20 L鐵桶自動(dòng)灌裝機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

（北京航天斯達(dá)科技有限公司，北京 100076）

0 引言

在國內(nèi)化工領(lǐng)域的類似聚氨酯工業(yè)液體物料灌裝方面，以前多是半自動(dòng)簡易灌裝，自動(dòng)化程度低，生產(chǎn)效率不高，同時(shí)由于該類物料常溫下會產(chǎn)生結(jié)晶、腐蝕性和毒性，會對人體造成不同程度的傷害，一些國內(nèi)有經(jīng)濟(jì)實(shí)力的企業(yè)和外資企業(yè)逐漸有購置全自動(dòng)高精高速灌裝線的需求。該設(shè)備正是應(yīng)國內(nèi)的聚氨酯原液全自動(dòng)化灌裝改造要求的背景下進(jìn)行研發(fā)的，在全自動(dòng)化改造中要求自動(dòng)灌裝線除了能適應(yīng)以上物料的所有特性之外，對整體灌裝速度做了要求，必須在 950～1 000 桶 / h［1-3］。

1 灌裝機(jī)的設(shè)計(jì)方案

針對市場和客戶的需求，研發(fā)了適用于20 L鐵桶包裝的聚氨酯鞋底原液全自動(dòng)灌裝生產(chǎn)線。根據(jù)物料不能與空氣長時(shí)間接觸以及常溫下容易結(jié)晶等特點(diǎn)，首先在灌裝工位前設(shè)計(jì)了自動(dòng)充氮?dú)庋b置，保證空桶在灌裝前桶內(nèi)充滿氮?dú)猓浯喂嘌b頭采用特殊的雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，灌裝頭的內(nèi)層用來灌裝，而外層用來沖氮?dú)猓ＷC了灌裝物料不與空氣接觸；物料輸送部分除灌裝頭末端部分其他全部加裝電伴熱系統(tǒng)，保證物料在灌裝過程中的恒定溫度，不會結(jié)晶；灌裝機(jī)采用三工位設(shè)計(jì)，空桶等待工位、灌裝工位、重桶出桶工位，采用伺服橫向推桶機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)桶的三工位間輸送，提高了橫向推桶的速度和運(yùn)行穩(wěn)定性；灌裝液體進(jìn)入灌裝閥之前設(shè)有圓形均等分配器，防止帶壓灌裝時(shí)，各個(gè)灌裝頭灌裝速度不一致而影響生產(chǎn)效率；由于該物料在調(diào)和罐中生產(chǎn)完成后不能長時(shí)間停留在罐中，灌裝機(jī)還專門設(shè)計(jì)了灌裝頭屏蔽功能，當(dāng)有一個(gè)或多個(gè)灌裝頭故障不能灌裝時(shí)，可將其關(guān)閉，保證了在少數(shù)灌裝頭故障時(shí)可繼續(xù)生產(chǎn)［4-6］，如圖1所示。

圖1 三工位灌裝機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of three-station filling machine

該灌裝機(jī)采用稱重式液面下灌裝方式。為提高灌裝速度，采用三工位設(shè)計(jì)，空桶等待工位、灌裝工位、重桶出桶工位，采用伺服橫向推桶機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)桶的三工位間輸送，并可根據(jù)客戶產(chǎn)量的要求開發(fā)出灌裝工位4～10頭等一系列產(chǎn)品。灌裝機(jī)主要包括機(jī)架、空桶輸送裝置、稱重裝置、重桶輸送裝置、伺服橫向推桶裝置、灌裝充氮系統(tǒng)、升降裝置和物料電伴熱系統(tǒng)。并在灌裝機(jī)外部安裝封閉罩門，保證灌裝區(qū)域的清潔。

灌裝機(jī)的灌裝系統(tǒng)包括分液罐、固定座、六路分液管路、兩級閥氣缸和灌裝頭。分液罐固定在機(jī)架上端，六路分液管路的上端與分液罐的底部連通，且該六路分液管路與分液罐的連接處在同一圓周上均勻分布；分液罐底部中央為向上凸起結(jié)構(gòu)，保證液罐底部不存物料；分液管路下端依次通過軟管、流量控制閥連接到灌裝頭的進(jìn)料口；灌裝頭采用液面下灌裝用的下開閥式雙層灌裝閥，在傳統(tǒng)的灌裝閥外部加裝了套層，可通過氮?dú)夤苈窞楣嘌b頭充氮?dú)猓漤敹嗽O(shè)置有兩級開閥氣缸，使末端閥門開口有兩個(gè)開度，開閥氣缸的活塞桿與該灌裝閥的閥桿連接，從而控制該灌裝閥的實(shí)現(xiàn)全開和半開；進(jìn)液管路的灌注速度大于所有灌裝閥的灌注速度之和。

