基于重力作用的大袋包裝物碼垛機(jī)械設(shè)計(jì)

楊大春

YANG Da－chun

（淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

（Huaiyin Institute of Technology，Huai’an，Jiangsu 223003，China）

袋裝貨物碼放、倉儲是企業(yè)生產(chǎn)組織的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，特別是生產(chǎn)規(guī)模大的企業(yè)，產(chǎn)品堆放、庫存、轉(zhuǎn)運(yùn)、出庫等環(huán)節(jié)尤為重要。如何搞好產(chǎn)品的倉儲碼放設(shè)計(jì)，降低生產(chǎn)成本，是企業(yè)在進(jìn)行技術(shù)改造時(shí)應(yīng)著重考慮的［1］。

包裝碼垛機(jī)械簡單地講，是由包裝機(jī)械和碼垛機(jī)械組成，其中的主要部分還是包裝機(jī)械，碼垛機(jī)械是從包裝生產(chǎn)線上分離出來而發(fā)展起來的［2］。在自動化生產(chǎn)線的終端，產(chǎn)品以每小時(shí)數(shù)噸以至數(shù)十噸的速度源源而來，這相當(dāng)于每小時(shí)要稱量、包裝、堆碼數(shù)十袋以至上千袋貨物，如此繁重、精確的工作，人力已不能勝任。因此，碼垛系統(tǒng)是自動化生產(chǎn)線的重要組成部分，處理不當(dāng)往往會變成生產(chǎn)線的瓶頸環(huán)節(jié)。而碼垛系統(tǒng)要適應(yīng)目前生產(chǎn)發(fā)展的需求，就必須采用模塊化結(jié)構(gòu)［3］。采用模塊化結(jié)構(gòu)不僅可以最大限度的滿足不同用戶的使用要求，還可以簡化設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造，縮短生產(chǎn)周期，降低成本。

為了壓縮儲存空間以及場地管理的需要，裝滿物品的包裝袋需要碼放堆垛，從而使生產(chǎn)管理整潔有序。在形成堆垛后，為防止其垛坍塌，碼垛基本原則是層與層之間的包裝袋橫豎交叉擺放。另外，從堆垛美觀的角度出發(fā)，統(tǒng)一將大袋包裝物的縫包口朝里。

目前，已有文獻(xiàn)［4－6］研究并介紹了碼垛機(jī)器人的自動化碼垛情況，但碼垛機(jī)器人采購價(jià)格高，維護(hù)成本大。在中小型企業(yè)中，一般采用人工碼放的方式，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。本研究以食糖袋的大袋包裝物裝盤碼垛為例，擬設(shè)計(jì)一種適合中小型乃至大型企業(yè)的基于重力作用的大袋包裝物的裝盤碼垛機(jī)械，在保證堆垛的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)大袋包裝物裝盤碼垛的自動化，無人干預(yù)以降低勞動力成本，提高生產(chǎn)效率，達(dá)到整潔有序的現(xiàn)場管理。

1 食糖袋裝盤碼垛機(jī)械的總體方案設(shè)計(jì)

1.1 碼垛的基本原則

根據(jù)碼垛基本原則和堆垛美觀要求，層與層之間包裝袋需橫豎交叉擺放在托盤上，并且食糖袋縫包口一律朝里，第1層和第2層包裝袋的裝盤碼放形式見圖1。第1層食糖袋按圖1（a）碼放完畢后，在第1層的上面按圖1（b）碼放第2層。按照此碼放方式即可實(shí)現(xiàn)層與層之間的交叉并滿足食糖袋縫包口一律朝里的美觀要求。

