一种试管自动整理供送装置的研究

李思聪，唐正宁

（江南大学 机械工程学院，无锡 214122）

0 引言

目前我国的包装机械通过引进和吸收，在产品结构、质量保障、创新能力上已经有了较大发展［1］。

理料供送装置作为包装作业的起点，其可行性、高效性、可靠性等决定了包装作业全自动化的实现，而自动化技术直接影响相关包装设备的高效性、稳定性、可靠性，以及设备的耗能与运行环境等，而这些是包装机械技术发展的关键问题［2］。

目前国内外针对刚性物料的分离与自动上料的研究较多，但大多是针对外形规则物件的自动上料和现有分件螺杆装置的技术分析改进，针对异形物件的自动理料供送较少，所以本文针对不规则大头物料的分件及供送作为切入点，结合国内外已有的相关研究进行方法总结和借鉴，着重对整理供送上料进行研究［3-5］。

1 总体结构设计

1.1 试管外形特性及供送要求

试管为医院血凝仪设备专用试管，用于盛装血液及相关医学药剂，如图1所示，试管管身为圆锥状，在管口有向外凸出的台阶：试管总长25 mm，管口直径为10 mm，台阶的宽度为1 mm，管身的斜度约为2.76°。

本设计涉及阶段为试管初始整理供送阶段，需将试管包装整理成图1所示正向状态供送至下一工位进行灌装操作。

1.2 总体结构设计要求

根据最终完整包装装置的运转参数及设计目标对供送对象的自动上料供送要求，现对研究装置设计要求如下：

（1）试管逐个供送。要求被供送试管由料仓中的无序状态最终在进入下一步灌装工位时完成姿态调节，并以特定姿态，即大头端向上，实现逐个供送。

（2）试管供送速度600个/h。由于试管进入下一步灌装工位时要满足灌装机构的调配时间，为满足整个过程连续工作，单个试管的输送时间应小于单个灌装针头完成产品填充的时间。目前已知单个灌装完成产品填充的时间为8～10 s，故计算得试管供送速度应尽量满足600个/h。

（3）采用步进控制系统。由于整体装置的工作要求，在其工作过程中常常需要中途停止装置运转，因此采用控制电机可较好完成启停。

1.3 基本方案设计

料仓中的试管在自身重力作用下进入输料机构与除料机构的间隙，输料机构与除料机构继续运动但保持两者间间距不变，试管在此过程中下落至供送轨道，由于其凸台结构悬挂与供送轨道上，在重力作用下以正向姿态滑落下一工位进行灌装。

1.4 工作原理

（1）主要零部件及结构。如图2所示，该装置的主要零部件包括：料仓：用于承装散乱的试管；料仓支架：料仓下部支承及固定；外板：起到连接及固定作用；机架：主要用于个部件定位及装配；连杆：用于传递曲柄与输料机构间的运动；曲柄：输出整个机构的运动方式；输料机构：与除料机构进行配合完成试管的分料及传递工作；除料机构：与输料机构进行配合完成试管的分料及传递工作，并保证物料分离过程中隔除多余物料；减速装置：降低试管在输料机构与除料机构间的滑落速度；滑道：用于完成试管到下一步灌装工位的供送；电机：提供动力源；滑道支架：用作输料机构的转动轴支撑以及滑道的结构支承。

（2）工作原理及流程。试管由料仓中自由堆放，电机驱动曲柄转动，将动力由连杆传递给输料机构与除料机构，两者由下至上开始往复运动，运动过程中两者间间隙始终固定不变，且不断推动料仓中的物料，物料在自身重力以及两机构的作用下掉落于输料机构与除料机构的间隙中，输料机构与除料机构继续沿转轴向上运动，两者间隙与水平面夹角不断增大，试管由间隙向下滑落至滑道上，由于自身结构以及滑道的结构设计影响，在自身重力作用下，大头端凸台悬挂在滑道上侧，以小端在下的姿态从其上滑落，直至下一工位进行灌装。

1.5 设计思路

根据目标供送试管的外形及尺寸特点，本设计将整理供送过程分为分料阶段和供送阶段。

（1）分料阶段。如图3所示，该阶段主要涉及结构为输料机构与除料机构。原理及分料方法为：料仓中无序堆放的试管在重力作用下从料仓中滑落至输料机构轨道内，输料轨道为具有一定角度的斜面，除料机构和输料机构由低于料仓口的初始位置同时向上运动，推动料仓口的试管，不断改变试管堆放状态，同时两机构间间距保持不变，当从料仓中掉落的试管与输料轨道上两机构间产生间隙的大小完全吻合时，试管通过其间隙下滑至供送轨道，完成试管容器的分料过程。

（2）供送阶段。利用目标供送试管的凸台结构，使由输送带上传送过来的单个容器以凸台与导轨接触，如图1所示的正向状态，利用其重心特点使管身部分悬空的方式悬挂在导轨上进行输送，实现物料的逐个定向同姿态输送。

2 关键部件参数分析

2.1 执行机构设计

2.1.1 设计要求

（1）要求输料机构满足：曲柄旋转角为30°、90°和135°时，摇杆与其对应旋转角分别为113°、122°和136°；（2）试管供送平均速度为600个/h，误差为±10个/h；（3）除料机构与输料机构在相对运动过程中产生的允许指定试管通过的间隙为13 mm。

