全自動黃酒酒壇壇口捆扎包裝機設計

羅 橋，蔡 彬，葉 軍，劉長生，孫琦宗

（浙江工業職業技術學院 機電工程學院，浙江 紹興 312000）

紹興黃酒是我國歷史最悠久、最具有地方特色的黃酒品種之一，其在手工或機器釀造環節都要求使用鑒湖水進行制作，工廠也必須依鑒湖水而建。在每年冬至節氣進行開耙釀酒，制作過程非常依靠老師傅的經驗進行釀造。現在紹興地區各大黃酒廠正在積極尋找機械代替人工轉型的方法，如浙江古越龍山紹興酒股份有限公司與浙江大學機器人研究中心簽署機器換人戰略合作協議。在手工黃酒壇酒生產過程中，除已實現自動灌裝外，開耙、壘壇、酒壇封口等都采用人工操作，同時黃酒灌裝是在高溫下進行的，冬至后天氣寒冷，工人師傅的工作環境相對惡劣。在工人師傅年紀日益增大，人工成本日益上漲的大環境下，黃酒釀造關鍵工藝如何傳承、非關鍵步驟如何減少人工，是黃酒廠家面臨的現實困境。

在調研中發現，針對黃酒酒壇的工藝機械化應用案例不多。如象山恒大機械制造有限公司和上海金楓釀酒有限公司聯合申請的《酒壇清洗灌裝機組》，可機械化完成壇裝酒類的清洗、刷石灰水和灌裝酒液工序，實現流水線作業，減輕勞動強度。《寧波日報》報道中提及，過去完成該項工作需要近80名工人，現一臺機組僅需2名工人操作即可完成。不僅節省用工還提高生產效率。除此以外，黃酒酒壇壘壇，開耙結束后黃酒需要在酒壇中繼續發酵一段時間，而此時為了節約土地，需要把成千的酒壇堆放起來人工難以操作，某廠工作人員剛開始堆壇時曾發生大規模塌方。但在“女兒紅”冬釀現場報道壘壇問題中，操作“堆壇助力機械手”能將剛封裝的酒壇堆向高處，輕架輕提，精準輕放。5萬壇酒，按一天一人堆壘800壇計算，需20多個專業人員完成，但使用“堆壇助力機械手”，僅需1~2位技術人員操作即可完成。

1 全人工壇口捆扎現狀

因地方黃酒廠的規模都不是非常大，制約了手工壇裝黃酒壇封口包裝機械化應用的發展。目前市場上缺少壇裝酒封口機械的成套產品，封口的捆扎和水泥封頂的工序一直是人工完成，包裝勞動強度大，效率低，難以滿足現代化產業發展的需要。為了解決這一問題，需研制能對壇口捆扎進行自動包裝的機器及完備的工藝設計方案。

黃酒酒壇傳統捆扎工藝流程是全人工操作，如圖1所示，先將洗凈的黃酒壇，由人工A從傳送帶轉移到稱重臺上，進行黃酒灌裝。重量到達后，再由人工A用特殊黃酒酒壇搬運工具將酒壇分配給2位捆扎人員B和C（如圖2所示）。2位捆扎人員將捆扎材料依次放置到壇口上，材料從壇口向上順序為一張對折2次后的荷葉、1張紙、1個小土缽、2張交叉堆疊的粽葉，最后用捆扎繩進行壇口捆扎。再由人工D進行多余邊緣剪切，剪切完后由人工E使用四壇專用工具車搬運至室外（如圖3所示），再進行泥土封頂，人工F和G輪流操作封壇（如圖4所示）。

圖1 將洗凈的黃酒壇進行搬運

圖3 將捆扎好的酒壇剪切完多余邊緣后搬運

圖4 搬運至室外后進行泥土封口

所有的材料都為自然取材，為的就是讓黃酒在酒壇里繼續發酵。正是因為這些自然材料，保證了黃酒的品質，使得黃酒能夠被長時間儲存，越陳的黃酒色若琥珀，口感也更上乘，如非常有名的女兒紅，可以窖藏近20年而始終溫潤如玉。酒壇無縫銜接著歷史，承載著古往今來璀璨的黃酒文化，在這水墨古城里譜寫著2 500年的紹興酒神韻。

