不會出現共振，移袋效率和精度也不會受到影響。

1 移袋機構工作原理及模型

移袋機構主要是由移袋上擺臂、輔助連桿、同步大擺臂、移袋上拉桿、同步上拉桿、移袋旋轉臂、同步旋轉臂、移袋下拉桿、同步下拉桿、移袋凸輪擺臂、同步凸輪擺臂、移袋凸輪和同步凸輪等組成。本文的移袋機采用空間凸輪連桿組合式結構，具有結構緊湊、運行穩定、制造方便和適用范圍較廣等優點。末端執行器移袋夾板的運動實現移袋動作，可通過其軌跡的仿真來改善移袋裝置的移袋機構。而移袋機構是回轉式給袋包裝機移袋裝置最為核心的部件，其設計的好壞會對整個包裝機的工作性能產生直接影響。

回轉式給袋包裝機的工作原理是：當真空旋轉轉盤以給定的速度做旋轉運動時，發動機帶動移袋凸輪和同步凸輪轉動，分別帶動與之相連的擺臂；移袋凸輪擺臂和同步凸輪擺臂都實現往復擺動，將動力傳遞給同步和移袋下拉桿；兩個下拉桿分別使移袋旋轉臂和同步旋轉臂轉動，分別與相對應的上拉桿連接；移袋上拉桿帶動移袋上擺臂運動，使之能夠做往復轉動，同步上拉桿則連接同步大擺臂和輔助連桿，使同步大擺臂能同時向真空轉配轉盤以及移袋機構做進給運動；同步大擺臂接有移袋夾板，其末端執行器移袋夾板做往復擺動；當同步大擺臂在靠近真空旋轉轉盤時，給袋夾板也正好與轉盤上的工作面貼合，送出包裝袋，進而最終實現包裝的工作。

移袋機構是回轉式給袋包裝機的核心執行部件。移袋夾板夾取機夾轉盤裝置上的包裝袋，將包裝袋夾取到做勻速轉動的旋轉真空室，然后移袋夾板和旋轉真空室貼合做勻速轉動。待上述工序完成后，移袋夾板回到初始位置準備下一次的移袋動作，同時，運輸裝置將成品送至裝箱處。移袋裝置的移袋動作如圖1所示，末端執行器移袋夾板的運動軌跡如圖2所示。

圖1 移袋裝置移袋動作

圖2 移袋夾板的運動軌跡

移袋夾板的運動軌跡主要分為三個部分：AB段為移袋段，移袋夾板抓取機夾轉盤裝置上充滿物品的包裝袋，然后運輸到做勻速轉動的旋轉真空室；BC段為同步段，移袋夾板和旋轉真空室一起勻速運動，保持相對靜止狀態，待包裝袋和真空室固定；CA段為回程段，包裝袋和真空室固定后，移袋夾板回到開始取袋位置，開始新一輪的循環工作。

移袋夾板在取袋的過程中可能出現夾持不穩、易脫落、空袋和漏氣等問題，對后續熱封工作造成重大影響，影響包裝袋的包裝質量。針對這些問題，對移袋機構中的移袋凸輪、同步凸輪和空間連桿機構進行設計，得到一種新型的空間凸輪組合式移袋機構，并對其進行運動特性分析。本設計通過保持回程段的運動軌跡不變，將移袋段(AB段)和同步段(BC段)的軌跡進行改良，對移袋機構中的凸輪輪廓曲線進行優化，得到優化后的凸輪輪廓曲線(圖3)。通過解決上述問題，提高新型給袋式包裝機在移袋過程中的同步率和貼合率。

圖3 凸輪實際外廓

根據末端執行器的軌跡要求，采用空間凸輪連桿組合式的結構設計了一種新型的移袋同步機構，使用UG軟件對移袋同步機構進行完整建模，得到的虛擬模型如圖4所示。

1-真空包裝室； 2-移袋旋轉臂； 3-同步下拉桿； 4-同步凸輪擺臂； 5-同步凸輪； 6-移袋凸輪； 7-移袋凸輪擺臂； 8-移袋下拉桿； 9-移袋上拉桿； 10-同步上拉桿； 11-同步旋轉臂； 12-同步大擺臂； 13-移袋上擺臂； 14-輔助連桿； 15-移袋旋轉氣缸； 16-移袋夾板圖4 移袋機構三維模型

本文主要是對移袋機構進行設計和模態分析，主要的目的是：驗證本次設計是否能夠實現預期的移袋給袋運動；移袋運動實現之后，考察移袋過程是否滿足實際生產要求的同步率和貼合率，并對機構進行模態分析；驗證設計的機構是否發生影響移袋裝置工作性能的共振；驗證機構的可行性。

2 移袋機構運動分析

將模型簡化后在UG中打開，并添加相關的運動副和約束。真空旋轉轉盤一共設置12個工位，每秒鐘旋轉30°，也就是12 s剛好能夠轉一圈，故其移袋速度為60袋/min。

移袋機構的動力由電機驅動，電機后接有減速機，驅動電機選用額定轉速ne=750 r/min，實際工作轉速n=600 r/min，減速機的減速比i=1/10，則其所連的凸輪的轉速為nt=1 r/s。

