精裱紙盒雙邊自動鉚接機設計與開發

王純賢，駱臣勇*，胡明月，許爍

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精裱紙盒雙邊自動鉚接機設計與開發

王純賢1，駱臣勇1*，胡明月2，許爍1

（1.合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009； 2.安徽華藝印刷包裝有限公司，安徽 宣城 242074）

針對目前工藝精裱紙盒生產線中精裱紙盒盒體與盒底單邊鉚接所存在的勞動強度大、生產效率低、質量不穩定等問題，設計開發了精裱紙盒雙邊自動鉚接系統。在總體結構設計的基礎上，重點介紹了動力傳動系統、紙盒輸送裝置、鉚釘自動供給裝置和鉚接執行裝置的設計。根據設備的控制要求，開發了基于PLC的控制系統，給出了控制流程和人機操作界面。實際應用表明，所設計開發的雙邊自動鉚接機有效的提高了鉚接裝配質量和效率，降低了勞動強度和生產成本，性能穩定可靠，適合于精裱紙盒的大批量生產。

精裱紙盒盒體與盒底；雙邊鉚接；結構設計；PLC控制

精裱紙盒是食品、飲料、酒類、醫藥、電子等行業產品配套的重要包裝產品，其形狀和結構根據所包裝的產品和工藝設計表現為各種形態[1]。圖1是某印刷包裝企業生產的酒類精裱紙盒結構，生產中需要用鉚釘將盒體底部與盒底金屬板在兩側鉚接起來。以往采用單邊鉚接機[2]進行鉚接裝配，生產中精裱紙盒盒體和盒底經壓配、卷邊工序后，由傳送帶傳送過來，操作人員手工拿起精裱紙盒，用單邊鉚接機對盒體和盒底的一側進行鉚接，之后手工翻轉精裱紙盒，再對另一側進行鉚接，最后手工放到傳送帶上傳遞到下一工序。由于單邊鉚接機自動化程度低，操作中需要不斷進行手工輔助，因此勞動強度大、生產效率低、成本高，嚴重制約著企業的生產產能。針對這一問題，從整體結構、關鍵機構、控制系統方面，對全自動雙邊鉚接機進行了較為全面的設計開發。

圖1 精裱紙盒盒體與盒底雙邊鉚接結構

1 總體結構設計

如圖2所示，雙邊自動鉚接機主要由紙盒輸送機構、定位夾緊機構、鉚釘自動供給裝置和鉚接執行機構組成。

自動運行模式下，工作過程為：精裱紙盒柔性自動生產線上，上道工序的自動卷邊機輸送機構將經過卷邊的精裱紙盒傳遞到紙盒準備位置。雙邊鉚接機檢測到該位置有待鉚接的精裱紙盒，則通過紙盒輸送機構夾緊紙盒，并沿紙盒輸送滑道將紙盒傳遞到紙盒鉚接位置，此時如果紙盒鉚接位置已有鉚接過的紙盒，則輸送機構自動將該紙盒傳送到鉚接完成位置，供下道工序設備取走。在紙盒鉚接位置，控制系統檢測到有待鉚接的紙盒，則頂起氣缸將紙盒頂起到鉚接定位夾具中，之后電磁離合器結合，電機通過帶傳動，將運動和動力傳遞到鉚接執行機構，完成雙邊鉚桿動作。鉚接過程中，鉚釘由鉚釘自動供給裝置傳送到兩側待鉚接位置。

圖2 雙邊自動鉚接機總體結構

2 關鍵機構設計

2.1 動力傳動系統設計

如圖3所示，雙邊自動鉚接機主傳動系統由三相異步電機提供動力，通過帶傳動實現減速，大帶輪起到飛輪的作用，通過電磁離合器，控制主軸的結合和分離[3]。

圖3 動力傳動系統結構

左右兩側的動力傳遞和鉚接動作完全相同。以左側為例，主軸的運動和動力通過安裝在主軸上的左偏心輪和滾子從動件，推動左移動凸輪前后運動，左彈簧1保持左偏心輪和滾子的接觸。左移動凸輪通過滾子從動件推動左推桿左右運動，帶動左鉚桿實現鉚接動作。左彈簧2保持滾子和移動凸輪始終保持接觸。左、右彈簧1和2能夠在電磁離合器脫離主軸運動后，起到制動作用。

2.2 紙盒輸送裝置設計

紙盒輸送裝置主要由直線滑臺模組[4]、隨動氣缸、隨動撥桿、前后限位板和傳感器組成（圖4）。直線滑臺模組帶動隨動氣缸和隨動撥桿直線運動，隨動氣缸驅動撥桿前后運動，實現對紙盒的夾緊和松開動作。通過前、后限位板和隨動撥桿的夾緊動作，保證了紙盒直線移動時各個位置的準確性。三個位置傳感器分別用于檢測紙盒準備位置、紙盒鉚接位置、鉚接完成位置的紙盒狀態。

2.3 鉚釘供給和鉚接執行機構設計

鉚釘供給和鉚接裝置為左右對稱結構（圖5）。以左側為例，鉚釘自動供給裝置主要由調速電機、料斗、分釘盤、滑道、分釘氣缸和鉚釘檢測傳感器組成[5]。調速電機帶動分釘盤轉動，使從料斗中放入的鉚釘，在分釘盤內部從散亂的狀態下獲得定向排列，在重力作用下，落入并整齊排列在滑槽中，通過前后兩個分釘氣缸，將鉚釘逐個送入鴨嘴機構中。分釘氣缸有前后兩個，通過擒縱動作，保證每次只有一個鉚釘進入鴨嘴機構，并通過鉚釘檢測傳感器判斷鉚釘是否進入。

