王曉花,丁世云,張國全,,管 瑞

(1.武漢工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,武漢430023; 2.梅州振聲機(jī)械設(shè)備研究所,廣東梅州514500)

設(shè)計(jì)計(jì)算

大袋包裝機(jī)自動套袋裝置設(shè)計(jì)

王曉花1,丁世云1,張國全1,2,管 瑞2

(1.武漢工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,武漢430023; 2.梅州振聲機(jī)械設(shè)備研究所,廣東梅州514500)

以大袋包裝機(jī)自動套袋為研究對象,分析了大袋包裝機(jī)套袋裝置工作的基本原理,提出了其主要部件的設(shè)計(jì)思路及結(jié)構(gòu)組成,并對影響系統(tǒng)工作效率的運(yùn)動與結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化處理,提出了七個組件的運(yùn)動循環(huán)圖,并經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)是完全可行的。

大袋包裝機(jī);套袋裝置;開袋口;夾袋口

1 引言

目前,世界先進(jìn)包裝機(jī)械的發(fā)展已呈現(xiàn)出集機(jī)、電、氣、液、光、磁、生為一體的勢頭,提出機(jī)械的特征趨于“三高”——高速、高效、高質(zhì)量[1]。生產(chǎn)的高效率化、產(chǎn)品節(jié)能可回收化、高新技術(shù)實(shí)用化、智能化已成趨勢,這也應(yīng)該是我國包裝機(jī)械業(yè)的主流發(fā)展方向。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整方面,要盡快改變以低技術(shù)含量為主的狀況,學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù),開發(fā)生產(chǎn)高效低耗、產(chǎn)銷對路的大型成套設(shè)備和高新技術(shù)產(chǎn)品,根據(jù)國情開發(fā)出適用的包裝設(shè)備,加速包裝機(jī)械的更新?lián)Q代,進(jìn)一步開拓國內(nèi)國際市場。

多年來,在自動包裝方面,國內(nèi)各個企業(yè)水平參差不齊,大多采用半自動包裝,而在國外早已是全自動式的了。大袋包裝機(jī)具有包裝速度快、稱量精度高、性能穩(wěn)定可靠、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。同時,包裝袋可重復(fù)利用,降低包裝成本,減少環(huán)境污染。特別是考慮到勞動力的成本,大袋包裝機(jī)自動套袋裝置受到很多使用單位的青睞。所以本文著重研究大袋包裝機(jī)中自動套袋系統(tǒng)的工作原理及其設(shè)計(jì)思路。

2 自動套袋裝置工作原理及其結(jié)構(gòu)組成

靠。上述各功能需在控制系統(tǒng)的作用下,相互協(xié)調(diào)配合,完成本組件總體功能[4]。

2.1 自動套袋裝置工作原理

圖1 套袋裝置原理圖

圖2 供袋組件結(jié)構(gòu)示意圖

自動套袋裝置原理如圖1所示[2],首先供袋組件1將包裝袋從儲袋庫中吸取,并送入到移袋裝置9的輸送皮帶上,再由輸送皮帶將包裝袋送到固定在機(jī)架10的托臺上,后由上開袋口組件3與下開袋組件5共同作用,將包裝袋袋口吸開,此時送袋組件2上的拉袋鉤入袋口內(nèi),夾袋口組件4夾緊袋口兩端,并在送袋組件2上的氣缸作用下,將包裝袋由水平位套到垂直位的包裝機(jī)導(dǎo)料管上,此時,套袋裝置已經(jīng)自動完成了供袋、上袋、套袋等動作。本裝置除完成套袋功能外,還需完成充填好的包裝物的袋口整形(整袋口組件6),整形好的袋口在托包組件8與推包組件7作用下,送入到下一工位封口。

本裝置還要求各組件與控制系統(tǒng)能協(xié)調(diào)配合,保證能自動檢測包裝袋上下料位、自動填補(bǔ)吸袋位、每次只吸一條包裝袋、無空吸、漏吸現(xiàn)象,且開袋自如、開度可調(diào)、夾袋可靠[3]。本裝置以期完成每分鐘能輸送19條包裝袋(包裝袋尺寸為1020×550 mm)的套袋任務(wù)。

2.2 主要結(jié)構(gòu)組成

(1)供袋組件

如圖2所示,供袋組件主要完成儲袋、吸袋、送袋與補(bǔ)袋等功能。儲袋功能是將制好的包裝袋存放在儲袋庫中,儲袋庫最多可儲存80～100條包裝袋;吸袋功能是將儲袋庫中的包裝袋每次只吸一條;送袋功能是將吸取的包裝袋準(zhǔn)確地送入到包裝袋開口位;補(bǔ)袋功能是本組件的主要組件,能將吸取后的包裝袋空位自動填補(bǔ),保證吸袋可

