爆竹包裝自動機設計與技術應用

于立新

[摘要]通過對卷標包裝機的工藝過程分析，確定系統的總體設計方案，研究并解決卷標包裝機設計過程中包括取標紙機構、爆竹取送機械手、刷漿機構和卷貼傳送帶等關鍵技術問題。設計氣動及PLC控制系統。

[關鍵詞]卷標 包裝自動機 氣壓傳動 PLC控制

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0720106－01

隨著市場競爭的日益激烈，人們對產品外包裝的要求越來越高。在包裝件或產品上加上適當的標簽，不僅可以清晰地表示出產品的商標、主要參數、使用說明等信息，而且美觀的產品標簽還有助于提升公司形象，促進產品的銷售。文中研制了一種新型卷標包裝自動機，它屬于機電一體化設備，能實現對已插好引線的爆竹進行卷貼商標的工作。該設備由爆竹取送機械手、取標紙機械手、刷漿機構及卷標傳送帶等組成。除卷標傳送帶由無火花、全封閉小型同步電機驅動外，其余驅動全部采用氣動技術，不僅可以做到機械結構簡單，而且具有綠色環保、防火、防爆、耐高溫等特點，同時輸出力及輸出速度易于調節，實用價值較高。

一、總體方案及工藝流程設計

設備要完成的工作是在已插好引線的、直徑15mm、長度85mm的爆竹爆竹外面，卷貼已印好的商標紙。取標紙的速率為每2s取一張。商標紙用0.05mm厚的紙印制，其大小為85mm×54mm，正好繞爆竹一圈再多出用于粘貼的一條邊。粘貼用的漿糊是用羧甲基纖維素加水調制的，為防止引線受潮而無法引爆，要求在爆竹上不能刷漿糊，也不能在商標紙的整個背面刷漿。

經多種方案的比較及有關實驗分析，采用取單張標紙，在其背面的2條長邊粘漿糊，每條寬約4-5mm，然后將爆竹放在其中一條漿糊上隨標紙一起滾搓的工藝方法。其工藝流程分成2條路線，取紙－刷漿路線和取爆竹路線，最后2條路線匯在一起進行卷貼。

取紙－刷漿路線包括下列工序：標紙箱抬起、取標紙機械手移動到標紙箱下→標紙箱降下、機械手吸嘴吸標紙→標紙箱抬起→機械手送標紙到傳送帶前，標紙前邊搭在傳送帶上、漿刷移動到標紙上面→漿刷降下刷漿→漿刷抬起并退回原位。

取爆竹路線有包括下列工序：機械手臂擺動→機械手臂伸出、爆竹吸嘴吸爆竹→機械手臂縮回→機械手臂擺回→機械手臂伸出把爆竹放在刷好漿糊的標紙上并壓住。

在上述工序完成后，2個吸嘴同時停吸，同時機械手臂縮回，傳送帶把粘在一起的爆竹和標紙帶進它和一個固定板中間進行滾搓。

二、卷標機的關鍵技術及其實現

考慮到上道工序設備（爆竹引線插裝機）一次同時插裝個爆竹的情況，為了提高設備的生產效率，本設備也采用了一次卷貼2個爆竹商標的工作方式，因此在結構布局上采用了兩邊對稱形式。

（一）取標紙機構

取標紙機構由標紙箱、吸嘴和真空發生器組成。工作時標紙是水平摞起放在其尺寸與標紙大小一致的標紙箱中，標紙被標紙箱底部的4個可調擋板擋在箱內。為了提高取紙速度，每次取2張標紙，因此并排設置了2個標紙箱。根據主機整體布局的需要，標紙箱背面焊接一個長板，通過該板，標紙箱被固定在刷漿機構的立支板上。該支板由升降氣缸驅動，可進行升降動作，因此標紙箱也隨著立支板做上下升降運動。吸嘴由取標紙氣缸驅動，氣缸伸出時把吸嘴送到標紙箱下面，退回時吸嘴返回卷標傳送帶前。吸紙真空由噴射式真空發生器產生。

取紙時，首先標紙箱升起，吸嘴移動到標紙箱下面，然后標紙箱降下，使最下邊標紙與吸嘴接觸，同時吸嘴吸紙，待真空壓力傳感器發出信號時，標紙箱再次升起，這時最下邊的標紙在吸力的作用下，克服紙箱底部擋板的阻力，脫離標紙箱。改變擋標紙的擋板寬度及長度，就可調節其阻力大小。阻力大小控制，以平時能擋住標紙落下，而吸紙時吸力能克服其阻力為準由于紙張的透氣性，吸紙時往往使多張紙吸附在一起，造成一次取出2張或2張以上的現象。因此在吸紙時，必須向紙張縫隙吹氣，以避免紙張之間的吸附。

另外，經多次實驗觀察和分析發現，由于紙張之間摩擦力的作用，每次吸取最下面標紙時，其上面的紙張也會脫離擋板因此經過幾次吸取后，會出現一次取下多張甚至十幾張的現象。為此設計了一個托紙板，每次取紙后用它托起和落下標紙箱里的紙張，使它們復位。托紙板是由托紙氣缸驅動的。

（二）刷漿機構

刷漿機構由漿刷及相關機構組成。漿刷固定在一個滑塊上，由送漿氣缸驅動的滑塊套在2個導桿上，沿水平方向作直線運動。導桿的兩端分別固定在2個支架上，支架又分別連接在2個升降氣缸的活塞桿上，因此漿刷可實現∏字型運動軌跡。漿刷有2個刷子，它們的距離與標紙寬度一致。當漿刷第一次落下時，刷子從漿盒中蘸上漿糊，升起并水平移動到標紙上方，再次落下把漿糊粘在標紙的2個長邊上。

