張有良， 王劍峰， 吳 琦， 陳 毅， 李靜宇

(輕工業(yè)西安機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710086)

一種枕形袋高速理袋機(jī)構(gòu)的研究

張有良， 王劍峰， 吳 琦， 陳 毅， 李靜宇

(輕工業(yè)西安機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710086)

枕形袋打包與裝箱的關(guān)鍵是對枕形袋有規(guī)律地排列，通過對枕形袋排列的工藝特性和枕形袋物理特性分析，設(shè)計(jì)出伸縮理袋機(jī)構(gòu)．全面分析了主傳送帶、皮帶糾偏、伸縮導(dǎo)向、伸縮驅(qū)動(dòng)等重要機(jī)構(gòu)的組成與原理，通過枕形袋整理過程中傳送帶線速度與驅(qū)動(dòng)傳送帶伸縮的線速度的關(guān)系分析，計(jì)算出伸縮傳送皮帶線速度和驅(qū)動(dòng)傳送帶伸縮線速度的相關(guān)參數(shù)．

枕形袋;理袋機(jī)構(gòu);伸縮帶;伺服電機(jī)

枕型袋包裝廣泛應(yīng)用于方便食品、日用化工、調(diào)味品、醫(yī)藥、農(nóng)藥等行業(yè)，可以包裝液體、小顆粒和粉狀物質(zhì)，是物體流通的一種大眾化包裝形式，也是人們易于接受的包裝形式之一．主要特點(diǎn)是包裝范圍廣，易于實(shí)現(xiàn)包裝，方便物流運(yùn)輸．枕型包裝技術(shù)趨于成熟，向著高產(chǎn)量大型化方向發(fā)展．包裝速度越高，產(chǎn)量越大，后續(xù)的裝箱設(shè)備越顯得重要，靠人工裝箱已經(jīng)不能滿足包裝生產(chǎn)的需要，特別是帶有毒性的包裝物品危害著工人的健康．在裝箱、打包之前，枕形袋需要有規(guī)律的排列，研究一種高速枕形袋有規(guī)律排列的理袋機(jī)構(gòu)，是解決枕型袋的自動(dòng)裝箱或打包的關(guān)鍵技術(shù)［1－2］．

1 枕形袋理袋排列機(jī)的組成與作用

1.1 枕形袋理袋排列機(jī)的組成

枕形袋理袋排列機(jī)主要由主傳送帶總成1、皮帶支撐組件2、皮帶糾偏機(jī)構(gòu)3、機(jī)架總成4、伸縮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5、伸縮導(dǎo)向機(jī)構(gòu)6、檢測限位開關(guān)7、皮帶張緊機(jī)構(gòu) 8、伸縮部件 9 等組成，如圖 1［3－5］．

圖1 枕形袋理袋排列機(jī)構(gòu)組成示意Fig．1 Sketch of composition of arrangement mechanism of finishing material of pincushion bag

1.2 枕形袋理袋排列機(jī)的功能與工藝

在枕形袋包裝生產(chǎn)線上，枕形袋包裝機(jī)將物品(液體、小顆粒、粉狀等)包裝在枕形袋中，通過多個(gè)傳送帶差速輸送，包裝袋與包裝袋之間拉開一定的距離，輸送到枕形袋理袋排列機(jī)的輸送皮帶上，將包裝袋整齊地排列成一組(橫向或豎向)，鋪平或者搭邊重疊，供給下一個(gè)工序打包或裝箱(見圖2)．圖2a為枕形袋橫向排列，圖2b為枕形袋豎向排列，圖2c枕形袋豎向雙排排列，完成枕形袋有規(guī)律的排列工藝過程［6－7］．

圖2 枕形袋理袋排列示意Fig．2 Finishing material arrangement hinting of pincushion bag

排列工藝過程是伸縮帶首先移到最遠(yuǎn)端，檢測到一個(gè)袋子，向后退一個(gè)袋長的距離，直到最后一個(gè)袋子放好，再快速前移到最遠(yuǎn)端，重復(fù)上述動(dòng)作，繼續(xù)進(jìn)行袋子的排列．如果進(jìn)行多列排列時(shí)，推袋機(jī)構(gòu)將排列好的袋子移動(dòng)一個(gè)排列工位．

1.3 電氣控制系統(tǒng)方案

電氣控制系統(tǒng)方案如圖3，G1(PLC)為核心控制器，G2為人機(jī)操作界面，通過 Modbus總線的RS485與G1相連，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器A1和變頻器A2通過CANopen總線與G1相連，分別驅(qū)動(dòng)控制伸縮移動(dòng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)M2，皮帶輸送電機(jī)M1．控制開關(guān)、檢測開關(guān)接在G1的DI口上，指示燈、電磁閥等控制連接在G1的DO口上．

