面向圓柱形產品的自動裝箱移動平臺設計

胡錦程

（大連市金州高級中學，遼寧 大連116100）

1 研究背景

隨著產業結構升級和居民消費水平的提升，生產包裝領域對于工業自動化的需求逐漸加強。工業自動化生產線可解決傳統手工包裝勞動強度大、效率低、成本高等問題，具有智能化、多功能和高效率等優點。礦泉水瓶、薯片盒等圓柱形產品在生活中隨處可見，數量大、應用廣，面向圓柱形產品的自動裝箱移動平臺在工業自動化中呈現出廣闊的應用前景。

2 總體方案設計

2.1 技術路線

針對實際商業運行生產線的可靠性、智能化和模塊化的工作特征，設計完成研究過程的技術路線。首先，通過大量文獻的閱讀了解自動裝箱移動平臺的研究背景和工程意義，掌握整體的發展趨勢，重點面向于現有技術的不足之處開展創新性的研究。其次，根據實際生產中的運行情況，設計總體功能方案，自動裝箱移動平臺應該包括雙層移動模塊、傳送帶裝置、傳感檢測系統和控制系統等基本功能模塊。再次，對于移動平臺的雙層移動結構進行重點設計，雙層移動結構是整個自動裝箱平臺的結構基礎。接下來，在基礎結構之上設計分系統裝置，主要包括了傳送帶裝置、氣缸壓緊裝置和其他部件。優異的性能需要可靠的數據進行保證，因此對關鍵部件的受力情況進行了分析。最后，根據整體設計情況和實際運行環境對于模型進行修正，完成面向圓柱形產品的自動裝箱移動平臺的設計。

圖1 技術路線圖

2.2 系統組成

本文研究的自動裝箱移動平臺由機械系統、控制系統和傳感檢測系統三大部分組成。其中，機械系統包括第一層移動裝置、第二層移動裝置、傳送帶裝置和氣缸壓緊裝置等；控制系統主要由西門子S7-1200 系列PLC 控制器組成，該系列控制器具有模塊化、結構緊湊和功能全面等特點；傳感檢測系統主要由光電傳感器和到位開關等組成，光電傳感器用于檢測生產環節之間的產品移動位置情況，到位開關用于防止電機驅動下的執行機構超出行程范疇的意外情況。

圖2 系統組成圖

在機械系統中，第一層移動裝置主要由電機驅動下的絲杠導軌組成，用于提供移動平臺一個移動的自由度；第二層移動裝置垂直于第一層移動裝置，同樣采用了結構可靠、控制方便的絲杠導軌機構，為移動平臺提供了一個豎直方向的自由度。傳送帶裝置可在裝箱完畢后將包裝箱輸送至下一生產環節，氣缸壓緊裝置可在自動裝箱操作過程中固定紙箱。

3 移動平臺的雙層移動設計

為了提高自動裝箱生產線的適應性和降低對于裝箱前一環節的影響，設計原則是保持輸送端產品狀態不變，通過移動包裝紙箱完成整個裝箱過程。結合生產的實際情況，設計采用如圖3 所示的裝箱流程。

圖3 裝箱流程示意圖

其中，包裝紙箱采用工廠實際應用的內嵌網格布置的瓦楞紙箱。圓柱形產品通過輸送環節源源不斷的輸送進入包裝環節，要求瓦楞紙箱通過Z 軸的上下移動配合Y 軸的前后移動逐層完成裝箱，然后通過X 軸的左右移動將紙箱輸送至下一生產環節。因此，要求自動裝箱平臺具備三個方向的自由度。X 軸方向的運動主要用于完成裝箱后的輸送工作，并不直接參與裝箱操作，可采用傳送帶裝置。Y 軸和Z 軸的運動直接用于裝箱操作，可利用滑塊導軌和滾珠絲杠的組合設計完成這兩個自由度的雙層移動平臺。

圖4 雙層移動平臺示意圖

雙層移動平臺示意圖如圖4 所示。其中圖4（a）為第一層移動平臺示意圖，底部支座1 和支座2 都選用型材組成，結構牢固、拆裝便捷；在支座1 上部安裝兩組滑塊導軌，由兩根導軌和四個滑塊組合而成，用于支座2 的移動導向；同時在支座1 上設計有電機1 和滾珠絲杠，用于驅動支座2 在導軌上移動。圖4（b）為第二層移動平臺示意圖，其以支座2 作為核心框架，通過兩組電機絲杠和兩組滑塊光桿連接和驅動支座3，支座3 采用鋁合金材料，強度高質量輕；第二層移動平臺主要實現升降的驅動，負載的重力長期作用于電機驅動，為了減輕電機負擔，兩根絲杠采用具備自鎖功能的梯形絲杠。這樣，相對于圖3，第一層移動平臺可以實現瓦楞紙箱的前后移動，即Y 軸的運動，第二層移動平臺可以實現瓦楞紙箱上升和下降，即Z 軸的運動。