（三）爆竹接送機械手

該機械手由擺動氣馬達驅動的擺動軸、固定在該軸上的伸縮氣缸和爆竹吸嘴組成。由于機械手臂長、擺動速度快，擺動到終點時將引起較大沖擊和振動，而這一振動能把已吸好的爆竹從吸嘴振下來。因此在擺動終點處分別安裝了2個液壓吸振器，來吸收沖擊能量。

爆竹從上道工序設備－引線插裝自動機的卸料工位上取下。取爆竹時，擺動軸擺動、伸縮氣缸帶著吸嘴伸出，與此同時吸嘴吸爆竹（吸爆竹的真空壓力是由噴射式真空發生器產生），等到真空壓力傳感器發出信號時，伸縮氣缸縮回、擺動軸擺回。這時標紙已到位并粘好漿糊，伸縮氣缸再次伸出，把爆竹送到標紙上邊，使爆竹與標紙粘在一起。

（四）卷貼傳送帶

在爆竹與標紙粘在一起后，2個吸嘴停吸，同時機械手伸縮氣缸縮回，此時傳送帶把粘在一起的爆竹和標紙帶進使它和一個固定板中間進行滾搓。傳送帶由TDY4型永磁低速同步電機驅動。

三、氣壓傳動與PLC控制

卷標包裝機爆竹接送機械手、取標紙機構、粘漿機構及卷貼傳送帶等的驅動，根據易燃易爆的工作環境，除卷貼傳送帶由無火花、全封閉小型同步電機驅動外，其余驅動全部采用氣壓傳動，氣動系統的控制采用PLC控制。控制方式采用順序行程程序控制，設計氣動行程程序控制系統的關鍵是尋找障礙信號，并以最簡捷的邏輯回路排除障礙信號。設計方法有X－D線圖法和擴大卡諾圖法，可編程控制器（PLC）的出現以其具有眾多內部輔助繼電器，具有定時、記數、運算、存儲及信號轉換功能，運算速度快和體積小等諸多特點，給氣動行程程序控制系統的設計帶來極大的便利，并大大提高了氣動控制系統的工作可靠性。

（一）氣動系統

氣動系統的氣動執行元件有：接送爆竹機械手擺動氣馬達、接送爆竹機械手伸縮氣缸、取標紙氣缸、送漿氣缸、升降氣缸（單作用）、托標紙氣缸（單作用）、吸爆竹真空發生器、吸標紙真空發生器和標紙風管。氣缸速度由安裝在氣缸接口的單向限流閥調節，雙作用氣缸采用排氣節流，單作用氣缸和風管采用進氣節流方式。雙作用氣缸和托標紙氣缸換向靠五通先導型雙線圈直流電磁換向閥控制（單作用托標紙氣缸和風管用一個電磁閥），升降氣缸和真空發生器靠三通先導型單線圈直流電磁換向閥控制，換向閥集中安裝在集流板上。氣缸行程終點信號由安裝在氣缸缸體上的無觸點磁性開關發出（受空間位置的限制，在保證設備的正常工作及工作可靠性等基礎上，不取托標紙氣缸的行程信號），吸取爆竹和標紙信號分別由2個微型電子式真空壓力開關發出。

（二）氣動系統的PLC控制

氣動系統的工作程序見。取標紙氣缸伸出、機械手擺動－升降氣缸下降、托標紙氣缸下降（同時吹風）、吸標紙－機械手伸出、升降氣缸上升、吸爆竹－取標紙氣缸退回、送漿氣缸伸出、機械手退回－升降氣缸下降－送漿氣缸退回、升降氣缸上升－機械手擺回－機械手伸出、拖標紙氣缸上升（同時停風）、－機械手退回、停吸爆竹、停吸標紙，最后落在傳送帶上的爆竹與標紙一起被傳送帶帶走并進行卷貼。

這是一個多往復氣動系統，不僅有Ⅰ型障礙信號還有Ⅱ型障礙信號，且其中機械手伸縮氣缸2次重復動作的行程大小不同，這些將給消除障礙信號帶來很大麻煩。但由于可編程控制器可以利用信號的上升沿、下降沿脈沖并具有眾多內部輔助繼電器，因此很方便地尋找消障用制約信號并最終求得最簡單的執行信號。

在確定各程序動作的執行信號后，還要考慮設備的自動、自動循環停止、手動控制各程序動作、急停、復位、檢測、各動作之間的互鎖、自鎖等要求。由于爆竹的檢測信號是由插裝引線自動機轉子吸取工位的上一個工位中檢出，因此本機的自動循環工作應在有了2個檢測信號后開始。為此，使用了可編程控制器的計數繼電器，其參數定為2并在自動循環結束時復零。

四、結語

卷標機經調試投入使用，完成爆竹貼標工作，該機器生產效率最快可達7200只／h爆竹的貼標工作，廢品率小于5％，一臺機器相當于30人工作量，達到了使用要求，工作安全可靠，生產效率高。實踐證明，在自動機械設計中，機、氣、電技術的綜合應用，對設計機構和結構的簡化、自動化程度的提高，以及提高工作可靠性和生產效率，具有重要意義。同時對于氣動系統，尤其是程序動作復雜系統的PLC控制回路設計中，利用X－D線圖來尋找和消除障礙信號，并求得最簡單的執行信號非常直觀、方便和實用，也為以后的調試和維修提供了非常有效的工具。

參考文獻：

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