枕形袋多列多層裝箱機的設(shè)計

張有良， 張 璐， 茍向民， 王劍峰， 張國安， 李 航

(1.輕工業(yè)西安機械設(shè)計研究院，陜西西安 710086;2.西安科技大學管理學院，陜西西安 710054)

枕形袋常用于液體、塊狀、小顆粒和粉狀物質(zhì)的包裝，是物品流通的一種大眾化包裝和人們普遍接受的包裝形式之一.主要特點是包裝范圍廣，易于實現(xiàn)包裝，方便物流運輸，廣泛應(yīng)用于方便食品、日用化工、調(diào)味品、醫(yī)藥、農(nóng)藥等行業(yè)，如蛋黃派、方便面、雪糕、餅干、食鹽、牛奶、調(diào)味品、小雜糧等.枕型袋包裝技術(shù)趨于成熟，向著高產(chǎn)量大型化方向發(fā)展.包裝速度越高，產(chǎn)量越大，后續(xù)的裝箱設(shè)備越顯得重要，靠人工裝箱已經(jīng)不能滿足包裝生產(chǎn)的需要，特別是帶有毒性的包裝物品危害工人健康.包裝生產(chǎn)線上，包裝生產(chǎn)均實現(xiàn)自動化，后續(xù)包裝線的裝箱幾乎全部采用人工裝箱，參觀所有的生產(chǎn)線，生產(chǎn)線上游人員寥寥無幾，裝箱段人山人海.全自動枕形袋多列多層裝箱機設(shè)計研究的目的是解決國內(nèi)大量的食品企業(yè)后包裝問題［1］.

1 枕形袋多列多層裝箱機的組成

1.1 主要組成機構(gòu)

枕形袋多列多層裝箱機主要由機架總成，位移機構(gòu)、抓袋(工裝)機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、輸袋機構(gòu)和輸箱機構(gòu)等組成，如圖1.抓袋(工裝)機構(gòu)是快速更換機構(gòu)，根據(jù)枕形袋、裝箱等規(guī)格的變換而更換.

圖1 枕形袋裝箱機系統(tǒng)組成Fig.1 Components of pillow shaped bag packaging machine system

1.2 控制系統(tǒng)

枕型袋多層多列裝箱機控制系統(tǒng)主要由可編程控制器G1(PLC)、人機界面G2、伺服控制驅(qū)動器A1和A2、變頻器A3和A4、檢測、執(zhí)行元件等組成(見圖2).G1和G2構(gòu)成控制系統(tǒng)的核心和操作界面，所有的控制參數(shù)均可在人機界面上設(shè)置完成.PLC(可編程工業(yè)控制器)通過CANopen總線對A1、A2傳輸指令，控制伺服電機M1和M2的運行，M1對裝箱過程驅(qū)動，M2對袋子輸送鏈驅(qū)動，同時將M1的運行狀態(tài)反饋給G1，控制電磁閥等執(zhí)行元件.通過CANopen總線對A3、A4變頻器進行參數(shù)設(shè)置和啟?？刂疲刂齐姍C M3和 M4，完成箱子的兩級輸送［2］.

圖2 控制系統(tǒng)原理示意Fig.2 Principles of control system

1.3 裝箱周期數(shù)字化的應(yīng)用

從抓取物品到放入到包裝箱，再返回到抓取點的整個過程，稱之為一個裝箱周期.抓取頭運動的每一個位置，伺服電機的旋轉(zhuǎn)編碼器會產(chǎn)生一組相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿欧?qū)動器上，驅(qū)動器通過CANopen總線將數(shù)據(jù)傳送到PLC中，完成一個裝箱周期，PLC對該數(shù)據(jù)復(fù)位，這樣每裝一次箱，均會產(chǎn)生一組0到m的周期數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù)對應(yīng)著裝箱過程的各個位置，把這組有規(guī)律變化的數(shù)據(jù)稱之為數(shù)字周期或裝箱過程位置數(shù)字化.在裝箱過程的每一個動作有一個相應(yīng)的位置數(shù)據(jù)，裝箱過程動作可以準確地控制.

2 枕形袋多層多列裝箱的工藝

2.1 每層的排列規(guī)律

圖3是枕形袋每層5列，每列5袋，每箱7層的裝箱立面和平面示意圖，反映出枕形袋在箱內(nèi)多列多層排列規(guī)律.從圖3(a)可以看出，袋子與袋子之間搭邊排列，以保證袋子在箱子中緊密排列，提高裝箱質(zhì)量和效果.

2.2 多層裝箱的工藝

1)待裝箱的袋子排列整齊的輸送到抓取位，空箱輸送到裝箱位;

2)抓袋工裝位移到抓取位，抓取袋子;

圖3 枕形袋裝箱平面立面示意Fig.3 Pillow shaped bags packaging plane diagram in three dimensions

3)離開抓取位后，完成抓取的袋子隔排上下錯位，排和排之間收縮緊密，列和列之間收縮緊密(根據(jù)數(shù)字包裝周期的參數(shù)控制);

4)抓袋工裝位移到袋子放入箱子的工位，釋放袋子，完成一層袋子的裝箱，重復(fù)以上工序，直到裝滿箱子為止;

5)傳送裝滿袋子的箱子到封箱工位，完成一箱的裝箱工序.

