基于SolidWorks的包装机供料系统参数化设计

刘海生，王宏达，李 菡，解邦银

（1.湖北文理学院 机械与汽车工程学院，襄阳 441053；2. 湖北文理学院 省级协同创新中心，襄阳 441053；3.湖北襄阳逸顺机电科技有限公司，襄阳 441000 )

基于SolidWorks的包装机供料系统参数化设计

刘海生1,2，王宏达1,2，李 菡1,2，解邦银3

（1.湖北文理学院 机械与汽车工程学院，襄阳 441053；2. 湖北文理学院 省级协同创新中心，襄阳 441053；3.湖北襄阳逸顺机电科技有限公司，襄阳 441000 )

0 引言

自动包装机的供料系统是包装机的主要执行机构之一，其主要功能是将待包装的物料从料堆中分离出来，并遵循包装机的时间节拍把物料送到指定的位置上，能完成待包装物料的定量、定时的供送和容量调节。它要求供料快而平稳、送料精确，以提高包装机生产效率和包装质量；而且供料系统的适应范围要广，以满足包装规格的变化，因此包装机供料系统的设计是否合理将直接影响包装机的性能和效率[1]。因此，本文运用三维CAD软件SolidWorks和尺寸驱动参数化建模技术[2]，通过建立方程式来实现包装机供料系统的三维模型参数化设计与装配，能极大地缩短系统的设计时间，提高新产品的性能和研发效率。

1 包装机供料系统的设计

1.1 供料系统的分类

供料系统由计量装置和填充机构两部分组成。而计量是包装过程中的一道必要工序，其包装精确会直接影响包装产品的质量；填充机构能将具有一定数量的被包装物料充填到包装容器内。在自动包装机中计量装置与填充机构常常合二为一，形成一种自动化较高的综合装置，并以计量为主，按计量方式，可分类为容积式、称重式和计数式。

1.2 可调量杯式计量装置

本装置适用于食品、医药、茶叶、化工等产品中的松散状、无粘性、细小颗粒物品的小剂量自动包装。在小型全自动包装机中，常用容积式计量方式，在此使用可调量杯式计量装置，其结构如图1所示，它主要由料斗(图1中未画)、回转盘、刮料器和调节部件等组成[3]。

该装置的工作原理是：供料系统工作时，量杯调节座6以及调节机构固定不动，回转盘9经由齿轮1、主轴13、联接盘15带动，通过轴承对2和轴承对10的支撑实现回转，回转盘上有六套圆筒形状的上量杯16(定量杯)和下量杯17(可调量杯)，计量杯底部由活门18盖住。物料由料斗送入由回转盘9和刮料器11组成的空腔内，再靠自重流入量杯组内，回转盘9旋转时刮料器11刮去定量杯16上多余的物料。

容积调节过程：精细调节时，包装机不运行，主轴13静止不动，与主轴13连接的回转盘9和上量杯16也静止不动。当顺时针转动与蜗杆5相连接的手柄(图1中未画)时，蜗轮4也顺时针旋转，因活门支架7抱紧在量杯调节座6上、且受到支座21的限制而不能够旋转，则量杯调节座6便在螺纹副22作用下上升，并带动下量杯座8和下量杯17也上升，从而使量杯组的容积减小，被包装物料也相应减少；相反，当逆时针转动手柄，下量杯座8和下量杯17也在蜗杆蜗轮和螺纹副的共同作用下下降，从而使量杯组的容积增大，被包装物料也相应增加，从而达到调节容量的作用。当调节容量较大时，松开螺钉14，通过增加或减少调节垫12的个数来改变整个调节垫的厚度，从而可以上下调节回转盘9的升降，再用螺钉14琐紧回转盘9和主轴13。

图1 可调量杯式计量装置

1.3 物料活门的开关原理

如图2所示，已装好物料的量杯组随回转盘9旋转到卸料斗30(已移除，仅表示位置)上方时，固定不动的活门支架7上所安装的滚轮31推动活门18的A面，使活门18绕销轴32旋转一个角度，便打开料门，物料从量杯组中下落到卸料斗30，装入包装袋中；当回转盘9继续转动时，活门支架7上所安装的另一滚轮33推动活门18的B面，使活门18绕销轴32反向旋转一个角度，料门便闭合，从而阻止物料下落。滚轮31和33的位置可以进行调整，以保证活门打开、关闭的时刻。

图2 活门开关原理图(顶视图)

2 供料系统的参数化建模

2.1 各零件的参数化三维造型

参数化建模就是在零件结构和几何形状确定的前提下，建立模型过程中对几何参数和尺寸参数施加各种合理的约束或方程式，当修改模型的尺寸参数值时，系统自动求解并生成新的三维模型，从而实现尺寸对模型的尺寸驱动。其设计方法首先要确定零件的主参数，然后综合利用SolidWorks软件提供的系列表与方程式功能，建立其他尺寸变量与主参数的约束关系，形成参数化、自动化的设计模型。现以包装机中的蜗杆为例说明其建模过程[4～6]：

