胡錦程

（大連市金州高級中學，遼寧 大連116100）

1 研究背景

隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和居民消費水平的提升，生產(chǎn)包裝領(lǐng)域?qū)τ诠I(yè)自動化的需求逐漸加強。工業(yè)自動化生產(chǎn)線可解決傳統(tǒng)手工包裝勞動強度大、效率低、成本高等問題，具有智能化、多功能和高效率等優(yōu)點。礦泉水瓶、薯片盒等圓柱形產(chǎn)品在生活中隨處可見，數(shù)量大、應(yīng)用廣，面向圓柱形產(chǎn)品的自動裝箱移動平臺在工業(yè)自動化中呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

2 總體方案設(shè)計

2.1 技術(shù)路線

針對實際商業(yè)運行生產(chǎn)線的可靠性、智能化和模塊化的工作特征，設(shè)計完成研究過程的技術(shù)路線。首先，通過大量文獻的閱讀了解自動裝箱移動平臺的研究背景和工程意義，掌握整體的發(fā)展趨勢，重點面向于現(xiàn)有技術(shù)的不足之處開展創(chuàng)新性的研究。其次，根據(jù)實際生產(chǎn)中的運行情況，設(shè)計總體功能方案，自動裝箱移動平臺應(yīng)該包括雙層移動模塊、傳送帶裝置、傳感檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等基本功能模塊。再次，對于移動平臺的雙層移動結(jié)構(gòu)進行重點設(shè)計，雙層移動結(jié)構(gòu)是整個自動裝箱平臺的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。接下來，在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之上設(shè)計分系統(tǒng)裝置，主要包括了傳送帶裝置、氣缸壓緊裝置和其他部件。優(yōu)異的性能需要可靠的數(shù)據(jù)進行保證，因此對關(guān)鍵部件的受力情況進行了分析。最后，根據(jù)整體設(shè)計情況和實際運行環(huán)境對于模型進行修正，完成面向圓柱形產(chǎn)品的自動裝箱移動平臺的設(shè)計。

圖1 技術(shù)路線圖

2.2 系統(tǒng)組成

本文研究的自動裝箱移動平臺由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感檢測系統(tǒng)三大部分組成。其中，機械系統(tǒng)包括第一層移動裝置、第二層移動裝置、傳送帶裝置和氣缸壓緊裝置等；控制系統(tǒng)主要由西門子S7-1200 系列PLC 控制器組成，該系列控制器具有模塊化、結(jié)構(gòu)緊湊和功能全面等特點；傳感檢測系統(tǒng)主要由光電傳感器和到位開關(guān)等組成，光電傳感器用于檢測生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的產(chǎn)品移動位置情況，到位開關(guān)用于防止電機驅(qū)動下的執(zhí)行機構(gòu)超出行程范疇的意外情況。

圖2 系統(tǒng)組成圖

在機械系統(tǒng)中，第一層移動裝置主要由電機驅(qū)動下的絲杠導(dǎo)軌組成，用于提供移動平臺一個移動的自由度；第二層移動裝置垂直于第一層移動裝置，同樣采用了結(jié)構(gòu)可靠、控制方便的絲杠導(dǎo)軌機構(gòu)，為移動平臺提供了一個豎直方向的自由度。傳送帶裝置可在裝箱完畢后將包裝箱輸送至下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)，氣缸壓緊裝置可在自動裝箱操作過程中固定紙箱。

3 移動平臺的雙層移動設(shè)計

為了提高自動裝箱生產(chǎn)線的適應(yīng)性和降低對于裝箱前一環(huán)節(jié)的影響，設(shè)計原則是保持輸送端產(chǎn)品狀態(tài)不變，通過移動包裝紙箱完成整個裝箱過程。結(jié)合生產(chǎn)的實際情況，設(shè)計采用如圖3 所示的裝箱流程。