4 分系統裝置的設計

4.1 傳送帶裝置

根據自動裝箱流程的設計，裝箱移動平臺應該具備沿著X、Y 和Z 三個坐標軸移動的自由度，其中通過雙層移動的設計已經完成了Y 軸和Z 軸的運動，X 軸的運動將采用傳送帶裝置，把裝箱完成后的紙箱輸送至下一環節。如圖5 所示，整個傳送帶裝置安裝于支座3 上，由電機4 帶動同步帶驅動整個傳送帶運動。常見的傳送帶電機驅動部分經常選用平帶或者三角帶，本裝置設計為同步帶，整體框架結構由型材組成，具有結構緊湊和牢固輕巧的特點，同步帶和傳送帶的配合使用既保證了持續穩定的驅動力，又可以利用傳送帶的打滑特性防止操作異常導致的電機堵轉。

圖5 傳送帶裝置示意圖

4.2 氣缸壓緊裝置

當進行自動裝箱操作時，位于傳送帶上的瓦楞紙箱接收上一環節的產品進行入紙箱，此過程要保證紙箱位置固定，從而保證裝箱操作的順利進行。因此，設計了用于在裝箱過程中壓緊紙箱的氣缸壓緊裝置，氣缸具有控制方便、結構緊湊的顯著優點，廣泛應用于各類生產線中。選用SMC 系列的短行程氣缸，配合具有條紋凸起的壓板組合成使用有效的壓緊裝置。當產品進入紙箱時，氣缸動作使得壓板壓緊紙箱，當裝箱完成紙箱需要輸送至下一環節時，氣缸恢復壓板松開紙箱。

圖6 氣缸壓緊裝置示意圖

5 關鍵部件的性能分析

為了保證整個裝箱系統運行的可靠性，需要對系統中的關鍵部件進行驅動能力的設計與校核。整個系統存在三個自由度的運動，其中Y 軸和X 軸只在水平面運動，而Z 軸運動在豎直面上，驅動部件的損耗更嚴重，尤其是豎直布置的兩個梯形絲杠。因此，本文對梯形絲杠受力進行了重點分析。

螺桿選用材料為Q325；螺母選用鑄造錫青銅。根據絲杠螺母的工作狀態，在自動裝箱的工作情況下，螺紋牙經常發生剪切和擠壓破壞，螺母材料強度低于螺桿，故只需要校核螺母螺紋牙的強度。分析整套裝箱平臺的重量和負載情況，梯形絲杠主要承受的有支座3、傳送帶裝置和氣缸壓緊裝置重量以及工作狀態下的整箱產品重量，選取安全系數為1.2，總重量為120kg，具體負載重量如表1 所示。

表1 絲杠螺母負載重量

經過實際生產商家的調研和以往設計經驗，對于兩套絲杠螺母支撐120kg 的重量，選取直徑14mm，螺距3mm 的絲杠，根據裝箱情況設計絲杠長度470mm，螺母工作高度為50mm。

如果將一圈螺紋沿著螺母的螺紋大徑D（單位為mm）處展開，則可視作寬度為πD 的懸臂梁。假設螺母每一圈螺紋所承受的壓力為F/u，并作用在以螺紋中徑D2為直徑的圓周上，則螺紋牙危險截面的剪切強度條件為：

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式中：

F——絲杠螺母承受的壓力，Nm；

b——螺紋牙根部的厚度，mm，對于矩形螺紋，b=0.5P，對于梯形螺紋，b=0.65P，對于30°矩形螺紋，b=0.75P，P 為螺紋螺距；

[τ]——螺母材料的許用應力，MPa。

將參數代入式（1）中，可得出：

根據機械設計手冊可知， 青銅的許用應力為30～40MPa，0.34MPa＜30～40MPa，剪切強度滿足要求條件。

螺紋牙危險截面的彎曲強度條件：

[σb]——螺母材料的許用彎曲應力，MPa；其他變量同剪切強度條件公式。

將參數代入式（3）中，可得出：

根據機械設計手冊可知，青銅許用彎曲應力為40～60MPa，0.969MPa＜40～60MPa，彎曲強度滿足條件。

6 結論和展望

本文設計了一款面向圓柱形產品的自動裝箱移動平臺，將傳統手工裝箱操作改進為機器自動操作，可以自動完成圓柱形產品的裝箱操作過程。整個移動平臺以雙層移動設計為基礎框架，以傳送帶裝置和氣缸壓緊裝置等作為輔助功能，對于關鍵部件進行了嚴謹的設計計算，在理論上保證了平臺的穩定性。本設計降低了對于裝箱前一部生產環節的依賴，具有廣泛的適應性，可以實現球筒、濾芯等圓柱形產品的自動裝箱，具有良好的應用前景和重要的商業價值。

由于研究時間有限，本文的研究還有一些需要進一步深入設計的方面。檢測傳感中傳感器的型號和布局形式有待進一步考慮。本設計控制系統采用的是西門子S7-1200 系列PLC 控制器，對于控制器的控制流程和控制梯形圖尚需編制完善。且氣動系統的設計可以考慮并入實際生產線的其他環節中，使得整個生產線采用一套氣動系統，進一步達到降低成本的目的。