雙工位煙絲自動裝箱機的系統(tǒng)設(shè)計

胡運林，汪 泳，吳 彬

(1.昆明學(xué)院機電工程學(xué)院，云南 昆明 650214) (2.昆明歐邁科技有限公司設(shè)計開發(fā)部，云南 昆明 650106)

為有效組織生產(chǎn)，滿足不同煙絲的儲運要求，防止不同煙絲之間出現(xiàn)串味、混雜情況，實現(xiàn)高效地利用倉儲空間，最有效的方法就是采用立體倉儲，用儲絲箱作為儲運單元[1-3]。將散狀煙絲裝箱，如果僅靠人工裝箱，勞動強度高、效率低下，且揚塵對環(huán)境產(chǎn)生的污染較重，解決此問題的辦法就是采用專用裝箱設(shè)備來完成煙絲裝箱。目前，國內(nèi)使用較多的是單工位煙絲裝箱機，但其生產(chǎn)效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造較為困難。鑒于此，筆者對煙絲裝箱機進行優(yōu)化設(shè)計，提出了一種雙工位煙絲裝箱機。

1 系統(tǒng)方案的分析與設(shè)計

如何在不顯著增加整條生產(chǎn)線投資成本的情況下提高裝箱效率，是優(yōu)化設(shè)計的重點。目前常采用的有效技術(shù)方案是：整條生產(chǎn)線不增加煙箱傳送設(shè)備和煙絲上料傳送設(shè)備，僅在生產(chǎn)線上增設(shè)一套布料壓箱裝置，即采用兩個布料壓箱裝置，且二者串聯(lián)設(shè)置在煙箱傳送軌道上，形成雙工位裝箱；在只采用一條煙絲上料運輸裝置的情況下，為使生產(chǎn)得以順利進行，采用分時段分別對雙工位的其中一個裝箱位進行送料。該技術(shù)方案可以使兩個工位上的裝箱工藝過程的多個工步重疊，只有裝料工步由于僅有一套煙絲上料運輸裝置，需單獨進行。裝料工步所需時間大約30 s，而單一工位整個裝箱工序所需時間大約2 min，因此可簡單計算出單工位裝箱機完成兩箱所需時間T2與雙工位裝箱機完成兩箱的時間T1的比值，計算式為：

即雙工位裝箱的生產(chǎn)效率大約為單工位的1.6倍，而整條生產(chǎn)線只增加了一個布料壓箱裝置。與單工位煙絲裝箱機相比，其投資成本增加了大約25%，而增加的投資成本與整條生產(chǎn)線相比，占比更低。在產(chǎn)量相同的情況下，該系統(tǒng)方案與單工位裝箱機的設(shè)備相比投資成本顯著下降，并大大節(jié)約了廠房空間。下面對該系統(tǒng)方案進行詳細分析。

圖1所示為雙工位煙絲裝箱機系統(tǒng)圖，共設(shè)置有左右2個呈對稱布置的布料壓箱裝置，其中右布料壓箱裝置由圖中序號1～16的零部件組成。在2個布料壓箱裝置中間設(shè)置有橫向送料皮帶機23，在橫向送料皮帶機23的正上方設(shè)置有縱向送料皮帶機21?？v向送料皮帶機21上設(shè)置的減速電機20動作時，縱向送料皮帶機21向橫向送料皮帶機23上送料，在減速電機22的作用下縱向送料皮帶機21整體可作縱向往復(fù)循環(huán)運動，并通過限位開關(guān)ST7和ST8控制往復(fù)運動的行程；橫向送料皮帶機23在減速電機25處于正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時，整體可向左或向右運動，分別進入左位或右位的布料壓箱裝置的受料斗4中，并通過限位開關(guān)ST5和ST6控制向左或向右橫向運動的行程；橫向送料皮帶機23上設(shè)置的減速電機24正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)可分別使煙絲向左位或向右位送料。

1—下套箱；2—上套箱；3—料流擋板；4—受料斗；5,8,12,19,20,22,24,25,28,32,40,41,46,53—減速電機；6,10,31,36,37,45,50,51—氣缸；7—齒輪；9—雙齒條導(dǎo)桿；11—鏈輪；13—壓絲板；14—鏈條；15—配重棒；16,38,52—稱重傳感器；17,26—水平橫移組塊；18,27—雙機械手組件；21—縱向送料皮帶機；23—橫向送料皮帶機；29,34,43,48—擋柱；30,35,44,49—受壓傳感器；33,39,42,47,54—軌道運輸機；ST1～ST12—限位開關(guān)

