自動化馬桶包裝機設計分析

牟勛濤,孟凡召,商 政,楊 濤

(山東華宇工學院機械工程學院,山東 德州 253000)

0 引言

包裝對產品起到保護、儲存運輸、促進銷售等作用,需采用適當的容器材料及輔助物并按一定的方式對產品進行裝飾及保護[1]。包裝機械是重要的生產組成,在包裝工業中起著非常重要的作用[2]。人們對機械化生產的要求越來越高,需對其應用理論進行研究,不斷提升包裝機械的自動化水平[3]。馬桶是人們日常生活中必不可少的設備,需求量大。其具有易碎特點[4]。目前馬桶的包裝方式存在效率低、成本高等問題。產品大部分采用人工包裝,作業時間長,現有設備大多為半自動控制,人工與機器配合且半自動化噪音大,供電范圍受限,自動化程度不高,易造成損壞。少數廠家采用自動化包裝,但裝夾效果不理想,無法根據生產線速度及包裝物尺寸自動匹配調整,兼容性及智能化程度不高[5-6],易發生碰撞。在生產線包裝過程中,馬桶箱體內空間過大,受力不均,易出現晃動,造成經濟損失[7]。

本研究設計了一種自動化馬桶包裝機,可針對不同材料、不同厚度的包裝零件自動進行參數調整,提高包裝性能及速度,減少人力物力的損耗,更好地利用包裝物料降低生產成本,減輕勞動強度,令包裝變得更加安全高效。

1 自動化馬桶包裝機的設計

對產品進行功能分析,制定了如圖1所示的包裝機設計路線,完成了包裝機結構設計、運行方案設計及控制系統設計等。

圖1 設計路線Fig.1 Design routine

1.1 結構設計

自動化馬桶包裝機結構如圖2所示,包括主體、紙蓋、壓制裝置及防護裝置,表面固定連接紙蓋,壓制裝置設置在主體表面。

壓制裝置結構如圖3所示,壓板與主體內壁為滑動連接,表面呈圓角,主體表面固定連接滑道,呈水平布置。在滑道表面開設滑槽,滑槽內壁有一個可滑動的插塊,表面呈圓角,插塊與壓板內壁卡接,呈水平設置。滑道內壁滑動連接豎直安裝推桿,推桿表面呈圓角。

圖2 自動化馬桶包裝機結構Fig.2 Structure of automatic toilet packaging machine

插塊與滑道之間固定連接拉動彈簧,呈水平設置,拉動彈簧與滑道相互配合,達到推動插塊的目的。插塊可插入壓板中,限制壓板發生移位。推桿表面固定連接壓塊,壓塊表面呈圓角,豎直設置,可與設備相配合,避免發生顛起,達到保護設備的目的。

主體表面設有防護裝置,結構如圖4所示。連接帶固定連接在主體表面,呈水平設置,能夠與主體相配合,防止主體發生變形,提高紙蓋使用壽命。

連接帶表面與插板固定連接,插板表面為圓角,呈豎直設置,可與連接帶及限位套相配合,防止紙蓋發生變形。

圖3 壓制裝置結構Fig.3 Structure of pressing device

圖4 防護裝置結構Fig.4 Protective device structure

限位套固定連接于主體表面,呈豎直設置,引導道與其固定連接,呈水平設置,表面呈圓角,內壁上滑動連接著卡板,呈水平布置,卡板表面為圓角,該卡板卡接于插板表面,引導道與限位套相配合,起到支撐并引導卡板的作用,約束插板,避免插板松動。

卡板與引導道之間由推動彈簧固定連接,推動彈簧為水平布置,能與引導道相配合,起到推動卡板的作用,限制插板運動。

1.2 運行方案

對自動化馬桶包裝機的包裝速度進行分析,根據傳送帶的運動對自動化馬桶包裝機進行智能控制,設定包裝角度為α,d表示馬桶長度,β表示同步角,v表示包裝速度,m表示編碼器脈沖數,s表示編碼器脈沖量。馬桶長度與包裝范圍基本一致,如傳送帶速度不變,則可表達為:

(1)

根據式(1)可得a,則:

(2)

由式(2)可知,當自動化馬桶包裝機在初始時刻包裝時,(0,ta)時刻位于同步區;ta時刻位于包裝區;(ta,tc)時刻位于包裝區,tc時刻位于同步區,(tc,td)時刻位于同步區。據此原理有:

(3)

(4)

(5)

tc=td-(td-tc)

(6)

根據式(3)、(4)、(5)、(6)可得自動化馬桶包裝機運行函數方程式,表達為:

(7)

利用式(7)對自動化馬桶包裝機的速度進行控制,保證其包裝速度與生產線速度相匹配。

本裝置的包裝作業主要通過以下幾方面實現:通過主體與壓制裝置、防護裝置的密切配合進行自動化包裝。設置壓制裝置,馬桶包裝機對設備進行壓制,旋轉壓板,壓板壓在設備表面上,對設備起到約束作用。關閉紙蓋,推動插塊,插塊移動并插入壓板中,插塊對壓板起到約束作用,推桿在壓塊的帶動下向下滑動,抵住插塊,從而完成壓制包裝。設置防護裝置對馬桶包裝機進行防護,轉動連接帶并壓在紙蓋上,插板插入限位套中,松開卡板,卡板失去束縛并受到推動彈簧的推動,卡板移動并壓住插板,從而達到防護作用。

1.3 控制系統的設計

包裝方式主要為手動包裝與自動連續包裝。需根據不同的應用場景選擇不同的包裝方式,結合輸出與輸入點數的差異選擇恰當的方法。

為了更好地實現包裝機的自動化控制,設計了基于PLC技術的控制系統,對其進行自動化管理。采用周期掃描方法,通過調整掃描參數來應對生產線的不同速度,周期掃描分為三個階段,即輸出刷新、輸入掃描及程序執行。PLC根據控制單元的具體參數讀取數據,對自動化馬桶包裝機進行識別監督,從而發出指令,保證包裝工作的順利進行,提升其可靠性與抗干擾能力。

包裝機按照自動化程度可分為全自動包裝及半自動包裝,對比如表1所示。半自動化包裝已無法滿足市場需要,目前大部分采用全自動化包裝,在節省人力的同時提升效率。本項目采用全自動化包裝,安全高效,節約了勞動力。

表1 馬桶包裝機自動化分析

2 自動化馬桶包裝機的特點

采用自動化操作控制,降低成本,控制簡單,損壞幾率小。該智能裝置集結構及原理展示于一體,實踐性強,穩定性較高,配備安全防護,更加安全。運用PLC控制系統,使用方便,編程簡單,可靠性高,抗干擾能力強,使用了簡潔的梯形圖、邏輯圖及陳述表,研制周期短,易于現場調試。可在不拆除硬件的情況下對程序進行在線修改,變更控制方案,具有良好的性能及較高的性價比。PLC內部有幾百幾千個程序組件供用戶選擇,功能強大,能夠完成十分復雜的控制任務。與同等功能的繼電保護系統比較,其性價比較高,結構緊湊,重量輕,耗能少,利用通信網絡可實現分散控制與集中管理。該系統設備完備,操作簡單,具有很好的適應性。目前,PLC產品已實現標準化、系列化、模塊化發展,配有品種齊全的各類硬件裝置,用戶可靈活、便利地對其進行配置,將其組合成不同功能、不同規格的產品,可靈活地運用于自動化馬桶包裝機產品中。自動化包裝機節能環保,耐腐蝕,易清理,精度高,運行穩定。其利用電腦控制按鍵,操作方便,有利于維修維護[7],通用性較強。

3 結束語

設計了自動化馬桶包裝機,實用性強,效率高,能夠有效避免包裝過程中的碰撞,運用可靠性高的PLC控制系統,操作便捷,配套齊全,功能完善,適用性強,符合行業標準,制作成本低,應用價值高,維修方便,應用前景廣闊。