首飾包裝紙盒自動過膠輸送機設計及應用

丁俊健，邱術芹，李慶達

（1.中山火炬職業技術學院，廣東 中山528436；2.中山職業技術學院，廣東 中山528400）

0 引言

隨著市場競爭日趨激烈，產品包裝己成為刺激消費、擴大銷售、產品增值的有力武器，成為經濟發展、科技進步和提高人們生活質量密切相關的重要因素，人們對各種產品的包裝要求也越來越更高了。精裝首飾盒是一種綜合性的包裝盒，需要通過裱糊包制、粘結配合制成包裝盒。

精裝包裝盒根據選擇材料的不同，分為紙盒、膠盒、木盒、鐵盒等一系列產品，其中紙盒是綠色包裝發展的必然趨勢，因為紙包裝盒可以回收再利用，對環境不會造成危害，而膠盒由于塑料不易分解，相對而言再利用率偏低，但塑料價格便宜，由塑料包制的首飾盒價格比較便宜且經久耐用。

目前業界存在如下問題：（1）精裝首飾包裝紙盒生產的環節幾乎都為人工完成，鮮有機器參與生產環節；（2）人工用毛筆蘸膠涂抹在紙板上，不能保證涂膠的一致性；（3）涂膠效率取決于操作者的熟練程度，生產效益低下；（4）浪費了大量人力及物力。為了盡快消除這些弊端，急于尋求解決的辦法，必須用自動化機械以解決問題。因此，設計開發精裝首飾包裝紙盒自動化生產線，能消除以上這些弊端，保證涂膠均勻、外盒書皮連接牢靠，無污染、無傷害、節省人力，提高效率，增長經濟效益，具有十分重要的意義[1-2]。

1 首飾包裝紙盒成型流程

首飾包裝紙盒主要用于包裝戒指、耳環、吊墜、項鏈等首飾，是用膠水將書皮（如圖1中a所示，由咭紙、壓紋紙和植毛布等壓切而成）和裸盒（如圖1中b所示）粘貼在一起，然后經過貼合、折邊、擠壓、壓泡等過程制作而成。首飾包裝紙盒可以設計成各種不同的款式，以提高包裝產品的附加值。

圖1 首飾包裝紙盒組成示意圖

因此精裝首飾包裝紙盒包加工包含如下生產環節：盒體壓切、裸盒成型、書皮壓切、書皮過膠、盒體書皮配合、貼邊折邊、壓緊擠實、裝配附件等工藝過程。

在以上工藝過程中，盒體壓切、書皮壓切是在紙皮模切機上完成的，裸盒成型是在角接機上完成的。本文設計的自動過膠輸送機構用于完成書皮過膠、抓取裸盒、盒體書皮定位配合等過程，并將配合好的盒體書皮推送至另一自動化機構，以完成首飾包裝紙盒的其余工藝過程（貼邊折邊、壓緊擠實）。

2 首飾包裝紙盒自動過膠輸送機構設計

2.1 總體設計

自動過膠輸送機構由四部分組成，書皮吸取及過膠部分、輸送部分、裸盒吸取及定位部分、書皮裸盒推送部分。采用非標自動化領域常用設計軟件Solidworks設計了本機的三維模型如圖2所示[3]，圖中零件1至零件5組成了書皮吸取及過膠部分，零件6至零件15組成了裸盒抓取及定位部分，步進電機21驅動輸送帶實現了書皮、裸盒等的輸送，零件16至零件20、22、23組成了書皮裸盒推送部分。

圖2 首飾包裝紙盒自動過膠輸送機構三維造型圖

書皮吸取及過膠部分實現吸取單張書皮，并將書皮送至滾動的膠輥，完成書皮上表面抹膠。書皮經過膠輥后剛好輸送至輸送帶上。當書皮輸送至裸盒抓取及定位部分時，輸送帶靜止，裸盒被吸起，并被推送至書皮正上方，然后裸盒被零件10裸盒上下氣缸下壓在書皮上，至此裸盒和書皮被粘接在一起。步進電機啟動輸送帶，將粘接的裸盒和書皮送至書皮裸盒推送部分，手指氣缸22抓取粘接的裸盒書皮，在盒體伸縮長氣缸16的作用下，推送至另一自動化機構中。

2.2 長氣缸推送及加固機構設計

在機構中零件13裸盒伸縮長氣缸采用TN20-350，氣缸行程為350 mm。零件16盒體伸縮長氣缸采用TN20-550，氣缸行程為550 mm。由于這兩個氣缸行程較長，工作時氣缸軸伸出部分較長，為了防止這兩個長氣缸工作時氣缸軸發生偏斜，設計了加固機構，用以連接長氣缸活塞活動部分和滑塊導軌。如圖2所示，零件7、8、9用于連接零件13活塞伸出部分，零件17、18、19用于連接零件16活塞伸出部分。