對移袋機構中移袋上擺臂和同步大擺臂位移和速度進行分析，了解移袋夾板的加速度瞬時變化，知道移袋夾板何時發生急停，是否發生抖動影響給袋式包裝機的正常工作。根據運動仿真得到位移曲線如圖5、圖6所示。

圖5 同步大擺臂位移曲線

圖6 移袋上擺臂位移曲線

圖5、圖6可見，移袋上擺臂和同步大擺臂的位移運動特性曲線呈周期性變化，沒有發生突變，移袋機構中移袋上擺臂和同步大擺臂一起做往復運動，驅動移袋夾板實現移袋、同步和回程三個動作，符合預期移袋機構做往復運動的移袋動作。其中，曲線的周期性變化說明了在貼合率上表現優異。

對移袋機構中移袋上擺臂和同步大擺臂進行位置分析，了解每一個構件在工作時發生的位置變化，在安裝過程中需要預留多大的安裝空間，同時也知道移袋裝置中的構件不會和其它構件發生干涉，證明了移袋機構設計的合理性。

對移袋機構中移袋上擺臂和同步大擺臂進行速度分析，了解移袋夾板的速度和位移變化。移袋夾板的工作速度也滿足實際生產要求，工作速度過大可能導致生產安全問題，過小會影響給袋式包裝機的生產效率。通過運動仿真得到的同步大擺臂和移袋上擺臂的速度運動曲線如圖7、圖8所示。

圖7 同步大擺臂速度曲線

圖8 移袋上擺臂速度曲線

移袋上擺臂和同步大擺臂的速度運動特性曲線變化較大，且變化時間短，說明移袋上擺臂和同步大擺臂在運行過程中出現加速度突變。該突變主要是機構在運行過程中出現摩擦和抖動問題，對機構的運動性能會產生一定影響。但根據實際生產要求，移袋機構中的移袋夾板完成移袋和同步動作后，移袋夾板迅速回到初始位置取袋，滿足企業的設計要求。因其振動反應明顯，故有必要對其進行模態分析，驗證機構的可行性。

3 移袋機構模態分析

對移袋同步機構進行模態分析可以得到該裝置振動時所對應的固有頻率，進行動態性能評價，使移袋機構的工作頻率避開固有頻率，避免產生安全事故。

將優化后得到的移袋機構進行數值仿真。運用Workbench軟件和UG軟件對移袋機構進行模擬求解，按照下述步驟得到移袋機構的前六階模態。

1)模型簡化：為了更好地得到移袋裝置的模態分析結果，減少計算量，在不影響最后模態結果的前提下，對優化后的移袋機構簡化處理。具體簡化為：a)忽略對模態結果影響不大的結構性倒角和圓角；b)忽略移袋機構中微小螺紋孔和通孔；c)忽略移袋機構中對結果影響不大的小零件、軸承和套筒等。

2)參數設置：將簡化后的移袋機構三維模型導入Workbench軟件，對移袋機構的材料屬性進行定義。具體參數主要包括移袋機構的材料、彈性模量、密度和泊松比，見表1。

表1 移袋同步機構材料參數

3)添加約束：為了貼近真實工況，對移袋機構添加相應的約束條件，通過求解器求解，得到移袋裝置前六階固有頻率(圖9)。

圖9 移袋同步機構前六階模態

4)結果分析。移袋機構前六階的固有頻率分別為10.215、20.792、27.099、30.342、38.301 和44.356 Hz。當工作頻率和固有頻率相等或者相近時，移袋機構極有可能發生共振現象，移袋機構前六階模態和振型具體情況如表2所示。

表2 移袋機構前六階固有頻率和振型特點

對移袋機構的模態結果進行評估時，需要對移袋機構的振源進行分析。其主要振源來源于傳動裝置的慣性力、軸和連桿轉動的慣性力、機構之間的沖擊力。如果固有頻率和移袋機構的工作頻率相等時，極有可能產生共振，對整個移袋裝置的性能造成影響，甚至對本機構的結構造成破壞。本文得到移袋機構的固有頻率集中在10～45 Hz之間，分布比較密集。因此，為了保證移袋機構的移袋速度，移袋機構的工作頻率應該大于45 Hz比較合適。給袋式包裝機的技術要求選用電機的工作轉速為600 r/min，得到機構的工作頻率為95 Hz左右，故機構的工作頻率和固有頻率相差較大，不會相等，故不可能導致移袋機構發生共振，不會影響移袋機構整體的移袋效率。

4 結論

通過分析末端執行器移袋夾板的軌跡，對凸輪輪廓曲線進行設計，得到凸輪外廓曲線，并對移袋機構的移袋上擺臂和同步大擺臂進行了運動學分析，以確保移袋裝置的熱封效果。對機構的可行性進行驗證，仿真分析移袋機構的振動特性，其模態分析結果表明，移袋機構工作頻率與固有頻率相差較大，機構設計良好，不會產生共振的情況，可行性較高，移袋效果能得到充分保障。