耿雅男　付拯　馬銀忠

摘要：當(dāng)前，燈泡包裝仍普遍采用人工包裝，存在工作效率低、人工成本過高、現(xiàn)場較為混亂等問題，人工長時(shí)間單調(diào)作業(yè)，易產(chǎn)生疲勞，易產(chǎn)生工傷事故。文中設(shè)計(jì)的燈泡自動包裝機(jī)包括運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、開盒機(jī)構(gòu)，燈泡進(jìn)盒、盒體封口、燈泡進(jìn)箱結(jié)構(gòu)，能完成將規(guī)格不一的燈泡自動裝箱的需求。

Abstract： At present， manual packaging is still widely used in lamp packaging. There are some problems， such as low efficiency， high labor cost and confusion on the spot. Long time monotonous manual work can easily lead to fatigue and work-related accidents. The bulb automatic packaging machine designed in this paper includes transportation structure， box opening mechanism， bulb box entry， box sealing and bulb box entry structure， which can fulfill the requirements of automatic packing of bulbs of different specifications.

關(guān)鍵詞：自動;包裝機(jī);燈泡;設(shè)計(jì)

Key words： automatic;packaging machine;light bulb;design

中圖分類號：TB486? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）33-0182-03

0? 引言

工業(yè)技術(shù)的變革，促進(jìn)了社會商品流通發(fā)展。在商品需求量不斷增加前提下商品供應(yīng)量持續(xù)加大。因此高效的商品生產(chǎn)需求帶動了自動化生產(chǎn)技術(shù)。同時(shí)，高效的包裝技術(shù)也應(yīng)時(shí)得到發(fā)展，和基礎(chǔ)包裝設(shè)備相比，包裝機(jī)屬于一種現(xiàn)代科技產(chǎn)物，包裝自動化是其設(shè)計(jì)與制造的主導(dǎo)思想及核心技術(shù)。顧客手中的商品沒有任何一件是未經(jīng)包裝而獲得的，也就是說，商品包裝需求量巨大，因此包裝設(shè)備必需更加簡單、便捷才能滿足日益增長的商品包裝需求。包裝機(jī)能將商品包裝效率顯著提升，從而縮短商品運(yùn)輸時(shí)間，實(shí)現(xiàn)企業(yè)核心競爭力提升目標(biāo)。在減少用工量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)用工成本節(jié)約，降低包括工人的勞動強(qiáng)度。完善包裝業(yè)發(fā)展，促進(jìn)我國智能設(shè)備發(fā)展，助力國內(nèi)高、精、尖技術(shù)進(jìn)步，增強(qiáng)中國在全球范圍內(nèi)的整體競爭力，為我國贏得更多核心技術(shù)主導(dǎo)權(quán)，所以研究設(shè)計(jì)包裝機(jī)具有更充分的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1? 包裝的總體設(shè)計(jì)

本機(jī)械采用模塊化設(shè)計(jì)思想，分別設(shè)計(jì)了自動開盒機(jī)構(gòu)，燈泡進(jìn)盒機(jī)構(gòu)，運(yùn)輸機(jī)構(gòu)，燈泡自動進(jìn)箱機(jī)構(gòu)，并將機(jī)械在空間上劃分為A工位（自動開盒機(jī)構(gòu)）， B工位（燈泡進(jìn)盒機(jī)構(gòu)），C工位（紙盒封口機(jī)構(gòu)），D工位（燈泡進(jìn)箱機(jī)構(gòu)），E工位（紙箱封口、打包機(jī)構(gòu)）[2]。圖1和表1即為本次研究設(shè)計(jì)的包裝設(shè)備中的五個(gè)機(jī)構(gòu)的工位劃分與組件功能。