(2)套袋組件

其具體結(jié)構(gòu)見圖3所示。其組件固定在機(jī)架10上。從供袋組件送入的包裝袋,在圖1中位于包裝袋口中端上下部的上開袋口組件3和下開袋組件5以及安置在圖2中的夾袋口組件4共同作用下,將包裝袋袋口打開。其中夾袋口組件4共兩套,分別布置在套袋組件兩側(cè),按側(cè)夾住包裝袋口兩端。在固定如圖3上部的氣缸驅(qū)動夾袋口組件4和鉤袋口組件分別夾緊和鉤住的包裝袋口的包裝袋一起,如圖3中的旋轉(zhuǎn)軸1旋轉(zhuǎn)90°到包裝機(jī)夾袋器側(cè)面并將包裝袋套入夾袋器的套袋上。其中鉤袋口組件2的作用是保證包裝袋從水平位置旋轉(zhuǎn)到垂直位時袋口時刻保持敞開狀態(tài)。鉤子連接在擺桿上,擺桿機(jī)構(gòu)由氣缸控制。在上下吸袋口組件將袋口吸開之后,鉤子在氣缸作用下立即插入袋口中,鉤子鉤好袋口后,氣缸推動擺桿擺動,隨之包裝袋被套上導(dǎo)料管了。

圖3 套袋組件具體結(jié)構(gòu)示意圖

(3)夾袋口、下料組件

當(dāng)包裝袋移至料口下方時,袋口已被夾袋組件4上的夾板夾住,氣缸推動下夾板向上夾板轉(zhuǎn)動,夾緊袋口。袋口夾緊后,系統(tǒng)發(fā)出控制信號打開稱量斗導(dǎo)料管,物料進(jìn)入包裝袋中,物料放完后氣缸回程關(guān)閉稱量斗的導(dǎo)料管。

(4)托包組件與整袋口組件

裝完物料后,下方的托包組件8上的托板由氣缸推動上升將袋子托起,使袋口不受力,這樣可以避免袋口拉破或散包。這時袋口仍是敞開的,需要整平,便于下一步的自動封口動作。

整袋口組件采用左右兩套組件將充填好物料的包裝袋袋口用兩夾板夾平,夾板固定在四桿機(jī)構(gòu)的輸出桿上,由整袋口組件6上的氣缸控制四桿機(jī)構(gòu)動作,使兩輸出桿相對于中心線對稱擺動,先向外張開再夾攏,并在夾袋器上的夾板輔助下,整袋口組件中的兩夾板下移將袋口整平,然后兩類夾板同時松開,托包組件8上的驅(qū)動托板的氣缸也回程動作,緊接著推包組件7上兩側(cè)的“L”形推板將袋子夾緊后拉至下一工序。

整袋口工序采用四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動夾板夾平,一方面可以避免設(shè)計(jì)復(fù)雜的機(jī)械手系統(tǒng),更重要的是因?yàn)檫B桿機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動副一般均為低幅,其運(yùn)動副元素為面接觸,壓力較小,承載能力較大,潤滑好,磨損小,加工制造容易,且連桿機(jī)構(gòu)中的低副一般是幾何封閉,對保證工作的可靠性有利。雖然連桿機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性差,但由于夾板接觸面積較大,對運(yùn)動精度要求不高,選用連桿機(jī)構(gòu)就能夠滿足要求,并能夠減少成本。

由上分析,通過相應(yīng)機(jī)構(gòu)動作,分別完成了套袋裝置的各個動作。也由此可知本方式結(jié)構(gòu)簡潔、動作次序連貫、技術(shù)難度小、適應(yīng)范圍較廣與可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。作為一理想的包裝袋套袋裝置,除滿足套袋功能外,本方式還要保證系統(tǒng)具有高的工作效率,由于套袋組件是本裝置的關(guān)鍵組件,其工作效率的高低、可靠性程度都直接影響了系統(tǒng)的工作性能,因此下面就以系統(tǒng)工作時間為目標(biāo)函數(shù),研究提高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵參數(shù)。

3 關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化與運(yùn)動循環(huán)圖

3.1 關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

假設(shè)供袋組件從袋子被吸袋氣缸組件1吸起到袋子被夾袋組件4甩到導(dǎo)料管的最大運(yùn)行時間為T,且單個袋子尺寸為定值,包裝袋長、寬分別為l與h;袋口需打開寬度為w;為簡化計(jì)算,袋子厚度不作為主要參數(shù)考慮;袋子從被供袋氣缸組件1吸起豎直上的移動速度為v1,袋子從吸起到平移到移袋組件9上平面移動的速度為v2,袋子在皮帶機(jī)上移動速度為v3,袋子從被上開袋口組件3和下開袋組件打開袋口所需的時間為2 T1(由于在氣壓一定時可認(rèn)為T1為定值),鉤子長度為l4,且插入袋口的旋轉(zhuǎn)速度為v4,轉(zhuǎn)動角為α,袋子被夾袋組件4甩出到導(dǎo)料管速度v5。相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸見圖4所示[5]。

圖4 供袋裝置原理圖

為提高組件生產(chǎn)效率,以組件最大工作時間T的最小值為目標(biāo)函數(shù),建立其優(yōu)化模型如下:目標(biāo)函數(shù):

