郝一寧，張志強(qiáng)

（北京信息科技大學(xué)，北京 100192）

0 引言

自動(dòng)裝箱設(shè)備經(jīng)歷了多年的研究，目前技術(shù)發(fā)展比較成熟。我國(guó)包裝市場(chǎng)發(fā)展迅速、潛力十足，自動(dòng)化裝箱設(shè)備層出不窮，并已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、食品和醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率、保證包裝質(zhì)量、節(jié)約人力成本、改善生產(chǎn)條件的目的［1-3］。但針對(duì)衛(wèi)生巾、紙尿片等片類(lèi)柔軟產(chǎn)品的整形包裝研究較少。衛(wèi)生巾、紙尿片等日用品需求量大，產(chǎn)業(yè)向著高產(chǎn)量、大型化趨勢(shì)發(fā)展，后續(xù)的整形、裝盒設(shè)備顯得愈發(fā)重要，靠人工裝盒已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的需要，同時(shí)也制約著企業(yè)的發(fā)展［4-5］。

本文旨在通過(guò)片類(lèi)柔軟產(chǎn)品整形裝盒裝置設(shè)計(jì)，解決片類(lèi)柔軟產(chǎn)品的裝盒自動(dòng)化問(wèn)題。首先分析設(shè)計(jì)需求及工作原理，利用SolidWorks建立三維模型，對(duì)整形裝盒裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；然后結(jié)合實(shí)物試驗(yàn)，驗(yàn)證方案可行性和設(shè)計(jì)可靠性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

片狀柔軟產(chǎn)品通過(guò)輸送帶進(jìn)入整形裝盒裝置，如圖1所示。

圖1 片類(lèi)柔軟產(chǎn)品輸送帶Fig.1 Sheet-like soft products conveyor belt

片類(lèi)柔軟產(chǎn)品整形裝盒裝置如圖2所示，包括爬坡機(jī)構(gòu)、整形推桿機(jī)構(gòu)、上整形推料機(jī)構(gòu)、輸送裝置與整形柔性聯(lián)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)。

圖2 片類(lèi)柔軟產(chǎn)品整形裝盒裝置爆炸圖Fig.2 Exploded view of shaping and cartoning mechanism for sheet-like flexible products

散裝片類(lèi)柔軟產(chǎn)品被輸送裝置輸送到整形工位處，整形推桿機(jī)構(gòu)水平推出，爬坡機(jī)構(gòu)向內(nèi)側(cè)翻折，二者配合使水平放置的散裝產(chǎn)品變?yōu)樨Q直放置并夾緊，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的側(cè)整形。之后上整形推料機(jī)構(gòu)的上整形壓板向下推出，與傳送帶配合完成產(chǎn)品的上整形操作，并在上整形推料機(jī)構(gòu)一級(jí)推料氣缸作用下，完成產(chǎn)品的前后整形。上整形推料機(jī)構(gòu)二級(jí)推料氣缸將整形完畢的散裝產(chǎn)品推出裝盒，進(jìn)行后續(xù)操作。

整形推桿機(jī)構(gòu)與整形柔性聯(lián)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖3所示。整形推桿機(jī)構(gòu)安裝在輸送裝置的鋁型材兩側(cè)，通過(guò)無(wú)桿氣缸帶動(dòng)整形推板沿輸送帶方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的整形。雙軸氣缸則控制推板上下位置，使左右2個(gè)整形推桿機(jī)構(gòu)在相互運(yùn)動(dòng)配合過(guò)程中不會(huì)發(fā)生干涉。整形柔性聯(lián)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)與輸送裝置的鋁型材通過(guò)導(dǎo)軌滑塊連接，使其能夠柔性調(diào)整該裝置相對(duì)于輸送裝置的安裝位置。整形推桿機(jī)構(gòu)與整形柔性聯(lián)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)底板上安裝有激光傳感器，能夠?qū)斔脱b置輸送的散裝物料進(jìn)行計(jì)數(shù)。同時(shí)底板上安裝的限位開(kāi)關(guān)和油壓緩沖器能夠確定整形推桿機(jī)構(gòu)的氣缸行程，并為氣缸提供緩沖。