圖3 電氣控制系統(tǒng)方案Fig．3 Scheme of electrical control system

2 主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)探討

2.1 主傳送帶機(jī)構(gòu)

主傳送帶主要由移動(dòng)導(dǎo)向輪1、皮帶張緊輪2、移動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪3、皮帶4、皮帶支撐組件5、固定導(dǎo)向輪6、減速機(jī)7等組成，如圖4．

圖4 主傳送帶機(jī)構(gòu)組成示意Fig．4 Hinting of main conveyor belt mechanism composition

移動(dòng)導(dǎo)向輪1是主傳送帶的被動(dòng)輪，隨著伸縮機(jī)構(gòu)向前移動(dòng)或者向后移動(dòng)，將待整理的包裝袋放入合適的位置．皮帶張緊輪2是對主傳送帶進(jìn)行張緊的過渡輪．皮帶支撐組件5、固定導(dǎo)向輪6、減速機(jī)7等均是保障主傳送帶平穩(wěn)傳送的部件．

主輸送帶的主要技術(shù)參數(shù)包括:驅(qū)動(dòng)輪直徑D1，減速機(jī)減速比K1，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速N1，皮帶線速度V1根據(jù)圓的周長乘以轉(zhuǎn)速計(jì)算(見式1)．

從式(1)可以看出，皮帶的線速度V1取決于驅(qū)動(dòng)輪直徑D1和減速機(jī)減速比K1兩個(gè)主要參數(shù)，V1的大小表明了枕形袋的傳輸速度．

2.2 皮帶糾偏機(jī)構(gòu)

皮帶的薄厚不均勻、兩邊的松緊度不同，安裝過程中主動(dòng)輥與被動(dòng)輥平行度等諸多因素，都會(huì)導(dǎo)致皮帶在運(yùn)行中跑偏．為了防止皮帶跑偏，依靠糾偏機(jī)構(gòu)對上述因素進(jìn)行糾正、補(bǔ)償?shù)仁侄?，來達(dá)到糾偏的目的．

皮帶糾偏機(jī)構(gòu)主要由傳送帶支架1、2個(gè)張緊導(dǎo)向輪2、上方皮帶3、2組對稱的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)4、張緊輪5、支撐板6等組成，如圖5．調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的原理是螺桿固定在張緊輪上，利用螺母調(diào)節(jié)螺桿，改變張緊輪的位置，平衡皮帶兩邊的張力，起到糾偏的作用［4］．

圖5 糾偏機(jī)構(gòu)示意Fig．5 Hinting of belt rectification mechanism

2.3 伸縮導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

伸縮導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對主傳送帶在伸縮過程中進(jìn)行導(dǎo)向，主要由伸縮移動(dòng)前棍1、2個(gè)導(dǎo)向光軸2、皮帶3、2個(gè)線性滑動(dòng)軸承4、2組導(dǎo)向軌道機(jī)構(gòu)5、伸縮移動(dòng)后輥6、2組驅(qū)動(dòng)移動(dòng)連接機(jī)構(gòu)7、2組機(jī)械限位塊8、檢測限位開關(guān)9等組成，如圖6．

圖6 伸縮導(dǎo)向機(jī)構(gòu)示意Fig．6 Hinting of scalability oriented mechanism

2個(gè)平行的導(dǎo)向光軸2固定著前后移動(dòng)輥1，連接在伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，導(dǎo)向光軸2安裝在線性軸承4上，通過導(dǎo)向軌道5進(jìn)行導(dǎo)向，在伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下前后移動(dòng)，皮帶進(jìn)行伸縮前后移動(dòng)．皮帶上的枕形袋隨著皮帶的伸縮傳送到適當(dāng)?shù)奈恢茫瑢⒄硇未幸?guī)律地排列到理袋工位上，達(dá)到打包或裝箱的要求．

2.4 伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.4.1 主要組成

伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是為主輸送帶伸縮設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝架1、驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)和一級(jí)驅(qū)動(dòng)輪2、2個(gè)二級(jí)驅(qū)動(dòng)輪3、2組同步齒形帶(驅(qū)動(dòng))4、2組伸縮連接機(jī)構(gòu)5、2個(gè)驅(qū)動(dòng)被動(dòng)輪7等組成，如圖7．伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一級(jí)同步驅(qū)動(dòng)輪2，通過同步齒形帶驅(qū)動(dòng)二級(jí)驅(qū)動(dòng)輪3，進(jìn)行減速，增加扭矩，驅(qū)動(dòng)著連接伸縮軸6的同步齒形帶4，實(shí)現(xiàn)主傳送帶8的雙向伸縮．

圖7 伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意Fig．7 Hinting of scalability driving mechanism

2.4.2 主要技術(shù)參數(shù)

