片類柔軟產品整形裝盒裝置設計

郝一寧，張志強

（北京信息科技大學，北京 100192）

0 引言

自動裝箱設備經歷了多年的研究，目前技術發展比較成熟。我國包裝市場發展迅速、潛力十足，自動化裝箱設備層出不窮，并已被廣泛應用于工業、食品和醫藥等諸多領域，從而達到提高生產效率、保證包裝質量、節約人力成本、改善生產條件的目的［1-3］。但針對衛生巾、紙尿片等片類柔軟產品的整形包裝研究較少。衛生巾、紙尿片等日用品需求量大，產業向著高產量、大型化趨勢發展，后續的整形、裝盒設備顯得愈發重要，靠人工裝盒已經不能滿足生產的需要，同時也制約著企業的發展［4-5］。

本文旨在通過片類柔軟產品整形裝盒裝置設計，解決片類柔軟產品的裝盒自動化問題。首先分析設計需求及工作原理，利用SolidWorks建立三維模型，對整形裝盒裝置進行運動學分析；然后結合實物試驗，驗證方案可行性和設計可靠性。

1 結構設計與工作原理

片狀柔軟產品通過輸送帶進入整形裝盒裝置，如圖1所示。

圖1 片類柔軟產品輸送帶Fig.1 Sheet-like soft products conveyor belt

片類柔軟產品整形裝盒裝置如圖2所示，包括爬坡機構、整形推桿機構、上整形推料機構、輸送裝置與整形柔性聯動調整機構。

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

散裝片類柔軟產品被輸送裝置輸送到整形工位處，整形推桿機構水平推出，爬坡機構向內側翻折，二者配合使水平放置的散裝產品變為豎直放置并夾緊，實現產品的側整形。之后上整形推料機構的上整形壓板向下推出，與傳送帶配合完成產品的上整形操作，并在上整形推料機構一級推料氣缸作用下，完成產品的前后整形。上整形推料機構二級推料氣缸將整形完畢的散裝產品推出裝盒，進行后續操作。

整形推桿機構與整形柔性聯動調整機構如圖3所示。整形推桿機構安裝在輸送裝置的鋁型材兩側，通過無桿氣缸帶動整形推板沿輸送帶方向運動，從而實現對物料的整形。雙軸氣缸則控制推板上下位置，使左右2個整形推桿機構在相互運動配合過程中不會發生干涉。整形柔性聯動調整機構與輸送裝置的鋁型材通過導軌滑塊連接，使其能夠柔性調整該裝置相對于輸送裝置的安裝位置。整形推桿機構與整形柔性聯動調整機構底板上安裝有激光傳感器，能夠對輸送裝置輸送的散裝物料進行計數。同時底板上安裝的限位開關和油壓緩沖器能夠確定整形推桿機構的氣缸行程，并為氣缸提供緩沖。

圖3 整形推桿機構與整形柔性聯動調整機構Fig.3 Shaping push rod mechanism and shaping flexible linkage adjustment mechanism

爬坡機構如圖4所示，主要包括底板、直線導軌、爬坡檔板、爬坡氣缸轉接支架和直線氣缸。散裝產品根據紙盒容量以組為單位，通過傳送帶運輸至整形工位處，在水平氣缸的作用下，通過爬坡擋板轉軸在溝槽內的運動，帶動爬坡擋板實現翻轉動作，并在整形推桿的配合下完成產品的側整形工作。

圖4 爬坡機構Fig.4 Climbing mechanism

上整形推料機構如圖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。側整形完畢的產品在壓料氣缸帶動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，完成產品的上整形動作。雙級推料氣缸帶動推板，將整形后的產品推送至下一工位，完成前后自由度的限定，并進行后續操作。至此散裝產品整形完畢。

