韓以倫， 田延芳， 杜新業(yè)， 丁道山

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266510）

0 引言

自動(dòng)化生產(chǎn)線是保證大批量生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，就食品生產(chǎn)而言，自動(dòng)化生產(chǎn)的收尾步驟為食品的裝箱。針對(duì)目前袋裝小食品需要人工裝箱，上料裝置的上料速度影響整個(gè)生產(chǎn)線生產(chǎn)速度的市場(chǎng)現(xiàn)狀，本文介紹了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝箱速度快、準(zhǔn)確性高的食品裝箱機(jī)。這種食品包裝機(jī)適用于一般的真空包裝袋裝食品和紙盒裝的小食品。

1 機(jī)械機(jī)構(gòu)分析

整個(gè)裝箱機(jī)主要分為兩部分：放箱小車(chē)和裝箱部分。圖1為整個(gè)裝箱機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 鐵板自動(dòng)上料機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

放箱小車(chē)作為暫時(shí)存放貨箱的平臺(tái)，放箱小車(chē)可以在支架安放的導(dǎo)軌上滑動(dòng)，從而將板料推到自動(dòng)上料部分的工作區(qū)域。自動(dòng)裝箱部分主要由平動(dòng)橫梁、提升橫梁、提升氣缸、前推氣缸、真空吸盤(pán)和傳感器構(gòu)成，主要靠提升氣缸、前推氣缸和吸盤(pán)的配合實(shí)現(xiàn)其功能。當(dāng)兩個(gè)氣缸動(dòng)作，真空吸盤(pán)帶到袋裝食品上方時(shí)，就可吸起食品。同樣，當(dāng)吸盤(pán)帶著食品運(yùn)動(dòng)到放箱小車(chē)上方時(shí)，就可將食品放到預(yù)先放在放箱小車(chē)上的箱子中，實(shí)現(xiàn)裝箱、上料動(dòng)作。

提升橫梁上安裝了4個(gè)真空吸盤(pán)，對(duì)稱排列,如圖2。采用超聲波傳感器，其主要作用是檢測(cè)吸盤(pán)與箱底之間的距離，將距離轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸入到控制系統(tǒng)中，進(jìn)而控制吸盤(pán)鐵的通電與斷電。

圖2 電磁鐵安裝結(jié)構(gòu)剖面圖

通常情況下，一種機(jī)械結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)一種功能，或是只能提升特定質(zhì)量。為了擴(kuò)大使用范圍，在提升橫梁上開(kāi)了4個(gè)電磁鐵滑槽，如圖3所示。4個(gè)滑槽對(duì)稱分布，大小相同。為了使電磁鐵在使用中不出現(xiàn)滑動(dòng)和偏移，在安裝電磁鐵時(shí)，安裝緊固墊片和緊固螺母，如圖2，緊固墊片的直徑要比電磁鐵滑槽的開(kāi)口直徑大。本文采用電磁鐵上料，電磁鐵與板料之間存在縫隙，而非直接接觸，整個(gè)過(guò)程中振動(dòng)不大，緊固墊片就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁鐵的緊固。

2 電磁鐵的電磁力計(jì)算與選型

電磁鐵是通電產(chǎn)生電磁的一種裝置，其吸附物體的能力取決于其產(chǎn)生電磁力的大小。電磁力過(guò)小無(wú)法吸起鐵板，電磁力過(guò)大就會(huì)將整摞鐵板同時(shí)吸起［1］，所以電磁鐵的選用要進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 提升橫梁的俯視圖

吸力是電磁鐵的主要參數(shù)之一［2］。電磁吸力的大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方和氣隙的橫截面積成正比。電磁鐵的吸力計(jì)算公式為

式中：F 為電磁吸力，N；μ0為真空磁導(dǎo)率，μ0＝4π×10-7H/m；B為氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；S為磁極端界面的橫截面積；

磁導(dǎo)率是一個(gè)用來(lái)表示磁場(chǎng)媒質(zhì)磁性的物理量，也就是用來(lái)衡量物質(zhì)導(dǎo)磁能力的物理量［3］。它與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積就等于磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此，氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度公式為

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率，A/m；H為氣隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度，H/m。