在3月份現場勘查中，天氣較為寒冷，但黃酒灌裝處溫度較高，工作人員都是汗流浹背的。而冬季氣溫低，寒冷刺激使交感神經興奮性增高，血管收縮外周阻力增高，致使血壓增高。不論是站立來回走動或是坐著工作的工作人員，工作條件都相對較差。本次主要研究為酒壇壇口捆扎工藝環節替換人工，進行全自動機械化設計，難度在于人手在捆扎過程中的靈活性，可以將不同的捆扎材料固定并捆扎。

2 壇口新型捆扎方案及工藝流程

根據圖2的人工捆扎工藝流程，如果對其進行機械化設計，需在實際工藝順序上有所調整，實現多種捆扎材料在同一工位完成定位放置并剪切捆扎完畢。捆扎方式參考同樣受歡迎的傳統食品粽子的模擬手工捆扎的過程，分別通過線轉和粽子自轉2種方法來實現捆扎打結的線轉方式。上游工序為黃酒稱重，通過地面傳送帶傳送至壇口捆扎工位，完成捆扎后，繼續使用地面傳送帶送至下個工位進行壇口泥封，設計整體工藝流程如圖5所示。

圖2 壇口進行捆扎

圖5 包裝工藝設計流程

而此次壇口捆扎機的電氣部分通過三菱PLC控制器控制各類氣缸及電機的啟動等，不在本文中贅述。電氣部分需依次完成以下操作：荷葉放置到位，紙張到位，小土缽放置到位，粽葉交叉放置2張，固定好后裁剪多余邊緣，捆扎并剪切捆扎繩。壇口捆扎機設計5個大小不同的存儲區，分別放置荷葉、小土缽、粽葉、卷紙、捆扎繩。同時本設計的創新點之一在于將儲存小土缽的套筒與固定機械爪一體設計，機械爪主要起到材料固定及材料在壇頸處收緊作用。

3 捆扎機主要執行機構選型與設計

為了便于研究，以紹興市柯橋區某黃酒廠的酒壇為研究對象，高（50±2）cm，壇口直徑（13±2）cm，壇頸（11±1）cm，通過SolidWorks三維軟件建立酒壇的參數化模型。

根據確定的工藝流程，壇口捆扎機的執行機構主要包括4種材料的輸送機構、固定圓盤、旋轉圈、固定機械爪、捆扎機構等。本設計主要創新點之二在于所有的材料都將在組裝工位上堆疊完成，輔助固定機械爪固定所有的材料之后，裁剪余邊和捆扎工藝也在組裝工位上繼續完成，形成全自動一體化。通過地面傳送帶前承接灌裝工藝，后可承接封壇工藝，壇口捆扎包裝機整體工藝的機械圖如圖6所示，全自動包裝機外形尺寸為2 720 mm×1 625 mm×930 mm。

圖6 全壇口捆扎包裝機整體機械圖

3.1 荷葉輸送機構

酒壇灌裝完成后，通過地面的傳送帶到達組裝（捆扎）工位，固定圓盤尺寸為180 mm，由氣缸伸出，放置在酒壇壇口上方。固定圓盤主要起到承載4種材料作用，并提供圓心確定位置，設計尺寸略小于剪切直徑。模擬現場捆扎工藝，荷葉是最先被放置在壇口的材料。

荷葉輸送機構由荷葉儲存區、回轉氣缸和真空吸盤、傳送帶及支架等組成，如圖7所示。荷葉存儲區放置折疊2次的干荷葉若干，使用真空吸盤下降進行吸取后，回轉氣缸旋轉180°，真空吸盤放開，回轉氣缸回旋至初始位。荷葉放置到已啟動的傳送帶上，輸送到組裝工位。為保證真空吸盤能一直在同一高度位置吸取荷葉，荷葉存儲區在箱子兩側加設2條滾珠絲杠，在吸取完2張后，驅使底部步進電機轉動，使得荷葉被向上移動，保證真空吸盤對荷葉的吸取。

