瓶蓋墊片沖塞機(jī)的設(shè)計(jì)與研究*

黃 晉，劉楚輝，徐 樂，夏 琳，彭姣嬌

（嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江嘉興 314000）

瓶蓋墊片沖塞機(jī)的設(shè)計(jì)與研究*

黃 晉，劉楚輝，徐 樂，夏 琳，彭姣嬌

（嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江嘉興 314000）

針對(duì)現(xiàn)有瓶蓋墊片沖塞機(jī)所存在的生產(chǎn)能力不足的問題，提出一種新的設(shè)計(jì)方案。采用傳送帶取代傳統(tǒng)的振動(dòng)送料盤送蓋，以大大提高理蓋速度并降低噪聲。利用蓋口朝向不同的瓶蓋重心位置上的差異進(jìn)行瓶蓋篩選，剔除蓋口朝向不滿足要求的瓶蓋，方法簡(jiǎn)單而有效。將瓶蓋墊片的沖裁和填塞進(jìn)行合并，縮短了工序，可顯著提高生產(chǎn)效率。通過更換不同型號(hào)的沖裁模、轉(zhuǎn)盤和推桿，并調(diào)節(jié)送蓋滑道兩側(cè)夾板的間距就能適應(yīng)不同規(guī)格瓶蓋的要求，為實(shí)現(xiàn)瓶蓋的高速全自動(dòng)生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：理蓋；重力選蓋；送蓋；墊片沖塞

0 引言

瓶蓋自動(dòng)塞墊技術(shù)是近幾年隨著瓶蓋生產(chǎn)自動(dòng)化水平提升產(chǎn)生的，利用該技術(shù)可提高瓶蓋生產(chǎn)效率，保證瓶蓋衛(wèi)生。北京先略投資咨詢有限公司對(duì)瓶蓋墊片自動(dòng)沖塞機(jī)市場(chǎng)進(jìn)行了深入、廣泛的調(diào)查，并結(jié)合國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、商務(wù)部、工商部門、海關(guān)和行業(yè)協(xié)會(huì)等官方權(quán)威數(shù)據(jù)，整理發(fā)布了《2013年中國(guó)瓶蓋墊片自動(dòng)沖塞機(jī)市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告》。根據(jù)該報(bào)告，我國(guó)瓶蓋墊片自動(dòng)沖塞機(jī)的產(chǎn)量逐年增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)比例呈上升趨勢(shì)。然而，與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的瓶蓋墊片沖塞機(jī)依舊存在機(jī)械性能落后，自動(dòng)化水平低，對(duì)不同規(guī)格瓶蓋的適應(yīng)性差等諸多不足[1]。

河南省安陽市華強(qiáng)包裝有限責(zé)任公司于2010年推出了效率高、清潔度好、能適合于不同規(guī)格的瓶蓋及鋁箔墊片的高速瓶蓋塞墊機(jī)。該機(jī)器具有自動(dòng)理蓋、瓶蓋輸送、塞墊入蓋和點(diǎn)膠4大功能，采用振動(dòng)上料盤將凌亂的瓶蓋排列輸出，并使所有瓶蓋蓋口朝上，理好的瓶蓋被有序、準(zhǔn)確地輸送至墊片入蓋機(jī)構(gòu)完成點(diǎn)膠和墊片塞入動(dòng)作；但是，該機(jī)器需提前把墊片剪切好才能再加工，不能完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，且成本較高[2]。我國(guó)雖然有巨大的市場(chǎng)以及良好的發(fā)展前景，但在瓶蓋墊片沖塞機(jī)研制上存在技術(shù)瓶頸，長(zhǎng)期受制于人，嚴(yán)重阻礙了行業(yè)的發(fā)展。因此，有必要設(shè)計(jì)適應(yīng)性強(qiáng)、效率高、自動(dòng)化程度更高的瓶蓋墊片沖塞機(jī)，從而提高我國(guó)在該行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

1 瓶蓋墊片沖塞機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，瓶蓋墊片沖塞機(jī)的工作過程可分為理蓋、送蓋、送紙、沖裁、塞墊和廢紙料回收6個(gè)主要工序。

圖1 瓶蓋墊片沖塞機(jī)的工作過程

瓶蓋墊片沖塞機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括理蓋機(jī)構(gòu)、送蓋機(jī)構(gòu)、送紙機(jī)構(gòu)、沖裁機(jī)構(gòu)、塞墊機(jī)構(gòu)和廢紙料回收機(jī)構(gòu)六大組成部分。理蓋機(jī)構(gòu)由一個(gè)槽型傳送帶和兩根固定于傳送帶上方的檔桿組成。送蓋機(jī)構(gòu)由送蓋滑道和旋轉(zhuǎn)送蓋機(jī)構(gòu)組成，送蓋滑道位于傳送帶左側(cè)，靠近傳送帶的部分與傳送帶位于同一平面上，并帶有一個(gè)選蓋缺口，送蓋滑道通向其下部安裝的旋轉(zhuǎn)送蓋機(jī)構(gòu)。

