自动拆外包机的机械设计

曹肖兵

（上海言筑机械设备有限公司，上海 201802）

预灌装是灌装行业和包装行业中的一道重要工序，在食品、化妆、化工及医药等行业广泛应用。但是，我国早期在包装设备方面的设计研发、生产制造及售后维修等方面严重缺乏实际经验，致使国内预灌装工序比较复杂。在外部机械结构上，它存在结构复杂、加工制造成本高及售后维修困难等缺点，阻碍了我国包装行业的发展。近年来，随着我国经济和科技水平的发展，许多生产制造工厂对包装设备自动化程度提出了更高要求。但是，由于现有设备普遍存在各种缺陷，比如拆外包机在执行各种操作时有可能会污染巢盒，进而污染内部产品，严重影响产品质量，同时不利于企业的快速健康发展。此外，现有的拆外包机在通用化方面程度不高，整体机械的生产和维修售后较为困难[1]。在此背景下，需要对现有拆外包机进行技术升级改造，设计了一款结构简单、加工制造成本低以及通用化程度高的拆外包机。

1 拆外包机系统组成

拆外包机系统主要包括滑动气缸机构、滑臂机构、真空吸附机构及螺旋调节机构，如图1所示。滑动气缸机构中，滑动气缸是拆外包机的主要动力源。通过控制系统调节气缸杆伸缩来调节滑臂的移动距离，便于吸附机构与巢盒精准对接。滑臂机构利用机械臂工作原理设计，与滑动气缸杆末端连接，通过气缸作用带动滑臂运动，可以更好地调节末端真空吸附机构的位置，使其与巢盒精准对接。一方面，真空吸附机构可用来支撑固定真空吸附嘴；另一方面，利用真空吸盘原理可以将巢盒吸紧，以便改变巢盒位置。螺旋调节机构利用丝杠螺母副传动，通过转动调整旋钮，调整真空吸附管架的高度，可以对不同规格的巢盒进行相关操作，极大地优化了拆外包机的柔性度[2]。

2 拆外包机总体规划和工作原理

为更好地便于读者理解拆外包机的内部结构和工作原理，设计人员给出整体结构示意图，如图2所示。其中，图2（a）、图2（b）、图2（c）分别为本次设计的拆外包机3个视图。可见，设计的拆外包机主要包括真空吸附嘴、真空吸附管及其支架、真空过渡管、软管、中间套、支撑部件、滑动气缸、调节旋钮以及滑臂等。这些部件相互配合可以实现巢盒工位的自动搬运功能[3]。

滑动气缸机构是主要的传动部件。在滑动气缸的输出末端安装滑臂，通过调节气缸杆的伸缩量改变滑臂位置，进而改变末端真空吸附嘴位置，便于真空吸附嘴与巢盒精准对接。

滑臂机构利用机械臂工作原理设计，与滑动气缸杆末端连接，通过气缸作用带动滑臂运动，可以更好地调节末端真空吸附机构的位置，使其与巢盒精准对接。

真空吸附机构是拆外包机的关键部件之一，主要由真空吸附嘴、吸附管、真空吸附管架、中间套、支撑部件、真空过度管以及软管等组成。其中，支撑部件作为中间媒介，将真空吸附管架与滑臂串联。当滑动气缸运动时，在滑臂传力作用下带动支撑部件沿预设轨迹运行，进而带动真空吸附管架和整个真空吸附机构运动，实现真空吸附嘴与巢盒对接[4]。

对于支撑部件，巢盒通常为矩形状且具有一定的高度和宽度。利用真空吸附管架可以将末端的真空吸附嘴支撑起来，使其距离地面保持一定的高度。将吸附管固定在真空吸附管架顶部，同时利用真空过渡管将吸附管与真空吸附嘴连接，一方面可以对末端的真空吸附嘴起到支撑和固定作用，另一方面可以通过两种管道调节末端真空吸附嘴的横向位置，使其可以适用于多种宽度的巢盒。

软管与气源连接。通过软管将支撑部件、真空真空过渡管、吸附管二级真空吸附嘴串联起来形成一条完整的真空通道。工作时，设计人员将真空管道内部的空气抽取出来使其成为真空状态。这样真空吸附嘴可以更好地将巢盒吸紧，以便移动巢盒位置。此外，目前的巢盒种类较多，但其高度并不统一。因此，在支撑部件上增加调节旋钮。通过该装置可以调节真空吸附管架的高度，使其适用于多种规格型号的巢盒，进一步增加拆外包机的柔性度[5]。

3 拆外包机气动装置设计计算

相较电缸而言，气缸具有价格低、质量轻及运行速度快等优点。因此，设计选用气缸作为主要动力传动部件。目前，常见的气缸主要有单作用和双作用两种[6]。结合设计要求，最终选用双作用式气缸。它的主要功能是通过调节气缸杆实现滑臂位姿，进而带动整个真空吸附机构跟随气缸杆移动，以便末端的真空吸附嘴与巢盒精准对接。为更好地驱动真空吸附机构运行，设计人员合理设计与计算气缸。

双作用气缸示意图如图3所示，M为进出气口1（气体压强为0.65 MPa），N为进出气口2（气体压强为0.65 MPa），D为气缸内径，d为推杆直径，Q为缸体，W为活塞，E为气缸伸缩杆，F1为气缸杆回收移动时的输出力，F2为气缸杆外伸移动时的输出力。当气缸动作带动滑臂移动时，气体从N口进去，M口排出。此时，压强P1=0 MPa，P2=P，推杆向上移动。气缸杆回收移动时的拉力为：

式中：A1为无杆腔活塞的有效面积，且A2为有杆腔活塞的有效面积，且。

由式（1）可知，设计的真空吸附机构总质量约为37 kg，巢盒最大质量约为3 kg。为留有安全系数，按50 kg计算负载，即F1为500 N。气缸的动力来源于气泵，额定压强为1 MPa，即P为1 MPa。计算气缸内径D时，可取推杆直径d=0.3D。因此，设计人员可计算气缸内径。结合巢盒工位移动行程，设计人员最终选用SC50-500的双作用气缸，理论推力约为1000 N，远大于500 N，满足了使用要求。

4 结语

拆外包机是包装行业常用的重要设备之一。虽然我国的拆外包机种类较多，但是大多数都无法实现通用化，且具有结构复杂、加工制造成本高等缺陷，因此不利于我国包装机械和包装行业的发展。针对这一现状在传统的拆外包机基础上进行优化设计，设计了一款通用化程度高和结构简单的全自动拆外包机。

第一，查阅相关文献，了解拆外包机结构和工作原理，同时掌握国内外拆外包机的最新进展，为设计提供参考依据。

第二，结合设计所提出的拆外包机整体设计方案，详细介绍拆外包机的系统组成、各部分功能及其工作原理。

第三，详细设计拆外包机的关键部件，主要包括气缸机构、滑臂机构、真空吸附机构等。

第四，详细计算传动气缸并合理选型，使其可以满足设计要求。

设计的全自动拆外包机相较于传统设备在结构上有了较大改进，不仅简化了结构，降低了加工制造成本，且采用气动装置实现了巢盒工位的移动功能，污染程度小，反应速度快，进一步提高了拆外包机的工作效率，同时加快了我国包装行业和灌装行业的发展进程。