可调式扎带间歇进给装置的设计与分析

吴遵胜，周哲波

（安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 232001）

动化包装工艺中经常包含有扎带进行间歇剪裁的工序[1]，由于大多厂商包装项目单一或生产规模较小，扎带剪裁的长度常为不可调，且结构及驱动方式设计不合理，从而经常出现剪裁长度不均、牵引力不足、剪裁长度不一、扎带破损、安装调试困难等问题。近年来，包装设备向着柔性化、高速化、安全化的方向迅速发展[2]，对包装设备提出了更高的要求，如何解决上述各种问题变得尤为迫切。其中，从结构和驱动方式上对以往装置进行优化设计，是一种可行的方法。

1 整机的组成及功能

可调式扎带间歇进给装置（见图1），主要由凸轮、主轴、机架、过带槽、牵引及夹持部件以及电机组成。凸轮在电机的驱动下为夹持及牵引部件的主臂提供左右摆动的动力；过带槽布置在机架内部用于方便扎带的传输；夹持及牵引部件在凸轮及气缸分别驱动的定夹和动夹完成过带槽内扎带的夹持和牵引动作，即实现扎带的间歇性进给。

图1 可调式扎带间歇进给装置爆炸结构图

2 辅助零部件的设计

2.1 凸轮的设计

凸轮结构形式为盘形沟槽凸轮,见图2。在滚子处于回程阶段时可省去弹簧来使滚子与凸轮保持时刻接触，简化机构同时增加了可靠性[3]。为匹配整条产线的节拍以及该装置中气动元件的反应时间进而将该凸轮四个阶段的角度进行分配，见表1[4]。凸轮选用38CrMoAl 材料的锻造毛坯，并进行表面渗氮处理，极大提高了使用寿命及可靠性。

图2 凸轮零件图

表1 凸轮四个阶段的角度与主轴转角之间关系 /(°)

2.2 过带槽的设计

过带槽设计的难点在于如何能避免定夹和动夹在松开扎带进入回程的过程中扎带前后窜动。扎带窜动问题会影响后续剪裁和包扎工序的效果。常用的扎带材料为纸、玻璃纸、PE且带边附加有金属丝[5]。将过带槽的整体扎带轨迹设计为图1 所示的S 型，进而使得扎带在其中弯曲并贴紧槽壁保持一定的静摩擦力来防止外界的干扰，避免扎带前后窜动的问题。

2.3 机架的设计

机架包含底板和侧壁，底板上开有用于固定各部件的螺纹孔和用于安装各转动副的套筒；侧壁上分别开有用于扎带进出的进口和出口。选用不锈钢作为机架的材料[6]，同时为了适应大批量生产的要求，在机架底板上焊有若干不锈钢套筒毛坯，并用数控机床加工，以保证各定位孔之间的尺寸精度和形位公差方便后续装配[7]。

3 夹持及牵引部件的设计

3.1 牵引机构的设计

牵引机构设计的难点在于如何能提供足够的牵引力来避免设备卡顿。牵引机构由凸轮通过滚子来驱动。驱动力一定的情况下，将凸轮滚子与牵引机构的主臂转轴之间留有足够的距离即可。同时利用主臂、副臂和调节杆的结构来做到实时调节牵引长度，具体结构，见图3中粗线所示。

图3 夹持及牵引部件正反面结构图

牵引机构主要由主臂、副臂、调节螺杆、定夹、凸轮随动器等组成。在凸轮的往复转动下，凸轮随动器与凸轮时刻配合并驱动主臂往复摆动，主臂的末端F 点处设置有定夹，其可与动夹配合夹紧扎带，F点往复摆动的弧长即为扎带的行程。通过调整副臂上移动副相对于调节螺杆的相对位置即可调节主臂和副臂之间的夹角，从而达到扎带进给行程的调节。运动简图，见图4。

图4 牵引机构运动简图

3.2 夹持机构的设计

夹持机构设计的难点在于如果调节合适的夹持力，既能保证不打滑地牵引扎带，同时保证扎带不被过大的夹持力破损。另外，还有如何保证该机构安装后其工作的始末位置满足设计要求。为了解决上述难点而将本机构中增设一级可调连杆[8−10]，用于该机构安装完成后进行执行机构的始末位置调节，以达到理想的设计要求。夹持机构具体结构，见图5中粗线所示。