2.3 吸嘴及導向機構設計

機構中存在書皮真空吸取和裸盒真空吸取。書皮真空吸取部分由圖2中的零件3、4、5組成，書皮吸嘴3固定在書皮伸縮氣缸4上面，書皮伸縮氣缸采用TN10-30氣缸，該氣缸由雙軸組成，工作行程30 mm，工作行程短，具有良好的穩定性和定位功能。裸盒真空吸取部分由零件10、14組成，裸盒吸嘴14安裝在裸盒上下氣缸10上面，裸盒上下氣缸采用MAL20-50，該氣缸為單軸氣缸，工作時氣缸軸易發生轉動，為了保證裸盒吸取氣缸定位準確，設計了零件11上下氣缸導桿，上下氣缸導桿穿過零件12上下氣缸固定支架中的一個小孔，隨MAL20-50氣缸活塞一起運動，導桿和小孔即可防止MAL20-50氣缸軸轉動，從而確保裸盒吸嘴工作的可靠性。

3 自動過膠輸送控制系統設計

3.1 控制系統I/O分配及接線

首飾包裝紙盒自動過膠輸送機構中共有7個氣缸，2個吸嘴。每個氣缸配備2個磁性開關，再加上機構的啟動、停止、急停按鈕，一共有17個開關輸入量。每個氣缸由一個三位五通電磁閥控制，2個吸嘴分別由一個二位三通電磁閥控制，因而有9個輸出開關量控制，輸送帶步進電機需要方向和脈沖控制，一共有11個輸出端口，表所示為控制系統I/O分配表。輸入輸出接線圖如圖3所示。

表1 控制系統I/O分配表

圖3 控制系統P L C輸入輸出接線圖

3.2 控制要求

結合圖2所示，自動過膠輸送機構工作流程如下：

（1）書皮吸取及過膠：零件5書皮上下氣缸向下伸出吸住書皮，抬起。零件4書皮伸縮氣缸伸出，將書皮送入零件1過膠輥中，書皮經過上下膠輥后，書皮表面被抹上一層膠水，書皮被被膠輥輸送至輸送帶上。

（2）裸盒吸取及定位：書皮輸送至中部時，輸送帶停止運轉，零件10裸盒上下氣缸向下伸出，吸取一個裸盒，抬起。零件13裸盒伸縮長氣缸伸出，將吸取的裸盒送至輸送帶書皮正上方。零件10氣缸伸出，裸盒和書皮被粘在一起，輸送帶運轉。

（3）盒子抓取及推送：粘有裸盒的書皮輸送至設備右端盒子抓取位置時，輸送帶停止運轉。零件20盒體上下氣缸伸出，零件22手指氣缸收縮，抓取盒子，零件20收回，抬起盒子。零件16盒體伸縮長氣缸伸出，將盒子推送至后續設備中。到位時零件22張開，放下盒子，零件16收縮，回到原始位置。

（4）自動過膠輸送機構工作時，吸取輸送前2個書皮時，步驟1、2是單獨執行的，自吸取輸送第3個書皮時，則步驟1、2、3是同時工作的。

3.3 控制系統程序的實現

分析自動過膠輸送機構工作流程，可知機構工作時三個主要步驟為同時進行的，因此采用并行分支狀態轉移圖的編程方法[4]，更適合于實現本控制系統的程序編寫。

依照圖4所示的控制系統狀態轉移圖，在三菱PLC編程軟件GX developer軟件中，即可編寫出SFC控制程序。

圖4 自動過膠輸送控制系統狀態轉移圖

4 自動過膠輸送機運行

根據設計圖紙，經過零件加工、機構裝配、電氣布置、電氣接線，控制程序編寫，機構和電氣聯調等過程，所裝配制造的首飾包裝盒自動過膠輸送機如圖5所示。作為機器的主要零部件的盒體伸縮長氣缸及裸盒伸縮長氣缸，其進氣口、出氣口都采用帶調節閥的接頭，可以實時調節氣缸的工作氣壓，加快或降低氣缸活塞的伸出或收縮速度。經過實驗比較，當氣缸進氣口調節閥開度處于中間位置的時候，伸縮氣缸伸縮速度適中，能夠平穩的輸送裸盒。若調節閥開度加大，則因氣缸活塞伸出速度較快，而對設備產生反沖力，造成機器較大的振動。若調節閥開度小于1/4時，則氣缸工作壓力太小，氣缸活塞伸出或收縮速度太慢，而降低了機器的工作效率，因此調節閥的最佳開度處于1/4至1/2之間，酌情調節。

圖5 自動過膠輸送機實物圖

通過調整主要氣缸工作氣壓，步進電機旋轉速度，本機每分鐘能夠完成5～10個首飾包裝盒的輸送。

5 結束語

本文設計了首飾包裝紙盒自動過膠輸送機，能夠平穩的輸送裸盒。但由于本機構為框架是結構，機構本身重量較輕，氣缸尤其是長氣缸工作時的伸縮速度不能設置的太快，否則氣缸產生的沖擊力導致整個設備產生振動。因而需要通過配重，增加設備的重量，提高設備工作時的穩定性，以及提高設備的工作速度和效率。