瓶蓋在經(jīng)過理蓋機(jī)構(gòu)的傳送與整理后進(jìn)入送蓋機(jī)構(gòu)，此時(shí)瓶蓋的蓋口存在兩種不同的朝向，當(dāng)它們滑至選蓋缺口時(shí)，開口方向不滿足要求的瓶蓋翻倒并滑回料箱，其余瓶蓋則順利通過缺口并繼續(xù)下滑，經(jīng)送蓋滑道底部的開孔和豎管，按順序落入下面連接的旋轉(zhuǎn)送蓋機(jī)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)送蓋機(jī)構(gòu)可準(zhǔn)確控制其轉(zhuǎn)角和停止位置，按一定時(shí)間間隔將瓶蓋送到指定沖塞位置。瓶蓋定位夾緊機(jī)構(gòu)夾緊瓶蓋實(shí)現(xiàn)精確定位，沖裁塞墊機(jī)構(gòu)將紙料沖裁成墊片并進(jìn)一步將其塞入瓶蓋。完成墊片沖塞后，紙料輸送機(jī)構(gòu)將紙料向前輸送給定的距離，沖裁后余下的廢紙料由廢料回收機(jī)構(gòu)向前卷起，之后旋轉(zhuǎn)送蓋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)指定的角度，使完成塞墊的瓶蓋從送蓋轉(zhuǎn)盤的定位孔中落下至成品箱，并將新的未塞墊的瓶蓋送至沖塞位置。

圖2 瓶蓋墊片沖塞機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖3 瓶蓋在傳送帶和傾斜檔桿共同推動(dòng)下的受力分析

2 瓶蓋輸送與初選

傳送帶的整體高度為1 000 mm，寬度為400 mm，與豎直面成一定角度γ傾斜布置。傳送帶的表面分布有一系列凹槽，每條槽可容納一定數(shù)量的瓶蓋，將其向上輸送并完成初步篩選。每條凹槽從料箱中帶上來的瓶蓋有一部分未完全躺臥于槽內(nèi)，當(dāng)它們碰到水平檔桿時(shí)將被刮落，掉回料箱。每條凹槽內(nèi)剩下的瓶蓋均完全躺臥于槽內(nèi)，不會(huì)互相重疊、干擾。這部分瓶蓋可隨輸送帶一起繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，直至碰到傾斜檔桿，然后在其推動(dòng)下進(jìn)入選蓋滑道。為了保證瓶蓋能順利地被推送進(jìn)入送蓋滑道，傳送帶上的每條凹槽的下側(cè)面均向左傾斜α角，取值范圍為2°～5°，同時(shí)，傾斜檔桿與水平面之間的夾角β也必須取適當(dāng)?shù)慕嵌戎怠?/p>

躺臥于傳送帶凹槽內(nèi)的瓶蓋在傳送帶和傾斜檔桿的綜合推動(dòng)下向左滑動(dòng)時(shí)的受力如圖3所示。瓶蓋受到一個(gè)空間力系的作用，包括：重力G、凹槽下側(cè)面施加的支撐力N1和摩擦力Ff1、凹槽底面施加的支撐力N2和摩擦力Ff2以及傾斜檔桿施加的正壓力N3和摩擦力Ff3。當(dāng)瓶蓋在傳送帶和傾斜檔桿的綜合推動(dòng)下，沿著凹槽向左勻速滑動(dòng)時(shí)，需滿足以下力平衡方程和力矩平衡條件[4]：

其中，m為單個(gè)瓶蓋的質(zhì)量；g為重力加速度。根據(jù)摩擦力和正壓力的關(guān)系，又有：

其中，f為橡膠傳送帶與塑料瓶蓋間的摩擦因數(shù)。當(dāng)瓶蓋在傳送帶和傾斜檔桿的綜合推動(dòng)下，沿著凹槽向左勻速滑動(dòng)時(shí)，它在xoy坐標(biāo)平面內(nèi)需滿足以下力矩平衡條件：

