高速通用氣動差分理蓋機(jī)

發(fā)現(xiàn)問題

2013年寒假中，我和父親在塑料制品廠中看到如下場景：工人們將生產(chǎn)出的紅白兩種油壺蓋疊放在一起，用橡皮錘人工砸合。如此原始的操作和工廠中各式先進(jìn)生產(chǎn)機(jī)器形成了鮮明對比。

進(jìn)一步的實地考察與網(wǎng)絡(luò)搜集資料調(diào)查顯示，“人工砸蓋”這一工藝流程有以下缺點：效率低下；人工操作造成難以消除的二次污染；工人勞動機(jī)械重復(fù)，勞動強(qiáng)度大。同時，我在考察中未見到現(xiàn)有壓蓋機(jī)的有關(guān)信息，網(wǎng)絡(luò)查找資料未發(fā)現(xiàn)成熟壓蓋機(jī)資料。

這一現(xiàn)狀使我萌生了設(shè)計并完成一臺代替人工砸蓋的機(jī)器的想法。結(jié)合進(jìn)一步市場調(diào)查，這樣一臺機(jī)器的設(shè)計期望是：成品率不低于99.5%；速度達(dá)到人工操作的4倍；成本不高于10萬元人民幣。

確定研究項目

通過觀察思考，我發(fā)現(xiàn)要制作一臺機(jī)器代替人工實現(xiàn)壓蓋子，它要解決的主要是3個問題：首先要解決的，是蓋子開口朝向要一致；其次，兩種蓋子能按照要求初步組合到一起；最后，是用機(jī)械力壓合兩蓋。

通過進(jìn)一步調(diào)查分析，我發(fā)現(xiàn)組蓋、壓蓋問題不難處理，可以利用間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)及沖床的原理進(jìn)行改造。而理蓋用途更廣，而且有一定的挑戰(zhàn)性。

當(dāng)前在食用油、部分飲料及洗衣液等食品日化行業(yè)，包裝容器采用帶防偽拉環(huán)的圓柱形蓋封裝的形式比較普遍。在封裝工序中，防偽蓋的分理成為一大難題，國內(nèi)現(xiàn)在尚無成熟的防偽蓋的高速自動分理技術(shù)及設(shè)備。提升式理蓋機(jī)和振動式理蓋機(jī)通用性較好，但速度太低，只有1 pcs/s左右；叉齒形理蓋器和陷阱式理蓋器速度很快，但通用性不好；尤其是在油壺蓋生產(chǎn)過程中，大多為人工分理、擺放。國外也暫未見相關(guān)報道及應(yīng)用。

研究過程

測試、總結(jié)、分析

經(jīng)過多次測試并反思與分析，我們?yōu)樾庐a(chǎn)品明確了3個方向：①要實現(xiàn)高速理蓋，應(yīng)該采用二步法分理；②叉齒形理蓋器和陷阱式理蓋器都是采用“堵”的策略，我們應(yīng)該嘗試采用“疏”的策略，從而解決卡滯的問題；③叉齒形理蓋器和陷阱式理蓋器對正反蓋子的甄別，都是采用“硬”力——固定的叉齒和陷阱，我們?yōu)槭裁床荒苁褂谩败洝绷δ兀浚∈走x的“軟”力非氣動力莫屬！

氣動差分分理器的原理設(shè)計

綜合上面總結(jié)明確的3個方向，我得出一個氣動差分分理的思路：如果將蓋子水平放置，讓一股與水平面成一定角度的氣流吹向蓋子中心位置，這股氣流將對蓋子產(chǎn)生推力，這個力可以分解為水平分力和垂直分力；蓋子有底的一面很光滑且邊緣無阻擋，水平分力會小得多；而蓋子開口的這一面，由于有側(cè)邊對氣流的阻擋，水平分力將會大得多；至于垂直分力，對于兩種朝向的蓋子應(yīng)該都是一樣大的。力可以產(chǎn)生位移，那么我們就能利用這個不同的水平分力實現(xiàn)蓋子的分理。原理設(shè)計見圖1。

