瓶盖机机械系统设计关键技术分析

台阝金华，段俊法

（华北水利水电学院 机械学院，河南 郑州 450011）

瓶盖机机械系统设计关键技术分析

台阝金华，段俊法

（华北水利水电学院 机械学院，河南 郑州 450011）

包装机械是包装工业的一大门类产品，是集机、电、光、气、生、磁为一体的机械电子设备，它给行业提供必要的技术设备，以完成所要求的产品包装工艺过程。本文主要针对瓶盖机机械系统设计问题提出自己一点看法，对于今后瓶盖机机械系统设计具有一定帮助。

机械制造；瓶盖机；机构设计；包装机械

1 概述

单瓶盖机的功能是实现送盖，冲裁纸片，并将其塞入瓶盖内。为了能完成120只/min的功能，设备机械结构采用振动料斗理盖、双通道送盖、双刀口冲裁、两个步进电机控制送盖、一个步进电机控制送纸。电磁阀控制气缸带动活塞塞纸等设计。机械系统整体流程如图1所示。瓶盖机的机械系统由理盖机构、瓶盖传送机构、垫片材料传送机构、冲裁机构和塞纸机构等几部分组成[1，2]。

图1 系统加工工序流程图

2 理盖机构

由振动料斗上料，定向机构设计与加工是振动上料器设计与制造过程中一个非常突出和棘手的问题。尤其对于一些形状复杂的工件，相应的定向机构几乎难以用通常的视图来表达，在实际制造与加工过程中，只能边调整边修磨，加工周期很长。定向机构所起的作用，在本项目中来说，就是要保证瓶盖在送入双排轨道时，要盖口朝上。如果瓶盖处于其他姿态，冲裁的纸片就没办法塞入，而且还可能因为机械碰撞而产生严重的设备故障。定向常有两种基本方法，即积极定向法和消极定向法。消极定向法的特点是，按照选定的定向基准，采取措施让符合要求的物件在供送滑道上始终保持稳定运动状态，并设法剔除不符合要求的物件，使之集中回流。积极定向法的特点是，采取强制措施使原来不符合定向要求的物件全部改变为规定基准方向。这里采用消极定向原理。

3 瓶盖传送机构

3.1 送盖方案的比较和确定

较之国内一些同类型的设备，本设备提高加工速度的关键，在于采用双排列行进盖机制。也就是从振动料斗出来的瓶盖，经过预定轨道，到达冲裁位置时，成两行排列，冲刀每次同时冲裁两个垫片，然后由塞入机构塞进两个瓶盖。轨道设计如图2所示。这样，较之单行加工方式，其他条件等同的情况下，生产速度提高一倍。同理，如果采用三行进盖甚至四行进盖，加工速度会更快。但是盲目的增加行数也会出现难以解决的问题。

振动料斗位置较高，瓶盖经过振动上料器的整理，进入冲裁轨道时都是开口向上并排成两行到达冲裁位置。由于采用金属轨道，瓶盖质量较小，盖面和轨道之间摩擦力很小，因此，驱动瓶盖到达冲裁位置，仅仅依赖瓶盖受重力作用是不够的，还涉及到一个瓶盖定位问题。如前所述，瓶盖到达冲裁位置必须排列整齐，正对冲刀，所以本设备在冲裁位置之前需安装卡轮。

考虑到控制的要求，驱动采用两个品牌型号完全相同的步进电机。其中一个齿轮顺时针旋转，另一个则逆时针旋转。每旋转90°的圆心角，送盖机构就向前推了一排（2个）瓶盖。旋转一整周，将有4排（8个）瓶盖经过特型齿轮，往前推进，周而复始。该机构不但能给瓶盖前进以足够的推力，而且能保证瓶盖在进入冲裁位置时排列整齐，起到定位功能。

