劉克鵬 諶紹孝*何慶中 劉 惺

0 引言

在汽車產(chǎn)業(yè)、制造業(yè)高速發(fā)展以及智能制造2025的推動(dòng)下，各類新興產(chǎn)品正在向高、精、尖的方向飛速發(fā)展，而保證產(chǎn)品能夠擁有高質(zhì)量、高穩(wěn)定性以及較長(zhǎng)壽命等性能的最大功臣屬潤(rùn)滑油脂。潤(rùn)滑油脂擁有潤(rùn)滑減磨、冷卻降溫等作用，因此各汽車廠、金屬加工廠以及機(jī)械制造廠等都會(huì)大量使用潤(rùn)滑油脂。但是潤(rùn)滑油脂大多以鐵桶包裝為主，常用的有200升大桶和18升提桶兩種，且以前者為多。但在實(shí)際銷售使用過程中，用戶無法一次用完一桶潤(rùn)滑油，打開以后長(zhǎng)時(shí)間不用，潤(rùn)滑油就有可能發(fā)生氧化變質(zhì)。因此將潤(rùn)滑油分裝成小瓶裝進(jìn)行銷售變得非常必要。當(dāng)數(shù)量較少時(shí)，分裝過程一般是由手動(dòng)完成的，而數(shù)量較多時(shí)，依舊讓人工進(jìn)行分裝的話在安全性、效率以及成本方面都可能出現(xiàn)各種問題，因此機(jī)械化分裝在大批量油品分裝的過程中起到了非常重要的作用。

1 研究現(xiàn)狀

目前，擰蓋時(shí)采用的設(shè)備種類比較繁多，主要包括人工擰蓋、液壓擰蓋、氣動(dòng)擰蓋等方式。人工擰蓋雖然比較快捷但終究只能適用于小批量分裝，一旦工作量過大便會(huì)造成人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)?，F(xiàn)有的氣動(dòng)、液壓擰蓋設(shè)備雖然可以解決人工擰蓋存在的問題，但是氣動(dòng)、液壓擰蓋設(shè)備主要配套于大型生產(chǎn)流水線，其造價(jià)高、占地面積較大，適用于大批量固定類型產(chǎn)品的擰蓋，并且液壓擰蓋設(shè)備容易產(chǎn)生污染[1]。所以氣動(dòng)、液壓擰蓋設(shè)備靈活性小，通常不能對(duì)不同類型的瓶蓋進(jìn)行分類旋壓擰緊，也不能很好地滿足產(chǎn)品類型規(guī)格多變的中小型企業(yè)的小批量生產(chǎn)的需求，特別是不適用于無流水線作業(yè)設(shè)備，僅需要完成最后瓶蓋與瓶身的旋壓環(huán)節(jié)的自動(dòng)化小型企業(yè)。

針對(duì)以上問題以及能夠更好地滿足市場(chǎng)需求，研制一種可移動(dòng)的、小型化的油品灌裝生產(chǎn)線顯得十分重要。油品分裝主要分為三大過程包括灌裝、擰緊和貼標(biāo)，擰緊過程是在灌裝工作完成以后對(duì)瓶子進(jìn)行密封擰緊工作，同時(shí)為后續(xù)的包裝貼標(biāo)等工序創(chuàng)造一定的條件。旋壓密封裝置是自動(dòng)灌裝系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，用于玻璃瓶或者PET瓶的螺紋瓶蓋的封口。由于螺紋瓶蓋具有封口快捷，開啟方便及開啟后又可重新封好等優(yōu)點(diǎn)，使其在許多產(chǎn)品的包裝中應(yīng)用越來越廣泛，比如調(diào)味品，化妝品、藥品，飲料，酒類以及油品等依靠瓶包裝的封口就需要大量采用螺紋蓋封口[2]。在油品瓶的分裝、包裝自動(dòng)生產(chǎn)過程中，旋蓋封口是由旋蓋機(jī)完成的，該設(shè)備通常設(shè)有理蓋、上蓋、旋蓋和輸送的全過程的自動(dòng)化控制[3]，通過各工作機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合，從而完成旋蓋擰緊封口等相關(guān)工作。

