自動(dòng)膠帶封裝機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研究

林偉，劉錫嬌，王爭(zhēng)光，赫英歧

（江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能工程技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223003）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人們生活水平的快速提高，膠帶已經(jīng)完全融入到各行各業(yè)及人們?nèi)粘Ｉ畹氖褂弥?，膠帶廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、卷煙、家用電器、日用化工、電子、制造等幾乎各個(gè)行業(yè)的包裝封口和粘貼[1-2]。

目前，包裝盒、包裝箱等的封裝主要是由人工完成的，電子、IT、制造等行業(yè)的膠帶封裝也是以人工為主，尤其是對(duì)于一些塑料件、尼龍件、鐵件、鋁件等硬質(zhì)類零散件的膠帶包裹封裝和剪切都是由操作人員手工纏繞和裁剪，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高，長(zhǎng)時(shí)間操作過(guò)程中工作人員手指容易受傷，且膠帶封裝剪切質(zhì)量較差[3-4]。目前市場(chǎng)上的一些膠帶封裝機(jī)構(gòu)大多都是純機(jī)械的結(jié)構(gòu)，而且需要人工操作粘貼和剪切，自動(dòng)化程度低，容易出現(xiàn)故障，而且操作人員工作強(qiáng)度較大[5-6]。

針對(duì)以上問(wèn)題，為了提高膠帶封裝效率和封裝質(zhì)量、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、減少工時(shí)、提高生產(chǎn)效率，本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)膠帶封裝機(jī)，主要應(yīng)用于食品、包裝、電子、IT、制造等行業(yè)的膠帶旋轉(zhuǎn)包裹封裝，能適應(yīng)不同寬度的膠帶粘貼，能實(shí)現(xiàn)膠帶的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)封裝和自動(dòng)剪切。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)膠帶封裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)膠帶封裝機(jī)能夠?qū)λ芰霞⒛猃埣?、鐵件、鋁件等硬質(zhì)類零散件等材料實(shí)現(xiàn)膠帶的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)封裝和自動(dòng)剪切。根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的自動(dòng)膠帶封裝機(jī)主要由機(jī)架和膠帶滾貼剪切器組成，機(jī)架由1塊底板、4條側(cè)板連接而成，機(jī)架上安裝膠帶滾貼剪切器，膠帶滾貼剪切器由滾貼機(jī)構(gòu)和滾貼剪切機(jī)構(gòu)兩部分組成。設(shè)計(jì)的自動(dòng)膠帶封裝機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1中，底板4與4條側(cè)板3連接形成機(jī)架，機(jī)架上安裝膠帶滾貼剪切器構(gòu)成自動(dòng)膠帶封裝機(jī)，膠帶滾貼剪切器由滾貼機(jī)構(gòu)和滾貼剪切機(jī)構(gòu)兩部分組成。

圖1 自動(dòng)膠帶封裝機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

滾貼機(jī)構(gòu)包括滾貼電動(dòng)機(jī)5，在底板4上伸縮支撐桿1的上方位，一號(hào)支架10、二號(hào)支架19被固定在2個(gè)平行的調(diào)整滑槽17上，一號(hào)支架和二號(hào)支架上對(duì)應(yīng)安裝有一號(hào)固定桿11及二號(hào)固定桿18，底板4上的滾貼電動(dòng)機(jī)5經(jīng)聯(lián)軸器7連接一號(hào)固定桿11；滾貼剪切機(jī)構(gòu)包括滾貼剪切電動(dòng)機(jī)6、滾貼剪切齒形帶8和滾貼剪切器12，滾貼剪切齒形帶8經(jīng)支架、帶輪平行于調(diào)整滑槽17安裝在底板4上，帶輪連接滾貼剪切電動(dòng)機(jī)6，帶滾貼剪切刀14的滾貼剪切器12安裝在滾貼剪切齒形帶8上，滾貼剪切齒形帶8的兩端分別安裝一號(hào)行程開(kāi)關(guān)9和二號(hào)行程開(kāi)關(guān)20。

1.2 重要零件設(shè)計(jì)

1.2.1 可調(diào)式膠帶卷筒設(shè)計(jì)

膠帶卷筒主要用于支撐和放置各種粘貼膠帶，因此，設(shè)計(jì)的膠帶卷筒應(yīng)該能夠方便各種膠帶的取出和安裝，并且能夠滿足不同寬度的膠帶粘貼，設(shè)計(jì)的可調(diào)式卷筒如圖2所示。

