國(guó)內(nèi)高速裝盒機(jī)與國(guó)外相比，速度上相差甚遠(yuǎn)。其主要原因在于裝盒機(jī)的關(guān)鍵部件“取盒機(jī)構(gòu)”，缺乏最合理的設(shè)計(jì)理論和機(jī)構(gòu)參數(shù)，從而嚴(yán)重地影響高速裝盒機(jī)整體效率的提升。

本文通過(guò)介紹一種高速連續(xù)式取盒機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，為高速裝盒機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

一、取盒動(dòng)作簡(jiǎn)介

取盒的過(guò)程如圖1所示，通過(guò)真空吸盤(pán)將處在供盒架上的藥盒從架子上抽出，然后在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中又將紙盒稍微地?fù)伍_(kāi)，最后放到生產(chǎn)線上以供后面裝藥品使用。具體過(guò)程如下：

• 吸盒：旋轉(zhuǎn)的吸盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)到供盒架處(和水平面夾角30。)，真空吸盤(pán)開(kāi)始吸住紙盒的一側(cè)，并將紙盒從供架盒上拉出來(lái)。

• 撐盒：當(dāng)吸盤(pán)帶著紙盒轉(zhuǎn)到150°時(shí)，紙盒的側(cè)棱碰到斜塊，順勢(shì)滑下讓紙盒處于半撐開(kāi)狀。

• 放盒：當(dāng)紙盒轉(zhuǎn)到輸送帶的正上方，真空吸盤(pán)通氣，將紙盒放到運(yùn)輸帶的卡槽中，運(yùn)動(dòng)中卡槽的一側(cè)將紙盒向前擠壓，使紙盒處于完全撐開(kāi)狀，供后面裝入藥品使用。

二、取盒工藝軌跡的設(shè)計(jì)

吸盒、撐盒、放盒的三個(gè)動(dòng)作作用點(diǎn)均勻分布，其最重要的動(dòng)作在于吸盒處。當(dāng)吸盤(pán)在上升的過(guò)程中吸住紙盒，到達(dá)頂點(diǎn)后又把紙盒往下拉，使紙盒脫離供盒架。

另外從動(dòng)作過(guò)程分析得到，在吸盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中只要在關(guān)鍵三個(gè)點(diǎn)上滿足速度和角度的要求，就可以滿足整個(gè)取盒動(dòng)作要求，其他點(diǎn)上的動(dòng)作可以隨意地根據(jù)實(shí)際情況去設(shè)計(jì)，其動(dòng)作不影響整個(gè)取盒動(dòng)作。

高速裝盒機(jī)取盒機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡必須是連續(xù)的，而且為了增加機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡也要緊湊。

根據(jù)實(shí)際情況，在滿足動(dòng)作要求下可以將動(dòng)作軌跡設(shè)計(jì)成圓形、等邊三角形、擺線如圖 2所示。現(xiàn)對(duì)幾種運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行比較。

(1)圓形軌跡 如圖 2a所示，吸頭的軌跡為圓形，可以保證吸頭運(yùn)動(dòng)速度和加速度的連續(xù)性，機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性好。但是考慮到工藝要求，如圖1所示，取盒時(shí)紙盒被吸的表面和吸頭成 90°，隨著吸頭的運(yùn)動(dòng)，吸頭給紙盒一個(gè)沿圓切線方向向上的力，因?yàn)楣┖屑艿纳媳砻孢€有支撐 (圖 1中略去)，對(duì)紙盒的上表面進(jìn)行限制，所以吸頭不能很好地將紙盒拉出。

(2)等邊三角形軌跡 如圖 2b所示，等邊三角形軌跡的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)非常明顯，而且整個(gè)過(guò)程軌跡也很緊湊，也能將紙盒順利的拉出而不受供盒架的限制，但是吸盒前后軌跡的夾角是60°，不能進(jìn)行調(diào)節(jié)，而吸盒前后的角度會(huì)影響到吸盒的時(shí)間，從而直接影響到吸盒的質(zhì)量。

(3)內(nèi)擺線軌跡 如圖 2c所示吸頭的軌跡為內(nèi)擺線軌跡，吸頭取盒時(shí)將紙盒向下拉，不受供盒架的位置限制，整個(gè)結(jié)構(gòu)非常緊湊，更重要的是吸盒前后的角度是可以通過(guò)調(diào)節(jié)圓弧的半徑進(jìn)行改變，從而確定影響取盒質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。

