EPS双层包装袋开袋装置的优化设计

邓援超， 黄 朋

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)



EPS双层包装袋开袋装置的优化设计

邓援超， 黄 朋

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)

对包装线上开袋装置的机构进行优化设计，应用了平面连杆结构，达到了包装过程中动作稳定、可靠的效果。

开袋装置； 优化设计； 平面连杆； 包装机械

EPS(可发性聚苯乙烯)双层包装袋由内袋和外袋构成，外袋材质是黄皮纸质，而内袋材质主要是塑料薄膜。对于塑料薄膜材质的内袋来说，塑料薄膜在合拢的时候两边的单层薄膜有一定的黏合，想要稳定打开内袋难度很大[1]。但是EPS自动包装机主要核心部分是灌装工位，在灌装工位需要将包装袋的内袋和外袋打开，这样伸缩装料管才能进入到内袋口里面进行灌装，因此，包装袋内袋和外袋打开对开袋装置的设计成功与否十分重要。

1 开袋装置设计原理

开袋装置是由吸袋部件和抓袋部件两个部件组成。吸袋部件和抓袋部件两者的运动是有关联的，它们各自的运动效果，都会直接影响包装袋内外袋的开口形状和开口质量。这是开袋装置设计的关键所在。开袋装置是灌装工位重要组成部分。双层包装袋运送到灌装工位时，其状态是垂直于底面，因此基于以上的一些因素，开袋装置设计原理主要是：内袋夹头和外袋夹头分别夹住双层包装袋的内袋和外袋，而在内袋夹头和外袋夹头的垂直方向上(包装袋两侧)分别加上多个内袋吸盘和外袋吸盘。当内外夹头同时向里收缩时，包装袋两侧的内外袋吸盘同时向外运动。由于内外袋吸盘紧贴在内袋和外袋的表面，两侧吸盘在向外运动的同时，吸盘里面产生了一定的真空，此时包装袋内袋和外袋的相对应的吸盘一层薄膜和黄皮纸会随着吸盘的向外运动而分开[1]。开袋装置设计原理如图1所示。

1-内袋吸盘；2-内袋夹头；3-吸盘

在内外夹头向里收缩的同时，内外袋吸盘向外运动，双层包装袋的内袋口就被打开成近似矩形的形状，伸缩装料管伸到内袋口里进行灌装。包装袋打开后的状态如图2所示。

图2 内袋口成形状态

2 开袋装置结构优化设计

2.1 结构方案设计

设计开袋装置的目的就是能够很好地将包装袋内袋口顺利打开，且在开袋装置运动的过程中能保持内袋口不会从吸盘脱落，因此吸袋部件的结构设计相当重要。

吸袋部件主要功能是在吸盘张开合拢的过程当中，在吸盘吸力的作用下将包装袋内外袋打开。平面连杆机构在实际运用中非常广泛，车轮联动机构、破碎机、飞机起落架机构都运用到了平面连杆机构。其机构结构简单，可以完成多种运动规律和运动轨迹要求，能实现较大行程或增力的作用。因此，吸袋部件主要由平行四边形机构和双曲柄摇杆机构组成。平行四边形机构使内外袋吸盘张开合拢，双曲柄摇杆机构则起到传动力作用。在两个机构组合的基础上，现设计了两种吸袋部件结构方案(图3、图4)。

1-齿轮; 2-调节连杆; 3-气缸; 4-四边形机构;

1-调节连杆; 2-曲柄; 3-气缸; 4-四边形机构;

2.2 方案比较

方案一主要是通过气缸伸缩带动连杆运动，两边连杆上各带有一个齿轮，连杆运动的同时两齿轮啮合，齿轮啮合带动两侧调节连杆做平面运动，带动平行四边形机构运动，完成吸盘张开合拢动作。方案一中吸盘张开最大状态如图5所示。

图5 方案一吸袋部件吸盘张开状态

图6 方案二吸袋部件吸盘张开状态

结构方案二主要是通过气缸伸缩带动曲柄运动，曲柄的旋转带动两边的调节连杆做平面运动，并带动平行四边形机构运动，完成吸盘张开合拢动作。方案二中吸盘张开最大状态如图6所示。

对比上述两种方案：方案一采用了齿轮机构传动，其特点是在理论上能实现完全对称运动，但齿轮加工精度和安装要求较高；方案二全部采用连杆传动，结构简单，但理论上只能实现近似对称运动[2-3]。

2.3 方案结构受力分析

本文主要讨论方案二。其平面连杆运动原理如图7所示。

图7 方案二的平面连杆运动原理

该机构为平面八杆机构，由机构自由度计算公式可以算出机构自由度

F=3n-2PL-PH，

其中：n为活动构件数；PL为低副数；PH为高副数。

机构自由度F=3×7-2×10-0=1，即该机构是自由度为1的平面八杆机构，有一个主动件，故机构具有唯一确定运动。[4-5]

对开袋机构进行受力分析(图8)。

图8 开袋装置初始位置受力分析

由于该机构左右基本对称，故只对右侧进行初始状态受力分析，可得：

其中：α1=17°、α2=3°、α3=19°均很小，有效分力Ft大，其中α3=19°为压力角；当机构运动后，α1减小，α2，α3增大。在极限位置，机构反向运动，其受力如图9所示。

图9 开袋装置极限位置受力分析

则

角α1′=6°、α2′=22°、α3′=39°均很小，有效分力Ft大，其中压力角α3′=39°。由此可知[4]，此机构在运动过程中其压力角均小于50°，机构传动性能良好。

3 结束语

本文在分析机构需实现的基本动作和功能的基础上，提出两种基本方案，并进行了对比分析，确定最佳的可行的方案。目前该部件在现场运行可靠、稳定。

[1] 余 敏.TIF自动包装机开袋装置动力特性研究[D].武汉：湖北工业大学，2014.

[2] 宋永强.机械压力机多连杆机构优化设计及运动仿真研究[D].济南：山东大学，2011.

[3] 李春广,高 斌.传动角与平面连杆机构的设计[D].郑州：郑州纺织工学院，1997.

[4] 魏 兵，熊禾根.机械原理[M].武汉：华中科技大学出版社，2007:9-88.

[5] 濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006:3-36.

[责任编校： 张 众]

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

邓援超(1963-)， 男， 湖北孝感人，湖北工业大学教授，研究方向为机械设计及理论

黄 朋(1988-)，男，湖北鄂州人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为机械设计及理论

1003-4684(2015)01-0056-03

TS262.5

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