油品分裝瓶蓋的旋壓密封裝置研究現狀

劉克鵬 諶紹孝*何慶中 劉 惺

0 引言

在汽車產業、制造業高速發展以及智能制造2025的推動下，各類新興產品正在向高、精、尖的方向飛速發展，而保證產品能夠擁有高質量、高穩定性以及較長壽命等性能的最大功臣屬潤滑油脂。潤滑油脂擁有潤滑減磨、冷卻降溫等作用，因此各汽車廠、金屬加工廠以及機械制造廠等都會大量使用潤滑油脂。但是潤滑油脂大多以鐵桶包裝為主，常用的有200升大桶和18升提桶兩種，且以前者為多。但在實際銷售使用過程中，用戶無法一次用完一桶潤滑油，打開以后長時間不用，潤滑油就有可能發生氧化變質。因此將潤滑油分裝成小瓶裝進行銷售變得非常必要。當數量較少時，分裝過程一般是由手動完成的，而數量較多時，依舊讓人工進行分裝的話在安全性、效率以及成本方面都可能出現各種問題，因此機械化分裝在大批量油品分裝的過程中起到了非常重要的作用。

1 研究現狀

目前，擰蓋時采用的設備種類比較繁多，主要包括人工擰蓋、液壓擰蓋、氣動擰蓋等方式。人工擰蓋雖然比較快捷但終究只能適用于小批量分裝，一旦工作量過大便會造成人工勞動強度大，質量不穩定等缺點。現有的氣動、液壓擰蓋設備雖然可以解決人工擰蓋存在的問題，但是氣動、液壓擰蓋設備主要配套于大型生產流水線，其造價高、占地面積較大，適用于大批量固定類型產品的擰蓋，并且液壓擰蓋設備容易產生污染[1]。所以氣動、液壓擰蓋設備靈活性小，通常不能對不同類型的瓶蓋進行分類旋壓擰緊，也不能很好地滿足產品類型規格多變的中小型企業的小批量生產的需求，特別是不適用于無流水線作業設備，僅需要完成最后瓶蓋與瓶身的旋壓環節的自動化小型企業。

針對以上問題以及能夠更好地滿足市場需求，研制一種可移動的、小型化的油品灌裝生產線顯得十分重要。油品分裝主要分為三大過程包括灌裝、擰緊和貼標，擰緊過程是在灌裝工作完成以后對瓶子進行密封擰緊工作，同時為后續的包裝貼標等工序創造一定的條件。旋壓密封裝置是自動灌裝系統的主要設備之一，用于玻璃瓶或者PET瓶的螺紋瓶蓋的封口。由于螺紋瓶蓋具有封口快捷，開啟方便及開啟后又可重新封好等優點，使其在許多產品的包裝中應用越來越廣泛，比如調味品，化妝品、藥品，飲料，酒類以及油品等依靠瓶包裝的封口就需要大量采用螺紋蓋封口[2]。在油品瓶的分裝、包裝自動生產過程中，旋蓋封口是由旋蓋機完成的，該設備通常設有理蓋、上蓋、旋蓋和輸送的全過程的自動化控制[3]，通過各工作機構的協調配合，從而完成旋蓋擰緊封口等相關工作。

2 功能要求

本裝置研究重點在于實現小型油品分裝系統灌裝、旋壓密封、貼標包裝三大功能部件之一的圓形瓶瓶蓋[4]的旋壓密封裝置設計研制。針對大罐油品分零細化分裝成小瓶油品包裝后；通過輸送帶到達瓶蓋旋壓密封系統的指定位置；同時，瓶蓋供應線動作提供瓶蓋，機械手動作抓取瓶蓋并到達旋壓位置；通過機械手的旋壓功能完成瓶蓋的旋壓密封[4]；最后通過傳送裝置將封裝好的小瓶油品推入輸送帶輸出，為小瓶油品后續的貼標包裝創造條件。

該裝置提供了一種成本較低、適用性強的自動化瓶蓋分類旋壓密封裝置，其中瓶蓋、瓶身的上下料、機械手的上下移動、抓取瓶蓋、瓶蓋的旋壓擰緊都是由PLC控制系統-電磁閥來操控氣壓傳動系統工作[5]；機械臂的轉動，瓶蓋、瓶身的傳輸都是由PLC控制系統-電機控制[6]。并且為了滿足產品類型規格多變的中小型企業的小批量生產的需求我們在該裝置上設計了兩條瓶身輸送線。

油品分灌裝瓶蓋的旋壓密封裝置與現有的擰瓶蓋機相比，該裝置的瓶蓋輸送、抓取及旋壓機構可以識別出混合輸送的、不同顏色或者不同類型的瓶蓋，然后再對與該瓶蓋相匹配的瓶身分別進行分類旋壓裝配，最終按照類別對裝配好的產品進行分類再分別輸送到指定位置。各動作單元中凡涉及需要動作的氣缸都通過PLC控制電磁閥的通斷電來實現分配控制。該裝置上還安裝了一個色標傳感器[10]，通過色標傳感器對瓶蓋的顏色及類型進行檢測，不僅可以檢測出外形不相同的瓶蓋還能夠對外形一樣，顏色不一樣的瓶蓋的進行顏色識別。使該裝置能夠滿足高、精、尖的要求，完成自動分類旋壓密封裝配。并且本裝置適用于不具備自動流水生產線的中小型企業，可以實現多種產品的自動化混合裝配，節約了裝配時間，提高了擰緊瓶蓋的工作效率。具有效率高、速度快、可靠性高和自動化程度高等優良特點。