2.1.2 曲柄摇杆机构设计

摇杆对应输料机构，为满足在运动过程中的其上滑道与外部料仓中的滑道始终保持不间断连接，选择以输料机构滑道支架的起点处为其转轴原点。

根据设计要求，曲柄与输料机构间转角应满足一定位置对应关系如图4所示。

其中，θ11=30°，θ31=113°；θ12=90°，θ32=122°；θ13=135°，θ33=136°，经计算且验证得曲柄长20 mm，则连杆108 mm，摇杆长67 mm，机架长137 mm［3］。

2.1.3 步进电机选择

由于本装置在实际运转过程中需要频繁的启停，且需适应变速要求，故采用步进电机来驱动该装置。本装置采用BYG混合式步进电机，该电机控制性能好、动态响应快、易于启停、正反转和变速控制。

2.2 输料机构设计

2.2.1 设计要求

（1）输料机构为扇形，其滑道与摇杆有效长度之间夹角为57°。

（2）输料机构的滑道与外滑道（供料机构滑道）相接。

2.2.2 相关结构设计

输料机构的结构包括用于作为滑道内平面的内板和两个扇形薄外板，扇形薄板的边和滑道内平面共同组成了输料机构的滑道，内板和外板之间为面接触，采用螺栓连接。

（1）扇形角设计。输料机构的扇形角设计影响中间连杆的设计，将输料机构的外形设计成扇形用以保证输料机构在运动过程中，其与料仓之间的间隙始终不变，以防试管在此处从料仓中滑落。

已知输料机构与除料机构在相对运动过程中将形成一个13 mm的间隙，用以供试管通过。

假设试管由料仓中滑落至此处时以运动至输料机构滑道中，当输料机构继续运动时，由于滑道倾斜角变化，其上试管沿滑道继续下滑。已知料仓水平放置，令输料机构运动至最低点时，及输料机构与料仓口夹角为10°时，稍低于料仓底部，方便料仓中试管掉落其上。

如图5所示，可将以上描述转化为：当摇杆运动至最低极位时，保证滑道与水平线夹角小于，其中为最大许用夹角，取C=67 mm，即实际摇杆长度，取D=10 mm，即试管直径。计算过程如下。

此时φ1=32.328°，根据0≤α≤8.584°，可得扇形夹角γ取值范围为49.088°≤γ≤57.672°，取γ=57°。

（2）输料机构外板设计。根据设计要求和滑道的支撑结构设计，输料机构外板可简化为一半径为80 mm，滑道高为10 mm，圆心角为57°的扇形结构。板厚设计为2 mm。

（3）输料机构内板设计。根据试管的尺寸，两个滑道之间的距离应该介于8～10 mm之间。为了保证试管输送的可靠性，也为了安装方便，取两个滑道之间的距离为8.5 mm，故根据配合要求，内板的厚度取8.5 mm。

2.3 除料机构设计

2.3.1 设计要求

（1）除料机构与输料机构之间间隙为13 mm；（2）除料机构与输料机构间隙旁设置挡板；（3）除料装置上设置减速装置。

2.3.2 相关结构设计

根据设计要求除料机构与输料机构间的间隙为13 mm，除料机构内部件的下表面应设计为平面。

（1）除料机构内板设计。除料机构内板设计要求为：内板底部应该是一个平面；要求在内部件上装一个减速装置，当试管在滑道中下滑的时候起到缓冲作用。目前已知的是内部件上绕机架旋转的转轴孔中心位置和中间连杆连接处的位置。

（2）除料机构外板设计。为防止物料在输料机构与除料机构间供送时，多余物料的进入，为简化设计，可加长除料机构的外板，使其变成挡板。

（3）除料机构隔板设计。根据隔板设计相关技术要求，将隔板设计为扇形边，两隔板间距离仅容一个试管通过；隔板夹在内板两侧，起到封闭滑道的作用，其应与内部件固连，两者一起运动。

3 运动仿真分析

利用UG运动仿真模块进行主要部件的位移分析，确定输料机构和除料机构的相对运动是否设计合理。

输料机构和除料机构在Z轴方向上的位移规律及对应时间点的数值方向全部相同。输料机构和除料机构的相对运动关系得到验证，检验合格。

4 结语

本文在不干涉其他包装工位相关机构的基础上，针对实现无序试管包装的逐个定向供送要求，设计了一种全自动整理供送装置。首先，根据试管自身外形结构特性，设计出一种供送滑道，滑道由两轨道组成，中间留空，可以让试管利用自身大头端凸台结构在自身重力的作用下自动完成定向滑落；其次，为实现对试管分料整理，设计出分料机构，包含除料机构和输料机构，其两者共同作用可以实现试管的单个输送，并巧妙利用四杆机构作为执行构件，实现机构简单，动作方便，节省空间，稳定运行的操作流程。本设计着眼于解决在有限空间内试管的全自动整理供送问题，简化动作流程并提高装置运转效率，为满足设计目标的整体全自动化包装要求，最终形成一套完整整理供送工艺流程，为此类包装的理料工序提供参考和依据。