2 功能要求

本裝置研究重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)小型油品分裝系統(tǒng)灌裝、旋壓密封、貼標(biāo)包裝三大功能部件之一的圓形瓶瓶蓋[4]的旋壓密封裝置設(shè)計(jì)研制。針對(duì)大罐油品分零細(xì)化分裝成小瓶油品包裝后；通過輸送帶到達(dá)瓶蓋旋壓密封系統(tǒng)的指定位置；同時(shí)，瓶蓋供應(yīng)線動(dòng)作提供瓶蓋，機(jī)械手動(dòng)作抓取瓶蓋并到達(dá)旋壓位置；通過機(jī)械手的旋壓功能完成瓶蓋的旋壓密封[4]；最后通過傳送裝置將封裝好的小瓶油品推入輸送帶輸出，為小瓶油品后續(xù)的貼標(biāo)包裝創(chuàng)造條件。

該裝置提供了一種成本較低、適用性強(qiáng)的自動(dòng)化瓶蓋分類旋壓密封裝置，其中瓶蓋、瓶身的上下料、機(jī)械手的上下移動(dòng)、抓取瓶蓋、瓶蓋的旋壓擰緊都是由PLC控制系統(tǒng)-電磁閥來操控氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作[5]；機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，瓶蓋、瓶身的傳輸都是由PLC控制系統(tǒng)-電機(jī)控制[6]。并且為了滿足產(chǎn)品類型規(guī)格多變的中小型企業(yè)的小批量生產(chǎn)的需求我們?cè)谠撗b置上設(shè)計(jì)了兩條瓶身輸送線。

油品分灌裝瓶蓋的旋壓密封裝置與現(xiàn)有的擰瓶蓋機(jī)相比，該裝置的瓶蓋輸送、抓取及旋壓機(jī)構(gòu)可以識(shí)別出混合輸送的、不同顏色或者不同類型的瓶蓋，然后再對(duì)與該瓶蓋相匹配的瓶身分別進(jìn)行分類旋壓裝配，最終按照類別對(duì)裝配好的產(chǎn)品進(jìn)行分類再分別輸送到指定位置。各動(dòng)作單元中凡涉及需要?jiǎng)幼鞯臍飧锥纪ㄟ^PLC控制電磁閥的通斷電來實(shí)現(xiàn)分配控制。該裝置上還安裝了一個(gè)色標(biāo)傳感器[10]，通過色標(biāo)傳感器對(duì)瓶蓋的顏色及類型進(jìn)行檢測(cè)，不僅可以檢測(cè)出外形不相同的瓶蓋還能夠?qū)ν庑我粯?，顏色不一樣的瓶蓋的進(jìn)行顏色識(shí)別。使該裝置能夠滿足高、精、尖的要求，完成自動(dòng)分類旋壓密封裝配。并且本裝置適用于不具備自動(dòng)流水生產(chǎn)線的中小型企業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品的自動(dòng)化混合裝配，節(jié)約了裝配時(shí)間，提高了擰緊瓶蓋的工作效率。具有效率高、速度快、可靠性高和自動(dòng)化程度高等優(yōu)良特點(diǎn)。

3 主要機(jī)構(gòu)

油品分灌裝瓶蓋的旋壓密封裝置其主要組成部分如圖1所示。主要由上蓋機(jī)構(gòu)、瓶蓋及瓶身抓取機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)和擰蓋機(jī)構(gòu)組成，在PLC控制系統(tǒng)-電磁閥來操控氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)[5]和PLC控制系統(tǒng)-電機(jī)控制[6]的協(xié)同作用下，完成瓶蓋和瓶身的自動(dòng)化輸送到旋壓密封[3]的整個(gè)生產(chǎn)過程。

圖1油品分灌裝瓶蓋的旋壓密封裝置總體結(jié)構(gòu)

3.1 上蓋機(jī)構(gòu)

上蓋機(jī)構(gòu)中只需要將瓶蓋依次放在傾斜的滑軌上，瓶蓋將通過重力的作用自動(dòng)滑落到推臺(tái)上。整個(gè)上蓋機(jī)構(gòu)中最需要解決的問題就是如何能使瓶蓋剛好被推到瓶蓋抓盤的正中心，這樣一來調(diào)控好推桿氣缸的行程范圍就顯得十分重要，必須保證滑落下來的瓶蓋能夠被氣缸推的剛剛到位不能靠前也不能靠后。通過平臺(tái)的搭建過程中反復(fù)測(cè)試最終確定瓶蓋推桿氣缸的推程為65 mm。

3.2 抓取機(jī)構(gòu)

