全自動遞進(jìn)式雙隔板紙箱包裝機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

李存良 張劍 馮娟 楊桐

1 引言

隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，液體包裝出現(xiàn)了很多新形勢、新需求、新理念，特別是應(yīng)對包裝對象、包裝材料、包裝形式的不斷變化，從而產(chǎn)生出更多個性化、差異化、非標(biāo)化的產(chǎn)品，深受市場的歡迎。輕工包裝生產(chǎn)過程的定制化、集成化、智能化越來越受到市場和行業(yè)的關(guān)注和重視。自動化的紙箱包裝機(jī)在眾多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，特別是白酒、啤酒、飲料等行業(yè)。隨著產(chǎn)品多元化的發(fā)展，對包裝技術(shù)也提出多元化的需求，需要在紙箱自動包裝過程中完成隔板的添加功能。本項(xiàng)目的研發(fā)正是基于市場需要，創(chuàng)新設(shè)計(jì)研發(fā)全自動遞進(jìn)式雙隔板紙箱包裝機(jī)，從輸瓶鏈道、輸箱鏈道、隔板鏈道、輸出鏈道、隔板取放機(jī)構(gòu)、瓶組取放機(jī)構(gòu)以及輔助機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，從而滿足個性化產(chǎn)品的裝箱需求，使輕工包裝自動化技術(shù)不斷向前發(fā)展。

2 現(xiàn)有隔板包裝機(jī)的功能和特點(diǎn)分析

過去隔板包裝機(jī)在市場上并不多見，是因?yàn)橹髁饕后w包裝生產(chǎn)銷售過程中并不需要隔板保護(hù)。近幾年開始逐漸增多，是因?yàn)槟壳暗母舭灏b機(jī)更符合當(dāng)前市場流通需要。

隔板包裝機(jī)從包裝順序上可分為裝箱前和裝箱后兩種加隔板形式。從工藝順序上可分為：隔板成型后放入瓶組，也可以是瓶組插入成型后的隔板中。從控制順序上可分為：間歇式和連續(xù)式兩種。隔板一般為井字形為主，排列形式多種多樣。隔板包裝機(jī)一般分為兩個單機(jī)組合使用，前段是隔板機(jī)，后段是包裝機(jī)，分析其特點(diǎn)更適合瓶體比較規(guī)則，自身重量偏重，穩(wěn)定性較好的瓶體包裝生產(chǎn)中。其運(yùn)行軌跡和定位相對固定，具有控制簡單、機(jī)械兼容性和通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，但不能滿足單片式隔板的包裝要求和生產(chǎn)工藝。

市場調(diào)研顯示目前還沒有單層雙隔板遞進(jìn)式的包裝形式。根據(jù)市場反饋，單層雙隔板遞進(jìn)式紙箱包裝機(jī)是一類未開發(fā)的輕工包裝機(jī)械設(shè)備，其運(yùn)用領(lǐng)域較廣，適合飲料、罐頭、電池等行業(yè)。全自動遞進(jìn)式雙隔板紙箱包裝機(jī)將結(jié)合模塊化的設(shè)計(jì)理念，運(yùn)用直線伺服模組和手臂式關(guān)節(jié)機(jī)器人，使其運(yùn)行軌跡生成近似閉環(huán)曲線，增加設(shè)備的精密性和柔性化，有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的在線過程控制。文中的設(shè)計(jì)與研究立足于市場，自主研發(fā)的全自動遞進(jìn)式雙隔板紙箱包裝機(jī)，能夠單臺設(shè)備完成從瓶組整理、紙箱整理、隔板整理、隔板取放、瓶體裝箱、紙箱包裝等全環(huán)節(jié)，更好地實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的裝箱工藝，可增強(qiáng)設(shè)備的兼容性、通用性、模塊化、柔性化等特點(diǎn)，可以更好地解決企業(yè)裝箱生產(chǎn)過程中的非標(biāo)定制等難題，是輕工包裝技術(shù)的完善和升級。

3 遞進(jìn)式雙隔板紙箱包裝機(jī)的設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

遞進(jìn)式雙隔板紙箱包裝機(jī)是一種具有創(chuàng)新型輕工包裝自動化設(shè)備，將從工藝、結(jié)構(gòu)、材料、方法和控制等方面進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，研發(fā)符合適應(yīng)市場需求的新一代隔板紙箱包裝的技術(shù)與裝備。其設(shè)計(jì)方案需要結(jié)合機(jī)電科學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)以及系統(tǒng)科學(xué)的新技術(shù)，在系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)、控制和算法方面進(jìn)行突破，使設(shè)備具有結(jié)構(gòu)合理、操作便捷、維護(hù)方便、柔性化強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)備運(yùn)用多套直線伺服模組和手臂式關(guān)節(jié)機(jī)器人，同時結(jié)合氣動控制系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)，將雙隔板以遞進(jìn)方式放入瓶組當(dāng)中。特別是隔板和瓶組取放機(jī)構(gòu)是核心關(guān)鍵部件，其動作的流暢度和控制的精準(zhǔn)度直接關(guān)系設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定度。該方案的工藝流程符合當(dāng)前主流自動化控制理念，由總體控制到分部控制，再由單點(diǎn)控制反饋至總線控制，形成完成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)眾多，屬于典型的模塊化分組設(shè)計(jì)理念，具有通用性和兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)[1]。