圖1 包裝袋的裝盤碼放形式Figure 1 Palletizing style of first and second layer packaging

1.2 基于重力作用的食糖袋碼垛機(jī)械基本原理

食品袋裝滿食糖并封口后，由推袋機(jī)構(gòu)將其放平（袋底在前、封口在后）在帶式輸送線上向前輸送，并在輸送過程中用軋輥將松散的食糖袋壓平實(shí)。當(dāng)平實(shí)的食糖袋輸送至一定位置時(shí)，其脫離帶式輸送線由自身慣性力轉(zhuǎn)移至同向輥道上繼續(xù)在慣性力作用下向前移動，當(dāng)滑行到達(dá)平滑道的落袋窗口時(shí)，在重力作用下，食糖袋基本以自由落體的方式（由于在平滑道上存在一定的滑動摩擦力）下落至碼垛托盤中。為了保證食糖袋不會越過落袋窗口，在適當(dāng)位置設(shè)置限位塊。輥道及平滑道結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 輥道及平滑道結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Diagram of the roller and level channel structure

1.3 托盤（碼垛機(jī)械）的運(yùn)動方式

食糖袋基本以自由落體的方式在落袋窗口定點(diǎn)下落?；诖a垛基本原則和堆垛美觀要求，將托盤放置在碼垛機(jī)械上，則托盤隨碼垛機(jī)械按照一定的運(yùn)動方式即可實(shí)現(xiàn)堆垛要求。圖3為托盤（碼垛機(jī)械）的基本動作次序示意圖。圖3中，在初始位置（序號1），食糖袋在落袋窗口下落至托盤A1位；碼垛機(jī)械向左移動（圖示）（序號2）至落袋窗口，停留，食糖袋下落至托盤A2位；碼垛機(jī)械繼續(xù)向左移動（圖示）（序號3）至落袋窗口，停留，食糖袋下落至托盤A3位。當(dāng)落下3包食糖袋后，托盤隨碼垛機(jī)械向右回復(fù)至初始位置（序號4），在原位（初始位）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°（序號5），然后同時(shí)向左微移（圖示）向后微移（圖示）（序號6）至落袋窗口（注：兩個(gè)位移量因食品袋尺寸因素有所不同），停留，食糖袋下落至托盤A4位；托盤在承接第4包后，同時(shí)向右微移（圖示△）向前微移（圖示）回復(fù)（序號7）至初始位置，在原位順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°（序號8），然后同時(shí)向左移動（圖示）向后微移（圖示）（序號9）至落袋窗口，停留，食糖袋下落至托盤A5位。至此，在托盤中放置了第1層的5袋食糖，實(shí)現(xiàn)了袋底朝外的堆垛美觀要求。此時(shí)托盤不在初始位置，需同時(shí)向右移動（圖示）向前微移（圖示）（序號10）方可使托盤處于初始位置。為達(dá)到層與層之間包裝袋橫豎交叉擺放原則，第1層碼好后，在初始位逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°使第1層的5包呈圖3的序號11狀態(tài)，以便于第2層放置時(shí)食糖袋交叉落在第1層上。其余幾層的托盤動作次序和第1層的動作次序相同。

在此需要說明的是，碼垛機(jī)械的移動量有所不同，在上述內(nèi)容中用了不同符號表示加以區(qū)分。

圖3 托盤動作次序示意圖Figure 3 Diagram of action sequence for pallet

2 裝盤碼垛機(jī)械的結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動設(shè)計(jì)

2.1 裝盤碼垛機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前已述及食糖袋基于其重力作用從落袋窗口定點(diǎn)落在托盤中，若要形成一定的堆垛要求，托盤必須按照一定的動作次序方可實(shí)現(xiàn)。托盤動作次序的完成則完全依賴碼垛機(jī)械，所以，碼垛機(jī)械應(yīng)能實(shí)現(xiàn)上述的某層食糖袋碼放時(shí)的前移、后移、左移和右移以及回轉(zhuǎn)等一系列運(yùn)動。此外，當(dāng)?shù)?層碼放完畢后，由于食糖袋的厚度尺寸，在進(jìn)行下一層碼放時(shí)，托盤應(yīng)下移一個(gè)食糖袋厚度尺寸高度，下移次數(shù)依碼放層數(shù)確定。為此，裝盤碼垛機(jī)械在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使其能實(shí)現(xiàn)前移、后移、左移、右移、回轉(zhuǎn)以及上下運(yùn)動，其基本結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 碼垛機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Figure 4 Design of structure for palletizing machine