3 主要機構

油品分灌裝瓶蓋的旋壓密封裝置其主要組成部分如圖1所示。主要由上蓋機構、瓶蓋及瓶身抓取機構、傳送機構和擰蓋機構組成，在PLC控制系統-電磁閥來操控氣壓傳動系統[5]和PLC控制系統-電機控制[6]的協同作用下，完成瓶蓋和瓶身的自動化輸送到旋壓密封[3]的整個生產過程。

圖1油品分灌裝瓶蓋的旋壓密封裝置總體結構

3.1 上蓋機構

上蓋機構中只需要將瓶蓋依次放在傾斜的滑軌上，瓶蓋將通過重力的作用自動滑落到推臺上。整個上蓋機構中最需要解決的問題就是如何能使瓶蓋剛好被推到瓶蓋抓盤的正中心，這樣一來調控好推桿氣缸的行程范圍就顯得十分重要，必須保證滑落下來的瓶蓋能夠被氣缸推的剛剛到位不能靠前也不能靠后。通過平臺的搭建過程中反復測試最終確定瓶蓋推桿氣缸的推程為65 mm。

3.2 抓取機構

抓取機構主要就是瓶蓋抓盤和瓶身抓盤，其結構如圖2所示。

抓盤同樣也是靠氣缸來實現其抓放功能。對于尺寸大小不同的瓶蓋或者瓶身也是靠改變氣缸的行程來改變氣缸所能夠抓取的范圍。抓盤上的兩個夾持手可根據瓶蓋和瓶身的形狀尺寸利用3D打印[7-8]自行打印出實物并更換，這樣一來對于中小型企業而言不僅可以節約生產成本還能極大地提高生產效率。此外為了保證抓盤在跟隨傳送帶運輸的過程中不發生位置變化，整個裝置中每個抓盤下都必須要設計一個滑扣來保證抓盤能夠穩定移動。

圖2瓶蓋瓶身抓盤

3.3 傳送機構

傳送帶的自動運輸是整個裝置實現自動化的重要一環，傳送帶的組成部分包括傳送帶輪、傳送帶輪轉軸、傳送帶、傳送帶輪支架、傳送帶輪底座、轉動軸套等。其結構示意圖見圖3。

圖3輸送帶

為了保證本裝置可以同時進行不同種類的瓶身與瓶蓋的裝配，本裝置設計了兩條瓶身輸送線，由圖1可見。但有時可能只進行單一種類的瓶蓋旋壓密封，可能就存在其中一條瓶身輸送線不使用的情況，因此傳送帶的驅動設計采用了間歇性驅動[9]的方式。最終確定輸送帶的參數為導軌長度為300 mm；皮帶長度為710 mm。

3.4 擰蓋機構

擰蓋機構主要由伺服電機、色標傳感器和機械手等組成，具體結構見圖4。

機械手抓取瓶蓋后需要將瓶蓋通過左右轉動帶到兩條瓶蓋輸送線上完成瓶蓋與瓶身的旋壓密封，最終的參數確定為抓手整體旋轉范圍±360°；旋轉氣缸擺動角度180°±10°。

在本裝置中需要對類型相同但顏色不同的瓶蓋進行識別所以需要用到色標傳感器[10]來進行顏色識別。色標傳感器又稱作光電檢測傳感器（俗稱光電眼、光電頭），它廣泛應用于包裝、印刷、造紙、紡織、工業辨色等行業的自動控制系統中，用來檢測色標、辨別顏色，與其他設備共同使用，可以實現自動定位、定長、辨色等功能檢測裝置。

圖4擰蓋機構結構簡圖

4 結束語

油品分灌裝瓶蓋的旋壓密封裝置通過同步齒形輸送帶傳輸光電感應直線定位，由指狀氣缸夾持定位，推力氣缸與旋轉擺動氣缸對瓶蓋進行旋壓密封的機電氣傳輸系統，在一定程度上簡化了液態介質灌裝旋壓裝置的結構，利于實現裝置的小型化和機動能力。

此外整個裝置的自動化輸送、定位檢測、旋壓密封等由PLC編程程序化控制，實現了自動化工作，具有多學科技術集成應用的特征和特點。實現了灌裝機械的小型化、微型化，由于其體積小、重量輕（整個灌裝生產線可以在2～3 m2的工作平臺上實現），即可實現其輕松移動和搬運，可以廣泛應用于有需要的中小型企業。通過自動化的推進，減少了人在灌裝過程中的參與，使得液態產品更加衛生，符合產品規范化的要求。