3.2 設(shè)備主要工藝原理

如圖1 所示為本設(shè)備工藝原理圖。遞進(jìn)式雙隔板紙箱包裝機(jī)工藝包裝順序?yàn)椋合燃埾漭斔椭林付ㄎ恢茫瑢⒌谝涣衅拷M放入箱體左側(cè)，瓶組抓頭收回，隔板抓頭將隔板傾斜放入箱體，將第二列瓶組放入箱體右側(cè)，并平移至中間位置，第二次隔板抓頭將隔板傾斜放入箱體，將第三列瓶組放入箱體右側(cè)，此時裝箱工序結(jié)束，輸送至下一工位，繼續(xù)完成整箱的封箱工序。本設(shè)備工藝原理可以根據(jù)具體產(chǎn)品尺寸、形狀、排列而調(diào)整變化，使其更加符合實(shí)際生產(chǎn)需要。

圖1 設(shè)備主要工藝原理圖

3.3 設(shè)備主要機(jī)構(gòu)組成

如圖2 所示為本機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖，整機(jī)主要組成包括隔板取放、瓶組取放、瓶體輸送、紙箱輸送、隔板輸送、紙箱封等機(jī)構(gòu)，以及氣動控制和自動控制系統(tǒng)八大部分。其中隔板取放機(jī)構(gòu)和瓶組取放機(jī)構(gòu)為本設(shè)備的核心關(guān)鍵部件，兩個機(jī)構(gòu)分別有自己的獨(dú)立動力驅(qū)動，配合位置檢測、精度檢測、光電檢測、光柵檢測、安全檢測以及邏輯控制算法，有機(jī)結(jié)合完成本機(jī)關(guān)鍵包裝動作工藝。

圖2 整體結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 隔板取放機(jī)構(gòu)

隔板取放機(jī)構(gòu)主要由安裝機(jī)架、橫向模組、垂直模組、連接底座、傾斜機(jī)構(gòu)、夾取機(jī)構(gòu)以及氣缸、減速器、伺服電機(jī)、限位開關(guān)等組成。整個隔板取放機(jī)構(gòu)安裝在設(shè)備上部，位于隔板輸送機(jī)構(gòu)正前方。

隔板取放機(jī)構(gòu)是核心關(guān)鍵部件，對于加工和安裝精度有較高的標(biāo)準(zhǔn)，其安裝后應(yīng)保證夾取機(jī)構(gòu)與隔板輸出端保持平行。該機(jī)構(gòu)是氣動和真空的結(jié)合體，由真空吸盤完成吸取隔板，吸取后再由手指氣缸完成對隔板的夾取動作。該機(jī)構(gòu)對吸取的穩(wěn)定性、夾取的強(qiáng)度以及傾斜機(jī)構(gòu)的角度控制有較高的要求，需保證動作靈活、無卡頓、無間隙、無停滯等。同時選取的驅(qū)動伺服電機(jī)應(yīng)保證具有隨時剎車的特點(diǎn)，其橫向和垂直模組的傳動往復(fù)精度應(yīng)保證在合理區(qū)間。隔板取放機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循輕量化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，盡量減輕機(jī)構(gòu)重量，同時保持強(qiáng)度和剛度性能，使其在運(yùn)行中高效和穩(wěn)定。

隔板取放機(jī)構(gòu)是利用直角坐標(biāo)機(jī)器人的機(jī)械原理，將模塊化分部傳動運(yùn)用到隔板的取放動作工藝中，同時利用多連桿同步結(jié)構(gòu)，使得最末端夾取機(jī)構(gòu)始終保持水平。該機(jī)構(gòu)安裝機(jī)架為懸臂結(jié)構(gòu)，應(yīng)該注意結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和長期穩(wěn)定性等因素，同時考慮便于設(shè)備調(diào)試和維護(hù)。該機(jī)構(gòu)應(yīng)配備位置檢測、角度檢測、光電檢測、限位保護(hù)等電氣元件。真空系統(tǒng)應(yīng)該配備至少三組真空發(fā)生器，用以解除真空不夠均勻或單組發(fā)生故障等風(fēng)險(xiǎn)。其他輔助支撐的安裝架應(yīng)保證加工精度和強(qiáng)度，對機(jī)構(gòu)起到輔助支撐、形狀保持和增強(qiáng)穩(wěn)定性的作用。隔板取放機(jī)構(gòu)如圖3所示，該機(jī)構(gòu)具有可變參數(shù)化的能力，可快速調(diào)整和換裝工裝夾具，更符合現(xiàn)代企業(yè)一機(jī)多功能的特點(diǎn)，增強(qiáng)了隔板紙箱包裝機(jī)中柔性化的特點(diǎn)，對于設(shè)備的兼容性和穩(wěn)定性將會有進(jìn)一步的增強(qiáng)。

圖3 隔板取放機(jī)構(gòu)