綜上所述，從工藝要求和取盒質(zhì)量等方面考慮，內(nèi)擺線軌跡綜合了圓形軌跡和等邊三角形軌跡的優(yōu)點(diǎn)，所以內(nèi)擺線的軌跡最優(yōu)。

三、機(jī)構(gòu)的組成及原理

實(shí)現(xiàn)擺線軌跡的機(jī)構(gòu)如圖 3所示 ，大轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，連軸齒輪和轉(zhuǎn)盤(pán)齒輪分別繞著固定齒輪 I和固定齒輪Ⅱ旋轉(zhuǎn)。小轉(zhuǎn)盤(pán)在隨著大轉(zhuǎn)盤(pán)公轉(zhuǎn)的同時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)齒輪控制它也進(jìn)行自轉(zhuǎn)，同理，連軸齒輪控制著主動(dòng)齒輪公轉(zhuǎn)的同時(shí)也進(jìn)行自轉(zhuǎn)，帶動(dòng)從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，真空吸頭和從動(dòng)齒輪固連，所以吸頭進(jìn)行公轉(zhuǎn)的同時(shí)也進(jìn)行著自轉(zhuǎn)。所以只要控制齒輪之間的傳動(dòng)比，就可以控制真空吸頭在指定的位置實(shí)現(xiàn)指定的動(dòng)作。

四、關(guān)鍵參數(shù)的確定

對(duì)該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行建模，如圖 4所示。

以大轉(zhuǎn)盤(pán)的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)，取小轉(zhuǎn)盤(pán)的中心與坐標(biāo)原點(diǎn)成θ₀=30°，此時(shí)的位置即為吸盒的位置，建立小轉(zhuǎn)盤(pán)的動(dòng)坐標(biāo) x'y'，再建立從動(dòng)齒輪的動(dòng)坐標(biāo) x"y"，兩個(gè)坐標(biāo)的原點(diǎn)重合在主動(dòng)齒輪的中心。根據(jù)動(dòng)作要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)大轉(zhuǎn)盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)(θ-θ₀)角度時(shí)，吸頭也逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)(θ-θ₀)角度，小轉(zhuǎn)盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，為滿足動(dòng)作要求，小轉(zhuǎn)盤(pán)須相對(duì)大轉(zhuǎn)盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 2(θ-θ₀)，才能滿足吸頭在轉(zhuǎn)過(guò)120°后，吸頭、從動(dòng)齒輪、主動(dòng)齒輪成為一條直線，形成方盒動(dòng)作。所以相對(duì)固定坐標(biāo)，小轉(zhuǎn)盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了3(θ-θ₀)。把從動(dòng)齒輪的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到固定坐標(biāo)中得：

當(dāng)θ₀=30°時(shí)，化簡(jiǎn)得到從動(dòng)齒輪的運(yùn)動(dòng)方程為：

從運(yùn)動(dòng)方程中可以得出，從動(dòng)齒輪中心的運(yùn)動(dòng)軌跡是關(guān)于θ的函數(shù)，軌跡的大小形狀由參數(shù)r和r₁來(lái)確定。

用Solidworks軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，在用Solidworks Motion插件去模擬運(yùn)動(dòng)分析，得到從動(dòng)齒輪的運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線，如圖5所示，符合動(dòng)作要求。

按照設(shè)計(jì)要求，該取盒機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速為 60r／min，即旋轉(zhuǎn)角度θ=ωt=2πt，裝上 3個(gè)吸頭 ，取盒速率為 180~／min。對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行二次求導(dǎo)得到該從動(dòng)齒輪在運(yùn)動(dòng)一周內(nèi)的加速度為a=√(xⁿ²+yⁿ²)，化簡(jiǎn)得 a=4π²√(r²+16r²+8rr₁cos30)，當(dāng)cos3θ的值為 1時(shí) ，即在 0=0°、120°、240°(此處角度 以與軸成 30。開(kāi)始算起)位置時(shí)，加速度的值最大，也剛好是三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，此時(shí)最大加速度為 a=4π²(r +4r₁)。從動(dòng)齒輪的運(yùn)動(dòng)方程為連續(xù)的三角函數(shù)，其加速度也為連續(xù)函數(shù)，即該機(jī)構(gòu)能平穩(wěn)的運(yùn)行，在角速度確定的情況下，加速度只與 r與 r₁有關(guān) ，所以只需調(diào)整其大小就可以控制最大加速度的大小，另外在 r和 r不變的情況下，也可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整吸頭桿的長(zhǎng)度，同樣可以控制加速度的大小 。