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1基于SolidWorks的全自动立式封装机参数化设计0引言高精度小包装物品因其包装精巧和携带方便，在食品、医药等领域应用广泛。目前，国内外大多数包装机械存在着一些明显的缺陷，主要是粉末型产品因颗粒细小容易造成漏粉现象，在立式包装机中还可能存在包装袋错边起皱、包装袋封口外形不正等问题。封装机将向性能稳定可靠、传动结构紧凑、高速度高效率、具有更好柔性和灵活性的方向发展[1]。为此，本文借助SolidWorks三维软件实现全自动立式封装机的参数化设计、建模和分析，可提高设计质量和性能、缩短设计周期，更好更快地适应市场需求。1全自动封装机的组成与技术要求1.1全自动封装机的组成袋装全自动封装机是集制袋、计量、充填、封装、剪切、称重等功能为一体的包装设备。由于生产批量较大，常选用多工位、连续型运动形式，以提高包装效率，本机采用立式直线型工艺要求路线[2]。其主要组成机构有：1）供膜装置。供膜装置提供袋膜，包装袋经塑型后变成漏斗状，物料经落料槽落入包装袋中。包装膜套筒内装有伺服电机，由PLC控制其转速与方向，一方面提供反向阻尼力使包装纸下降的速度与纵向密封速度一致，避免错边起皱；另一方面可避免停机时包装纸因惯性继续下落堆积包装材料供送。2）供料系统。供料系统由计量装置和填充机构两部分组成。本系统采用可调量杯式计量，填充机构采用六工位旋转式运动方式，将具有一定数量的被包装物料定时地充填到包装袋内。3）横、纵封机构。纵封器采用连续型棍式结构，通过一对做等速相向回转的棍筒，对袋筒兼有施压、牵引及加热封边的作用，热封时，保证热封头与连续运动着的袋筒必须具有同步的线速度，否则，封口部位可能发生起皱或拉长，甚至段裂等不良现[3]。4）剪切机构。采用旋转棍刀式切断装置，实际上切割过程具有双重作用，即刃口对塑料薄膜挤压、滚切和撕裂，因此要求滚刀速度大于料袋下降速度。5）称重分拣装置。称重分拣装置用于检查产品是否合格，并将合格产品与不合格产品分别归入不同的货箱。6）主传动系统。由电动机通过减速器带动齿轮分配轴，将动力分配给上述各机构，协调各机构动作的一致，使其达到生产要求。1.2技术要求1)主要技术参数：计量范围为5—40ml，计量精度为±3%；包装袋长度55—110mm，包装袋宽度30—80mm；包装速度为50—100袋/min。2)机构的适应范围广,以适应产品规格变化；送料快而准确,以提高封装机工作效率和包装质量。3)机构简单，运动平稳、无冲击，工作可靠,以降低设计、生产及维修费用。1.3原设备存在的问题及改进措施1)原设备存在包装袋错边起皱、包装袋封口外形不正等问题。改进措施是将纵封机构从主传动系统中独立出来，由单独的步进电机控制，其速度大小由机械控制转化为PLC控制，从而避免各执行机构间的2强耦合，简化传动链。2)原设备对不同长度包装袋是将图2中偏心链轮更换不同直径链轮进行橫、纵封之间匹配的，这种方式由于链轮直径不连续，所以包装袋的长度就不可能是连续，且更换链轮较麻烦。改进措施是将横封机构传动链上的主链轮改为偏心链轮，通过调整链轮的偏心距来调节横、纵封机构的封合瞬时速度，使之与料袋下降速度的匹配，保证包装机各机构协调运动。2全自动封装机的传动系统设计2.1主传动系统方案主传动系统方案的运动简图如图1所示，电动机通过皮带轮D1/D2带动减速器，减速器通过链条Z1/Z2带动主轴Ⅰ旋转，并将动力分配给三路。一路通过锥齿轮Z3/Z4啮合带动传动轴Ⅱ旋转，再通过齿轮Z5/Z6、Z7/Z8啮合带动供料盘轴IV旋转，使供料系统以传动比i=1/6运行，轴Ⅳ上的离合器用于封装机调试时使用，以免供料；第二路通过偏心链轮Z9/Z10和齿轮组Z11/Z12、Z13/Z14、Z15/Z15带动横封轴Ⅶ、Ⅷ反向变速旋转，当偏心链轮偏心距为0时，传动比i=1/2；第三路通过齿轮Z17/Z18、Z18/Z19啮合带动切断轴Ⅹ上的刀片旋转，实现剪切运动，其传动比i=1，实现一袋一切断，当轴Ⅰ上离合器断开时不切断。步进电机通过同步齿型带D3/D4、齿轮Z20/Z21带动纵封轴Ⅴ、Ⅵ旋转，以牵引、热封合包装袋，其速度由袋长决定，通过检测轴Ⅰ的转速调节步进电机的脉冲数来实现。供膜装置和称重分拣装置分别用伺服电机驱动，由PLC控制器协调。2.1偏心链轮的速度调节封装机的纵封辊轮有两个作用，一是进行纵向封合作用，另一个是带动包装膜进行送膜。而横封辊轮的封合是间断的，按正常的工作要求是在横封进行封合这段时间内，它的线速度应与纵封辊轮的线速度保持一致，否则会使包装膜受拉伸而破损或者是松弛起皱，以致造成封合不良。