自動貼標機的設計與分析

□ 陳金鑫

黑龍江科技大學 機械工程學院 150028

1 設計背景

20世紀80年代,包裝機械在煙草加工、制糖、鹽業行業發展緩慢。20世紀90年代后期,經濟迅猛發展,市場對包裝機械的需求不斷增加,包裝機械發展迅速。目前,我國包裝機械的開發目前仍存在不少問題。一是缺乏宏觀調控,在產品生產和開發上出現低水平無序競爭。二是缺乏資金投入,設備更新迭代速度緩慢,難以進行大量高新技術的開發。三是缺乏專業技術人員,導致自主開發產品和創新能力不足?？梢?實現包裝機械的自動化或半自動化開發,具有重要意義。筆者設計了自動貼標機,具有良好的應用價值。

2 技術路線

貼標機是包裝機械的一種,通常在包裝結束時用粘合劑將標簽粘貼到指定的容器上。市場上貼標機的種類很多,功能各異,但基本原理都相似。市面上常用的貼標機一般可完成平面粘貼、單面或多面粘貼、柱面粘貼、局部或全部粘貼、凹陷及邊角部位粘貼等各種作業功能。筆者基于貼標機的技術要求和貼標工藝要求,給出自動貼標機的技術路線,如圖1所示。

筆者設計的自動貼標機主要具有三方面功能。自動貼標機的貼標頭可以精確地將標簽粘貼到容器表面。自動貼標機的貼標頭有一定的運動范圍,貼標頭可以上下移動,適應不同的貼標高度。維修和安裝方便,成本不過于昂貴。所設計的自動貼標機整體結構如圖2所示。

▲圖1 自動貼標機技術路線

▲圖2 自動貼標機整體結構

3 設計

自動貼標機主要由可編程序控制器、輸送機構、貼標頭三大部分組成。

3.1 可編程序控制器

可編程序控制器具有高實時性和可靠性、系統配件選擇較為靈活等優點,采用模塊化結構。選擇西門子 S7-300 系列可編程序控制器。S7-300系列可編程序控制器屬于模塊化小型控制系統,能夠滿足中等性能要求的應用,具備高速指令運算速度,用浮點數運算,可以實現復雜的算術運算。S7-300系列可編程序控制器設置有操作方式選擇開關,操作方式選擇開關拔出后,不能改變操作方式,可以防止應用程序被非法刪除或改寫。

3.2 輸送機構

輸送機構結構如圖3所示,由鏈板、伺服電機、置物平臺、導向板等部分組成?？删幊绦蚩刂破髟O置速度參數,以達到控制傳送速度的目的。伺服電機通過彈性聯軸器與傳動機構連接,彈性聯軸器主要起傳遞扭矩、補償軸間安裝偏差、吸收設備振動、緩沖載荷沖擊等作用。

▲圖3 輸送機構結構

自動貼標機工作時,伺服電機帶動傳送鏈運動,機械手將需要貼標簽的容器抓取到傳送帶的起始位置。導向板上安裝有傳感器,根據不同容器的外形,使容器沿預定路線傳送。容器貼標完成后,傳送鏈持續傳動。在傳送帶末端設置有導向板,能改變已貼標簽容器的前行方向,到達置物平臺。最后由人工或者機械手進行整理、打包。

3.3 貼標頭

貼標頭結構如圖4所示。貼標頭是自動貼標機的關鍵機構。貼標卷紙安裝在料盤軸上,伺服電機通過帶輪驅動放料裝置中的主動軸轉動,在摩擦力的作用下,牽引貼標卷紙運動。在貼標過程中,貼標卷紙始終保持一定的張力,避免出現松弛現象。貼標卷紙帶經過剝標板后,貼標卷紙上的標簽與底板分離,標簽在慣性作用下繼續向前運動。由于貼標容器與標簽之間擠壓,使標簽牢固地粘在貼標容器表面。底板卷紙由伺服電機帶動收料軸進行回收,等待貼標工作完成后,人工取下收料軸上的底板卷紙廢料,進行下一輪工作。

▲圖4 貼標頭結構

4 靜力學分析

筆者以標頭底板為研究對象,應用SolidWorks軟件建立三維模型。在保證分析精度的前提下,為便于模型處理和分析,對倒角、螺紋、裝配孔等結構進行簡化。應用ANSYS Workbench軟件建立標頭底板靜力學模型,得到整體變形云圖,如圖5所示。

▲圖5 標頭底板變形云圖

標頭底板材料選用Q235鋼,密度為7 850 kg/m3,彈性模量為200 GPa,泊松比為0.3,屈服強度為235 MPa。Q235鋼含碳量較低,綜合性能較好,強度、塑性和焊接性能具佳,大量應用于對機械性能要求不高的機械零件。

網格劃分是建立有限元模型的重要環節。模型采用自由網格劃分,各部件采用ANSYS Workbench 軟件中的Bonded接觸單元進行連接。在進行網格劃分時,將單元尺寸控制在4 mm以內,劃分速度選取慢速、平滑過渡,網格相關度為100,轉換比例為0.272,得到有限元分析模型包含29 460個單元、16 415個節點。

由圖5可以看出,在靜態載荷作用下,變形最大的位置出現在標頭底板邊緣部位,值為9.83×10-7mm,能夠滿足設備的使用性能要求。標頭底板在靜載荷作用下受到影響的部位為中心及邊緣,連接孔在載荷作用下的變形范圍為0～2.19×10-7mm,未發生較大變形,結構趨于穩定。

由以上分析可見,標頭底板在正常工作狀態下的最大變形在可承受范圍內,標頭底板能夠滿足設計要求和正常的工作需要。

5 結束語

筆者針對市場上常見的貼標機進行分析與改進,設計了自動貼標機。自動貼標機以可編程序控制器為核心,采用機電一體化系統性設備,既可以在單機小作坊使用,也具備大中型生產車間柔性自動化對接使用的優點。自動貼標機的開發減輕了工人勞動強度,被貼標的容器具有廣泛性,適用于形狀規則或者貼標區域面積較大的容器,符合現代包裝機械的設計要求和理念。

自動貼標機滿足客戶產品多樣化和貼標準確化的需求,具有一定的實用和推廣價值。