圖2 可調(diào)式膠帶卷筒結(jié)構(gòu)原理圖

設(shè)計(jì)的可調(diào)式膠帶卷筒由左右兩部分組成，主要用來(lái)安裝和定位膠帶，由塑料制成。左邊為可調(diào)式端蓋，可以在膠帶支撐軸上左右移動(dòng)，采用微過(guò)盈裝配，一方面方便取下和安裝膠帶，另一方面可以適應(yīng)不同寬度的膠帶粘貼，應(yīng)用范圍廣。膠帶支撐軸上安裝有橡膠套，膠帶安裝在橡膠套上，使膠帶在旋轉(zhuǎn)時(shí)有一定的旋轉(zhuǎn)阻尼，這樣在粘貼過(guò)程和切割后會(huì)避免回彈現(xiàn)象。

1.2.2 伸縮式支撐桿

伸縮式支撐桿主要用來(lái)支撐膠帶卷筒，因此，設(shè)計(jì)的支撐桿必須能夠方便膠帶卷筒的安裝。設(shè)計(jì)的伸縮式支撐桿如圖3所示。

圖3 伸縮式支撐桿結(jié)構(gòu)原理圖

該伸縮式支撐桿由3段組成，中間部分用于安裝支撐膠帶，左端為伸縮桿，可以左右伸縮，方便安裝和取下膠帶卷筒，膠帶卷筒在伸縮桿上為少量過(guò)盈配合。對(duì)不同寬度的膠帶，可以調(diào)整支架在底板滑槽中的位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)待包裝物的對(duì)中包裝。

1.3 三維造型設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)膠帶封裝機(jī)結(jié)構(gòu)圖應(yīng)用三維軟件Pro/E進(jìn)行造型，設(shè)計(jì)出自動(dòng)膠帶封裝機(jī)三維圖，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)膠帶封裝機(jī)三維圖

1.4 工作原理

設(shè)計(jì)的自動(dòng)膠帶封裝機(jī)工作原理如下：當(dāng)進(jìn)行膠帶的旋轉(zhuǎn)封裝和剪切時(shí)，將待包裝材料15固定在一號(hào)固定桿11和二號(hào)固定桿18上，并通過(guò)橡皮圈13進(jìn)行固定；再將可調(diào)式膠帶卷筒2上的滾貼膠帶16拉出粘貼在待包裝材料15上，可調(diào)式膠帶卷筒的左邊端蓋可左右調(diào)整，以適應(yīng)不同寬度的膠帶粘貼，可調(diào)式膠帶卷筒結(jié)構(gòu)如圖2所示，可調(diào)式膠帶卷筒安裝在伸縮支撐桿上，伸縮支撐桿的左端可左右伸縮，方便更換膠帶，伸縮支撐桿的結(jié)構(gòu)如圖3所示；滾貼電動(dòng)機(jī)5轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行膠帶的旋轉(zhuǎn)封裝；膠帶封裝完成后，滾貼電動(dòng)機(jī)5停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)滾貼剪切器12開(kāi)始工作，滾貼剪切電動(dòng)機(jī)6正轉(zhuǎn)，滾貼剪切齒形帶8帶動(dòng)滾貼剪切刀14向左運(yùn)動(dòng)對(duì)滾貼膠帶進(jìn)行剪切，滾貼剪切刀采用齒形切刀，防止在剪切過(guò)程中造成膠帶的中途撕裂；滾貼剪切器12運(yùn)動(dòng)到左端碰到二號(hào)行程開(kāi)關(guān)20后，滾貼剪切電動(dòng)機(jī)6開(kāi)始反轉(zhuǎn)，返回到初始位置，通過(guò)一號(hào)和二號(hào)兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)控制滾貼剪切器的移動(dòng)位置，此時(shí)完成一次旋轉(zhuǎn)封裝和剪切過(guò)程；通過(guò)調(diào)整支架在底板滑槽中的位置可以封裝不同長(zhǎng)度的材料，也可以通過(guò)調(diào)整對(duì)材料的不同位置進(jìn)行封裝。若進(jìn)行下次膠帶粘貼時(shí)，重新安裝待封裝材料進(jìn)行封裝，過(guò)程與第一次相同。

2 自動(dòng)膠帶封裝機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)膠帶封裝機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)膠帶的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)封裝和自動(dòng)剪切，因此設(shè)計(jì)了以PLC為核心控制器的自動(dòng)膠帶封裝機(jī)控制系統(tǒng)。