2? 包裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此自動包裝機(jī)四個(gè)機(jī)構(gòu)的空間關(guān)系是在一平面內(nèi)成行排列的，開盒機(jī)構(gòu)與燈泡進(jìn)盒機(jī)構(gòu)以及封盒機(jī)構(gòu)通過運(yùn)輸機(jī)構(gòu)相連，進(jìn)箱機(jī)構(gòu)與其通過一個(gè)有傾角的滑道鏈接，筆者以SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了該包裝設(shè)備中的各個(gè)模塊三維造型。

2.1 運(yùn)輸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

燈泡包裝機(jī)中的運(yùn)輸機(jī)構(gòu)功能主要表現(xiàn)在紙箱傳遞、紙盒運(yùn)輸這兩個(gè)環(huán)節(jié)。其運(yùn)輸組件的核心構(gòu)件則包括行程開關(guān)、步進(jìn)電機(jī)、特制鏈條及傳送帶等，如圖2是箱體的傳送機(jī)構(gòu)，圖3是紙盒的傳送機(jī)構(gòu)，構(gòu)成部分包括步進(jìn)電機(jī)、特制鏈條，鏈條齒之間的距離接近于紙盒寬度，在步進(jìn)電機(jī)的帶動下可以穩(wěn)定運(yùn)輸紙盒，以達(dá)到指定的位置。本文所用到的特殊的鏈條有別于普通的傳送帶，它能更加的穩(wěn)定的卡住需要運(yùn)輸?shù)募埡校苑乐乖趥魉蛶嫌捎诔睗竦拳h(huán)境因素，影響摩擦力易導(dǎo)致無法運(yùn)輸?shù)膯栴}。這種運(yùn)輸方法在保持成本不增加前提下實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單化目標(biāo)，且可以更準(zhǔn)確、牢靠的控制紙盒運(yùn)行，明顯不同于傳統(tǒng)設(shè)備。

2.2 開盒機(jī)構(gòu)、燈泡進(jìn)盒機(jī)構(gòu)和封盒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

開盒機(jī)構(gòu)和燈泡進(jìn)盒機(jī)構(gòu)是包裝機(jī)的核心結(jié)構(gòu)，兩機(jī)構(gòu)主要是完成開盒以及燈泡進(jìn)盒功能，未開啟紙盒放入后撞塊在氣缸的作用下對盒子進(jìn)行小力的沖撞，在這些動作的配合下使紙盒成型，當(dāng)完成開盒后，壓小舌桿現(xiàn)將小舌壓至固定位置，大舌彎曲機(jī)構(gòu)將大舌壓彎到45度之后壓小舌桿撤去，然后將大舌壓至盒體，一側(cè)的盒子完成封盒，定時(shí)器定時(shí)結(jié)束，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動以帶動成型后的盒子，運(yùn)輸?shù)綗襞葸M(jìn)盒的位置后，在氣缸盒推桿的作用下，燈泡被推進(jìn)紙盒，因?yàn)橐粋?cè)紙盒完成封盒，以保證燈泡可以安全入盒，不會使燈泡因?yàn)檫^大的加速度滑出紙盒，在進(jìn)行另一側(cè)紙盒包裝，從而完成燈泡的單個(gè)包裝。此機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的“氣動推桿”結(jié)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)和運(yùn)動過程更加簡單，且適用于不同型號的產(chǎn)品，擴(kuò)大適用范圍。上述機(jī)構(gòu)的三維圖如圖4所示。