圖7 荷葉輸送機構

由于在組裝工位處需完成多道工序，在荷葉傳送帶末端，特設計按需伸縮的金屬斜坡，效果圖如圖8所示。在荷葉到達傳送帶最后一段時，傳送帶下側的電動機轉動，斜坡由曲柄機構伸出，使得荷葉依重力和加速度滑落，同時考慮到摩檫力問題，加設一個金屬吊墜，配合下滑至荷葉完整掉落到固定圓盤，伸縮斜坡和金屬吊墜由電動機收回，荷葉輸送工序完畢。

3.2 卷紙輸送機構

操作現場中工人師傅使用的是單張紙張，為方便機械操作將紙張改為卷筒紙，水平放置。卷紙輸送機構結構如圖9所示，由2組夾緊氣缸和2條運動導軌、紙張裁切結構、驅動電機等組成。卷紙放入存儲區，先進行預張緊，即將紙張牽引出一段距離，放置在2組夾緊組上并驅動夾緊氣缸夾緊，同時為防止打滑在夾緊口增加橡膠條。第一組夾緊氣缸沿著齒輪軌道來回運行，第二組夾緊氣缸位置保持不動，起到固定紙張的作用。

圖9 卷紙輸送機構

在荷葉到達固定圓盤后，第一組夾緊組持續夾緊，第二組放開，第一組向組裝工位方向運行一段距離后停止，第二組夾緊，裁切結構對紙張進行裁剪。剪切后紙張長度為400 mm，第二組放開，第一組夾緊氣缸帶著紙張繼續運行直至到組裝工位。在運行過程中，為防止紙張掉落，在軌道中增加了防卷裝置。直到小吐缽套筒下降至紙面高50 mm時，第一組夾緊氣缸放開紙張。待到小土缽套筒回升到原處后，第一組夾緊氣缸復位并夾緊紙張，回到預張緊狀態，紙張工序完成。

3.3 小土缽輸送機構

小土缽為第三種材料，與前面2張片狀材料不同，通過對碗形邊沿的利用，設計2組伸縮氣缸，伸縮氣缸伸出后可卡住小土缽不掉落。命名靠近固定圓盤一側的一組伸縮氣缸為下組，另一組為上組，在2組間距距離可放置一個小土缽。上組伸縮氣缸的上部則為小土缽的存儲區，具體結構圖如圖10所示，套筒中心與固定圓盤中心重疊。

圖10 小土缽輸送機構

存儲區為筒型結構，在里面儲放多個小土缽，由下組伸縮氣缸控制一個小土缽的掉落和更替時阻擋剩余所有存儲區內小土缽的滑落，上組伸縮氣缸主要完成小土缽掉落時，剩余土缽的阻擋和更替時一個土缽的固定。同時套筒外側有機械壓爪3條，用于后續壓緊、收緊所有材料使用。

當夾緊氣缸帶著紙張到達組裝工位后，小土缽套筒下降至紙面高度5 mm，下組的伸縮氣缸縮回，小土缽掉下到固定圓盤，計時3 s后，整體套筒回升到原處。下組伸縮氣缸伸出，保證剩余小土缽不會掉落，上組伸縮氣缸縮回，上部的小土缽一起下滑，上下組伸縮氣缸正好可以容納一個小土缽，上組伸縮氣缸再伸出，保證下次輸送時僅有一個小土缽掉落，剩余小土缽保持在筒內，小土缽放置工序完成。

3.4 粽葉輸送機構

粽葉輸送機構與荷葉輸送方式相似，使用真空吸盤及回轉氣缸，以及相同的粽葉存儲區設置，但沒有傳送帶，位置主要靠回轉氣缸控制，粽葉輸送機構如圖11所示。因需要考慮放置2張不同角度的荷葉，在前后2張粽葉放置時，回轉氣缸旋轉角度不同。