圖1中下套箱1套在上套箱2上，鏈條14與鏈輪11嚙合在一起，鏈條14一端與下套箱1固連，一端與配重棒15固連，在鏈條的下部設(shè)置有稱重傳感器16。當(dāng)減速電機5動作時，帶動鏈輪11旋轉(zhuǎn)，從而帶動下套箱1作升降運動，并通過角位移傳感器12控制升降位置。稱重傳感器16用于測量下套箱1壓在煙箱上的重力，配重棒15可防止?jié)L子鏈條13在嚙合時出現(xiàn)跳齒。圖中的料流擋板3、氣缸6、氣缸10構(gòu)成布料機構(gòu)，氣缸6、氣缸10尾部連接在一起，當(dāng)氣缸6和氣缸10的活塞按一定次序作伸出或回縮動作時，便能帶動料流擋板3圍繞一轉(zhuǎn)軸作連續(xù)的循環(huán)擺動。圖中雙齒條導(dǎo)桿9和壓絲板13固連在一起，2個齒輪7和雙齒條導(dǎo)桿9嚙合在一起，當(dāng)2個減速電機8動作時，分別帶動一個齒輪7旋轉(zhuǎn)，從而共同帶動雙齒條導(dǎo)桿9實現(xiàn)向下壓箱運動或向上后退運動，并通過限位開關(guān)ST1與ST2或ST3與ST4控制升降運動的行程。圖中右布料壓箱裝置和左布料壓箱裝置上分別設(shè)置有2個水平橫移組塊17和2個水平橫移組塊26，在1個水平橫移組塊17和1個水平橫移組塊26上分別設(shè)置有2個雙機械手組件18和2個雙機械手組件27，每個雙機械手組件中設(shè)置有2個機械手，右工位或左工位的方形煙箱蓋的4個角分別由4個機械手抓取，當(dāng)減速電機19或28動作時，通過水平橫移組塊17或26帶動雙機械手組件18或27連同煙箱蓋一起作水平直線運動，并通過限位開關(guān)ST9和ST10或ST11和ST12控制機械手組件的行程。圖中的氣缸37和51分別與稱重傳感器38和52組成地秤稱重單元，共設(shè)置有8個地秤稱重單元，在每個裝箱位的下方各設(shè)置有4個地秤稱重單元，分別布置在空煙箱底部的4個角上，當(dāng)氣缸37或51動作時，可帶動稱重傳感器上升并頂起空煙箱，使之高于輥道運輸機39或軌道運輸機54的輥道面。擋柱29，34，43和48分別設(shè)置在氣缸31，36，45和50的活塞上，并分別通過受壓傳感器30，35，44和49檢測煙箱是否到達指定位置。

圖2所示為雙工位裝箱機的工藝流程示意圖，從圖中可以看出，大體上兩工位上的裝箱工序處于并行運行狀態(tài)，左工位首先進行裝料，而右工位為裝料做好準備，在左工位裝料完成后，電機20，22，24，25停轉(zhuǎn)，并立即實現(xiàn)電機24，25的反轉(zhuǎn)，為右工位裝料作好準備，在右工位裝料時，左工位完成壓箱、將實煙箱移至加蓋位、加蓋等后續(xù)工步，并等待將實煙箱送出；在右工位所有工步完成后，其上的實煙箱連同左工位上的實煙箱一起送出，完成整個裝箱工作循環(huán)。兩個工位上的整個裝箱工藝過程，僅在裝料工步中存在先后進行，造成生產(chǎn)時間的延長，其余工步均可并行或?qū)ιa(chǎn)時間的延長不起作用，從而大大節(jié)約生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)效率。

圖2 工藝流程示意圖

2 布料方案分析及研究

煙箱布料截面為正方形，為實現(xiàn)均勻布料，料流應(yīng)可在X和Y兩個方向?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動調(diào)節(jié)，理論上應(yīng)使料流到達正方形截面的任一點。為此，采用圖1所示料流擋板3的往復(fù)循環(huán)擺動來實現(xiàn)X方向的均勻布料，并設(shè)置縱向送料皮帶機21作等速的縱向伸縮循環(huán)運動來實現(xiàn)Y方向的物料均布，當(dāng)二者按照一定規(guī)律聯(lián)動時，便可實現(xiàn)均勻布料。

圖1中的縱向送料皮帶機21的物料落在橫向皮帶機23上，其中橫向皮帶機23作橫向(X向)等速送料運動，設(shè)其速度為vx；縱向皮帶機21作縱向(Y向)等速伸縮運動，設(shè)其速度為vy。以料流截面的中心點作為一質(zhì)點進行研究，并建立如圖3(a)所示的坐標關(guān)系，其中H為縱向送料皮帶機21在Y向的總行程，顯然料流截面中心點的軌跡ac滿足：

y=H-vyt

x=vxt

由此可得：

同理可得軌跡ce滿足：

由于vx，vy，H可看作是常數(shù)，因此在一個循環(huán)周期內(nèi)，料流截面中心點的軌跡ac和ce為兩條線段，圖中b和d兩點分別為ac和ce的中間點。顯然在同一Y坐標上，在一個循環(huán)周期內(nèi)料流截面中心點均經(jīng)過兩次，其中的a,c,e,g,i點可看成是兩點的重合，可見在不考慮X方向布料的情況下，Y方向的布料是均勻的。