灌裝機(jī)的電伴熱系統(tǒng)主要包括伴熱帶、終端接線盒、溫度傳感器、溫度控制儀表，所有物料流經(jīng)的管路除灌裝頭部分外全部纏繞伴熱帶，每個(gè)灌裝頭為單獨(dú)一路伴熱回路，通過終端接線盒匯流，溫度傳感器檢測管路實(shí)際溫度，由溫度控制儀表根據(jù)設(shè)定溫度與實(shí)際溫度進(jìn)行比較進(jìn)而控制電伴熱系統(tǒng)回路供電的通斷，以保證物料管路溫度一直保持設(shè)定溫度恒定不變。

伺服橫向推桶裝置包括伺服電機(jī)、滾珠絲杠傳動(dòng)裝置、橫向推桶機(jī)架、吸桶器以及桶型專用模具。如圖2所示。

圖2 伺服橫向推桶裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structural diagram of servo transverse barrel pushing device

吸桶器由氣缸和安裝磁鐵的吸桶平板組成，六個(gè)吸桶器安裝在橫向推桶機(jī)架的前端，分別正對六個(gè)灌裝秤臺，在吸桶器的兩端安裝了桶型專用模具，吸桶器的磁性吸桶平板在正常縮回狀態(tài)下與模具不在同一平面，比模具在橫向推桶方向靠后一定距離，而吸桶器的磁性吸桶平板在伸出狀態(tài)下則與模具在同一平面，桶型專用模具與空桶輸送裝置的分桶器一起配合來定位桶在進(jìn)出桶方向上的位置，保證6只空桶能準(zhǔn)備橫移到灌裝工位的秤臺中心，同時(shí)保證了桶口正對灌裝頭。伺服橫向推桶裝置在在伺服電機(jī)加滾珠絲杠傳動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下橫向推桶機(jī)架帶動(dòng)吸桶器和桶型專用模具可分別移動(dòng)到空桶等待工位，灌裝工位以及重桶輸送工位，橫向推桶裝置在向橫向推桶向前方向移動(dòng)時(shí)，首先吸桶器伸出，當(dāng)移動(dòng)到空桶工位時(shí)，六個(gè)桶型模具卡住6只空桶兩側(cè)，同時(shí)吸桶器磁性吸桶平板吸住桶側(cè)面，繼續(xù)向前移動(dòng)時(shí)，6只空桶接觸到灌裝工位6個(gè)秤臺上的已灌裝完成的對應(yīng)重桶，帶動(dòng)重桶繼續(xù)向前移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到6只重桶進(jìn)入重桶輸送工位時(shí)，伺服橫向推桶裝置停止向前移動(dòng)，開始向后移動(dòng)，這樣重桶和空桶脫開，重桶留在重桶輸送工位并輸送出灌裝機(jī)，而空桶在吸桶器的磁性吸桶平板帶動(dòng)下繼續(xù)向后移動(dòng)，待空桶移動(dòng)到灌裝工位的秤臺中心時(shí)，停止向后移動(dòng)，此時(shí)吸桶器的磁性吸桶平板縮回，在桶型專用模具的定位下，空桶與吸桶器脫開，當(dāng)伺服橫向推桶裝置繼續(xù)向后移動(dòng)時(shí)，空桶留在了灌裝工位秤臺上并進(jìn)行灌裝動(dòng)作，最后伺服橫向推桶裝置移動(dòng)到初始位置，此時(shí)空桶工位可繼續(xù)進(jìn)桶，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。

