基于重力作用的大袋包裝物碼垛機械設計

楊大春

YANG Da－chun

（淮陰工學院，江蘇 淮安 223003）

（Huaiyin Institute of Technology，Huai’an，Jiangsu 223003，China）

袋裝貨物碼放、倉儲是企業生產組織的一個重要環節，特別是生產規模大的企業，產品堆放、庫存、轉運、出庫等環節尤為重要。如何搞好產品的倉儲碼放設計，降低生產成本，是企業在進行技術改造時應著重考慮的［1］。

包裝碼垛機械簡單地講，是由包裝機械和碼垛機械組成，其中的主要部分還是包裝機械，碼垛機械是從包裝生產線上分離出來而發展起來的［2］。在自動化生產線的終端，產品以每小時數噸以至數十噸的速度源源而來，這相當于每小時要稱量、包裝、堆碼數十袋以至上千袋貨物，如此繁重、精確的工作，人力已不能勝任。因此，碼垛系統是自動化生產線的重要組成部分，處理不當往往會變成生產線的瓶頸環節。而碼垛系統要適應目前生產發展的需求，就必須采用模塊化結構［3］。采用模塊化結構不僅可以最大限度的滿足不同用戶的使用要求，還可以簡化設備的設計與制造，縮短生產周期，降低成本。

為了壓縮儲存空間以及場地管理的需要，裝滿物品的包裝袋需要碼放堆垛，從而使生產管理整潔有序。在形成堆垛后，為防止其垛坍塌，碼垛基本原則是層與層之間的包裝袋橫豎交叉擺放。另外，從堆垛美觀的角度出發，統一將大袋包裝物的縫包口朝里。

目前，已有文獻［4－6］研究并介紹了碼垛機器人的自動化碼垛情況，但碼垛機器人采購價格高，維護成本大。在中小型企業中，一般采用人工碼放的方式，勞動強度大，生產效率低。本研究以食糖袋的大袋包裝物裝盤碼垛為例，擬設計一種適合中小型乃至大型企業的基于重力作用的大袋包裝物的裝盤碼垛機械，在保證堆垛的基礎上，實現大袋包裝物裝盤碼垛的自動化，無人干預以降低勞動力成本，提高生產效率，達到整潔有序的現場管理。

1 食糖袋裝盤碼垛機械的總體方案設計

1.1 碼垛的基本原則

根據碼垛基本原則和堆垛美觀要求，層與層之間包裝袋需橫豎交叉擺放在托盤上，并且食糖袋縫包口一律朝里，第1層和第2層包裝袋的裝盤碼放形式見圖1。第1層食糖袋按圖1（a）碼放完畢后，在第1層的上面按圖1（b）碼放第2層。按照此碼放方式即可實現層與層之間的交叉并滿足食糖袋縫包口一律朝里的美觀要求。

圖1 包裝袋的裝盤碼放形式Figure 1 Palletizing style of first and second layer packaging

1.2 基于重力作用的食糖袋碼垛機械基本原理

食品袋裝滿食糖并封口后，由推袋機構將其放平（袋底在前、封口在后）在帶式輸送線上向前輸送，并在輸送過程中用軋輥將松散的食糖袋壓平實。當平實的食糖袋輸送至一定位置時，其脫離帶式輸送線由自身慣性力轉移至同向輥道上繼續在慣性力作用下向前移動，當滑行到達平滑道的落袋窗口時，在重力作用下，食糖袋基本以自由落體的方式（由于在平滑道上存在一定的滑動摩擦力）下落至碼垛托盤中。為了保證食糖袋不會越過落袋窗口，在適當位置設置限位塊。輥道及平滑道結構見圖2。

圖2 輥道及平滑道結構示意圖Figure 2 Diagram of the roller and level channel structure

1.3 托盤（碼垛機械）的運動方式

食糖袋基本以自由落體的方式在落袋窗口定點下落。基于碼垛基本原則和堆垛美觀要求，將托盤放置在碼垛機械上，則托盤隨碼垛機械按照一定的運動方式即可實現堆垛要求。圖3為托盤（碼垛機械）的基本動作次序示意圖。圖3中，在初始位置（序號1），食糖袋在落袋窗口下落至托盤A1位；碼垛機械向左移動（圖示）（序號2）至落袋窗口，停留，食糖袋下落至托盤A2位；碼垛機械繼續向左移動（圖示）（序號3）至落袋窗口，停留，食糖袋下落至托盤A3位。當落下3包食糖袋后，托盤隨碼垛機械向右回復至初始位置（序號4），在原位（初始位）順時針旋轉90°（序號5），然后同時向左微移（圖示）向后微移（圖示）（序號6）至落袋窗口（注：兩個位移量因食品袋尺寸因素有所不同），停留，食糖袋下落至托盤A4位；托盤在承接第4包后，同時向右微移（圖示△）向前微移（圖示）回復（序號7）至初始位置，在原位順時針旋轉180°（序號8），然后同時向左移動（圖示）向后微移（圖示）（序號9）至落袋窗口，停留，食糖袋下落至托盤A5位。至此，在托盤中放置了第1層的5袋食糖，實現了袋底朝外的堆垛美觀要求。此時托盤不在初始位置，需同時向右移動（圖示）向前微移（圖示）（序號10）方可使托盤處于初始位置。為達到層與層之間包裝袋橫豎交叉擺放原則，第1層碼好后，在初始位逆時針旋轉90°使第1層的5包呈圖3的序號11狀態，以便于第2層放置時食糖袋交叉落在第1層上。其余幾層的托盤動作次序和第1層的動作次序相同。