图5 夹持及牵引部件正反面结构图

该机构的运动简图，见图6。夹持机构主要由直线气缸、连杆、可调连杆、动夹等组成，气缸的类型设计为单作用弹簧复位直线往复式气缸，各连杆之间通过关节轴承互相连接构成转动副，用以弥补制造误差方便装配。当气缸通气时，其推杆向前运动至最大行程处，从而通过连杆和可调连杆带动动夹向上运动并与牵引机构的定夹相配合夹紧扎带；同理，当气缸断气时，推杆在内置弹簧的作用下复位至最小行程处，同时带动动夹与定夹分开。设计了一级可调连杆用于调整执行元件动夹的初始位置。

图6 夹持机构运动简图

4 间歇进给的工作原理

间歇进给即为在牵引机构和夹持机构按照一定的时序关系配合工作完成扎带间歇性的输送。牵引机构和夹持机构的时序配合关系为：当牵引机构处于回程静止阶段时间段内时气缸由松开变为夹紧；处于前进时间段内时气缸保持夹紧；然后推程静止阶段时间段内时气缸由夹紧变为松开；最后处于后退时间段内时气缸保持松开进而完成一个扎带间歇进给周期。具体时序配合，见图7。

图7 牵引动作与气缸动作之间的时序关系图

5 进给长度的调节函数

牵引机构中可通过调节螺杆来调节主臂和副臂之间的角度，进而改变扎带每次进给的行程，同时主臂上刻有相应的刻度用来指导具体角度与行程之间的关系方便用户调节。

图8 中，设主臂和副臂之间夹角为α，扎带的行程为F，点摆动的弧长为L。

图8 牵引机构各构件尺寸参数示意图

当夹角α 固定时，可将连杆机构看作为整体，那么线段BF摆动的角度就等于线段BE摆动的角度，可推导出线段BE 摆动的角度，进一步算出弧长即行程。又因线段BE 的长度受夹角α 控制，故将含有夹角α 的关系式代入弧长公式中即可推导出主臂和副臂之间夹角α 与扎带进给行程即弧长L 之间的具体函数关系。

线段BE 摆动的角度仅和固定转动副的相对距离e、线段BE 的长度c、近休止半径R1、远休止半径R2相关。将牵引机构运动简图简化为图9。图8中A、B分别为固定转动副，过A点分别以凸轮近休止半径R1和远休止半径R2作圆弧，与过B 点以线段BE 长度c为半径作的圆弧分别相交于P、M 点，那么线段BP 和BM 之间的夹角β即为线段BE 摆动的角度，同样也是线段BF摆动的角度。

图9 牵引机构简化示意图

推导过程如下：

其中,c2=a2+b2−2abcosα，得出主臂和副臂之间夹角α 与扎带进给行程即弧长L 之间的具体函数关系为：

对于本设备而言，各尺寸参数为：a=100 mm，b=65 mm，e=150 mm，d=180 mm，R1=86 mm，R2=107 m。因此，可用MATLAB做出调节函数的图像，见图10。

图10 角度α与行程L之间函数关系

本装置中主臂和副臂之间夹角α 可在40°～80°内自由调节，由图10 可知扎带进给行程即弧长L 可在32～98 mm内较为精确的调节，此范围满足日常生产中的绝大部分扎带长度要求，并可由图10 所示的函数关系对主臂上面板上进行雕刻刻度，用以指导调试。

6 整机的装配与调试

装配时，首先将主轴安装到机架上，将电机安装在主轴下方，将过带槽安装到机架上，将凸轮固定安装到主轴上方，最后将夹持及牵引部件安装到机架上并使之与带槽和凸轮配合，即完成安装。

依据凸轮的四个工作阶段对应的理论位置来调试该装置。即凸轮与凸轮随动器接触的点处于“近休止阶段””升程阶段”“远休止阶段”“回程阶段”，分别对应着夹持及牵引部件中定夹和动夹的“最近行程处停顿状态”“夹持并前进状态”“最远行程处停顿状态”“送开并后退状态”。根据扎带的材料特性来选择合适的直线气缸压力。根据所需的扎带剪裁长度和主臂上的刻度来调整主臂与副臂之间的夹角，最后来调整定夹和动夹之间的相对位置。

7 结论

（1）为了解决目前生产中扎带进给工序常出现的进给长度不可调、剪裁长度不均、设备卡顿、剪裁长度不一、扎带破损、安装调试困难等问题，设计了全新的可调式扎带间歇进给装置。

（2）对夹持机构和牵引机构的运动进行了分析，推导出主臂和副臂之间夹角与扎带进给行程即弧长之间的函数关系式。

（3）对整机特别是夹持机构的装配和调试进行了说明，依据凸轮的四个阶段对应的理论位置来调试，保证了整机工作时的逻辑正确性。