3 枕型袋的整理與傳送工藝研究

3.1 單列變多列機構(gòu)的組成

圖4 枕形袋單列變多列平面組成Fig.4 Pillow shaped bags from single row to a multiple column plane

枕形袋從包裝機輸送過來的是單列，裝箱是多列排列，因此首先將單列變成多列的排列.單列變多列主要由可伸縮定位輸送機和多列輸送鏈組成，如圖4.可伸縮定位輸送機主要由主傳送帶(包括皮帶糾偏機構(gòu)，初始位、限位、袋子檢測光電開關(guān)等組成)和伺服電機控制與驅(qū)動的伸縮機構(gòu)組成，其工作原理是伸縮帶快速移動到最遠端，檢測到一個袋子并輸送到多列輸送帶上，向后退一個袋寬的距離，等待下一個袋子到來，依次將多列輸送帶上放滿枕形袋，完成一組單列變多列的工序［1，3-4］.

3.2 單列變多列機構(gòu)的重要參數(shù)關(guān)系

枕形袋單列變多列位置尺寸關(guān)系見圖5.從圖5中可以看出，伸縮帶的初始位置到第1列的中線距離為c(c≥b)，每列間距a，等待位到第m列(多列數(shù))中線距離為b，

式(1)中，V為伸縮帶主傳送帶的線速度，單位為mm/s，t為枕形袋從伸縮帶跌落到多列帶需要的時間，伸縮帶平面距多列帶平面距離為h，根據(jù)自由落體定律得，

umn plane

由公式(2)得t=(2h/g)-2，將t帶入(1)式得

初始位到等待位的距離

式(4)中，S=c+a(m-1)，由(3)和(4)得

為了簡化編程，設(shè)c=b=V(2h/g)-2，那么S1=a(m-1)，因此，對于單列變多列的調(diào)試首先尋找和確定初始位，控制過程就變得比較簡單［1］.

3.3 單列變多列的工藝

伸縮帶端頭正常停機時停留在初始位，初始位距離多列帶的第1列為c=V(2h/g)-2，開機后按照以下工藝運行.

1)伸縮帶快速向前移動S1，等待枕形袋到來，檢測到枕形袋，向后退a，令m=m-1;

2)m≠0，檢測到袋子，向后退 a，令 m=m-1，當m=0時，轉(zhuǎn)到1)，否則重復(fù)2);

3)當遇到正常停機，伸縮帶的傳送帶停，伸縮后退到初始位停機，急停時，伸縮帶及伸縮帶傳送帶立即停.

3.4 枕型袋多列輸送規(guī)律的研究

枕形袋的輸送不同于瓶裝、盒裝的輸送，不能大量的堆積.解決枕形袋輸送的最簡單辦法就是通過3級或4級輸送，采用快、慢、快、慢的差速輸送.第1級輸送速度比較快，將袋子與袋子拉開較大的距離，每個袋子的輸送過程中盡量減少外界因素的影響.第2級輸送較慢，使袋子在2級輸送的過程中有搭邊現(xiàn)象，但不能堆積過多.第3級輸送比第2級輸送快一點，使袋子與袋子首尾相接.第4級輸送調(diào)整到抓取需要的距離，由裝箱機的伺服電機M2驅(qū)動與控制［5-6］.

4 多層裝箱的傳動機構(gòu)

多層裝箱的傳動機構(gòu)采用固定的運動軌跡，解決了裝箱過程的二維運動，使機械機構(gòu)簡單，操作維護方便，提高了設(shè)備的使用效率，降低了能耗，運動軌跡如圖6.運行軌跡主要由水平導(dǎo)向機構(gòu)、抓取頭連接座、移動連接機構(gòu)、導(dǎo)軌槽、垂直導(dǎo)向機構(gòu)、傳送鏈條、驅(qū)動機構(gòu)、安裝板等組成.

4.1 平面導(dǎo)向機構(gòu)

圖5 枕形袋單列變多列位置尺寸關(guān)系Fig.5 Relations of position and size of pillow shaped bags from single row to a multiple col-

圖6 運動軌跡與導(dǎo)向機構(gòu)示意Fig.6 Trajectory and guide mechanism

平面導(dǎo)向機構(gòu)由水平和垂直導(dǎo)向機構(gòu)組成(見圖6)，水平導(dǎo)向機構(gòu)作用是水平導(dǎo)向和水平滑動.抓取袋子工裝機構(gòu)安裝在連接座上，安裝座安裝在垂直導(dǎo)向機構(gòu)上，連接驅(qū)動鏈條，垂直導(dǎo)向機構(gòu)安裝在水平導(dǎo)向軸上，隨著水平導(dǎo)向機構(gòu)整體移動.這樣抓袋子工裝機構(gòu)就可以在同一平面上沿著運行軌道曲線平穩(wěn)運行，將枕形袋從抓取工位放入箱子中完成裝箱.