對(duì)磁路進(jìn)行分析與計(jì)算，常用到一些基本的定律，其中最基本的是磁路的歐姆定律，其公式為

式中：W為磁通勢(shì)，A；N為線圈匝數(shù)；I為線圈中電流，A；L為磁路閉合回線的長(zhǎng)度，mm。

假定電磁鐵線圈的匝數(shù)N和電流I都為常數(shù)，鐵心中閉合回線的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，鐵質(zhì)薄板的閉合回線為L(zhǎng)2，電磁鐵和鐵質(zhì)薄板的間隙距離為δ0，則總磁通為

把式（2）和式（4）代入式（1），可得出吸力公式為

由式（6）可知，當(dāng)電磁鐵型號(hào)選定和接通電流一定時(shí)，電磁鐵的吸力和電磁鐵與物料之間間隙距離的平方成反比，也就是說(shuō)電磁吸力會(huì)隨著兩者的距離增大而急劇減少。無(wú)論堆放整齊的鐵板之間貼合多么緊密，理論上兩板之間仍有間隙［4］。這種間隙一般在微米級(jí)至毫米級(jí)之間，根據(jù)式（6）可見(jiàn)，即使這樣小的距離也可以使電磁鐵對(duì)第二塊薄板的吸力急劇下降。綜合以上分析，實(shí)現(xiàn)電磁鐵吸起第一塊鐵板的同時(shí)，而不粘連第二塊鐵板，是可以實(shí)現(xiàn)的。因此，采用電磁鐵上料從理論上是個(gè)可行的方案。

上料之前，板料小車(chē)上整齊堆放一摞板料。當(dāng)一個(gè)電磁鐵恰好能夠吸取一張板料，每張板料重M，則電磁鐵的最小吸力為

式中：φ為工作安全系數(shù)，取φ＝1.5；G為重力，N。

代入數(shù)據(jù)得

式中：M為單個(gè)板料的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2。

假設(shè)電磁鐵與第一張料板的距離和第一張板料與第二張板料的距離相等都為δ0，當(dāng)電磁鐵吸取2塊板料時(shí)，電磁鐵恰好能夠吸起2張板料時(shí)的吸力，就是電磁鐵的最大吸力為

電磁鐵對(duì)第二張板料的吸力為

在鐵磁質(zhì)中，B與H的關(guān)系是非線性的磁滯回線，μr不是常量，與H有關(guān)，其數(shù)值遠(yuǎn)大于1。隨著距離的增加磁感應(yīng)強(qiáng)度B是逐漸減小的，根據(jù)B＝μH，可知鐵板的磁場(chǎng)強(qiáng)度H2遠(yuǎn)小于氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度H0，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，將式中H2L2的值減少1倍，對(duì)H0的值影響不大。即為公式

電磁鐵此時(shí)剛好可以同時(shí)吸取2張鐵板，因此電磁鐵對(duì)第二張鐵板的吸力大小應(yīng)等于板料的重力，即F′=M。對(duì)比式（9）和式（10），并考慮實(shí)際運(yùn)用情況，避免同時(shí)吸起2 塊鐵板，加入工作安全系數(shù) δ2，取 δ2＝0.5，最后得出電磁鐵的最大吸力公式為

由以上計(jì)算可知，單個(gè)電磁鐵工作吸力為1.5M≤F≤2M。由于鐵板本身表面積較大且薄，所以為了提高電磁鐵上電的穩(wěn)定性和可靠性，本文在提升橫梁上均勻安裝了4個(gè)電磁鐵，結(jié)構(gòu)如圖2所示，則每個(gè)電磁鐵工作所提供的吸力f＝F/4，即為0.375M≤f≤0.5M，可以根據(jù)所吸力的大小初步選擇電磁鐵。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種自動(dòng)上料機(jī)，這種上料機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵板的自動(dòng)搬運(yùn)。并著重分析了它的上料方式--電磁鐵上料，其中介紹了電磁鐵吸力的簡(jiǎn)要計(jì)算方法，為以后電磁鐵的選型提供參考。

［1］ 韓以倫.集裝箱角柱自動(dòng)折彎生產(chǎn)線的研制［D］.青島：山東科技大學(xué)，2013.

［2］ 黃錦安，錢(qián)建平，馬鑫金.電工技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［3］ 馮慈璋，馬西奎.工程電磁場(chǎng)導(dǎo)論［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［4］ 錢(qián)家驪.電磁鐵吸力公式的討論［J］.電工技術(shù)，2001，58（4）：12-16.