圖3 整形推桿機(jī)構(gòu)與整形柔性聯(lián)動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)Fig.3 Shaping push rod mechanism and shaping flexible linkage adjustment mechanism

爬坡機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要包括底板、直線導(dǎo)軌、爬坡檔板、爬坡氣缸轉(zhuǎn)接支架和直線氣缸。散裝產(chǎn)品根據(jù)紙盒容量以組為單位，通過(guò)傳送帶運(yùn)輸至整形工位處，在水平氣缸的作用下，通過(guò)爬坡?lián)醢遛D(zhuǎn)軸在溝槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)爬坡?lián)醢鍖?shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，并在整形推桿的配合下完成產(chǎn)品的側(cè)整形工作。

圖4 爬坡機(jī)構(gòu)Fig.4 Climbing mechanism

上整形推料機(jī)構(gòu)如圖5所示，主要包括上整形壓板、上整形壓板支架、氣缸安裝架、壓料氣缸、推板、上整形裝置支架和推料氣缸。側(cè)整形完畢的產(chǎn)品在壓料氣缸帶動(dòng)上整形壓板的作用下，與傳送帶配合，限定上下方向的自由度，完成產(chǎn)品的上整形動(dòng)作。雙級(jí)推料氣缸帶動(dòng)推板，將整形后的產(chǎn)品推送至下一工位，完成前后自由度的限定，并進(jìn)行后續(xù)操作。至此散裝產(chǎn)品整形完畢。

圖5 上整形推料機(jī)構(gòu)Fig.5 Upper shaping and pushing mechanism

2 爬坡機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算

對(duì)爬坡機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 爬坡機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.6 Schematic diagram of climbing mechanism

機(jī)構(gòu)是具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件組合，并且能夠傳遞運(yùn)動(dòng)和力。機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是，機(jī)構(gòu)自由度大于0，且原動(dòng)件數(shù)量與機(jī)構(gòu)自由度一致。爬坡機(jī)構(gòu)自由度：

其中，n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)目；PL為低副個(gè)數(shù)；PH為高副個(gè)數(shù)。由于只有直線氣缸1個(gè)原動(dòng)件，故機(jī)構(gòu)原動(dòng)件數(shù)量與機(jī)構(gòu)自由度一致。

綜上所述，該機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)。

3 爬坡機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是指在不考慮作用力的前提下，分別對(duì)機(jī)構(gòu)的位置、速度、加速度變化進(jìn)行分析。爬坡機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要為點(diǎn)A的速度和加速度分析。

如圖6所示，以C為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。導(dǎo)桿AB為主動(dòng)件；導(dǎo)桿AC為從動(dòng)件；導(dǎo)桿AB與導(dǎo)桿AC通過(guò)滑塊連接。

根據(jù)點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng)理論與速度合成定理分析A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)：

其中，ve為A點(diǎn)的牽連速度；va為A點(diǎn)的絕對(duì)速度；θ為爬坡檔板與底板間的夾角；vr為A點(diǎn)的相對(duì)速度；ω為爬坡檔板的角加速度；h為A點(diǎn)距底板的距離。

爬坡機(jī)構(gòu)加速度分析如圖7所示。

圖7 加速度圖Fig.7 Acceleration graph

根據(jù)牽連轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度合成定理：

投影至ξ軸，則：

其中，aa為絕對(duì)加速度；aeτ為牽連切向加速度；aen為牽連法向加速度；ar為相對(duì)加速度；ak為科氏加速度；lAC為AC間距離。

4 爬坡機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

機(jī)械動(dòng)力學(xué)是指在已知外力作用下，求具有確定慣性參量的機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，包括機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的受力、機(jī)械中各構(gòu)件的質(zhì)量與機(jī)械運(yùn)動(dòng)之間的相互關(guān)系等。爬坡機(jī)構(gòu)受力分析如圖8所示。

圖8 爬坡機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖Fig.8 Schematic diagram of force on climbing mechanism

以C為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，擺桿AC為研究對(duì)象，其中m為擺桿AC的質(zhì)量，m2為推桿AB的質(zhì)量。則：

由式（11）（13）可知：

由式（9）（15）可知：

其中，M為力矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；FA為軸向力；lBC為BC間距離；F為氣缸理論輸出力；D為氣缸缸徑；p為氣源壓力。