在圖4中，將托盤平臺1固結(jié)在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2（如圖5）的托盤平臺安裝座上，并將回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2的箱體固結(jié)在上滑臺3，則托盤平臺1可在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)相對于上滑臺3的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。將上滑臺3通過滑移結(jié)構(gòu)和下滑臺5聯(lián)接，上滑臺3可在上滑臺驅(qū)動機(jī)構(gòu)4的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)相對于下滑臺5的左右移動。將下滑臺5通過滑移結(jié)構(gòu)和升降平臺6聯(lián)接，下滑臺5在下滑臺驅(qū)動機(jī)構(gòu)7的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)相對于升降平臺6的前后移動。升降平臺6通過剪式升降機(jī)構(gòu)8在升降平臺驅(qū)動機(jī)構(gòu)9的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)相對于底座（機(jī)架）10的上下運(yùn)動。通過上述聯(lián)接方式，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了前后左右移動、回轉(zhuǎn)和上下運(yùn)動，滿足了托盤的動作次序。

圖5 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖Figure 5 Diagram of gyrating mechanism

2.2 裝盤碼垛機(jī)械的驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)托盤的精準(zhǔn)定位，驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。由于食品行業(yè)的特殊要求以及前述的移動位移量各有不同，所以在將驅(qū)動機(jī)構(gòu)與電氣控制系統(tǒng)等因素綜合考慮的基礎(chǔ)上，以滾珠絲杠傳動系統(tǒng)作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)的核心部分，相關(guān)文獻(xiàn)［7～10］對此傳動方式已有成熟的理論和實(shí)踐依據(jù)。在該碼垛機(jī)械上，上、下滑臺驅(qū)動機(jī)構(gòu)由滾珠絲杠傳動系統(tǒng)和伺服電機(jī)組成，滾珠絲杠傳動保證其精準(zhǔn)定位，伺服電機(jī)配以PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)移動位移量的大小精準(zhǔn)控制，如此就達(dá)到托盤平臺的前移、后移、左移和右移位移量的精準(zhǔn)控制。由于升降平臺的上下運(yùn)動定位不需要太精確，從成本控制角度，故升降平臺驅(qū)動機(jī)構(gòu)由滾珠絲杠傳動系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)組成，其上下運(yùn)動位移量由PLC控制系統(tǒng)控制。同樣，對于托盤平臺的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，在圖5中，小齒輪軸的回轉(zhuǎn)可用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動配以PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)90°、180°的轉(zhuǎn)動。和升降平臺驅(qū)動機(jī)構(gòu)以及上下運(yùn)動移動。

3 結(jié)語

上述設(shè)計(jì)的利用食糖袋自身重力作用以自由落體方式的裝盤碼垛機(jī)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)由伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，配以PLC控制系統(tǒng)可方便實(shí)現(xiàn)裝盤碼垛的實(shí)際需求，輕易滿足碼垛基本原則和堆垛美觀要求。當(dāng)然，對其它類似于食糖袋的大袋包裝物的裝盤碼垛，本設(shè)計(jì)具有一定的借鑒與參考價(jià)值。當(dāng)大袋包裝物的碼垛方式與食糖袋的碼垛方式相同而其重量和尺寸有所不同時(shí)，只需從機(jī)械結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度、剛度以及驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動功率稍加調(diào)整即可。若碼垛方式不需要考慮縫包口一律朝里時(shí)，其PLC控制系統(tǒng)則可以更簡單些。

該裝盤碼垛機(jī)械的制造成本大大低于碼垛機(jī)器人采購價(jià)格，維護(hù)成本低，適應(yīng)性強(qiáng)，且極易實(shí)現(xiàn)裝盤碼垛的自動化，提高生產(chǎn)效率，其無人干預(yù)模式可降低勞動力成本，有利于實(shí)現(xiàn)整潔有序的生產(chǎn)現(xiàn)場管理，是一種適合中小型乃至大型企業(yè)裝盤碼垛的必須生產(chǎn)設(shè)備。

1 謝求實(shí).企業(yè)袋裝產(chǎn)品倉儲碼放設(shè)計(jì)研究及經(jīng)濟(jì)性分析［J］.糧食與食糖工業(yè)，2010（6）：35～37.

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