其中，r為瓶蓋外圓柱面的半徑。

取瓶蓋與傳送帶的摩擦因數(shù)f=0.33，單個(gè)瓶蓋質(zhì)量為m=2.087克，瓶蓋外圓柱面的半徑r= 28 mm，傳送帶上每條凹槽下側(cè)面的左傾角α= 2°，傳送帶與豎直面之間的夾角γ=15°，聯(lián)立(1)式、(2)式和(3)式即可解得傾斜檔桿與水平面之間的夾角β=33.248°，設(shè)計(jì)取值為β=34°。

3 瓶蓋篩選

要保證能夠?qū)|片塞入瓶蓋內(nèi)，通過送蓋滑道進(jìn)入墊片沖塞機(jī)構(gòu)的瓶蓋必須是蓋口朝上的。為了獲得朝向滿足這一要求的瓶蓋，在送蓋滑道的前段上開出一個(gè)缺口，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

如圖4所示，瓶蓋重心點(diǎn)到蓋口平面的垂直距離為a，到滑道底面的垂直距離為c，滑道底部的選蓋缺口沿寬度方向的尺寸為b。當(dāng)瓶蓋的蓋口朝向選蓋缺口一側(cè)時(shí)，瓶蓋滑至選蓋缺口處時(shí)的受力平衡方程為：

其中，f‘為送蓋滑道底面與塑料瓶蓋間的摩擦因數(shù)。由上式可解得：

當(dāng)瓶蓋的蓋口朝向選蓋缺口時(shí)，瓶蓋不會(huì)繞B點(diǎn)翻倒的力矩條件為：

將(5)式代入(6)式有：

對(duì)于那些蓋口背對(duì)選蓋缺口的瓶蓋，若有：

瓶蓋重力和選蓋滑道對(duì)瓶蓋的支撐力所產(chǎn)生的力矩鈞為翻轉(zhuǎn)力矩，瓶蓋必將翻倒并滑回料箱；若有：

選蓋滑道對(duì)瓶蓋的支撐力所產(chǎn)生的力矩為翻轉(zhuǎn)力矩，而瓶蓋重力所產(chǎn)生的力矩為阻止瓶蓋翻轉(zhuǎn)的力矩，此時(shí)瓶蓋繞B點(diǎn)翻倒的力矩條件為：

將(5)式代入(10)式有：

當(dāng)瓶蓋的蓋口背對(duì)選蓋缺口時(shí)，綜合以上(8)、(9)和(11)式有瓶蓋必將翻倒的條件為：b＞h-2a-2rtanθ。于是，選蓋缺口的尺寸須滿足條件：

才能保證選蓋滑道能實(shí)現(xiàn)選蓋的功能。

圖4 瓶蓋滑至選蓋缺口時(shí)的受力分析

4 旋轉(zhuǎn)送蓋與定位夾緊機(jī)構(gòu)

如圖5（a）所示，旋轉(zhuǎn)送蓋機(jī)構(gòu)包括一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤、一個(gè)固定不動(dòng)的扇形檔板和一個(gè)弧形擋條。如圖5（b）所示，固定于沖裁模下表面上的氣缸及其推桿與轉(zhuǎn)盤和扇形檔板一起構(gòu)成了瓶蓋定位夾緊機(jī)構(gòu)。

瓶蓋經(jīng)送蓋滑道底部的豎管，兩個(gè)一組按順序落入旋轉(zhuǎn)送蓋機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤的定位孔內(nèi)，轉(zhuǎn)盤在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)60°，推動(dòng)瓶蓋使之進(jìn)入沖塞位置，然后氣缸驅(qū)動(dòng)推桿將瓶蓋從轉(zhuǎn)盤定位孔的大端推送至小端，并與轉(zhuǎn)盤一起壓緊、固定瓶蓋，接著由沖塞機(jī)構(gòu)進(jìn)行墊片的沖裁與填塞。沖塞桿完成沖塞時(shí)觸發(fā)行程開關(guān)，氣缸驅(qū)動(dòng)推桿回縮，轉(zhuǎn)盤再次轉(zhuǎn)動(dòng)。完成塞墊的瓶蓋在轉(zhuǎn)盤和扇形檔板上的弧形擋條的共同推動(dòng)下，從轉(zhuǎn)盤定位孔的小端逐漸回到大端，并向扇形檔板的邊緣靠近，當(dāng)其失去扇形檔板的托舉作用時(shí)便從轉(zhuǎn)盤固定孔的大端中掉落至成品箱[5-6]。