抓取機(jī)構(gòu)主要就是瓶蓋抓盤和瓶身抓盤，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

抓盤同樣也是靠氣缸來實(shí)現(xiàn)其抓放功能。對(duì)于尺寸大小不同的瓶蓋或者瓶身也是靠改變氣缸的行程來改變氣缸所能夠抓取的范圍。抓盤上的兩個(gè)夾持手可根據(jù)瓶蓋和瓶身的形狀尺寸利用3D打印[7-8]自行打印出實(shí)物并更換，這樣一來對(duì)于中小型企業(yè)而言不僅可以節(jié)約生產(chǎn)成本還能極大地提高生產(chǎn)效率。此外為了保證抓盤在跟隨傳送帶運(yùn)輸?shù)倪^程中不發(fā)生位置變化，整個(gè)裝置中每個(gè)抓盤下都必須要設(shè)計(jì)一個(gè)滑扣來保證抓盤能夠穩(wěn)定移動(dòng)。

圖2瓶蓋瓶身抓盤

3.3 傳送機(jī)構(gòu)

傳送帶的自動(dòng)運(yùn)輸是整個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要一環(huán)，傳送帶的組成部分包括傳送帶輪、傳送帶輪轉(zhuǎn)軸、傳送帶、傳送帶輪支架、傳送帶輪底座、轉(zhuǎn)動(dòng)軸套等。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3輸送帶

為了保證本裝置可以同時(shí)進(jìn)行不同種類的瓶身與瓶蓋的裝配，本裝置設(shè)計(jì)了兩條瓶身輸送線，由圖1可見。但有時(shí)可能只進(jìn)行單一種類的瓶蓋旋壓密封，可能就存在其中一條瓶身輸送線不使用的情況，因此傳送帶的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)采用了間歇性驅(qū)動(dòng)[9]的方式。最終確定輸送帶的參數(shù)為導(dǎo)軌長(zhǎng)度為300 mm；皮帶長(zhǎng)度為710 mm。

3.4 擰蓋機(jī)構(gòu)

擰蓋機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、色標(biāo)傳感器和機(jī)械手等組成，具體結(jié)構(gòu)見圖4。

機(jī)械手抓取瓶蓋后需要將瓶蓋通過左右轉(zhuǎn)動(dòng)帶到兩條瓶蓋輸送線上完成瓶蓋與瓶身的旋壓密封，最終的參數(shù)確定為抓手整體旋轉(zhuǎn)范圍±360°；旋轉(zhuǎn)氣缸擺動(dòng)角度180°±10°。

在本裝置中需要對(duì)類型相同但顏色不同的瓶蓋進(jìn)行識(shí)別所以需要用到色標(biāo)傳感器[10]來進(jìn)行顏色識(shí)別。色標(biāo)傳感器又稱作光電檢測(cè)傳感器（俗稱光電眼、光電頭），它廣泛應(yīng)用于包裝、印刷、造紙、紡織、工業(yè)辨色等行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用來檢測(cè)色標(biāo)、辨別顏色，與其他設(shè)備共同使用，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、定長(zhǎng)、辨色等功能檢測(cè)裝置。

圖4擰蓋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4 結(jié)束語

油品分灌裝瓶蓋的旋壓密封裝置通過同步齒形輸送帶傳輸光電感應(yīng)直線定位，由指狀氣缸夾持定位，推力氣缸與旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)氣缸對(duì)瓶蓋進(jìn)行旋壓密封的機(jī)電氣傳輸系統(tǒng)，在一定程度上簡(jiǎn)化了液態(tài)介質(zhì)灌裝旋壓裝置的結(jié)構(gòu)，利于實(shí)現(xiàn)裝置的小型化和機(jī)動(dòng)能力。

此外整個(gè)裝置的自動(dòng)化輸送、定位檢測(cè)、旋壓密封等由PLC編程程序化控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化工作，具有多學(xué)科技術(shù)集成應(yīng)用的特征和特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了灌裝機(jī)械的小型化、微型化，由于其體積小、重量輕（整個(gè)灌裝生產(chǎn)線可以在2～3 m2的工作平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)），即可實(shí)現(xiàn)其輕松移動(dòng)和搬運(yùn)，可以廣泛應(yīng)用于有需要的中小型企業(yè)。通過自動(dòng)化的推進(jìn)，減少了人在灌裝過程中的參與，使得液態(tài)產(chǎn)品更加衛(wèi)生，符合產(chǎn)品規(guī)范化的要求。