3.2 送纸与送盖互相配合的方案比较和确定

为了保证垫片纸条更充分的利用，送盖和送纸的方向不能在一条直线上，而应该保持一定的角度，如图2所示。当采用a和b的排列方式时，铝箔垫片和盖列方向完全一致，其垫片材料利用率分别为78.5%和72.35%。但是，无间隙排列时，刀具难以实现，所以a只是一种理想状况，必须像图b那样留有间隙。当采用c和d的排列方式时，铝箔垫片和盖列夹角120°，其垫片材料利用率分别为84.13%和77.98%。同理，c也只是一种理想状况，难以实现。但是比较d和b，采用d方式时，垫片材料利用率比b状况下提高了5.63%。作为一种生产效率较高，产量较大的加工机械来说，原材料的节省能有效的降低成本，提高经济效益。因此，本设备在设计时，铝箔纸垫片和盖列要设计成d方式，即夹角120°。

3.3 送盖机构的力学估算及控制电机选择

步进电机必须为卡轮提供足够的转矩以做到：

①克服卡住瓶盖和轨道的摩擦力；

②克服卡轮本身的转动惯量；

③保证送盖机构能推动瓶盖在轨道上前进。

卡轮送盖过程中，瓶盖和金属材质轨道底、轨道壁产生一定摩擦阻力，但因瓶盖质量很轻（12g），这一摩擦力可以忽略不计；卡轮材料为聚四氟乙烯，质量较小（约26g），本身转动惯量很小；瓶盖在送到卡轮位置之前，倾斜的轨道能给瓶盖下滑提供动力。在卡轮位置之后的轨道很短（大约3～4个瓶盖直径的长度），虽然瓶盖列完全依赖卡轮的拨动才能前进，但是瓶盖列和轨道底的摩擦阻力非常小，卡轮工作扭矩实在太小，不可能超过轴的材料承受范围，因此，无需对卡轮的传动轴进行校核。这里直接选用了42BYGH250A四相步进电机。

4 传送机构设计及控制电机选择

本设备所用的垫片材料，是单面镀金属膜的纸条，有一定厚度和硬度。初始状态是卷在轴筒上，就如同日常生活所用的卷筒纸。在纸条到达冲裁机构时，事先要拉直摊平，再传送到排列好的瓶盖正上方。考虑到冲裁落料之后，纸条中间会有规则排列的圆形孔洞，如果在冲裁机构后面用拉的方式送纸，可能会因为受力点过小而将纸条拉断。所以本课题拟在冲裁机构之前，用两个圆形滚筒来送纸。主动滚筒由步进电机拖动。

根据滚筒的直径尺寸、加工速率、待加工瓶盖的直径等参数，可以计算出带动滚筒的电机额定速度。根据纸片的厚度和硬度，调整两个滚筒之间的距离。通过试验，可以测得带动滚筒送纸所需要的转矩。以摩擦力30N，主动轴直径15mm计，则步进电机负载转矩必须不小于225Nmm。根据上述参数要求，送纸滚筒选用57BYG007.4四相步进电机驱动。

5 冲裁机构

5.1 曲柄滑块机构和偏心轮机构（图3）

曲柄滑块机构是由铰链四杆机构演化而来。当机架和摇杆的长度同时无限增长，铰链D无限延移时，这时杆上C点的运动轨迹由图中弧线变为直线，杆的运动变为移动，此运动可用与杆固联的滑块及机架固联的导轨来实现，就演化为曲柄滑块机构。此机构为含有一个移动副的四杆机构，若不考虑哪个杆作机架，就是含有一个移动副的构件系统。曲柄滑块机构中滑块C点的运动轨迹称为导路，C点在两个极限位置之间的距离称为行程，用H表示，如果导路通过曲柄回转中心，称为对心曲柄滑块机构。如果导路不通过曲柄的回转中心，成为偏置曲柄滑块机构[3，4]。