圖3 裝箱流程示意圖

其中，包裝紙箱采用工廠實際應(yīng)用的內(nèi)嵌網(wǎng)格布置的瓦楞紙箱。圓柱形產(chǎn)品通過輸送環(huán)節(jié)源源不斷的輸送進入包裝環(huán)節(jié)，要求瓦楞紙箱通過Z 軸的上下移動配合Y 軸的前后移動逐層完成裝箱，然后通過X 軸的左右移動將紙箱輸送至下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)。因此，要求自動裝箱平臺具備三個方向的自由度。X 軸方向的運動主要用于完成裝箱后的輸送工作，并不直接參與裝箱操作，可采用傳送帶裝置。Y 軸和Z 軸的運動直接用于裝箱操作，可利用滑塊導(dǎo)軌和滾珠絲杠的組合設(shè)計完成這兩個自由度的雙層移動平臺。

圖4 雙層移動平臺示意圖

雙層移動平臺示意圖如圖4 所示。其中圖4（a）為第一層移動平臺示意圖，底部支座1 和支座2 都選用型材組成，結(jié)構(gòu)牢固、拆裝便捷；在支座1 上部安裝兩組滑塊導(dǎo)軌，由兩根導(dǎo)軌和四個滑塊組合而成，用于支座2 的移動導(dǎo)向；同時在支座1 上設(shè)計有電機1 和滾珠絲杠，用于驅(qū)動支座2 在導(dǎo)軌上移動。圖4（b）為第二層移動平臺示意圖，其以支座2 作為核心框架，通過兩組電機絲杠和兩組滑塊光桿連接和驅(qū)動支座3，支座3 采用鋁合金材料，強度高質(zhì)量輕；第二層移動平臺主要實現(xiàn)升降的驅(qū)動，負載的重力長期作用于電機驅(qū)動，為了減輕電機負擔，兩根絲杠采用具備自鎖功能的梯形絲杠。這樣，相對于圖3，第一層移動平臺可以實現(xiàn)瓦楞紙箱的前后移動，即Y 軸的運動，第二層移動平臺可以實現(xiàn)瓦楞紙箱上升和下降，即Z 軸的運動。

4 分系統(tǒng)裝置的設(shè)計

4.1 傳送帶裝置

根據(jù)自動裝箱流程的設(shè)計，裝箱移動平臺應(yīng)該具備沿著X、Y 和Z 三個坐標軸移動的自由度，其中通過雙層移動的設(shè)計已經(jīng)完成了Y 軸和Z 軸的運動，X 軸的運動將采用傳送帶裝置，把裝箱完成后的紙箱輸送至下一環(huán)節(jié)。如圖5 所示，整個傳送帶裝置安裝于支座3 上，由電機4 帶動同步帶驅(qū)動整個傳送帶運動。常見的傳送帶電機驅(qū)動部分經(jīng)常選用平帶或者三角帶，本裝置設(shè)計為同步帶，整體框架結(jié)構(gòu)由型材組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊和牢固輕巧的特點，同步帶和傳送帶的配合使用既保證了持續(xù)穩(wěn)定的驅(qū)動力，又可以利用傳送帶的打滑特性防止操作異常導(dǎo)致的電機堵轉(zhuǎn)。

圖5 傳送帶裝置示意圖

4.2 氣缸壓緊裝置

當進行自動裝箱操作時，位于傳送帶上的瓦楞紙箱接收上一環(huán)節(jié)的產(chǎn)品進行入紙箱，此過程要保證紙箱位置固定，從而保證裝箱操作的順利進行。因此，設(shè)計了用于在裝箱過程中壓緊紙箱的氣缸壓緊裝置，氣缸具有控制方便、結(jié)構(gòu)緊湊的顯著優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各類生產(chǎn)線中。選用SMC 系列的短行程氣缸，配合具有條紋凸起的壓板組合成使用有效的壓緊裝置。當產(chǎn)品進入紙箱時，氣缸動作使得壓板壓緊紙箱，當裝箱完成紙箱需要輸送至下一環(huán)節(jié)時，氣缸恢復(fù)壓板松開紙箱。

