一種新型自動解包站的研發與應用

封喜雷，鄧元龍

（北京誠益通科技有限公司，北京 100176）

人工解包站需要人工解包、人工投料，勞動強度大，現場飛塵嚴重，工作環境差。半自動解包機可在一定程度上解決人工上料，人工開袋解包等問題，但解包后需要人工進行料袋分離，對空袋進行收集，工作過程中難免接觸到粉料和飛塵，影響勞動者健康，為此有必要研發和應用一種能進行料袋全自動分離的專用設備，實施新的技術方案是當前粉體解包的迫切需求。生產設備自動化作業，既可減少人工，避免某些工作對人身體的傷害，也可提高效率，所以自動化也成為目前發展的必然趨勢。全自動解包站的開發研究，對公司新產品的開發，提升市場戰略的多元化非常重要。開發成功可增加公司產品組合，可作為主要產品為公司創造效益。提高公司綜合競爭力，提高公司主要設備的配套能力，降低成本，提高產品市場競爭力，擴大市場份額占比，可搶先占領市場。

1 總體方案設計

針對國內其他行業對粉料自動解包投料裝置有相關研究與應用報道。袁為新、唐建新的袋裝水泥自動拆包機的研究[1]，羅會介炭黑解包機的研制與實驗報告[2]，參照借鑒其成功設計經驗，融合貫通，結合實際需求與功能分析對該解包機提出相應的設計要求，根據設計要求先從開包方案入手展開研究，通過比較評價確定開包方案，并完成相應破袋機構設計，再根據整機設計要求及破袋機構的應用，確定整機的總體設計方案[3]。如圖1 所示。該總體設計方案主要包括拆包機、解包倉及其除塵過濾和在線清洗系統、空袋抓取裝置、電氣控制系統等部分組成。

圖1 總體方案設計結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall design structure

1.1 拆包機的方案設計

拆包機主要通過機械方式將粉料包裝袋切割開，實現袋料分離[4]。該機基本結構應具備存放物料的落料平臺、由減速機驅動軸帶動圓盤刀進行開袋裝置、驅動落料平臺能夠翻轉45°的氣缸，這樣物料靠重力就能滑到解包倉里的振動篩上，滑動的過程中，圓盤刀從落料平臺開口處伸出，從底部把料袋劃開。平臺下面應設有順料斗，可收集開袋過程中從平臺開口處落下的粉料，還應具有起到支撐以上零部件的不銹鋼框架。

1.2 解包倉的方案設計

解包倉應設有進料門和出袋門，安裝兩個門的門框都放在倉內，這樣設計清洗時，不易發生倉外漏水。具有料袋分離裝置，目前分離即卸料的方式有多種，其中主要有人工傾倒法、滾筒卸料法和振動卸料法，人工傾倒法不僅產塵量大，造成工人直接接觸高濃度粉塵，威脅工人的身心健康，還造成生產效率低下，影響勞動效率；滾筒卸料法會造成卸料不徹底，造成物料的浪費[4]。相比之下振動卸料法可克服以上劣勢，采用振動篩分離，根據篩分機理對料袋進行首次分離。篩分就是不同大小的固體顆?；旌衔锪鹘浐Y面，部分小于篩孔的顆粒通過篩孔而下落，其余的顆粒留在篩面上然后排出的過程。倉頂應設有金屬燒結網濾芯靠軸流風機吸走倉內振動揚起的粉塵，選用金屬網濾芯比布袋濾芯容易清洗，還應設有清洗球，能夠實現自動在線清洗，清洗解包倉內部和濾芯，保證清洗無死角。倉側壁設有小料投料門，平時也可作為檢修口。

1.3 空袋抓取裝置方案設計

空袋抓取裝置主要功能是進行料袋二次分離，靠底部氣缸驅動實現前進后退動作，靠頂部氣缸實現上下運動動作，靠手臂氣缸控制可模仿人的動作進行左右晃動，靠雙軸氣缸伸縮模擬人工上下抖動，該裝置外部設有保護罩子。

1.4 電氣控制系統方案設計

主要由觸摸屏箱及其支撐懸臂、PLC 控制系統、電氣柜和氣控柜等部分組成，具備手動和自動兩種控制模式，觸摸屏箱設有急停開關，如圖2 所示。

圖2 手動和自動兩種控制模式面板Fig.2 Panels for manual and automatic control modes

2 搭建試驗平臺，對總體設計方案部分功能進行驗證

殘料量是衡量自動解包站一個重要經濟指標，也是困擾自動解包站工作性能的一個難題，假設每袋殘料量是8%，約200 克，價值2 元錢，有些物料價值更高，之前處理過的價值最高的物料每千克達到上百元。按整機工作效率每小時40 袋計算，直接經濟損失就是80 元/小時，常年累計，經濟損失驚人。目前公司某項目外購自動解包站殘料量為250 克/袋，占總重10%，殘留物料隨著包裝袋一起按廢品處理，不但浪費大，而且污染了環境。所以本次研發自動解包站重點圍繞怎樣減小殘料量展開，設定的目標是經首次和二次料袋分離后最終殘料量合格標準小于總重的2%，也就是說對于25 公斤的料袋殘料量應小于50 克，此殘留量遠低于國內同類產品，處于領先地位。