图2 箔垫片材料利用率计算示意图

图3 曲柄滑块机构

当行程H很小时，曲柄很短，受力又很大，此时可将转动副B的尺寸扩大到超过曲柄长度，则曲柄AB就演化成几何中心B不与转动中心A重合的圆盘，称为偏心轮。当曲柄长度很小时，通常都把曲柄做成偏心轮，这样不仅增大了轴颈的尺寸，提高偏心轴的强度和刚度，而且当轴颈位于中部时，还可以安装整体式连杆，使结构简化。偏心轮机构结构简单，其轴颈的强度和刚度大，广泛用于曲柄长度要求较短、冲击较强和体积较大的机械设备中。

5.2 冲裁机构设计

本设备所用的垫片材料，是单面镀金属膜的纸条，有一定的厚度及硬度。所以本机构拟采用由交流伺服电机带动驱动轴，直接利用一个偏心轴，接上冲压模具的曲柄滑块机构进行纸片的冲压。这种机构相对于利用液压缸或其他机构，省去了中间的转换和控制部分，具有机构运行稳定可靠、磨损小、寿命长等优点[4]。

设备冲裁机构设计中，由动力源驱动主动轴旋转，带动偏心轮，通过传动板，带动冲头支架在导轨内上下滑动。冲头支架以及冲刀，相当于滑块，传动板相当于曲柄，而主动轴圆心即为传动中心A。冲裁机构设计的机械理论依据就是由曲柄滑块演变的偏心轮机构。

6 压入机构

冲刀裁好的纸片只是落在开口朝上的瓶盖内。而由于纸片质量很小，一般状况是下部是轻轻卡在瓶盖内侧螺纹之间；即便落到盖底，也没有嵌入盖底的一圈专用卡纸螺纹内，所以一旦瓶盖翻转，纸片极易从盖内重新掉落出来。合格的加工必须要将裁减下来的圆形纸片稳固的镶嵌进卡纸螺纹，并保证瓶盖翻转时，不会脱落。

这里压入纸片，是由气动电磁阀控制气缸，带动两个与瓶盖内径差不多大小的圆形塑料冲头。塞纸装置在冲裁位置之后，跟冲刀同步动作，冲裁和塞入相继两步完成。系统中配置有电磁阀控制气缸，由单片机总体控制，达到与其他部件同步协调。

7 结语

瓶盖垫片冲塞机是包装机械的一大门类产品，其控制方法直接影响到该设备的生产速度。本文主要讨论了瓶盖机机械系统设计关键技术的设计思路，对于进一步研究包装机械设计具有一定的帮助和参考价值。

[1] 张宝珍，樊军庆.啤酒瓶自动启盖机设计[J].食品与机械，2008，（2）.

[2] 严书华.一种通用瓶盖理盖器与旋盖机构的设计[J].机电技术，2007，（4）.

[3] 靳 岚，谢黎明，沈 浩.基于Matlab的偏置曲柄滑块机构的运动特性仿真研究[J].中国制造业信息化，2008，（23）.

[4] 张祖芳，仲太生，许 超.开式压力机机身轻量化设计研究[J].锻压装备与制造技术，2003，38（3）：26-28.

[5] 年四甜.按最佳传动角设计偏置曲柄滑块机构[J].机械设计,2008,（12）.

[6] 李玉萍.提高挤压模具使用寿命的措施[J].锻压装备与制造技术，2005，40（6）：74-76.

Analysis on key technology in design of mechanical system for bottle cap machine

TAI Jinhua，DUAN Junfa
（School of Mechanical Engineering，North China University of Water Conservancy and Electric Power，Zhengzhou 450011，Henan China）

The solution on design of the mechanical system for the bottle cap machine has been put forward in the text，which provides reference to the design of the mechanical system of bottle cap machine in the future.

Packaging machinery；Bottle cap machine；Organization design

TH122

B

1672－0121（2011）06－0070－03

2011-09-05

台阝金华（1973-），女，硕士，讲师，从事机电控制技术的教学与研究