（北京航天斯達(dá)科技有限公司，北京 100076）

0 引言

在國內(nèi)化工領(lǐng)域的類似聚氨酯工業(yè)液體物料灌裝方面，以前多是半自動簡易灌裝，自動化程度低，生產(chǎn)效率不高，同時由于該類物料常溫下會產(chǎn)生結(jié)晶、腐蝕性和毒性，會對人體造成不同程度的傷害，一些國內(nèi)有經(jīng)濟實力的企業(yè)和外資企業(yè)逐漸有購置全自動高精高速灌裝線的需求。該設(shè)備正是應(yīng)國內(nèi)的聚氨酯原液全自動化灌裝改造要求的背景下進(jìn)行研發(fā)的，在全自動化改造中要求自動灌裝線除了能適應(yīng)以上物料的所有特性之外，對整體灌裝速度做了要求，必須在 950～1 000 桶 / h［1-3］。

1 灌裝機的設(shè)計方案

針對市場和客戶的需求，研發(fā)了適用于20 L鐵桶包裝的聚氨酯鞋底原液全自動灌裝生產(chǎn)線。根據(jù)物料不能與空氣長時間接觸以及常溫下容易結(jié)晶等特點，首先在灌裝工位前設(shè)計了自動充氮氣裝置，保證空桶在灌裝前桶內(nèi)充滿氮氣，其次灌裝頭采用特殊的雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，灌裝頭的內(nèi)層用來灌裝，而外層用來沖氮氣，保證了灌裝物料不與空氣接觸；物料輸送部分除灌裝頭末端部分其他全部加裝電伴熱系統(tǒng)，保證物料在灌裝過程中的恒定溫度，不會結(jié)晶；灌裝機采用三工位設(shè)計，空桶等待工位、灌裝工位、重桶出桶工位，采用伺服橫向推桶機構(gòu)實現(xiàn)桶的三工位間輸送，提高了橫向推桶的速度和運行穩(wěn)定性；灌裝液體進(jìn)入灌裝閥之前設(shè)有圓形均等分配器，防止帶壓灌裝時，各個灌裝頭灌裝速度不一致而影響生產(chǎn)效率；由于該物料在調(diào)和罐中生產(chǎn)完成后不能長時間停留在罐中，灌裝機還專門設(shè)計了灌裝頭屏蔽功能，當(dāng)有一個或多個灌裝頭故障不能灌裝時，可將其關(guān)閉，保證了在少數(shù)灌裝頭故障時可繼續(xù)生產(chǎn)［4-6］，如圖1所示。

圖1 三工位灌裝機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of three-station filling machine

該灌裝機采用稱重式液面下灌裝方式。為提高灌裝速度，采用三工位設(shè)計，空桶等待工位、灌裝工位、重桶出桶工位，采用伺服橫向推桶機構(gòu)實現(xiàn)桶的三工位間輸送，并可根據(jù)客戶產(chǎn)量的要求開發(fā)出灌裝工位4～10頭等一系列產(chǎn)品。灌裝機主要包括機架、空桶輸送裝置、稱重裝置、重桶輸送裝置、伺服橫向推桶裝置、灌裝充氮系統(tǒng)、升降裝置和物料電伴熱系統(tǒng)。并在灌裝機外部安裝封閉罩門，保證灌裝區(qū)域的清潔。

灌裝機的灌裝系統(tǒng)包括分液罐、固定座、六路分液管路、兩級閥氣缸和灌裝頭。分液罐固定在機架上端，六路分液管路的上端與分液罐的底部連通，且該六路分液管路與分液罐的連接處在同一圓周上均勻分布；分液罐底部中央為向上凸起結(jié)構(gòu)，保證液罐底部不存物料；分液管路下端依次通過軟管、流量控制閥連接到灌裝頭的進(jìn)料口；灌裝頭采用液面下灌裝用的下開閥式雙層灌裝閥，在傳統(tǒng)的灌裝閥外部加裝了套層，可通過氮氣管路為灌裝頭充氮氣，其頂端設(shè)置有兩級開閥氣缸，使末端閥門開口有兩個開度，開閥氣缸的活塞桿與該灌裝閥的閥桿連接，從而控制該灌裝閥的實現(xiàn)全開和半開；進(jìn)液管路的灌注速度大于所有灌裝閥的灌注速度之和。