圖5 旋轉(zhuǎn)送蓋與定位夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與組成示意圖

5 瓶蓋墊片沖塞

為了大幅度提高瓶蓋墊片沖塞機(jī)的工作效率，將瓶蓋墊片的沖裁和填塞工序合并。如圖6所示，沖塞機(jī)構(gòu)主要由沖塞頭座、沖裁桿、填塞壓軸、沖裁桿檔板、壓軸檔板、沖裁彈簧、填塞彈簧、壓軸頭以及若干螺釘組成。沖裁桿與塞墊壓軸合而為一，沖裁桿為中空結(jié)構(gòu)，填塞壓軸安裝在沖裁桿內(nèi)，填塞壓軸頭的直徑略小于沖裁桿的內(nèi)徑。沖裁桿完成墊片的沖裁后，沖塞頭繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)沖裁桿刀口上方的凸臺(tái)與沖裁模上表面接觸時(shí)，沖裁桿向下的運(yùn)動(dòng)受到阻擋，沖裁彈簧被壓縮，而填塞壓軸則繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，將墊片壓入瓶蓋，當(dāng)壓軸頭下表面到達(dá)瓶蓋底部時(shí)，填塞彈簧被壓縮，然后觸發(fā)行程開關(guān)，沖塞頭反向運(yùn)動(dòng)并回到初始位置。由于沖塞桿總行程不超過40 mm、動(dòng)作迅速，且沖裁剪切力較小，故沖塞機(jī)構(gòu)采用氣壓缸驅(qū)動(dòng)。

圖6 沖塞機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與組成

6 總結(jié)

針對(duì)我國(guó)現(xiàn)有瓶蓋墊片沖塞機(jī)所存在的問題，設(shè)計(jì)了一種新的高效瓶蓋墊片沖塞機(jī)。從瓶蓋墊片沖塞的功能需求出發(fā)，對(duì)瓶蓋沖塞機(jī)的理蓋機(jī)構(gòu)、送蓋機(jī)構(gòu)和沖塞機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。采用傳送帶送蓋，利用蓋口朝向不同的瓶蓋在重心位置上的差異進(jìn)行瓶蓋篩選，方法簡(jiǎn)單有效，提高理蓋速度并降低了噪聲。所設(shè)計(jì)的送蓋滑道為活動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)兩側(cè)夾板的間距，并更換不同型號(hào)的送料板和擋料板，即可適應(yīng)不同規(guī)格瓶蓋的生產(chǎn)。通過實(shí)現(xiàn)雙排送蓋設(shè)計(jì)，使得該高效瓶蓋墊片沖塞機(jī)的加工速度較之同類產(chǎn)品提高一倍。

［1］于策.包裝機(jī)械行業(yè)發(fā)展預(yù)測(cè)［J］.中國(guó)包裝工業(yè)，2006（3）：24-25.

［2］龔曄.國(guó)外包裝機(jī)械市場(chǎng)需求兩旺［J］.中國(guó)包裝工業(yè)，2006（4）：16-18.

［3］李楊.醫(yī)用瓶蓋沖塞機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)與控制研究［D］.上海：上海大學(xué)，2007.

［4］鄭文緯，吳克堅(jiān).機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［5］徐海琴，陶紀(jì)明，朱俊，等.瓶蓋沖塞機(jī)輸送滑軌結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析與改進(jìn)［J］.機(jī)械工程師，2007（10）：54-56.

［6］焦昊昊.瓶蓋同向排列的創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代制造工程，2006（1）：111-112.

Design and Research of Machine for Blanking and Filling Paper Pad into Bottle Cap

HUANG Jin，LIU Chu-hui，XU Le，XIA Lin，PENG Jiao-jiao
（College of Mechanical-Electrical Engineering，Jiaxing University，Jiaxing314000，China）

Aim to the inefficiency of production which medicine bottle cap paper pad washing exists，a new design scheme is put forward. This project adopts the conveyor belt to replace the traditional vibration feeding plate to send cap that greatly enhances the speed of cap sorting as well as reduces noise.It takes advantages of the difference of cap center of gravity position because of caps mouth towards different direction and gets rid of the caps whose mouths’ direction cannot meet the requirements.This approach is quite easy and effective.In addition，combing blanking and tamping of cap gasket shorten the process and improve the efficiency of production significantly.What’s more，it can adapt to different caps of specification requirement by means of replacement of blanking die，turntable and push rod of different models and adjust to distance between slides to send cap on both sides of the plywood.It lays a solid foundation for the realization of high speed and automatic production of caps.

bottle cap sorting；bottle cap selection by gravity；bottle cap transportation；paper blanking and padding

TB486

：A

：1009－9492(2014)12－0047－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.011

黃 晉，男，1991年生，浙江人，大學(xué)本科。研究領(lǐng)域：瓶蓋墊片沖塞機(jī)設(shè)計(jì)。

(編輯：阮 毅)

*2014年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014R417011）

2014－06－29