自動膠帶封裝機的創新設計與研究

林偉，劉錫嬌，王爭光，赫英歧

（江蘇財經職業技術學院智能工程技術學院，江蘇淮安 223003）

0 引言

隨著社會經濟和人們生活水平的快速提高，膠帶已經完全融入到各行各業及人們日常生活的使用中，膠帶廣泛應用于食品、醫藥、卷煙、家用電器、日用化工、電子、制造等幾乎各個行業的包裝封口和粘貼[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、制造等行業的膠帶封裝也是以人工為主，尤其是對于一些塑料件、尼龍件、鐵件、鋁件等硬質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、勞動強度高，長時間操作過程中工作人員手指容易受傷，且膠帶封裝剪切質量較差[3-4]。目前市場上的一些膠帶封裝機構大多都是純機械的結構，而且需要人工操作粘貼和剪切，自動化程度低，容易出現故障，而且操作人員工作強度較大[5-6]。

針對以上問題，為了提高膠帶封裝效率和封裝質量、減輕工人勞動強度、減少工時、提高生產效率，本文設計了一種自動膠帶封裝機，主要應用于食品、包裝、電子、IT、制造等行業的膠帶旋轉包裹封裝，能適應不同寬度的膠帶粘貼，能實現膠帶的自動旋轉封裝和自動剪切。

1 總體方案設計

1.1 自動膠帶封裝機結構設計

本文設計的自動膠帶封裝機能夠對塑料件、尼龍件、鐵件、鋁件等硬質類零散件等材料實現膠帶的自動旋轉封裝和自動剪切。根據設計要求設計的自動膠帶封裝機主要由機架和膠帶滾貼剪切器組成，機架由1塊底板、4條側板連接而成，機架上安裝膠帶滾貼剪切器，膠帶滾貼剪切器由滾貼機構和滾貼剪切機構兩部分組成。設計的自動膠帶封裝機結構原理如圖1所示。

圖1中，底板4與4條側板3連接形成機架，機架上安裝膠帶滾貼剪切器構成自動膠帶封裝機，膠帶滾貼剪切器由滾貼機構和滾貼剪切機構兩部分組成。

圖1 自動膠帶封裝機結構原理圖

滾貼機構包括滾貼電動機5，在底板4上伸縮支撐桿1的上方位，一號支架10、二號支架19被固定在2個平行的調整滑槽17上，一號支架和二號支架上對應安裝有一號固定桿11及二號固定桿18，底板4上的滾貼電動機5經聯軸器7連接一號固定桿11；滾貼剪切機構包括滾貼剪切電動機6、滾貼剪切齒形帶8和滾貼剪切器12，滾貼剪切齒形帶8經支架、帶輪平行于調整滑槽17安裝在底板4上，帶輪連接滾貼剪切電動機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行程開關9和二號行程開關20。

1.2 重要零件設計

1.2.1 可調式膠帶卷筒設計

膠帶卷筒主要用于支撐和放置各種粘貼膠帶，因此，設計的膠帶卷筒應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，設計的可調式卷筒如圖2所示。

圖2 可調式膠帶卷筒結構原理圖

設計的可調式膠帶卷筒由左右兩部分組成，主要用來安裝和定位膠帶，由塑料制成。左邊為可調式端蓋，可以在膠帶支撐軸上左右移動，采用微過盈裝配，一方面方便取下和安裝膠帶，另一方面可以適應不同寬度的膠帶粘貼，應用范圍廣。膠帶支撐軸上安裝有橡膠套，膠帶安裝在橡膠套上，使膠帶在旋轉時有一定的旋轉阻尼，這樣在粘貼過程和切割后會避免回彈現象。

1.2.2 伸縮式支撐桿

伸縮式支撐桿主要用來支撐膠帶卷筒，因此，設計的支撐桿必須能夠方便膠帶卷筒的安裝。設計的伸縮式支撐桿如圖3所示。

圖3 伸縮式支撐桿結構原理圖

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盈配合。對不同寬度的膠帶，可以調整支架在底板滑槽中的位置，來實現對待包裝物的對中包裝。