5 運(yùn)動(dòng)仿真

依據(jù)建立的機(jī)構(gòu)模型，采用SolidWorks中的motion模塊對(duì)爬坡機(jī)構(gòu)的角速度、角加速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)算例仿真分析［6］。爬坡機(jī)構(gòu)角速度和角加速度曲線如圖9所示。爬坡機(jī)構(gòu)的角速度、角加速度曲線過(guò)渡平滑，說(shuō)明爬坡機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠，不會(huì)產(chǎn)生沖擊［7］。

圖9 爬坡機(jī)構(gòu)角速度、角加速度曲線Fig.9 Curve of angular velocity and angular acceleration of the climbing mechanism

6 控制系統(tǒng)搭建

整形裝盒裝置控制系統(tǒng)以PLC控制器為核心，由變頻器、變頻電機(jī)、電磁閥、氣缸、傳感器系統(tǒng)和控制按鈕等組件共同組成。其中傳感器系統(tǒng)包含氣缸電磁傳感器、激光傳感器［8-12］。裝盒整形裝置控制系統(tǒng)的組成如圖10所示。

圖10 整形裝盒裝置控制系統(tǒng)的組成框圖Fig.10 Block diagram of composition of the control system of the shaping and cartoning device

片類(lèi)柔軟產(chǎn)品整形裝盒裝置工序控制流程如圖11所示。

圖11 整形裝盒裝置工序控制流程圖Fig.11 Process control flow chart of the shaping and cartoning device

散裝片類(lèi)柔軟產(chǎn)品通過(guò)傳送帶輸送進(jìn)入整形裝盒裝置，首先激光傳感器檢測(cè)輸送產(chǎn)品是否達(dá)到設(shè)定數(shù)量，達(dá)到設(shè)定數(shù)量后，2個(gè)整形推桿輪換進(jìn)行作業(yè)，保證工序的流暢度；然后在整形推桿與爬坡機(jī)構(gòu)配合下，散裝產(chǎn)品左右方向被攏起并夾緊，上整形壓板與輸送帶配合完成散裝產(chǎn)品上下位置的整形與固定；最后由推料裝置將整形完成的產(chǎn)品推入紙盒，完成裝盒。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，由電磁傳感器檢測(cè)氣缸是否完成預(yù)設(shè)的動(dòng)作。

7 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)現(xiàn)有人工裝盒生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)計(jì)，一共有4名員工，每天工作8 h。對(duì)某天該生產(chǎn)線上每個(gè)工人的裝盒件數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

表1 人工裝盒數(shù)量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of number of boxes manually packed，pieces 片

搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示。

圖12 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.12 Experimental platform

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行5天測(cè)試，設(shè)備每天運(yùn)行8 h，自動(dòng)裝盒數(shù)量及劣品數(shù)量如表2所示。

表2 自動(dòng)裝盒數(shù)量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of number of boxes automatically packed，pieces 片

測(cè)試結(jié)果表明，采用全自動(dòng)整形裝盒的方式，設(shè)備每天運(yùn)行8 h，現(xiàn)場(chǎng)僅需要1名工人即可完成裝盒整形操作。工作效率較之前提高約2.8倍。但推料氣缸在推料過(guò)程中容易造成紙盒的損傷，需要后續(xù)對(duì)推板尺寸進(jìn)行合理調(diào)整。

8 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)片類(lèi)柔軟產(chǎn)品人工整形裝盒效率低這一問(wèn)題，通過(guò)整形裝盒裝置的設(shè)計(jì)，完成全自動(dòng)的包裝生產(chǎn)。利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)片狀柔軟產(chǎn)品裝盒整形裝置，建立三維模型。裝置通過(guò)簡(jiǎn)單的原動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)散裝柔軟產(chǎn)品的整形功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作、工作效率高且具有良好的穩(wěn)定性，能夠有效地完成整形裝盒任務(wù)。

同時(shí)，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，采用片類(lèi)柔軟產(chǎn)品整形裝盒裝置可以極大提高裝盒效率，從而節(jié)省人工成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。研究驗(yàn)證了整形裝盒方案的可行性。