進(jìn)箱機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)進(jìn)盒燈泡的入箱過程，其中整體的機(jī)構(gòu)是由機(jī)械手組件和傳送機(jī)構(gòu)組成，因?yàn)榧埾滟|(zhì)量較大所以用普通的傳送帶即可滿足運(yùn)輸要求，在燈泡裝盒封盒完成后，進(jìn)入裝箱裝置的傳送帶，到達(dá)搬運(yùn)機(jī)械手的位置時(shí)，機(jī)械手開始工作，機(jī)械手每個(gè)工作臂上都有上、下限位和左、右限位開關(guān)，而其夾持裝置不帶限位開關(guān)。一旦夾持開始，定時(shí)器便會啟動，定時(shí)器結(jié)束，夾持動作隨即完成，機(jī)械手到達(dá)放置點(diǎn)后，將工件松開的時(shí)間也是由定時(shí)器控制的，定時(shí)器結(jié)束時(shí)，表示被抓工件已松開。機(jī)械手起始位置在盒子正上方的位置，同時(shí)通過伸縮桿的作用，機(jī)械手豎直向下運(yùn)動到達(dá)可抓住盒子的位置時(shí)接通下限位開關(guān)定時(shí)1秒后夾持裝置開始工作，夾緊盒子，定時(shí)1s后機(jī)械臂豎直向上運(yùn)動到達(dá)相應(yīng)位置后觸動上限位開關(guān)，停止上升，右移機(jī)械手，在將右限位開關(guān)觸動時(shí)停止右移;機(jī)械手開始下降，觸底條件下將下極限開關(guān)觸動，就此停止下降;定時(shí)器接通開始工作，機(jī)械手開始放松工件，1s定時(shí)結(jié)束，將工件松開，隨之進(jìn)入提升狀態(tài)，上升到頂部，觸動上極限開關(guān)，上升停止;左移至原點(diǎn)的機(jī)械手在將左限位開關(guān)觸動后，終止繼續(xù)左移，裝箱就此結(jié)束[3]。進(jìn)箱機(jī)構(gòu)的三維模型如圖5所示。

2.3 紙箱封口、打包機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

封箱打包機(jī)構(gòu)是包裝機(jī)的最后環(huán)節(jié)，其主要是完成裝箱后的箱體的封口和膠帶密封，封口機(jī)構(gòu)是通過氣缸驅(qū)動帶動齒條運(yùn)動，齒條和齒輪嚙合帶動齒輪轉(zhuǎn)動，這樣與齒輪連接的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸另一端連接的氣缸擺臂也同時(shí)擺動，這樣就完成了封口的動作。紙箱被推箱機(jī)構(gòu)推入紙箱軌道中后，紙箱在向前運(yùn)動，因?yàn)榉庀錂C(jī)構(gòu)上方有一個(gè)裝置，該裝置可以使紙箱在牢固的同時(shí)，也能把前單向膠輪壓低，使其發(fā)生轉(zhuǎn)動。膠帶的頂端在前單向膠輪上，當(dāng)紙箱從前單向膠輪壓過時(shí)，前單向膠輪上的膠帶就會粘貼在紙箱上。紙箱在皮帶摩擦力的作用下繼續(xù)向前，與此同時(shí)前單向膠輪通過曲柄帶動后單向膠輪，兩個(gè)單向膠輪同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動，后單向膠輪連接的彈簧被拉伸。紙箱在前進(jìn)過程中的同時(shí)將刀片和刀片上的擋板壓低。與刀片和刀片的擋板連接的彈簧被拉伸。當(dāng)紙箱越過刀片和刀片擋板的時(shí)候，刀片和刀片擋板在彈簧的作用下沿下壓的路徑反向轉(zhuǎn)動，從而可以切斷膠帶。當(dāng)紙箱繼續(xù)前進(jìn)，越過后單向膠輪時(shí)，連接后單向膠輪的彈簧要恢復(fù)原來的形狀，因此連接后單向膠輪的彈簧會發(fā)生收縮，從而帶動給后單向膠輪沿下壓的路徑反向轉(zhuǎn)動，因此紙箱底部膠帶的后半部分被粘貼好。同時(shí)后單向膠輪通過曲柄帶動前單向膠輪轉(zhuǎn)動，所以當(dāng)紙箱穿過紙箱軌道封好膠帶后，折前蓋及封箱裝置自動還原。

以SolidWorks軟件為基礎(chǔ)裝配已設(shè)計(jì)完成的各機(jī)構(gòu)、零部件，如圖6所示的三維立體燈泡包裝機(jī)結(jié)構(gòu)即可獲得。