圖3 料流截面中心點軌跡分析圖

在圖1中，右工位布料壓箱裝置中的氣缸6和氣缸10均處于最大伸出狀態(tài)時，料流擋板處于右極限位；當(dāng)氣缸6處于最大伸出狀態(tài)而氣缸10處于最大回縮狀態(tài)時，料流擋板處于中位；當(dāng)氣缸6和氣缸10均處于最大回縮狀態(tài)時，料流擋板處于左極限位。由于氣缸6和氣缸10的伸出和回縮過程是連續(xù)并勻速進行的，按序依次循環(huán)切換氣缸6和氣缸10的動作狀態(tài)，便能控制料流擋板以近似勻速進行連續(xù)擺動，實現(xiàn)連續(xù)布料的基本要求，進而可實現(xiàn)對物料在X方向布料的控制。

要實現(xiàn)在煙箱的方形截面上均勻布料，需X方向布料和Y方向布料聯(lián)動才能完成，尤其涉及到對X方向布料和Y方向布料的循環(huán)周期Tx和Ty大小的控制。為便于分析比較，假設(shè)循環(huán)布料開始的第一落點均在方形布料區(qū)域的左上角點，通過計算并作圖，得出如圖3所示的循環(huán)布料軌跡圖。以下對其進行分析：

當(dāng)Tx=Ty時，形成如圖3(b)所示的落點情況，其不重復(fù)單次循環(huán)軌跡為1次軌跡路線，即a—b—c—d—e，并依此重復(fù)循環(huán)；當(dāng)Tx=2.0Ty時，形成如圖3(c)所示的落點情況，其不重復(fù)單次循環(huán)軌跡為2次軌跡路線，即a—b—c—d—e和e—f—g—h—i，并依此重復(fù)循環(huán)；當(dāng)Tx=1.5Ty，即2Tx=3Ty時，形成如圖3(d)所示的落點情況，其不重復(fù)單次循環(huán)軌跡為3次軌跡路線，即a—b—c—d—e，e—f—g—h—i和e—d—c—b—a，并依此重復(fù)循環(huán)。

以此類推，當(dāng)Tx=1.2Ty，即5Tx=6Ty時，其循環(huán)軌跡為6次，并形成如圖3(e)所示的重復(fù)循環(huán)軌跡圖；當(dāng)Tx=1.3Ty，即10Tx=13Ty時，其循環(huán)軌跡為13次，并形成如圖3(f)所示的重復(fù)循環(huán)軌跡圖；當(dāng)Tx=1.7Ty，即10Tx=17Ty時，其循環(huán)軌跡為17次，并形成如圖3(g)所示的重復(fù)循環(huán)軌跡圖。

從以上分析可知，循環(huán)布料軌跡的網(wǎng)絡(luò)密度與Tx和Ty的時間匹配有關(guān)，歸納如下：當(dāng)nTx=mTy(n，m為相互不可約的整數(shù))時，其不重復(fù)的單次循環(huán)軌跡為m次，m越大形成的布料軌跡網(wǎng)格的密度越大，原則上布料越均勻?？紤]到Tx與Ty的協(xié)調(diào)性，X方向布料和Y方向布料的頻率應(yīng)大致相等，且布料軌跡的網(wǎng)格密度要均勻，取Tx=1.3Ty較為合適，也可根據(jù)生產(chǎn)線要求的產(chǎn)量進行適當(dāng)調(diào)整，防止堵料情況發(fā)生。

3 結(jié)束語

本文通過對雙工位煙絲裝箱機的布料方案進行分析，得出均勻布料的關(guān)鍵技術(shù)因素：在具體結(jié)構(gòu)上，采用地秤稱重方式可使結(jié)構(gòu)得到簡化，使壓絲過程平穩(wěn)可靠；采用雙電機驅(qū)動雙齒輪齒條機構(gòu)為壓頭運動提供動力，可增加壓絲板的下壓平穩(wěn)性，減小電機功率；采用雙氣缸聯(lián)合動作可實現(xiàn)料流擋板擺動的連續(xù)控制，并易于實現(xiàn)定點布料控制。通過樣機生產(chǎn)，證明系統(tǒng)方案設(shè)計合理、壓箱平穩(wěn)性好、布料均勻，且使生產(chǎn)效率和廠房利用率得到極大提高，并能降低投資成本。