如圖1所示，上下分別設(shè)置了相互平行而方向相反的氣流，形成了“差動”，所以我們稱之為氣動差動分理器，簡稱“氣動差分器”。

不同朝向的瓶蓋受同一氣流吹動作用，產(chǎn)生了明顯的分離現(xiàn)象，且分離效果與氣流方向和水平放置的瓶蓋的水平線軸線的夾角有關(guān)，大約在30°～60°間為佳。

離心分理器的深入分析

氣動差分分理器的輸出可以選擇，這是一個優(yōu)勢，但是同時也給我?guī)砹死Щ螅簯?yīng)該選擇哪一種蓋子形態(tài)作為輸出呢？經(jīng)過大量的觀察發(fā)現(xiàn)，離心分理器輸出的蓋子，開口向上的蓋子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于開口向下的蓋子數(shù)量。這是由于開口朝上的蓋子重心較低，而開口朝下的蓋子重心較高，受水平作用力后，以最下端為支點造成的。

水平運(yùn)動時，開口朝上的蓋子重心較低；而開口朝下的蓋子重心較高；在相同的合力作用下，開口朝下的蓋子比開口朝上的蓋子承受的扭矩要大一些，傾覆翻轉(zhuǎn)的概率肯定要大于開口朝上的蓋子。垂直墜落時空氣阻力作用點在蓋子下側(cè)邊中點，重力作用于重心位置，由于重力和空氣阻力作用線不重合，就會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩；而這個扭轉(zhuǎn)力矩總是朝著使蓋子向開口朝上的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。

以上兩種情況就是造成開口朝上的蓋子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于開口朝下的蓋子數(shù)量的原因。因此，可以毫不猶豫地確定：應(yīng)該選擇開口向上的蓋子形態(tài)作為輸出！

氣動差分理蓋機(jī)的制作、測試

根據(jù)上面的實驗分析和結(jié)論，采用二步分理法：離心分理器+氣動差分分理器；我們很快制作了一臺氣動差分理蓋機(jī)（見圖2）。

我們把輸出滑道和氣動差分分理器出口連接上，再向離心分理器里倒入200多個蓋子，運(yùn)行不到10秒鐘，離心分理器里的蓋子全部清空！經(jīng)過仔細(xì)檢查，輸出滑道中的蓋子全部都是開口向上！

我們又給機(jī)器加了上料器，往料倉里加入2000多個蓋子，開機(jī)。不到2分鐘，料倉中的蓋子全部分理完！輸出滑道中的蓋子全部都是開口向上！而且沒有發(fā)生一次卡滯！

我們又找來2個工人，負(fù)責(zé)不斷地給料倉里加入蓋子，并做測試記錄。在5天的測試時間里，理蓋的數(shù)量超過了100000個！而且，5天中僅出現(xiàn)了5次卡滯和8次反蓋，還都是由于蓋子的質(zhì)量有嚴(yán)重缺陷造成的，與我們的理蓋機(jī)無關(guān)。

實用性及創(chuàng)新點

◇當(dāng)前在食用油、部分飲料及洗衣液等日化行業(yè)，包裝容器多采用圓柱形防偽蓋封裝，或臺階形蓋加圓柱形防偽蓋構(gòu)成二件式組合蓋封裝，在封裝工序中，防偽蓋的高速分理成為一大難題。本項目的研究成果可以成功地解決這一問題，并在工廠實際應(yīng)用中表現(xiàn)穩(wěn)定。

◇本項目的研究提供了一種分理不規(guī)則瓶蓋的新思路即氣動差分分理，只要求蓋子的長徑比<1，可以運(yùn)用于各種形狀不規(guī)則瓶蓋的分理。

◇無需人工分理、擺放，減少了產(chǎn)品被污染的幾率（尤其是食品、日化應(yīng)用）。

◇降低工人的勞動強(qiáng)度。

◇樣機(jī)分理速度現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到6pcs/s，是人工分理速度的15倍以上。

◇本項目中采用高壓鼓風(fēng)機(jī)（渦旋氣泵）實現(xiàn)氣動差分分理，解決了現(xiàn)有工藝難以處理的問題，較之采用壓縮空氣，極大地節(jié)省了能源，也大大降低了噪聲。