4.2 固定軌跡傳送機構(gòu)

固定傳送機構(gòu)的作用是抓袋工裝按照固定的運動軌跡移動.固定傳送機構(gòu)主要由移動連接機構(gòu)、傳動鏈條、鏈條導(dǎo)向槽、鏈輪、驅(qū)動機構(gòu)(減速機和伺服電機)等組成(見圖6)，傳送鏈條和抓取頭連接座連接在一起，驅(qū)動機構(gòu)帶動鏈條沿著鏈條導(dǎo)軌槽運動，按照裝箱工序，通過控制伺服電機的位移量，將枕形袋從初始位抓取放入箱子里不同層中完成裝箱［2］.

4.3 傳動運行的參數(shù)設(shè)置

通過人機界面，運動行程可編程，對于不同的產(chǎn)品規(guī)格和包裝形式，進行多列多層裝箱.一臺裝箱機，適應(yīng)于批量小、規(guī)格多的日化、白酒、農(nóng)藥的異型瓶裝箱，枕形袋包裝(如乳品、小食品、調(diào)味品、食鹽、白糖等)的多層裝箱，有廣泛推廣意義.

初始位定義，裝箱機在初始開機和正常停機抓取工裝的停留位稱之為初始位.一般情況下，程序設(shè)計者會設(shè)計一個尋找初始位的程序，使裝箱機在運行中有一個準確的初始位(或參考位).對于安裝好的裝箱機，枕形袋輸送鏈平面距離初始位的距離L1(常數(shù))，輸箱鏈到平面距離初始位的軌跡距離L2(常數(shù))，對于不同的裝箱產(chǎn)品，裝箱規(guī)格要進行枕形袋高度h1設(shè)定，裝箱的層數(shù)k設(shè)定，包裝紙箱厚度h2設(shè)定，這些參數(shù)確定后，裝箱機就會按照要求完成裝箱過程.

4.4 裝箱傳動過程

裝箱機的抓取工裝在正常停機時停留在初始位(按照功能也可稱之為等待位)，開機后設(shè)定相關(guān)參數(shù)，按照裝箱的工藝運行.

1)檢測枕形袋輸送是否到位，如果沒到位等待枕形袋到位，到位后運行L1-h1位移，抓袋，設(shè)定n=1;

2)運行L1+L2-h2-(n+1)h1位移到第n層放袋位，如果檢測紙箱沒到位，需要在初始位等待，同時在運行的過程中，根據(jù)數(shù)字包裝周期的數(shù)據(jù)，抓袋工裝進行調(diào)整，對被抓袋子進行歸攏和調(diào)整，運行到第n層放袋工位放下袋子，第n層袋子裝入箱子，同時n=n+1;

3)運行L1+L2-h2-(n+1)h1位移到抓袋位，如果檢測到枕形袋沒有到位，在初始位等待，同時在運行的過程中，根據(jù)數(shù)字包裝周期的數(shù)據(jù)，對抓袋工裝復(fù)位，開始抓袋;

4)重復(fù)2)和3)，完成每一層的裝箱，直到n=k時，箱子裝滿，完成一個裝箱周期，輸送滿箱和空箱，返回到1)步，進行下一箱的裝箱.

5 結(jié)束語

枕形袋的單列多層裝箱機技術(shù)基本成熟，廣泛應(yīng)用與袋裝食鹽的裝箱，枕形袋的多列多層裝箱機在國內(nèi)還是空白，大多數(shù)枕形袋的裝箱形式是多層多列，開發(fā)多層多列裝箱有著廣泛的意義.我們通過枕形袋的特點分析，經(jīng)過大量市場調(diào)研，研制出了適應(yīng)于我國國情的枕形袋多列多層裝箱機，同時申請了2個專利對該技術(shù)進行知識產(chǎn)權(quán)保護.枕形袋多層多列裝箱機是一個典型的機電一體化設(shè)備，是涉及多學科的知識應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計，為了保護設(shè)計者的權(quán)益，文中對重要數(shù)據(jù)進行了技術(shù)處理，但是不影響對原理的論述.

［1］張有良，王劍峰，吳琦，等.一種枕形袋高速理袋機構(gòu)的研究［J］.北京工商大學學報:自然科學版，2012，30(4):71-74.

［2］張有良，茍向民，王劍峰，等.可編程多功能裝箱機的設(shè)計和電氣控制［J］.食品與包裝機械，2009，27(4):1-3.

［3］李美川，張國安，茍向民.短距離平皮帶傳輸跑偏問題的分析［J］.食品與包裝機械，2009，27(6):8-11.

［4］李美川，茍向民，張有良.全自動裝箱線輸箱鏈道的設(shè)計及電氣控制［J］.食品與包裝機械，2010，28(4):37-39.

［5］張有良，王劍峰，張國安.啤酒干包生產(chǎn)線箱子碼垛的工藝研究［J］.酒.飲料技術(shù)裝備，2010(2):58-60.

［6］張有良，王劍峰，李美川.干包生產(chǎn)線理瓶輸送和瓶子分組的研究［J］.酒.飲料技術(shù)裝備，2009(5):60-62.