1)确定主参数。通常情况下，选取零件的设计参数、主要结构尺寸作为主参数，以便确定其他尺寸参数。对于蜗杆，有蜗杆头数、蜗轮齿数、模数、蜗杆长度等。在SolidWorks中点击下拉菜单“工具→方程式”，输入各主参数及其初始数值，如图3所示。

2)建立蜗杆轴基体。通过“旋转凸台”命令生成蜗杆轴基体的实体模型，在画制旋转截面草图时，双击蜗杆齿顶圆半径尺寸14，输入方程式 =“m”*(“q”+2*“ha”)/2，系统会自动计算齿顶圆半径值并在其数值前显示∑标记，如图4 所示，同时还将该方程式加入整体变量对话框中。也可把倒角一起绘出。

3)绘制螺旋线。建立一个基准面，以蜗杆齿顶圆半径绘出螺旋线基准圆，单击“插入→曲线→螺旋线”绘制螺旋线，然后双击螺旋线螺距10，添加方程式 = PI*“m”*“Z1”。

4)切出蜗杆齿形。在螺旋线起点处绘出蜗杆的齿形截面草图，中心线到原点的距离为蜗杆分度圆半径，其方程式为 = “m”*“q”/2，再分别标注齿顶高尺寸的方程式 =“ha”*“m”、齿根高尺寸 = (“ha”+“c”)*“m”、分度圆齿厚尺寸 = PI*“m”/2。以此齿形草图和螺旋线通过“扫描切除”方式切出齿形。

采用参数化建立的蜗杆模型，只需在“工具→方程式”对话框中修改相应参数的数值即可自动创建新的三维模型，形成系列产品。

图4 蜗杆轴截面及其方程式

2.2 供料系统的参数化装配

在供料系统的装配中，采用了基于装配体的参数化设计方法，在零件模型的参数化基础上，对各零件的装配关系实施约束，根据零件间的相对位置和配合关系来合理地建立其装配约束关系，同时建立零部件相互关联的参数化方程式，以保证参数间的联动性，实现同步更新。

建立装配模型的关键是正确描述产品零部件间的装配约束关系，为此遵循自顶向下的高级装配模式[7]，先建立零件的装配布局图，再利用草图对所有零件、部件应用三个基准面约束进行定位。在参数化装配设计时，同样要在装配体模型中确定主参数及其所驱动的参数，建立装配关系方程式来控制驱动，并检验结构上有无零件干涉或其他错误，最终实现整个供料系统的参数化设计，如图5所示。

图5 供料系统装配模型

3 结束语

本文详细介绍了用广泛应用于食品、医药、化工等行业颗粒物料自动包装机中常用的可调量杯式供料系统的结构形式、工作原理，分析了容积计量的大范围调节和精细调节的方法，该系统运行平稳、可靠，容量调节范围大、通用性强，对目前人们倾向于个性化、独立性小包装提供市场应用前景。

利用SolidWorks软件的参数化技术，通过在零件各特征间、部件各零件间实施的约束关联和尺寸关联，建立的参数化设计模型可以实现产品的自动化设计，有利于产品更新换代和系列化设计，在更大程度上提高了产品设计质量和设计效率。

[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,2004，150-177.

[2]刘萍萍,贡智兵.基于SolidWorks广义参数化的关键技术研究[J].机械设计与制造,2005,(5):71-72.

[3]张国全.全自动伸缩皮带式软袋装箱机供料装置运行参数的研究[J].包装工程,2007,28(8):99-102.

[4]朱传敏,王宝海.基于Solidworks的齿轮变速葙个性化设计系统[J].制造业自动化,2005,27(5):51-53.

[5]Myung S, Han S. Knowledge based parametric design of mechanical products based on confogration method[J].Expert System with Applications,2001(21):99-107.

[6]黄文华.PDM环境下基于Solidworks的齿轮CAD关键技术的研究[J].制造业自动化,2011,33(16):67-70.

[7]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.

Parametric design of feeding system in package machine based on SolidWorks

LIU Hai-sheng1,2, WANG Hong-da1,2, LI Han1,2, XIE Bang-yin3

论述了自动包装机中可调量杯式供料装置的结构组成、工作原理和容积调节方式，应用尺寸驱动参数化建模技术，借助三维SolidWorks软件提供的方程式，建立了包装机供料系统的三维参数化零件模型与装配模型，可以快速实现对模型的修改和产品系列化设计，有效地提高了产品的设计效率。

供料系统；包装机；参数化设计；体积计量；实体建模

刘海生（1967 -），男，吉林人，副教授，主要从事机械设计和发动机性能研究。

TH122； TP391.7

A

1009-0134(2014)06(上)-0145-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).41

2014-03-23