灌裝機的電伴熱系統(tǒng)主要包括伴熱帶、終端接線盒、溫度傳感器、溫度控制儀表，所有物料流經(jīng)的管路除灌裝頭部分外全部纏繞伴熱帶，每個灌裝頭為單獨一路伴熱回路，通過終端接線盒匯流，溫度傳感器檢測管路實際溫度，由溫度控制儀表根據(jù)設(shè)定溫度與實際溫度進(jìn)行比較進(jìn)而控制電伴熱系統(tǒng)回路供電的通斷，以保證物料管路溫度一直保持設(shè)定溫度恒定不變。

伺服橫向推桶裝置包括伺服電機、滾珠絲杠傳動裝置、橫向推桶機架、吸桶器以及桶型專用模具。如圖2所示。

圖2 伺服橫向推桶裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural diagram of servo transverse barrel pushing device

吸桶器由氣缸和安裝磁鐵的吸桶平板組成，六個吸桶器安裝在橫向推桶機架的前端，分別正對六個灌裝秤臺，在吸桶器的兩端安裝了桶型專用模具，吸桶器的磁性吸桶平板在正?？s回狀態(tài)下與模具不在同一平面，比模具在橫向推桶方向靠后一定距離，而吸桶器的磁性吸桶平板在伸出狀態(tài)下則與模具在同一平面，桶型專用模具與空桶輸送裝置的分桶器一起配合來定位桶在進(jìn)出桶方向上的位置，保證6只空桶能準(zhǔn)備橫移到灌裝工位的秤臺中心，同時保證了桶口正對灌裝頭。伺服橫向推桶裝置在在伺服電機加滾珠絲杠傳動裝置的驅(qū)動下橫向推桶機架帶動吸桶器和桶型專用模具可分別移動到空桶等待工位，灌裝工位以及重桶輸送工位，橫向推桶裝置在向橫向推桶向前方向移動時，首先吸桶器伸出，當(dāng)移動到空桶工位時，六個桶型模具卡住6只空桶兩側(cè)，同時吸桶器磁性吸桶平板吸住桶側(cè)面，繼續(xù)向前移動時，6只空桶接觸到灌裝工位6個秤臺上的已灌裝完成的對應(yīng)重桶，帶動重桶繼續(xù)向前移動，當(dāng)移動到6只重桶進(jìn)入重桶輸送工位時，伺服橫向推桶裝置停止向前移動，開始向后移動，這樣重桶和空桶脫開，重桶留在重桶輸送工位并輸送出灌裝機，而空桶在吸桶器的磁性吸桶平板帶動下繼續(xù)向后移動，待空桶移動到灌裝工位的秤臺中心時，停止向后移動，此時吸桶器的磁性吸桶平板縮回，在桶型專用模具的定位下，空桶與吸桶器脫開，當(dāng)伺服橫向推桶裝置繼續(xù)向后移動時，空桶留在了灌裝工位秤臺上并進(jìn)行灌裝動作，最后伺服橫向推桶裝置移動到初始位置，此時空桶工位可繼續(xù)進(jìn)桶，進(jìn)行下一個循環(huán)。

灌裝機的完整工作流程如下：首先，沖氮完畢的空桶依次進(jìn)入空桶等待工位，通過分桶器自動將桶等距離分開，分別對應(yīng)灌裝工位秤臺中心，伺服推桶裝置啟動將空桶向灌裝工位方向移動，同時將灌裝工位已經(jīng)灌裝完畢的重桶推到重桶出桶工位，此時伺服推桶裝置向后移動，將空桶拉回灌裝工位秤臺中心，此時伺服推桶裝置與空桶脫開，繼續(xù)向后移動到原始位置，空桶工位準(zhǔn)備下一節(jié)拍進(jìn)桶，而當(dāng)伺服推桶裝置連同空桶后移到灌裝工位時，重桶輸送線體啟動將重桶輸出灌裝機，而當(dāng)伺服推桶裝置與空桶脫開后移時，灌裝頭在升降裝置帶動下插開始灌裝，灌裝分大小流量兩步灌裝，在灌裝過程中通過程序控制灌裝頭逐漸升起，保證始終液面下灌裝，同時通過灌裝頭的外層充氮氣，保證物料始終不與空氣接觸。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制方案如圖3所示。