3? 包裝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燈泡包裝機(jī)的控制系統(tǒng)主要包括由可編程控制器（PLC）、繼電器等元件組成。

基于PLC的執(zhí)行元件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：PLC現(xiàn)已成為工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的一種主要裝備，其發(fā)展速度極快，可以有效滿足工業(yè)自動化的各種自控需求。因?yàn)榘b機(jī)需要由各種復(fù)雜傳感器組配而成，同時(shí)存在過大的干擾，可編程控制器的優(yōu)勢則在于編程方便、控制能力強(qiáng)、可靠性高等，所以對于紙箱包裝機(jī)可編程控制系統(tǒng)而言，應(yīng)能基于待包裝產(chǎn)品技術(shù)來協(xié)調(diào)管理各個(gè)部分，這點(diǎn)在設(shè)計(jì)其電控部分時(shí)需要考慮在內(nèi)。運(yùn)送待裝盒（箱）產(chǎn)品環(huán)節(jié)、裝箱成型環(huán)節(jié)、紙盒進(jìn)箱環(huán)節(jié)等包裝機(jī)控制系統(tǒng)控制的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。筆者研發(fā)的基于PLC的自動控制系統(tǒng)由內(nèi)部控制系統(tǒng)、電磁閥、光電開關(guān)、限位開關(guān)等關(guān)鍵件組成，紙箱包裝可以就此順利完成，將各類包裝需求全面滿足。

由于燈泡包裝機(jī)的各組件互相獨(dú)立，因此包裝機(jī)的控制執(zhí)行系統(tǒng)被筆者設(shè)計(jì)成2級，所以組件啟、?？刂朴?級系統(tǒng)負(fù)責(zé);各組件內(nèi)部的執(zhí)行件啟、停由2級系統(tǒng)（子系統(tǒng)）負(fù)責(zé)，控制方式上通過行程和時(shí)間的方式來進(jìn)行控制已達(dá)到包裝機(jī)的精確控制，比如裝盒機(jī)構(gòu)子命令控制原理：運(yùn)輸組件PLC為S1，其利用A1、A2和1級PLC、檢測開關(guān)分別連接，電機(jī)參數(shù)設(shè)置為B1、B2，電磁繼電器參數(shù)設(shè)置為C1-C4[4]。裝箱機(jī)構(gòu)的控制原理如圖7所示。

4? 結(jié)束語

包裝機(jī)機(jī)構(gòu)及其控制原理是本文闡述的重點(diǎn)，所應(yīng)用的PLC控制系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)繼電器控制機(jī)械的缺陷，使得燈泡自動包裝的效率提高，同時(shí)本機(jī)構(gòu)用氣缸實(shí)現(xiàn)往返運(yùn)動減少電機(jī)頻繁正反切換，防止造成電機(jī)容易過載過熱引起火災(zāi)隱患，使安全性大大提高。對于機(jī)械部分，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件，減少零件制造成本。測試結(jié)果證實(shí)，筆者設(shè)計(jì)完成的包裝設(shè)備功能齊全，可以將各種型號的燈泡包裝需求全面滿足，提高包裝效率，具有良好的包裝效果。但是因機(jī)械是各個(gè)獨(dú)立機(jī)構(gòu)控制組合，所以多次調(diào)整會導(dǎo)致機(jī)構(gòu)精度下降嚴(yán)重時(shí)配合出現(xiàn)誤差，導(dǎo)致包裝失敗。同時(shí)進(jìn)行連續(xù)工作會產(chǎn)生卡死情況，有待進(jìn)一步開發(fā)和改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]周衛(wèi)江.紙盒包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)與分析[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2011.

[2]尚東陽，趙樹國，姜陽，劉子靖.新型紙箱包裝機(jī)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2017（07）：84-87.

[3]李芹.工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)動作流程及其設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019（08）：197，199.

[4]張彩萍.PLC控制系統(tǒng)在新型紙箱包裝機(jī)中的應(yīng)用[J].中國包裝工業(yè)，2013.