1.3 三維造型設計

根據自動膠帶封裝機結構圖應用三維軟件Pro/E進行造型，設計出自動膠帶封裝機三維圖，如圖4所示。

圖4 自動膠帶封裝機三維圖

1.4 工作原理

設計的自動膠帶封裝機工作原理如下：當進行膠帶的旋轉封裝和剪切時，將待包裝材料15固定在一號固定桿11和二號固定桿18上，并通過橡皮圈13進行固定；再將可調式膠帶卷筒2上的滾貼膠帶16拉出粘貼在待包裝材料15上，可調式膠帶卷筒的左邊端蓋可左右調整，以適應不同寬度的膠帶粘貼，可調式膠帶卷筒結構如圖2所示，可調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，伸縮支撐桿的結構如圖3所示；滾貼電動機5轉動進行膠帶的旋轉封裝；膠帶封裝完成后，滾貼電動機5停止轉動，此時滾貼剪切器12開始工作，滾貼剪切電動機6正轉，滾貼剪切齒形帶8帶動滾貼剪切刀14向左運動對滾貼膠帶進行剪切，滾貼剪切刀采用齒形切刀，防止在剪切過程中造成膠帶的中途撕裂；滾貼剪切器12運動到左端碰到二號行程開關20后，滾貼剪切電動機6開始反轉，返回到初始位置，通過一號和二號兩個行程開關控制滾貼剪切器的移動位置，此時完成一次旋轉封裝和剪切過程；通過調整支架在底板滑槽中的位置可以封裝不同長度的材料，也可以通過調整對材料的不同位置進行封裝。若進行下次膠帶粘貼時，重新安裝待封裝材料進行封裝，過程與第一次相同。

2 自動膠帶封裝機控制系統硬件設計

本文設計的自動膠帶封裝機能夠實現膠帶的自動旋轉封裝和自動剪切，因此設計了以PLC為核心控制器的自動膠帶封裝機控制系統。

本文選用三菱FX2NPLC為核心控制器，它以編程簡單、控制靈活方便、可靠性高等優點在工業生產線中得到了廣泛應用[7-8]。控制系統硬件組成主要有開始、停止按鈕，以及行程開關、滾貼電動機、滾貼剪切電動機、接觸器等，系統的硬件結構設計如圖5所示。

圖5 系統硬件結構框圖

系統的工作原理如下：首先將待包裝的材料通過橡皮圈安裝在一號和二號固定桿上，將粘貼膠帶拉出粘貼在待包裝材料上，此時按下開始按鈕，PLC控制一號接觸器KM1通電使滾貼電動機工作，膠帶開始進行旋轉封裝，同時PLC開始延時，延時時間到，PLC控制接觸器KM1斷電，滾貼電動機停止，完成膠帶的旋轉封裝。此時PLC控制二號接觸器KM2通電，滾貼剪切電動機正轉，通過同步帶帶動滾貼剪切器和齒形切刀向左移動，完成對膠帶的自動剪切，當剪切器碰到左端的二號行程開關時，PLC控制接觸器KM2斷電，滾貼剪切電動機停止轉動，滾貼剪切器停止運動，PLC控制三號接觸器KM3通電，實現滾貼剪切電動機的反轉，滾貼剪切器回到初始位置，至此完成一次膠帶的自動旋轉封裝和自動剪切過程。如果需要進行下次的材料旋轉封裝，則將需要封裝的材料重新安裝在固定桿上進行下一次的自選旋轉封裝和剪切，過程和第一次相同。

3 控制系統軟件設計

設計的自動膠帶封裝機控制系統以三菱FX2NPLC為核心控制器，通過控制滾貼電動機和滾貼剪切電動機來實現膠帶的自動旋轉封裝和自動剪切。設計的控制系統軟件設計流程圖如圖6所示。

圖6 控制系統軟件設計流程圖

控制過程如下：按下開始按鈕，系統初始化完成，PLC控制接觸器KM1通電，滾貼電動機轉動，開始旋轉粘貼膠帶，延時達到預定時間，PLC控制KM1斷電，滾貼電動機停止轉動。同時PLC控制KM2通電，剪切電動機正轉，帶動滾貼剪切器運動，將膠帶切斷，碰到左端的行程開關后，PLC控制KM2斷電，滾貼剪切電動機停轉，接著PLC控制KM3通電，滾貼剪切電動機反轉，碰到一號行程開關后停下，返回到初始位置，至此完成一次膠帶的自動旋轉剪切過程，下次材料的旋轉封裝和剪切過程和第一次相同。

4 結語

本文對自動膠帶封裝機進行了創新設計和研究，主要完成了以下工作：

1）根據自動膠帶封裝機實現的功能，完成了該自動膠帶封裝機的整體設計方案，設計了自動膠帶封裝機的結構原理圖，并應用三維軟件Pro/E設計出自動膠帶封裝機的三維模型。

2）對一些重要零部件進行了設計，設計的可調式膠帶卷筒可以適應不同寬度的膠帶封裝；設計的伸縮式支撐桿方便安裝和取下膠帶卷筒，應用非常方便；通過調整支架在底板滑槽中的位置可以封裝不同長度的材料，也可以通過調整對材料的不同位置進行封裝，適應廣泛。

3）根據自動膠帶封裝機的控制要求，設計出自動膠帶封裝機控制系統，對系統的硬件和軟件分別進行了設計，給出了硬件結構框圖和軟件設計流程圖。

4）設計的自動膠帶封裝機能夠對塑料件、尼龍件、鐵件、鋁件等硬質類零散件等材料進行自動旋轉封裝和自動剪切，工作效率高、封裝質量好、自動化程度高、封裝速度易控制。