2.1 測試首次料袋分離后殘料量

2.1.1 第一次試驗

對物料為PE 包裝袋裝的25 公斤淀粉進行試驗，連續做三次試驗，試驗平臺結構如圖3 所示，結構主要包括投放物料的角度可調的傾斜平臺、開袋用的圓盤刀、進行首次分離的振動篩和不銹鋼支撐框架，試驗結果：物料殘料量分別為261 克、452 克和565克。

圖3 試驗平臺Fig.3 Experimental platform

2.1.2 第二次試驗

通過第一次實驗發現殘料量太高，所以對實驗平臺進行優化設計，把開袋圓盤刀數量由3 把增加到7 把，切刀間距由150 mm 調整為75 mm，結構如圖4 所示，采用同樣規格物料進行第二次測試。試驗結果：物料殘料量分別為141 克、244 克和337克。殘料量明顯減少。

圖4 增加刀數試驗平臺Fig.4 Experimental platform with increased number of blades

2.1.3 第三次試驗

綜合兩次試驗結果分析，殘料都集中在料袋4個袋角處，為解決殘料量大的問題對實驗平臺進行二次優化設計，把振動篩格柵改成勾型設計，解決頂部兩角存料，增加擋袋裝置，該裝置底部帶有切刀，由氣缸驅動從料袋底部把料袋劃開，解決料袋底部兩角存料問題。結構如圖5 所示。試驗結果：物料殘料量分別為101 克、98 克和106 克，殘料量顯著減少。

圖5 增加擋袋裝置試驗平臺Fig.5 Experimental platform with bag blocking device

三次試驗殘料量對比如圖6 所示。

圖6 殘料量對比圖Fig.6 Comparison chart of residual quantity

2.2 二次料袋分離測試

先通過振動篩進行首次分離，再采用空袋抓取裝置把經過首次分離還有殘料的料袋抓起，模擬人工進行上下抖動和左右晃動，達到第二次減少殘料量的效果。

2.2.1 第一次試驗

物料為PE 包裝袋裝的25 公斤淀粉，連續做三次試驗，抓取手指采用L 型手指，結構如圖7 所示，實驗結果因為PE 袋表面光滑，手指為304 不銹鋼材質，兩者接觸摩檫力小導致抓取后在模擬人工上下抖動時分離，殘料量分別為103 克，98 克和87克。

2.2.2 第二次試驗

改變手指形狀，采用直手指，與料袋接觸的表面加工成鋸齒型，增大摩擦力，結構如圖8 所示，實驗結果和第一次試驗相同，在模擬人工上下抖動和左右晃動時分離，分析原因為手指與料袋接觸面積小，料袋滑動導致。殘料量分別為104 克，95 克和110克。

2.2.3 第三次試驗

繼續采用直手指，手指與料袋接觸的表面加工成鋸齒型，并且加長手指長度，結構如圖9 所示，手指這樣設計可以增大手指與料袋摩擦力，靠手指推力和格柵的阻力限制料袋滑動，一次抓取成功，殘料量分別為35 克，42 克和38 克，滿足使用功能要求，殘料量達到設定目標。

圖9 加長直手指Fig.9 Extended straight fingers

三種手指對比試驗結果對比如圖10 所示。

圖10 不同類型手指試驗殘料量對比圖Fig.10 Comparison chart of residual quantity with different finger types

3 樣機設計制造和測試，按試驗平臺測試結果對整體方案設計進行優化

3.1 拆包機優化設計

開袋圓盤刀數量設計為7 把，間距為72 mm，可實現最佳開袋效果。保證料袋升到最高位置開始滑動，這樣料袋具有較高滑動速度，保證能滑到振動篩中心位置，落料平臺設計擋袋裝置，該裝置底部設有切刀，可以沿料袋底部把料袋劃開，解決料袋頂部底角存料的問題，同時該裝置有利于料袋分離及后期的料袋抓取，結構如圖11 所示。

圖11 拆包機結構圖Fig.11 Structure diagram of bag opening machine

3.1.1 擋袋裝置驅動氣缸設計

圖12 為 擋袋裝置受力圖，摩擦力忽略不計。

圖12 擋袋裝置受力圖Fig.12 Bag retaining device force diagram

F=G×cos45°=25×9.8×0.71=1 739.5 N

M=F×L=1 739.5×0.35=608.8 N·m

氣缸受力：F1=608.8/0.76=801 N，查樣本在0.3 MPa 下，直徑φ63 氣缸推力為935 N。

3.2 解包倉的優化設計

解包倉振動篩格柵采用勾型設計，該結構可解決料袋底部兩個頂角存料問題；金屬濾芯數量為7 只，分成3 組，每組頂部設有噴嘴，靠脈沖閥控制噴嘴，保證2 組濾芯往外抽風，1 組濾芯向內反吹，防止濾芯短時間內發生堵塞，延長濾芯使用壽命，結構如圖13 所示。

