□ 陳金鑫

黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 150028

1 設(shè)計(jì)背景

20世紀(jì)80年代,包裝機(jī)械在煙草加工、制糖、鹽業(yè)行業(yè)發(fā)展緩慢。20世紀(jì)90年代后期,經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展,市場(chǎng)對(duì)包裝機(jī)械的需求不斷增加,包裝機(jī)械發(fā)展迅速。目前,我國包裝機(jī)械的開發(fā)目前仍存在不少問題。一是缺乏宏觀調(diào)控,在產(chǎn)品生產(chǎn)和開發(fā)上出現(xiàn)低水平無序競爭。二是缺乏資金投入,設(shè)備更新迭代速度緩慢,難以進(jìn)行大量高新技術(shù)的開發(fā)。三是缺乏專業(yè)技術(shù)人員,導(dǎo)致自主開發(fā)產(chǎn)品和創(chuàng)新能力不足?？梢?實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)械的自動(dòng)化或半自動(dòng)化開發(fā),具有重要意義。筆者設(shè)計(jì)了自動(dòng)貼標(biāo)機(jī),具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

2 技術(shù)路線

貼標(biāo)機(jī)是包裝機(jī)械的一種,通常在包裝結(jié)束時(shí)用粘合劑將標(biāo)簽粘貼到指定的容器上。市場(chǎng)上貼標(biāo)機(jī)的種類很多,功能各異,但基本原理都相似。市面上常用的貼標(biāo)機(jī)一般可完成平面粘貼、單面或多面粘貼、柱面粘貼、局部或全部粘貼、凹陷及邊角部位粘貼等各種作業(yè)功能。筆者基于貼標(biāo)機(jī)的技術(shù)要求和貼標(biāo)工藝要求,給出自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)的技術(shù)路線,如圖1所示。

筆者設(shè)計(jì)的自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)主要具有三方面功能。自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)頭可以精確地將標(biāo)簽粘貼到容器表面。自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)頭有一定的運(yùn)動(dòng)范圍,貼標(biāo)頭可以上下移動(dòng),適應(yīng)不同的貼標(biāo)高度。維修和安裝方便,成本不過于昂貴。所設(shè)計(jì)的自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

▲圖1 自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)技術(shù)路線

▲圖2 自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)整體結(jié)構(gòu)

3 設(shè)計(jì)

自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)主要由可編程序控制器、輸送機(jī)構(gòu)、貼標(biāo)頭三大部分組成。

3.1 可編程序控制器

可編程序控制器具有高實(shí)時(shí)性和可靠性、系統(tǒng)配件選擇較為靈活等優(yōu)點(diǎn),采用模塊化結(jié)構(gòu)。選擇西門子 S7-300 系列可編程序控制器。S7-300系列可編程序控制器屬于模塊化小型控制系統(tǒng),能夠滿足中等性能要求的應(yīng)用,具備高速指令運(yùn)算速度,用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算,可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算。S7-300系列可編程序控制器設(shè)置有操作方式選擇開關(guān),操作方式選擇開關(guān)拔出后,不能改變操作方式,可以防止應(yīng)用程序被非法刪除或改寫。

3.2 輸送機(jī)構(gòu)

輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示,由鏈板、伺服電機(jī)、置物平臺(tái)、導(dǎo)向板等部分組成。可編程序控制器設(shè)置速度參數(shù),以達(dá)到控制傳送速度的目的。伺服電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接,彈性聯(lián)軸器主要起傳遞扭矩、補(bǔ)償軸間安裝偏差、吸收設(shè)備振動(dòng)、緩沖載荷沖擊等作用。

▲圖3 輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)工作時(shí),伺服電機(jī)帶動(dòng)傳送鏈運(yùn)動(dòng),機(jī)械手將需要貼標(biāo)簽的容器抓取到傳送帶的起始位置。導(dǎo)向板上安裝有傳感器,根據(jù)不同容器的外形,使容器沿預(yù)定路線傳送。容器貼標(biāo)完成后,傳送鏈持續(xù)傳動(dòng)。在傳送帶末端設(shè)置有導(dǎo)向板,能改變已貼標(biāo)簽容器的前行方向,到達(dá)置物平臺(tái)。最后由人工或者機(jī)械手進(jìn)行整理、打包。