3.5 瓶組取放機(jī)構(gòu)

瓶組取放機(jī)構(gòu)主要由機(jī)構(gòu)基座、初級擺臂、二級擺臂、旋轉(zhuǎn)氣缸、夾具機(jī)架、雙桿氣缸、仿形抓頭、垂直護(hù)桿以及檢測元件等組成。整個瓶組取放機(jī)構(gòu)通過機(jī)構(gòu)基座安裝在設(shè)備上部，位于瓶體輸送機(jī)構(gòu)的后側(cè)方。

瓶組取放機(jī)構(gòu)是本機(jī)的核心關(guān)鍵部件，該機(jī)構(gòu)應(yīng)用模塊化和輕量化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選取鋁型材作為主要結(jié)構(gòu)材質(zhì)，對具有潮濕、熱量、腐蝕及食品安全考慮的環(huán)境，其表面應(yīng)做陽極氧化處理。該機(jī)構(gòu)對于直線度和平面度有較高要求，需保證安裝成型后的剛度和強(qiáng)度要求。同時要求選取調(diào)節(jié)氣缸時，應(yīng)配備磁環(huán)和檢測元件，其調(diào)試運(yùn)行應(yīng)保證往復(fù)動作靈活，無卡頓、停滯現(xiàn)象[2]。

瓶組取放機(jī)構(gòu)利用手臂式關(guān)節(jié)機(jī)器人和抓取結(jié)構(gòu)集成創(chuàng)新技術(shù)原理。手臂式關(guān)節(jié)機(jī)器人具有占地空間小、執(zhí)行空間大、維護(hù)和控制簡單等優(yōu)點(diǎn)。配合旋轉(zhuǎn)氣缸和夾取結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)單排瓶裝產(chǎn)品的抓取和釋放，動力端為兩組可調(diào)節(jié)雙桿氣缸，氣缸頭部連接直線導(dǎo)軌滑塊，滑塊帶動抓頭側(cè)立架，使仿形抓頭打開和閉合。最下端的垂直護(hù)桿可保持瓶組快速穩(wěn)定，為紙箱包裝過程增加效率和穩(wěn)定性。該機(jī)構(gòu)具有重量輕、強(qiáng)度高、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。瓶組取放機(jī)構(gòu)如圖4 所示，該機(jī)構(gòu)可根據(jù)產(chǎn)品的尺寸和特性做出快速優(yōu)化調(diào)整，將進(jìn)一步提升紙箱包裝的生產(chǎn)效率[3]。

圖4 瓶組取放機(jī)構(gòu)

3.6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全自動遞進(jìn)式雙隔板紙箱包裝機(jī)的控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和控制軟件三方面組成。因?yàn)榧闪耸直凼疥P(guān)節(jié)機(jī)器人和直線模組機(jī)器人，必須確保機(jī)械臂的使用過程安全、可靠和穩(wěn)定[4]。該設(shè)備控制系統(tǒng)需要結(jié)合插補(bǔ)控制算法、運(yùn)動軌跡規(guī)劃算法和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等理念，綜合設(shè)計(jì)位置控制、速度控制、角度控制的算法，并且滿足產(chǎn)能參數(shù)等控制要求，確保運(yùn)動慣量、慣性力和外部干擾對系統(tǒng)的影響最小。對于多自由度的機(jī)械臂，需要通過運(yùn)動軌跡規(guī)劃算法，規(guī)劃機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲線的運(yùn)動控制[5]。設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)，采用可編寫控制程序，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與硬件的緊密結(jié)合，提高控制系統(tǒng)的實(shí)時性和穩(wěn)定性。在調(diào)試和優(yōu)化過程中，采取合理調(diào)試方法，滿足機(jī)械臂高精度運(yùn)動的控制要求，利用現(xiàn)場總線技術(shù)確保數(shù)據(jù)傳輸速度和通訊穩(wěn)定性[6]。

4 結(jié)束語

通過對市場上現(xiàn)有隔板包裝機(jī)的功能和特點(diǎn)分析，從工藝原理、適應(yīng)性和適合領(lǐng)域方面進(jìn)行對比分析和總結(jié)，闡明了各種擁有的特點(diǎn)，能夠更好為隔板紙箱包裝的定位、選型、設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考，并對隔板紙箱包裝技術(shù)的提升和發(fā)展起到推動和借鑒的作用[7]。本設(shè)備集成創(chuàng)新多項(xiàng)技術(shù)，是運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)原理在包裝機(jī)械領(lǐng)域的再次集成創(chuàng)新，其遞進(jìn)式雙隔板紙箱包裝機(jī)技術(shù)是輕工自動化技術(shù)的再次突破。為了更好的解決隔板紙箱包裝技術(shù)的柔性化和高精度的要求，為此采用了新的機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自由編程、快速調(diào)節(jié)、高速包裝等功能，進(jìn)一步提高了設(shè)備生產(chǎn)效率和穩(wěn)定性。本設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究將促使輕工包裝技術(shù)不斷向前發(fā)展，同時可為企業(yè)提供全新生產(chǎn)技術(shù)解決方案[8]。