圖13 解包倉結構圖Fig.13 Structure diagram of unpacking chamber

3.2.1 除塵系統設計計算

3.2.1.1 不銹鋼燒結網濾芯面積的設計

投料門面積比出袋門要大，所以選投料門尺寸，長×高=665×490 mm 計算進風口，總面積為S總=0.665×0.49=0.33 m2；風速取經驗值為1 m/s。

進風量Q進=60×1×0.33=19.8 m3/min。

不銹鋼燒結網濾芯的透氣能力為45 m3/m2/min，開孔率為38%。

所以濾芯面積為S濾=（Q進/45）/0.38=1.2 m2。

3.2.1.2 除塵風機的選擇

根據濾芯面積確定采用9-19 系列高壓軸流風機，風量為1 116 m3/h；風壓為3 647 Pa。

3.3 空袋抓取裝置的優化設計

空袋抓取裝置抓取手指采用加長手指。

4 電氣控制系統優化設計

自動控制系統位于配電箱內，自動控制模塊的中央處理單元采用PLC 及觸摸屏；PLC 通過與觸摸屏連接既可實現面板控制系統開啟、停止、投料袋數設定、運行速度調節等功能，又可實時顯示系統運行狀態、報警原因等內部數據[5]。能夠精確地自動控制該自動解包站投料、拆袋、物料振動分離、除塵清洗、空袋抓取和料袋二次分離，實現拆袋自動化。用手自動轉換按鈕，可實現手動控制單獨控制，滿足其他使用要求。

控制系統工作流程如下：

物料放在落料平臺上，有信號輸出，控制旋轉刀電機和除塵風機啟動；此時進料門為全開狀態，出袋門為全閉狀態，平臺氣缸啟動完全伸出，物料靠重力滑落到投料倉里的振動篩上，進料門關閉，振動篩振動電機啟動和平臺復位，當平臺完全復位，控制供料裝置給平臺供料。振動篩振動電機收到進料門完全關閉信號后啟動，用振動篩振動代替人工抖動實現料袋首次分離，除塵組件保證開袋和振動篩工作時粉塵不逸出，保護操作環境。振動電機振動停止，投料倉出袋門開啟，此時空袋抓取機構啟動和進料門開啟?？沾トC構啟動，通過手臂氣缸驅動將機械手臂伸入投料倉內，完全到位后控制前后驅動氣缸活塞桿伸出，保證手指氣缸到達投料倉中心位置，氣缸活塞桿完全伸出，控制上下驅動氣缸活塞桿開始伸出，保證加長手指處于最佳抓取位置，伸出到位后控制手指氣缸供氣，氣缸閉合，帶動加長手指抓取空袋，手指氣缸完全閉合后，控制上下驅動氣缸縮回，此時雙桿氣缸伸出，雙桿氣缸隨后縮回，反復伸出縮回3次實現抖袋功能，抖動完成后氣缸活塞桿處于完全縮回狀態，控制手臂氣缸啟動，延時改變氣缸供氣電磁閥方向，使氣缸縮回，重復來回3 次，實現晃動功能，晃動停止，手臂氣缸完全歸位，控制前后驅動氣缸縮回，控制啟動手臂氣缸，帶動機械手臂回到起始位置，控制手指氣缸供氣電磁閥換向供氣，氣缸張開，帶動加長手指松開，空袋靠重力自由落體掉進空袋收集裝置里，手指氣缸完全張開后，控制出袋門氣缸啟動，活塞塊向下運動關閉出袋門。落料平臺檢測到物料后，此時出袋門完全關閉和進料門完全開啟，設備進入新的工作周期。

5 自動解包站外觀優化設計

增加裝飾面板，美化設備外觀；增加空袋抓取罩子，美化外觀同時防止廢袋收集時少量粉塵外溢，保護環境。自動解包站各部分優化設計后，整體結構如圖14 所示。

圖14 自動解包站結構圖Fig.14 Structure diagram of automatic unpacking station

6 樣機制造和帶料測試

樣機加工制造完成后，進行帶料測試，測試地點為北京市大興區北京誠益通科技有限公司生產制造車間，對測試物料為PE 袋裝的25 公斤淀粉進行試驗，每次連續投料三次，總共三次試驗，試驗結果令人振奮，工作效率為40 袋/小時，三次試驗殘料量見表 1。

表1 三次試驗殘料量數據表Tab.1 Data table of residue in three tests

7 結論

開發的全自動解包站可對10～ 25 kg 的粉粒體物料進行拆包投料，是將PE 袋裝粉料進行料包分離的專用設備，設備運行消耗功率小，簡單、可靠，卸凈率高、故障率低，減少了維護工作量，維護及維修成本低。開袋解包徹底，自動化程度高，投料解包過程中沒有人員參與，從而杜絕了粉塵對勞動者的健康影響，減少勞動力成本，由機械拆包代替手工拆包，減輕了勞動強度，改善了作業環境，提高了生產效率[6]。設備結構簡單，安全便利，在制藥、獸藥、食品等行業的袋裝物料的拆包應用前景廣闊。