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化妆品自动装盒机的机构设计

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自动装盒机属于包装机械的一种,在制药行 业、食品加工行业、化妆品行业的包装中应用非 常广泛。自动装盒机一般包括取盒-开盒机构、物 品输送机构、说明书折叠机构、纸盒输送机构、 推料机构、封盒机构等。而取盒-开盒机构起着至 关重要的作用,其性能的好坏直接影响自动装盒 机的整机质量[1-2]。 随着化妆品行业的蓬勃发展,市场对化妆品 自动装盒机的要求越来越高,集中体现在对装盒 速度的要求不断提高。而传统化妆品自动装盒机 中的凸轮-摆杆式取盒-开盒机构不利于装盒速度 的提高,故要大幅提高化妆品自动装盒机的装盒 速度,改进取盒-开盒机构势在必行[3-4]。
本文提出一种连续式的取盒-开盒机构,通过 建立数学模型,并进行该机构的运动学分析,确 定关键参数,并通过Matlab软件对该机构的运动 方程进行仿真绘制出吸头的位移、速度、加速度 曲线。 1机构的动作和轨迹分析 1.1取盒-开盒动作分析 如图1所示,采用三个吸头同时连续工作能 明显提高取盒-开盒的效率,三个吸头在空间上圆 周均布列,相临两个吸头之间的角度为120°。通 过对吸头上吸盘进行通气和断气即可实现对纸盒 的吸取和释放。吸头从供盒架处吸取纸盒,并做 圆周运动,转过120°后,通过碰撞斜块的圆弧 面,使纸盒的棱边因为受到一定的挤压作用而处于半打开状态,继续做120°圆周运动后到达输送 带的卡槽上,这时由于纸盒还有一个水平的速度 分量,在卡槽里半打开的纸盒将会完全打开,并 由输送带卡槽保持完全打开的状态,以便接下来 推料机构把化妆品和说明书推进纸盒内。这样就 完成了一个取盒-开盒动作流程。
1.2轨迹分析 由上述的取盒-开盒动作分析可见,在一个取 盒-开盒流程中,要重点考虑的地方是呈120°圆周 分布的三个工作点,亦即是吸盘在供盒架吸取纸 盒的地方、运动过程中纸盒碰撞斜块圆弧面的地 方、还有就是在卡槽吸盘释放纸盒的地方。在吸 盒的地方吸取纸盒后要迅速沿着原路退出来,以 免碰到供盒架的 支架。在和斜块 圆弧面碰撞的地 方也要求只能一 瞬间碰撞,以免 对 纸 盒 造 成 伤 害。在卡槽释放 纸盒的时候也要 求吸盘释放纸盒 后 迅 速 向 上 运 动,以免吸盘碰 到运动着的卡槽。显然,在这个工作点,都有一 个“下降→上升→下降”的趋势。故把轨迹设计 为如图2所示的内摆线形状[5]。
2机构的原理以及设计 机械制造中一般采用行星轮系来实现内摆线 的运动轨迹,本文也采用这种原理来实现吸头的 内摆线运动轨迹,图3是机构的原理图。 吸头连杆4连接在从动齿轮5上,而从动齿轮 5、定齿轮2、转向齿轮3组成了行星轮系,故当 转盘1转动的时候既能带动从动齿轮5公转,又能 通过转向齿轮3使从动齿轮5自转,只要控制齿轮 间的传动比合适,就能使吸头形成内摆线轨迹[6]。
3数学模型的建立 运动模型如图4所示。以转盘的圆心为坐标 原点建立坐标xoy系作为基本坐标系。以从动齿轮 的圆心作为原点建立坐标系x'o'y',为了方便起 见,以吸盘在吸盒位置作为起始位置,令圆心o' 在xoy坐标系的30°上,即 θ0=30°,oo'=r,r为从 动齿轮圆心到转盘1圆心的距离,r1为吸头到从动 齿轮5的距离。由轨迹要求知道当转盘1转动了 ( θ·θ0 ) 角度时,从动齿轮5实际转动了3 (θ·θ0)。把吸头的位移分解到基坐标系xoy下求 解得[7]: é ë ê ù û úx y =ré ë ù ûcos θ sinθ +é ë ù ûcos θ-cosθsin θ-cosθ é ë ê ê ù û ú ú r1cos3( ) θ-θ0 -r1sin3( ) θ-θ0 (1) 化简(1)式得: ì í î ï ï x=rcosθ+r1[ ] cosθcos( ) 3θ-3θ0 +sinθsin( ) 3θ-3θ0 y=rsinθ+r1[ ] sinθcos( ) 3θ-3θ0 -cosθsin( ) 3θ-3θ0 令θ0=30° 时,吸头的运动方程为:当θ=30° 、θ=120° 、θ=240° 时, cos3θ 等于1,此时加速度a达到最大值。这三个角度恰 好是吸头在运动轨迹中的三个工作点。

由上述可知吸头的运动轨迹是准确的, 而且位移、速度、加速度曲线都是连续平滑的, 故不会产生冲击。而且运动方程是关于 θ 的函 数,通过改变r、r1两个参数就能产生符合生产需 求的内摆线轨迹形状。该机构具有结构紧凑、零 部件容易加工、体积小、性能稳定、成本低等特 点。所以该机构的取盒-开盒机构在化妆品自动装 盒机市场将会有很大的应用和发展前景。

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