圖5 上整形推料機構Fig.5 Upper shaping and pushing mechanism

2 爬坡機構自由度計算

對爬坡機構進行運動學分析，其運動簡圖如圖6所示。

圖6 爬坡機構簡圖Fig.6 Schematic diagram of climbing mechanism

機構是具有相對運動的構件組合，并且能夠傳遞運動和力。機構具有確定運動的條件是，機構自由度大于0，且原動件數量與機構自由度一致。爬坡機構自由度：

其中，n為活動構件數目；PL為低副個數；PH為高副個數。由于只有直線氣缸1個原動件，故機構原動件數量與機構自由度一致。

綜上所述，該機構具有確定運動。

3 爬坡機構運動學分析

運動學分析是指在不考慮作用力的前提下，分別對機構的位置、速度、加速度變化進行分析。爬坡機構運動學分析主要為點A的速度和加速度分析。

如圖6所示，以C為坐標原點建立坐標系。導桿AB為主動件；導桿AC為從動件；導桿AB與導桿AC通過滑塊連接。

根據點的合成運動理論與速度合成定理分析A點的運動：

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

爬坡機構加速度分析如圖7所示。

圖7 加速度圖Fig.7 Acceleration graph

根據牽連轉動的加速度合成定理：

投影至ξ軸，則：

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

4 爬坡機構動力學分析

機械動力學是指在已知外力作用下，求具有確定慣性參量的機械系統的真實運動規律，包括機械在運轉過程中的受力、機械中各構件的質量與機械運動之間的相互關系等。爬坡機構受力分析如圖8所示。

圖8 爬坡機構受力簡圖Fig.8 Schematic diagram of force on climbing mechanism

以C為坐標原點建立坐標系，擺桿AC為研究對象，其中m為擺桿AC的質量，m2為推桿AB的質量。則：

由式（11）（13）可知：

由式（9）（15）可知：

其中，M為力矩；J為轉動慣量；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 運動仿真

依據建立的機構模型，采用SolidWorks中的motion模塊對爬坡機構的角速度、角加速度進行運動算例仿真分析［6］。爬坡機構角速度和角加速度曲線如圖9所示。爬坡機構的角速度、角加速度曲線過渡平滑，說明爬坡機構運動平穩可靠，不會產生沖擊［7］。

圖9 爬坡機構角速度、角加速度曲線Fig.9 Curve of angular velocity and angular acceleration of the climbing mechanism

6 控制系統搭建

整形裝盒裝置控制系統以PLC控制器為核心，由變頻器、變頻電機、電磁閥、氣缸、傳感器系統和控制按鈕等組件共同組成。其中傳感器系統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的組成如圖10所示。

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

片類柔軟產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

散裝片類柔軟產品通過傳送帶輸送進入整形裝盒裝置，首先激光傳感器檢測輸送產品是否達到設定數量，達到設定數量后，2個整形推桿輪換進行作業，保證工序的流暢度；然后在整形推桿與爬坡機構配合下，散裝產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品推入紙盒，完成裝盒。在整個生產過程中，由電磁傳感器檢測氣缸是否完成預設的動作。

7 試驗驗證

對現有人工裝盒生產線進行調研統計，一共有4名員工，每天工作8 h。對某天該生產線上每個工人的裝盒件數進行統計，結果如表1所示。

表1 人工裝盒數量統計Tab.1 Statistics of number of boxes manually packed，pieces 片

搭建實驗平臺如圖12所示。

圖12 實驗平臺Fig.12 Experimental platform

在實驗平臺上進行5天測試，設備每天運行8 h，自動裝盒數量及劣品數量如表2所示。

表2 自動裝盒數量統計Tab.2 Statistics of number of boxes automatically packed，pieces 片

測試結果表明，采用全自動整形裝盒的方式，設備每天運行8 h，現場僅需要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程中容易造成紙盒的損傷，需要后續對推板尺寸進行合理調整。

8 結語

針對片類柔軟產品人工整形裝盒效率低這一問題，通過整形裝盒裝置的設計，完成全自動的包裝生產。利用SolidWorks軟件設計片狀柔軟產品裝盒整形裝置，建立三維模型。裝置通過簡單的原動機實現對散裝柔軟產品的整形功能，結構簡單、易于操作、工作效率高且具有良好的穩定性，能夠有效地完成整形裝盒任務。

同時，對關鍵部件進行運動學分析，驗證設計的合理性，搭建實驗平臺進行設計的驗證。測試結果表明，采用片類柔軟產品整形裝盒裝置可以極大提高裝盒效率，從而節省人工成本，具有很好的經濟性和實用性。研究驗證了整形裝盒方案的可行性。