鉚接執行機構主要由鉚桿、安裝在固定板上的靜鉚頭、鴨嘴機構、盒口定位夾具、抬起氣缸和紙盒位置傳感器組成。工作時，由抬起氣缸頂起紙盒進入盒口定位夾具，紙盒位置傳感器檢測到紙盒位置正確后，鉚桿運動，將鴨嘴機構中的鉚釘穿透盒體和盒底側邊，位于鉚桿頭部和靜鉚頭之間的圓頭半空心鉚釘尾部空心柱體，在擠壓力作用下切割分開形成花瓣結構，完成鉚接動作。之后，抬起氣缸下降，帶動鉚接好的紙盒回到初始位置。

圖5 鉚釘供給和鉚接裝置結構

3 控制系統設計

3.1 控制結構和硬件設計

精裱紙盒雙邊自動鉚接控制任務主要有：

（1）鉚接過程中的自動檢測。包括對紙盒位置的檢測，判斷紙盒是否到達指定位置，并對檢測的結果進行處理，根據處理結果控制執行機構執行相應的動作。

（2）執行機構的協調控制。主要包括主電機、分釘盤調速電機和直線滑臺模組步進電機驅動系統的控制[6]和各執行氣缸電磁閥的動作控制，使各執行機構按照規定的動作要求，相互配合完成自動鉚接動作。

由于PLC安全可靠，抗干擾能力強，適合工業現場使用[7]，因此系統采用PLC作為控制核心，并采用觸摸屏作為人機界面，實現對設備的參數設置和調試[8]。控制系統硬件組成如圖6所示。

圖6 控制系統硬件組成

3.2 PLC選型和控制流程設計

PLC的I/O地址分配和功能如表1，系統控制流程如圖7所示。

圖7 PLC控制流程圖

表1 PLC的I/O分配

雙邊自動鉚接機有9個數字量輸入、11個數字量輸出，因此選用某小型PLC作為控制核心。該PLC包含16點輸入、16點輸出，可以滿足使用要求，而且輸入輸出留有一定的余量，方便以后控制系統的擴展[9]。

控制系統通過PLC和觸摸屏通信，提供人機交互操作手段[10]，實現參數的設置、運行模式選擇、設備狀態顯示、故障報警提示等功能，如圖8所示。

4 結束語

針對采用單邊鉚接機進行精裱紙盒盒體與盒底雙邊鉚接時所存在的勞動強度大、生產效率低、成本高等問題，從整體結構、動力傳動系統、紙盒輸送裝置、鉚釘自動供給裝置、雙邊自動鉚接裝置、控制系統等方面對全自動雙邊鉚接機進行了較為全面的設計和開發。實際應用表明，所設計的雙邊自動鉚接機集紙盒的輸送、定位、雙邊同步鉚接功能于一體，自動完成盒體與盒底的鉚接工序，提高了裝配質量和效率，降低了勞動強度和生產成本，運行可靠，適用于精裱紙盒的大批量生產，有效提高了企業的生產產能。

圖8 系統操作主界面

[1]王艷. 彩盒行業發展趨勢及市場分析[J]. 湖南造紙（行業發展），2012（3）：3-6.

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[4]廖偉強，何佳兵，李麗秀，等. 步進電機驅動滾珠絲杠傳動分析與應用[J]. 機械傳動，2014，38（12）：171-173.

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[10]周紹輝. 基于PLC的污水站在線監控系統設計[J]. 機械，2016（10）：59-62.

Design and Development of Bilateral Automatic Riveting Machine for Refined Carton

WANG Chunxian1，LUO Chenyong1，HU Mingyue2，XU Shuo1

(1.School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Heifei 230009, China; 2.Anhui Huayi Printing & Packing Company, Xuancheng 242074, China)

A bilateral automatic riveting system for the body and bottom cover of the refined carton was designed and developed in this paper to solve the problem of labor intensity, low production efficiency, and unstable quality by means of unilateral riveting in current refined carton production lines. The overall structure design is present, and the design of power transmission system, carton delivery device, rivets automatic supply device and riveting execution device are introduced. According to the control requirements of the equipment, a control system based on PLC was developed, and the control flow and Human Machine Interaction were present. The practical application shows that the developed bilateral automatic riveting machine improves the quality and efficiency of the riveting assembly effectively, and labor intensity and production cost reduced. The equipment developed has the advantages of stable and reliable performance, and is suitable for mass production of refined cartons.

body and bottom cover of refined carton；bilateral riveting；structural design；control based on PLC

TH6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.10.009

1006－0316 (2018) 10－0039－05

2018－02－06

2016年安徽省企業發展專項：年產3000萬只工藝精裱紙盒柔性生產線技術改造項目（20161503）

王純賢（1962－），男，內蒙古赤峰人，博士，副教授，主要研究方向為CIMS、自動化加工、數字化設計與制造技術。

駱臣勇（1991－），男，安徽蕪湖人，碩士研究生，主要研究方向為機電控制與自動化。