圖3 控制方案示意Fig.3 Schematic diagram of control scheme

該控制系統(tǒng)采用PLC作為控制單元，觸摸屏作為人機交互界面，灌裝稱重部分采用稱重儀表控制，稱重儀表與PLC通過RS-485方式進(jìn)行通訊，實現(xiàn)重量數(shù)據(jù)以及控制指令的通信。PLC的位控模塊向伺服驅(qū)動器進(jìn)行位置指令發(fā)送，以實現(xiàn)三工位伺服撥通機構(gòu)的控制。PLC通過與溫控儀表與溫度傳感器實現(xiàn)恒溫加熱單元的閉環(huán)控制，實現(xiàn)灌裝管道的恒溫加熱控制［7-9］。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計全部采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，按照生產(chǎn)線的功能實現(xiàn)進(jìn)行劃分，主要包括：空桶輸送線控制程序、三工位伺服撥桶控制程序、稱重灌裝控制程序、恒溫加熱控制程序等。軟件總體流程見圖4。

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of the program

在系統(tǒng)啟動自動運行后，首先初始化所有參數(shù)，開始空桶輸送工位進(jìn)桶的同時將大小流量關(guān)閉值下載到稱重儀表里，稱重儀表會根據(jù)接受到的數(shù)值自動控制打開和關(guān)閉大小流量閥門，伺服撥桶機構(gòu)將準(zhǔn)備就緒的空桶橫向推向灌裝工位開始灌裝，待灌裝完成后伺服撥桶機構(gòu)將再次準(zhǔn)備就緒的空桶連同灌裝完畢的重桶一起推出至出桶工位，再將空桶倒退回灌裝工位進(jìn)行下一次灌裝，同時系統(tǒng)將更新的灌裝數(shù)據(jù)再次下載至稱重儀表內(nèi)。

3 結(jié)語

該包裝線吸收了現(xiàn)有國內(nèi)外化工產(chǎn)品灌裝機各自的長處，具有高精度、高速度、高自動化和方便操作的優(yōu)點。主要有以下幾個方面優(yōu)勢：

（1）采取了灌裝機三工位設(shè)計，進(jìn)桶，灌裝與出桶并行進(jìn)行，并且橫向撥桶裝置采用了伺服電機驅(qū)動，縮減了灌裝循環(huán)節(jié)拍，提升了運行速度和穩(wěn)定性；同樣是6頭20 L灌裝機，傳統(tǒng)直線式進(jìn)桶方式灌裝機的灌裝速度的約600～700桶/h，而三工位方式灌裝機的灌裝速度為950～1 000桶/h，整體運行速度提升了將近40%。

（2）灌裝閥采用了雙層設(shè)計，內(nèi)層灌裝物料，外層充氮氣，在灌裝的同時為物料的上表面充氮氣，解決了灌裝時物料的上液面與空氣接觸的問題，有效的防止物料變質(zhì)，為不能與空氣接觸的同類型工業(yè)物料的灌裝提供了很好的解決方案，具有很好的推廣價值。

（3）自動提升理蓋機利用蓋正反垂直提升時重心位置變化原理設(shè)計的理蓋提升機構(gòu)，較傳統(tǒng)的震動式理蓋機結(jié)構(gòu)簡單，理蓋速度大大提升，具有較高的推廣意義。

自從該產(chǎn)品研發(fā)成功以來，運行穩(wěn)定，得到了客戶的好評，市場前景良好，目前已經(jīng)銷售到國內(nèi)某化工廠共計十多套，年產(chǎn)量大大提高，減少了人工勞動成本，使用效果良好，提高了勞動生產(chǎn)率，降低了勞動強度，得到了客戶的好評。同時產(chǎn)品提高了在包裝行業(yè)內(nèi)的品牌知名度和影響力，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。