伺服電機(jī)(驅(qū)動(dòng))轉(zhuǎn)速 N2(額定為 3 000 r/min)，額定轉(zhuǎn)矩7.9 Nm，一二級(jí)驅(qū)動(dòng)輪減速比K2(常數(shù))，主驅(qū)動(dòng)輪次數(shù)N3(常數(shù))，節(jié)距H(常數(shù))．計(jì)算出伸縮移動(dòng)線速度V2，見式(2)，伸縮移動(dòng)速度影響枕形袋排列，速度低于一定程度，伸縮到位時(shí)間大于枕形袋到位時(shí)間，排列的袋子就會(huì)重疊，影響理袋效果．

除伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速外，其它參數(shù)是一個(gè)常數(shù)，根據(jù)式(2)，伸縮移動(dòng)的線速度取決于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化很小，因此伸縮移動(dòng)的線速度調(diào)整范圍很寬．

3 運(yùn)動(dòng)關(guān)系的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 枕形袋與整理參數(shù)

枕形袋袋寬a，單排整理數(shù)量n，最大伸縮量L．

一般情況下，袋子整理排列時(shí)要有一部分搭邊重疊，因此實(shí)際伸縮量比L小一些．

3.2 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

枕形袋包裝機(jī)一般的包裝速度是一個(gè)定數(shù)，設(shè)包裝周期為T，袋子與袋子在伸縮帶上傳送的間距為S．

伸縮帶從最近端移到最遠(yuǎn)端距離(最大伸縮量)L，伸縮需要的時(shí)間t(假設(shè)啟停加速時(shí)間忽略不計(jì))為:

由式(5)得，V2=L/t(t＜T) ＞L/T=an/T，伸縮帶有足夠的時(shí)間移動(dòng)到位，才能保證袋子在整理的過程中不重疊．另一方面，保證袋子不重疊還必須保證S≥L，由式(4)得出V1=S/T≥L/T=an/T．在實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮伺服電機(jī)的啟停加速時(shí)間等因素，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是S=2L比較可靠，V1=2an/T比較合適．

4 結(jié)束語

從以上論述可以看出，枕形袋理袋機(jī)是一個(gè)多因素、多機(jī)構(gòu)、典型的光機(jī)電一體化設(shè)備，在設(shè)計(jì)的過程中要考慮多個(gè)因素．首先要考慮整理的包裝機(jī)的包裝能力，其次要考慮包裝袋的寬度，每組整理的數(shù)量等因素．只有根據(jù)這3個(gè)重要因素，對皮帶輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，伸縮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)才有理論根據(jù)，伺服電機(jī)、減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)滾輪直徑等參數(shù)的設(shè)計(jì)才能滿足袋子傳送間距等于或者大于2倍的最大伸縮量．

［1］張有良．枕型袋自動(dòng)裝箱機(jī)的特點(diǎn)和電氣控制［J］．食品與包裝機(jī)械，2004，22(5):16-27．

［2］趙蕾，湯曉華，劉娜，等．袋裝食鹽生產(chǎn)線裝箱機(jī)頭直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制研究［J］．北京工商大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，28(6):46-52．

［3］張有良，茍向民，王劍峰，等．可編程多功能裝箱機(jī)的設(shè)計(jì)和電氣控制［J］．食品與包裝機(jī)械，2009，27(4):1-3．

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［5］董秀萍，黃明吉．豆腐皮加工設(shè)備整機(jī)改進(jìn)及定量灌裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．北京工商大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，28(3):64-67．

［6］張有良，王劍峰，李美川．干包生產(chǎn)線理瓶輸送和瓶子分組的研究［J］．酒·飲料技術(shù)裝備，2009(5):60-62．

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(責(zé)任編輯:檀彩蓮)

Study on High-speed Finishing Bag Mechanism of a Kind of Pincushion Bag

ZHANG You-liang， WANG Jian-feng， WU Qi， CHEN Yi， LI Jing-yu
(Light Industrial Xi'an Mechanic Design Research Institute，Xi’an 710086，China)

The key of packaging and packing was the regular arrangement of the pincushion bag．According to to analysis of the physical characteristics and the craft characteristics of the regular arrangement of the pincushion bag，the scalability finishing bag mechanism was designed，The composition and principle of several main mechanisms was analysed comprehensively，such as the key conveyor belt，belt rectification，scalability orientation，scalability driving，etc．According to analysis of the linear velocity of the conveyor belt and the driving conveyor belt scalability when working，the related parameters of the linear velocity of the scalability conveyor belt and the driving conveyor belt scalability was calculated．

pincushion bag;finishing bag mechanism;telescopic belt;servo motor

TS206.5

A

1671-1513(2012)04-0071-04

2012-05-14

張有良，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事食品、飲料、乳品、包裝機(jī)械等方面的電氣設(shè)計(jì)及研究工作．