3.3 貼標(biāo)頭

貼標(biāo)頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。貼標(biāo)頭是自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。貼標(biāo)卷紙安裝在料盤軸上,伺服電機(jī)通過帶輪驅(qū)動(dòng)放料裝置中的主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),在摩擦力的作用下,牽引貼標(biāo)卷紙運(yùn)動(dòng)。在貼標(biāo)過程中,貼標(biāo)卷紙始終保持一定的張力,避免出現(xiàn)松弛現(xiàn)象。貼標(biāo)卷紙帶經(jīng)過剝標(biāo)板后,貼標(biāo)卷紙上的標(biāo)簽與底板分離,標(biāo)簽在慣性作用下繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。由于貼標(biāo)容器與標(biāo)簽之間擠壓,使標(biāo)簽牢固地粘在貼標(biāo)容器表面。底板卷紙由伺服電機(jī)帶動(dòng)收料軸進(jìn)行回收,等待貼標(biāo)工作完成后,人工取下收料軸上的底板卷紙廢料,進(jìn)行下一輪工作。

▲圖4 貼標(biāo)頭結(jié)構(gòu)

4 靜力學(xué)分析

筆者以標(biāo)頭底板為研究對(duì)象,應(yīng)用SolidWorks軟件建立三維模型。在保證分析精度的前提下,為便于模型處理和分析,對(duì)倒角、螺紋、裝配孔等結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。應(yīng)用ANSYS Workbench軟件建立標(biāo)頭底板靜力學(xué)模型,得到整體變形云圖,如圖5所示。

▲圖5 標(biāo)頭底板變形云圖

標(biāo)頭底板材料選用Q235鋼,密度為7 850 kg/m3,彈性模量為200 GPa,泊松比為0.3,屈服強(qiáng)度為235 MPa。Q235鋼含碳量較低,綜合性能較好,強(qiáng)度、塑性和焊接性能具佳,大量應(yīng)用于對(duì)機(jī)械性能要求不高的機(jī)械零件。

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的重要環(huán)節(jié)。模型采用自由網(wǎng)格劃分,各部件采用ANSYS Workbench 軟件中的Bonded接觸單元進(jìn)行連接。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),將單元尺寸控制在4 mm以內(nèi),劃分速度選取慢速、平滑過渡,網(wǎng)格相關(guān)度為100,轉(zhuǎn)換比例為0.272,得到有限元分析模型包含29 460個(gè)單元、16 415個(gè)節(jié)點(diǎn)。

由圖5可以看出,在靜態(tài)載荷作用下,變形最大的位置出現(xiàn)在標(biāo)頭底板邊緣部位,值為9.83×10-7mm,能夠滿足設(shè)備的使用性能要求。標(biāo)頭底板在靜載荷作用下受到影響的部位為中心及邊緣,連接孔在載荷作用下的變形范圍為0～2.19×10-7mm,未發(fā)生較大變形,結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

由以上分析可見,標(biāo)頭底板在正常工作狀態(tài)下的最大變形在可承受范圍內(nèi),標(biāo)頭底板能夠滿足設(shè)計(jì)要求和正常的工作需要。

5 結(jié)束語

筆者針對(duì)市場(chǎng)上常見的貼標(biāo)機(jī)進(jìn)行分析與改進(jìn),設(shè)計(jì)了自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)。自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)以可編程序控制器為核心,采用機(jī)電一體化系統(tǒng)性設(shè)備,既可以在單機(jī)小作坊使用,也具備大中型生產(chǎn)車間柔性自動(dòng)化對(duì)接使用的優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)的開發(fā)減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,被貼標(biāo)的容器具有廣泛性,適用于形狀規(guī)則或者貼標(biāo)區(qū)域面積較大的容器,符合現(xiàn)代包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)要求和理念。

自動(dòng)貼標(biāo)機(jī)滿足客戶產(chǎn)品多樣化和貼標(biāo)準(zhǔn)確化的需求,具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。