圖11 粽葉輸送機構

小土缽放置完成后，粽葉輸送機構中的真空吸盤吸取第一張粽葉，根據粽葉的長形形狀，吸取時使用2個吸盤，回轉氣缸順時針旋轉135°，吸盤放開收回，回轉氣缸恢復到起始位。再吸取第二張粽葉，回轉氣缸逆時針旋轉135°，吸盤放開收回，粽葉放置完畢。回轉氣缸恢復后，套筒上的3個固定機械爪下降，固定住所有材料。機械爪的壓桿末段設計為圓弧狀壓塊，更加契合地把所有材料壓緊，方便下一步剪切工藝。

3.5 多余邊裁剪

旋轉圈由地面支架固定，內有滾刀支架及捆扎材料的存儲架，同時旋轉圈中內嵌齒輪導軌，驅動滾刀架繞圈旋轉，完成4種材料的多余邊剪裁，模擬工人師傅使用剪刀完成多余邊的剪切，旋轉圈的具體結構如圖12所示，包括后續的捆扎結構。

圖12 旋轉圈裁剪及捆扎工藝圖

在機械固定爪固定好所有材料后，滾刀通過驅動電機先水平伸出，再下降，靠近剪切材料，略遠于固定圓盤，滾刀啟動旋轉。驅動步進電機齒輪導軌開始旋轉，進行多余邊裁剪，滾刀會隨旋轉圈旋轉3周后停止，保證將材料剪切完整，剪切步驟完成。

多余邊剪切后滾刀收回，同時為不影響后續捆扎，固定圓盤將離開壇口，由氣缸抽回。本設計的創新點之三在于，固定機械爪上增加了副爪設計，為下一步捆扎做準備，不僅能固定住多余邊，同時副爪可以固定出壇頸，方便捆扎時找到收緊口。

3.6 壇口捆扎

在剪切完成后，固定機械爪主爪繼續固定，并下降副爪，順勢固定到壇頸，把所有材料收緊至壇頸。在現場手工纏繞時，使用的是寬型白色塑料繩完成捆扎，壇口捆扎需要完成手工纏繞的方式，為簡化捆扎工序，在多種材料的選取后使用PE復合塑料薄膜進行捆扎。在開始捆扎前，先安裝好PE膜帶盤（寬度為40 mm），進行預銜接，PE膜先纏繞到兩指氣缸上，氣缸邊沿增加橡皮條以增加摩擦。

捆扎機構依靠旋轉圈的旋轉進行纏繞，包括塑料PE膜帶盤支架，兩指氣缸、伸縮氣缸和熔斷壓緊裝置，如圖12所示。當副爪夾緊壇頸后，兩指氣缸由伸縮氣缸上升與壇頸齊平，驅動旋轉圈的電機，PE膜支架隨著齒輪軌道完成一圈纏繞，此時，固定機械爪的副爪回收，手指氣缸下降，不阻擋第二圈纏繞。繼續進行纏繞2周后停止，手指氣缸松開，伸縮氣缸帶動手指氣缸上升并夾緊被拉長的PE膜。最后，熱封機構旋轉60°靠近壇身，PE膜熱熔并壓緊。整個捆扎過程完成，完成好后酒壇再由地面的傳送帶傳送進入下一環節。

4 結束語

本文介紹了用機械化的方式代替酒壇壇口人工封口，即捆扎包裝機的設計方案，設計依據手工工藝流程，略做工藝上的改變，總體完成所有捆扎操作，并在裁剪和捆扎工藝中設計旋轉圈和固定機械爪來完成。使用Soildworks仿真軟件對樣機工作狀態進行模擬，結果顯示包裝機可完成多種不同的機械方式對不同材料的輸送，可以自動實現壇口捆扎材料依次放置并固定，通過旋轉圈方式完成多余邊的剪切和捆扎帶的纏繞并切斷。

用自動化包裝設備替代目前黃酒酒壇行業中的手工捆扎包裝方式，在該領域獲得技術突破，該捆扎包裝機的設計也可為后續全自動化酒壇壇口生產線包裝設備的優化提供參考。