說明:目標(biāo)函數(shù)(1)式有六項(xiàng)組成,是袋子被吸袋氣缸組件1吸起到袋子被夾袋組件4甩到導(dǎo)料管的總時間,不是系統(tǒng)的工作周期。對上述模型進(jìn)行優(yōu)化處理后,可得出Δl1,Δl2,w的近似最優(yōu)解[6]。

3.2 各組件運(yùn)動循環(huán)圖

根據(jù)各動作的配合要求,將圖1中的六個運(yùn)動件按驅(qū)動件的推程與回程段和一個移動件在一個周期時間內(nèi)對各件所需的時間與起、停點(diǎn)與等待時間繪制成表1所示的各工作件運(yùn)動循環(huán)圖,表1中的循環(huán)周期T為供袋往復(fù)動作時間。

表1 各組件運(yùn)動循環(huán)圖

由表1可以得出,推程段表示驅(qū)動件(如氣缸)從初始位到極限位,回程段表示驅(qū)動件從極限位返回初始位。粗線表示各構(gòu)件推程與回程所需的時間,空白處為構(gòu)件停止時間。按上面得出的結(jié)構(gòu)近似最優(yōu)解與各構(gòu)件動作循環(huán)圖,物化出如圖1所示的三維結(jié)構(gòu)圖。

3.3 現(xiàn)場運(yùn)行驗(yàn)證

以此結(jié)構(gòu)構(gòu)成的小顆粒裝物料大袋包裝機(jī)包裝生產(chǎn)線,在現(xiàn)場運(yùn)行近1年以來,完成了裝袋近4萬余噸。經(jīng)現(xiàn)場檢測,產(chǎn)品性能穩(wěn)定,損耗低,大袋包裝開袋自如、開度可調(diào)、夾袋可靠,套袋合格率大于99%以上,可完成每分鐘13包(40 kg/包,包裝袋尺寸為1020×550mm)小顆粒狀物料套袋任務(wù)。

4 結(jié)論

該設(shè)備能自動完成袋子送入導(dǎo)料管,自動完成每分鐘13包的工作量。為提高系統(tǒng)運(yùn)行效率,優(yōu)化處理了供袋組件的結(jié)構(gòu)參數(shù),提出了各構(gòu)件動作循環(huán)圖。根據(jù)上述原理,并經(jīng)現(xiàn)場運(yùn)行驗(yàn)證,得出此方法是可行的。

[1]許強(qiáng),居榮華,胡建,等.知識工程在食品包裝機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究[J].包裝與食品機(jī)械,2005,23 (4):32-35.

[2]郭西亞,孟翔,董繼先.基于CA ID的制袋-充填-封口包裝機(jī)的研究與開發(fā)[J].輕工機(jī)械,2006,24 (2):44-46.

[3]徐衛(wèi)國.CZQ+800C型機(jī)器人全自動包裝機(jī)的特點(diǎn)及在純堿包裝中的應(yīng)用[J].純堿工業(yè),2005(1):40 -42.

[4]孫牧青.大袋包裝方式與設(shè)備的選擇[J].包裝與食品機(jī)械,2003,21(4):28-31.

[5]陳昊,劉乘,張海卿.CAD技術(shù)在包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].包裝與食品機(jī)械,2008,26(5):18-20.

[6]張進(jìn).工業(yè)炸藥中包裹包機(jī)理的研究[J].煤礦爆破,2008,37(3):11-13.

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(本刊)

Design of Big Bag Pack ing Mach ine Automa tic Bagg ing Equ ipm en t

WANG Xiao-hua1,D ING Shi-yun1,ZHANG Guo-quan1,2,GUAN Rui2
(1.DepartmentofMechanical Engineering,Wuhan Po lytechnic University,Wuhan 430023,China; 2.Meizhou Zhensheng Machinery&Equipment Institute,Meizhou 514795,China)

As the study object to a big bag packing machine automatic bagging,the basic p rincip les of work and its equipmentcompo sition were analyzed,the design idea and structu re of the main componen tswere p roposed.and the motion and structure parameters affecting work efficiency of the equipmentwere op tim ized, motion cycle chartof seven componentswere given,and the real testof this design is feasible.

big bag packing machine;bagging equipment;opening pocket;clamp ing pocket

book=21,ebook=190

TB486

A

1005-1295(2010)06-0021-04

2010-10-25

2010-11-05

湖北省科技廳自然基金項(xiàng)目編號2007ABA405;廣東省科技廳產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目編號:2009B090200038;廣東省教育部科技部企業(yè)科技特派員行動計(jì)劃項(xiàng)目編號:2009B0600052

王曉花(1986-)女,碩士研究生,研究方向?yàn)榘b機(jī)械設(shè)計(jì)。

張國全,男,博士,教授,研究方向?yàn)榘b機(jī)械設(shè)計(jì)理論和方法、包裝機(jī)械產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)、產(chǎn)品信息建模等。通訊地址:430023武漢市漢口常青花園中環(huán)西路特1號武漢工業(yè)學(xué)院,E-mail:gquanzh@yahoo.com.cn。

do i:10.3969/j.issn.1005-1295.2010.06.006