为此，本机设置偏心链轮机构，如图2所示，以保证袋长在一定范围内变化时，能使横封辊轮在封合时的圆周线速度与纵封辊轮的线速度相一致，以使封装机适应不同包装袋的长度需求，保证机器的正常工作。通过调节链轮相对于主轴的偏心位置以改变偏心距，进而实现变传动比传动[4]，其传动比如式(1)，工作时链轮带动横封轴做变速转动且保持与包装袋下落速度一致，保证密封质量。)1......(cos2sin1220eLLeReLi式中，0为主动偏心链轮的等角速度(rad/s)，为从动链轮的瞬时角速度(rad/s),e为主动链轮的偏心距(mm),L为主从链轮的回转中心距(mm),R为主从链轮的节圆半径(mm)。图1主传动系统3图2偏心链轮机构3全自动封装机的参数化建模3.1各零件的参数化设计参数化技术是在工程设计实际应用中常用的CAD技术，它借助一组参数来控制设计结果，通过更换该组参数值以实现一系列相似零件的设计建模，可大大提高产品的设计效率。现以偏心链轮设计为例，详细介绍在SolidWorks中的参数化建模过程[5-7]：为实现链轮的参数化和系列化，首先要确定链轮的主驱动参数，如链轮节距、齿数、链条滚子直径、链轮宽度等作为整体变量，建立链轮的分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径和齿廓型面参数与主参数的尺寸关系，使这些次要参数依附于主参数。并在SolidWorks中通过“工具→方程式”下拉菜单，输入各主参数及其初始数值、尺寸关系，如图3所示。其次，运用“旋转凸台”命令生成链轮坯体、“拉伸切除”命令切出齿槽，链轮齿形是根据“三圆弧一直线”原则建立的，即齿沟圆弧、工作段圆弧、工作段直线、齿顶圆弧，它具有较好的啮合性能和可加工性[7]。在绘制草图截面时通过双击各尺寸，输入相应的方程式，系统会自动将该方程式加入方程式对话框中，并重新计算该尺寸值，在其数值前显示∑标记，如图4所示。各草图必须完全定义，以确定各形状之间的位置关系，保证模型对驱动参数的正确更新和重新构建。最后，对齿槽特征进行圆周阵列，生成各轮齿，并对轴面齿形两侧切成圆弧状，以便于链节进入和退出啮合。图3建立主参数和方程式图4齿槽的截面参数化草图43.2虚拟装配基于虚拟现实的产品虚拟拆装技术在新产品开发、产品的维护以及操作培训方面具有独特的作用。在交互式虚拟装配环境中，用户使用各类交互设备象在真实环境中一样对产品的零部件进行各类装配操作，在操作过程中系统提供实时的碰撞检测、装配约束处理、装配路径与序列处理等功能，从而使得用户能够对产品的可装配性进行分析、对产品零部件装配序列进行验证和规划[8]。本设计的传动系统和整机的虚拟装配三维模型如图5、图6所示。4结束语借助SolidWorks三维软件完成了全自动立式封装机的参数化建模，提出了一些创新性优化设计，解决了包装袋易错边、起皱、漏粉、夹料和计量结果不稳定等问题，并进一步采用了全检装置对所有产品进行自动检测，保证100%合格。由于本次设计是在原有设备基础之上进行改进设计，因此在技术方面还有不足，比如主传动机构、纵封机构均可采用步进电机直接驱动，各机构之间可通过PLC协调控制实现匹配关系，这样可以大幅简化传动结构，提高设备的自动化程度。但该方法能针对企业实际情况，较好较快地实现产品系列化设计与管理，增强企业对市场的快速反应能力，具有较大的工程实践意义。参考文献[1]许林成.包装机械原理与设计[M].上海:上海科学技术出版社,2004，122-177.[2]陈士祥,束蓓,邵刚.一种新型立式充填自动包装机的系统[J].包装与食品机械,2007,(6):28-32.[3]韩炬,王莹,郭亚楠.包装机热封机构的建模及动力学分析[J].食品与机械,2013,(1):146-148.[4]肖蓉川.偏心链轮机构在颗粒包装机中的分析与设计[J].包装工程,2008,29(7):50-52.[5]黄文华.基于Solidworks的齿轮CAD关键技术的研究[J].制造业自动化,2011,33(16):67-70.[6]朱跃峰,朱敬超.基于SolidWorks的机械产品参数化设计研究[J].机械设计与制造,2008,(6):50-51.[7]朱传敏,王宝海.基于Solidworks的齿轮变速箱个性化设计系统[J].制造业自动化,2005,(5):51-53.[8]水俊峰.基于SolidWorks的自顶向下装配与参数化技术[J].机械工程与自动化,2007,(10):9-11.图6封装机的三维模型图5传动系统的三维模型