圖6 氣缸壓緊裝置示意圖

5 關(guān)鍵部件的性能分析

為了保證整個裝箱系統(tǒng)運行的可靠性，需要對系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件進行驅(qū)動能力的設(shè)計與校核。整個系統(tǒng)存在三個自由度的運動，其中Y 軸和X 軸只在水平面運動，而Z 軸運動在豎直面上，驅(qū)動部件的損耗更嚴重，尤其是豎直布置的兩個梯形絲杠。因此，本文對梯形絲杠受力進行了重點分析。

螺桿選用材料為Q325；螺母選用鑄造錫青銅。根據(jù)絲杠螺母的工作狀態(tài)，在自動裝箱的工作情況下，螺紋牙經(jīng)常發(fā)生剪切和擠壓破壞，螺母材料強度低于螺桿，故只需要校核螺母螺紋牙的強度。分析整套裝箱平臺的重量和負載情況，梯形絲杠主要承受的有支座3、傳送帶裝置和氣缸壓緊裝置重量以及工作狀態(tài)下的整箱產(chǎn)品重量，選取安全系數(shù)為1.2，總重量為120kg，具體負載重量如表1 所示。

表1 絲杠螺母負載重量

經(jīng)過實際生產(chǎn)商家的調(diào)研和以往設(shè)計經(jīng)驗，對于兩套絲杠螺母支撐120kg 的重量，選取直徑14mm，螺距3mm 的絲杠，根據(jù)裝箱情況設(shè)計絲杠長度470mm，螺母工作高度為50mm。

如果將一圈螺紋沿著螺母的螺紋大徑D（單位為mm）處展開，則可視作寬度為πD 的懸臂梁。假設(shè)螺母每一圈螺紋所承受的壓力為F/u，并作用在以螺紋中徑D2為直徑的圓周上，則螺紋牙危險截面的剪切強度條件為：

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式中：

F——絲杠螺母承受的壓力，Nm；

b——螺紋牙根部的厚度，mm，對于矩形螺紋，b=0.5P，對于梯形螺紋，b=0.65P，對于30°矩形螺紋，b=0.75P，P 為螺紋螺距；

[τ]——螺母材料的許用應(yīng)力，MPa。

將參數(shù)代入式（1）中，可得出：

根據(jù)機械設(shè)計手冊可知， 青銅的許用應(yīng)力為30～40MPa，0.34MPa＜30～40MPa，剪切強度滿足要求條件。

螺紋牙危險截面的彎曲強度條件：

[σb]——螺母材料的許用彎曲應(yīng)力，MPa；其他變量同剪切強度條件公式。

將參數(shù)代入式（3）中，可得出：

根據(jù)機械設(shè)計手冊可知，青銅許用彎曲應(yīng)力為40～60MPa，0.969MPa＜40～60MPa，彎曲強度滿足條件。

6 結(jié)論和展望

本文設(shè)計了一款面向圓柱形產(chǎn)品的自動裝箱移動平臺，將傳統(tǒng)手工裝箱操作改進為機器自動操作，可以自動完成圓柱形產(chǎn)品的裝箱操作過程。整個移動平臺以雙層移動設(shè)計為基礎(chǔ)框架，以傳送帶裝置和氣缸壓緊裝置等作為輔助功能，對于關(guān)鍵部件進行了嚴謹?shù)脑O(shè)計計算，在理論上保證了平臺的穩(wěn)定性。本設(shè)計降低了對于裝箱前一部生產(chǎn)環(huán)節(jié)的依賴，具有廣泛的適應(yīng)性，可以實現(xiàn)球筒、濾芯等圓柱形產(chǎn)品的自動裝箱，具有良好的應(yīng)用前景和重要的商業(yè)價值。

由于研究時間有限，本文的研究還有一些需要進一步深入設(shè)計的方面。檢測傳感中傳感器的型號和布局形式有待進一步考慮。本設(shè)計控制系統(tǒng)采用的是西門子S7-1200 系列PLC 控制器，對于控制器的控制流程和控制梯形圖尚需編制完善。且氣動系統(tǒng)的設(shè)計可以考慮并入實際生產(chǎn)線的其他環(huán)節(jié)中，使得整個生產(chǎn)線采用一套氣動系統(tǒng)，進一步達到降低成本的目的。