本文選用三菱FX2NPLC為核心控制器，它以編程簡(jiǎn)單、控制靈活方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)線中得到了廣泛應(yīng)用[7-8]?？刂葡到y(tǒng)硬件組成主要有開(kāi)始、停止按鈕，以及行程開(kāi)關(guān)、滾貼電動(dòng)機(jī)、滾貼剪切電動(dòng)機(jī)、接觸器等，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的工作原理如下：首先將待包裝的材料通過(guò)橡皮圈安裝在一號(hào)和二號(hào)固定桿上，將粘貼膠帶拉出粘貼在待包裝材料上，此時(shí)按下開(kāi)始按鈕，PLC控制一號(hào)接觸器KM1通電使?jié)L貼電動(dòng)機(jī)工作，膠帶開(kāi)始進(jìn)行旋轉(zhuǎn)封裝，同時(shí)PLC開(kāi)始延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到，PLC控制接觸器KM1斷電，滾貼電動(dòng)機(jī)停止，完成膠帶的旋轉(zhuǎn)封裝。此時(shí)PLC控制二號(hào)接觸器KM2通電，滾貼剪切電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)同步帶帶動(dòng)滾貼剪切器和齒形切刀向左移動(dòng)，完成對(duì)膠帶的自動(dòng)剪切，當(dāng)剪切器碰到左端的二號(hào)行程開(kāi)關(guān)時(shí)，PLC控制接觸器KM2斷電，滾貼剪切電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，滾貼剪切器停止運(yùn)動(dòng)，PLC控制三號(hào)接觸器KM3通電，實(shí)現(xiàn)滾貼剪切電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)，滾貼剪切器回到初始位置，至此完成一次膠帶的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)封裝和自動(dòng)剪切過(guò)程。如果需要進(jìn)行下次的材料旋轉(zhuǎn)封裝，則將需要封裝的材料重新安裝在固定桿上進(jìn)行下一次的自選旋轉(zhuǎn)封裝和剪切，過(guò)程和第一次相同。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的自動(dòng)膠帶封裝機(jī)控制系統(tǒng)以三菱FX2NPLC為核心控制器，通過(guò)控制滾貼電動(dòng)機(jī)和滾貼剪切電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)膠帶的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)封裝和自動(dòng)剪切。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

控制過(guò)程如下：按下開(kāi)始按鈕，系統(tǒng)初始化完成，PLC控制接觸器KM1通電，滾貼電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)始旋轉(zhuǎn)粘貼膠帶，延時(shí)達(dá)到預(yù)定時(shí)間，PLC控制KM1斷電，滾貼電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)PLC控制KM2通電，剪切電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滾貼剪切器運(yùn)動(dòng)，將膠帶切斷，碰到左端的行程開(kāi)關(guān)后，PLC控制KM2斷電，滾貼剪切電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，接著PLC控制KM3通電，滾貼剪切電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，碰到一號(hào)行程開(kāi)關(guān)后停下，返回到初始位置，至此完成一次膠帶的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)剪切過(guò)程，下次材料的旋轉(zhuǎn)封裝和剪切過(guò)程和第一次相同。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)自動(dòng)膠帶封裝機(jī)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和研究，主要完成了以下工作：

1）根據(jù)自動(dòng)膠帶封裝機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能，完成了該自動(dòng)膠帶封裝機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了自動(dòng)膠帶封裝機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖，并應(yīng)用三維軟件Pro/E設(shè)計(jì)出自動(dòng)膠帶封裝機(jī)的三維模型。

2）對(duì)一些重要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的可調(diào)式膠帶卷筒可以適應(yīng)不同寬度的膠帶封裝；設(shè)計(jì)的伸縮式支撐桿方便安裝和取下膠帶卷筒，應(yīng)用非常方便；通過(guò)調(diào)整支架在底板滑槽中的位置可以封裝不同長(zhǎng)度的材料，也可以通過(guò)調(diào)整對(duì)材料的不同位置進(jìn)行封裝，適應(yīng)廣泛。

3）根據(jù)自動(dòng)膠帶封裝機(jī)的控制要求，設(shè)計(jì)出自動(dòng)膠帶封裝機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了硬件結(jié)構(gòu)框圖和軟件設(shè)計(jì)流程圖。

4）設(shè)計(jì)的自動(dòng)膠帶封裝機(jī)能夠?qū)λ芰霞?、尼龍件、鐵件、鋁件等硬質(zhì)類零散件等材料進(jìn)行自動(dòng)旋轉(zhuǎn)封裝和自動(dòng)剪切，工作效率高、封裝質(zhì)量好、自動(dòng)化程度高、封裝速度易控制。