在此需要說明的是，碼垛機械的移動量有所不同，在上述內容中用了不同符號表示加以區分。

圖3 托盤動作次序示意圖Figure 3 Diagram of action sequence for pallet

2 裝盤碼垛機械的結構及其驅動設計

2.1 裝盤碼垛機械的結構設計

前已述及食糖袋基于其重力作用從落袋窗口定點落在托盤中，若要形成一定的堆垛要求，托盤必須按照一定的動作次序方可實現。托盤動作次序的完成則完全依賴碼垛機械，所以，碼垛機械應能實現上述的某層食糖袋碼放時的前移、后移、左移和右移以及回轉等一系列運動。此外，當第1層碼放完畢后，由于食糖袋的厚度尺寸，在進行下一層碼放時，托盤應下移一個食糖袋厚度尺寸高度，下移次數依碼放層數確定。為此，裝盤碼垛機械在進行結構設計時應使其能實現前移、后移、左移、右移、回轉以及上下運動，其基本結構見圖4。

圖4 碼垛機械的結構設計Figure 4 Design of structure for palletizing machine

在圖4中，將托盤平臺1固結在回轉機構2（如圖5）的托盤平臺安裝座上，并將回轉機構2的箱體固結在上滑臺3，則托盤平臺1可在回轉機構2的驅動下實現相對于上滑臺3的回轉運動。將上滑臺3通過滑移結構和下滑臺5聯接，上滑臺3可在上滑臺驅動機構4的驅動下實現相對于下滑臺5的左右移動。將下滑臺5通過滑移結構和升降平臺6聯接，下滑臺5在下滑臺驅動機構7的驅動下實現相對于升降平臺6的前后移動。升降平臺6通過剪式升降機構8在升降平臺驅動機構9的驅動下實現相對于底座（機架）10的上下運動。通過上述聯接方式，該結構實現了前后左右移動、回轉和上下運動，滿足了托盤的動作次序。

圖5 回轉機構示意圖Figure 5 Diagram of gyrating mechanism

2.2 裝盤碼垛機械的驅動機構設計

為實現托盤的精準定位，驅動機構設計顯得尤為重要。由于食品行業的特殊要求以及前述的移動位移量各有不同，所以在將驅動機構與電氣控制系統等因素綜合考慮的基礎上，以滾珠絲杠傳動系統作為驅動機構的核心部分，相關文獻［7～10］對此傳動方式已有成熟的理論和實踐依據。在該碼垛機械上，上、下滑臺驅動機構由滾珠絲杠傳動系統和伺服電機組成，滾珠絲杠傳動保證其精準定位，伺服電機配以PLC控制系統實現移動位移量的大小精準控制，如此就達到托盤平臺的前移、后移、左移和右移位移量的精準控制。由于升降平臺的上下運動定位不需要太精確，從成本控制角度，故升降平臺驅動機構由滾珠絲杠傳動系統和步進電機組成，其上下運動位移量由PLC控制系統控制。同樣，對于托盤平臺的回轉運動，在圖5中，小齒輪軸的回轉可用步進電機驅動配以PLC控制系統實現90°、180°的轉動。和升降平臺驅動機構以及上下運動移動。

3 結語

上述設計的利用食糖袋自身重力作用以自由落體方式的裝盤碼垛機，其機械結構簡單，滾珠絲杠傳動系統由伺服電機或步進電機驅動，配以PLC控制系統可方便實現裝盤碼垛的實際需求，輕易滿足碼垛基本原則和堆垛美觀要求。當然，對其它類似于食糖袋的大袋包裝物的裝盤碼垛，本設計具有一定的借鑒與參考價值。當大袋包裝物的碼垛方式與食糖袋的碼垛方式相同而其重量和尺寸有所不同時，只需從機械結構本身的強度、剛度以及驅動系統的驅動功率稍加調整即可。若碼垛方式不需要考慮縫包口一律朝里時，其PLC控制系統則可以更簡單些。

該裝盤碼垛機械的制造成本大大低于碼垛機器人采購價格，維護成本低，適應性強，且極易實現裝盤碼垛的自動化，提高生產效率，其無人干預模式可降低勞動力成本，有利于實現整潔有序的生產現場管理，是一種適合中小型乃至大型企業裝盤碼垛的必須生產設備。

1 謝求實.企業袋裝產品倉儲碼放設計研究及經濟性分析［J］.糧食與食糖工業，2010（6）：35～37.

2 丁黎光，陳小泉，李伯勝.我國包裝碼垛機械的現狀及發展趨勢［J］.廣西工學院學報，2001（3）：37～43.

3 徐國燕，柳林.包裝設計的時間和空間特征［J］.包裝工程，1999（5）：3～5.

4 李曉剛，劉晉浩.碼垛機器人的研究與應用現狀、問題及對策［J］.包裝工程，2011（2）：96～101.

5 管小清，羅慶生.碼垛機器人交錯式碼放樣式算法的研究［J］.食品與機械，2012，28（2）：83～86.

6 管小清，呂志強.工業碼垛機器人動力學仿真分析與研究［J］.食品與機械，2013，29（1）：149～176.

7 王紅旭，魏巍.直接驅動技術的發展及其應用前景［J］.制造技術與機床，2008（6）：150～154.

8 黃祖堯.精密高速滾珠絲杠副的最新發展及其應用［J］.航空制造技術，2003（4）：36～40.

9 王志民，張西忠，厲勇.滾珠絲杠傳動使用與發展［J］.機電工程技術，2004（9）：88～90.

10 許向榮，宋現春，姜洪奎.單螺母滾珠絲杠副軸向剛度的分析研究［J］.武漢理工大學學報，2009（12）：54～57.