灌裝機(jī)的完整工作流程如下：首先，沖氮完畢的空桶依次進(jìn)入空桶等待工位，通過分桶器自動(dòng)將桶等距離分開，分別對應(yīng)灌裝工位秤臺中心，伺服推桶裝置啟動(dòng)將空桶向灌裝工位方向移動(dòng)，同時(shí)將灌裝工位已經(jīng)灌裝完畢的重桶推到重桶出桶工位，此時(shí)伺服推桶裝置向后移動(dòng)，將空桶拉回灌裝工位秤臺中心，此時(shí)伺服推桶裝置與空桶脫開，繼續(xù)向后移動(dòng)到原始位置，空桶工位準(zhǔn)備下一節(jié)拍進(jìn)桶，而當(dāng)伺服推桶裝置連同空桶后移到灌裝工位時(shí)，重桶輸送線體啟動(dòng)將重桶輸出灌裝機(jī)，而當(dāng)伺服推桶裝置與空桶脫開后移時(shí)，灌裝頭在升降裝置帶動(dòng)下插開始灌裝，灌裝分大小流量兩步灌裝，在灌裝過程中通過程序控制灌裝頭逐漸升起，保證始終液面下灌裝，同時(shí)通過灌裝頭的外層充氮?dú)猓ＷC物料始終不與空氣接觸。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制方案如圖3所示。

圖3 控制方案示意Fig.3 Schematic diagram of control scheme

該控制系統(tǒng)采用PLC作為控制單元，觸摸屏作為人機(jī)交互界面，灌裝稱重部分采用稱重儀表控制，稱重儀表與PLC通過RS-485方式進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)重量數(shù)據(jù)以及控制指令的通信。PLC的位控模塊向伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行位置指令發(fā)送，以實(shí)現(xiàn)三工位伺服撥通機(jī)構(gòu)的控制。PLC通過與溫控儀表與溫度傳感器實(shí)現(xiàn)恒溫加熱單元的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)灌裝管道的恒溫加熱控制［7-9］。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)全部采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按照生產(chǎn)線的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行劃分，主要包括：空桶輸送線控制程序、三工位伺服撥桶控制程序、稱重灌裝控制程序、恒溫加熱控制程序等。軟件總體流程見圖4。

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of the program

在系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行后，首先初始化所有參數(shù)，開始空桶輸送工位進(jìn)桶的同時(shí)將大小流量關(guān)閉值下載到稱重儀表里，稱重儀表會根據(jù)接受到的數(shù)值自動(dòng)控制打開和關(guān)閉大小流量閥門，伺服撥桶機(jī)構(gòu)將準(zhǔn)備就緒的空桶橫向推向灌裝工位開始灌裝，待灌裝完成后伺服撥桶機(jī)構(gòu)將再次準(zhǔn)備就緒的空桶連同灌裝完畢的重桶一起推出至出桶工位，再將空桶倒退回灌裝工位進(jìn)行下一次灌裝，同時(shí)系統(tǒng)將更新的灌裝數(shù)據(jù)再次下載至稱重儀表內(nèi)。

3 結(jié)語

該包裝線吸收了現(xiàn)有國內(nèi)外化工產(chǎn)品灌裝機(jī)各自的長處，具有高精度、高速度、高自動(dòng)化和方便操作的優(yōu)點(diǎn)。主要有以下幾個(gè)方面優(yōu)勢：

（1）采取了灌裝機(jī)三工位設(shè)計(jì)，進(jìn)桶，灌裝與出桶并行進(jìn)行，并且橫向撥桶裝置采用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，縮減了灌裝循環(huán)節(jié)拍，提升了運(yùn)行速度和穩(wěn)定性；同樣是6頭20 L灌裝機(jī)，傳統(tǒng)直線式進(jìn)桶方式灌裝機(jī)的灌裝速度的約600～700桶/h，而三工位方式灌裝機(jī)的灌裝速度為950～1 000桶/h，整體運(yùn)行速度提升了將近40%。

（2）灌裝閥采用了雙層設(shè)計(jì)，內(nèi)層灌裝物料，外層充氮?dú)猓诠嘌b的同時(shí)為物料的上表面充氮?dú)猓鉀Q了灌裝時(shí)物料的上液面與空氣接觸的問題，有效的防止物料變質(zhì)，為不能與空氣接觸的同類型工業(yè)物料的灌裝提供了很好的解決方案，具有很好的推廣價(jià)值。

（3）自動(dòng)提升理蓋機(jī)利用蓋正反垂直提升時(shí)重心位置變化原理設(shè)計(jì)的理蓋提升機(jī)構(gòu)，較傳統(tǒng)的震動(dòng)式理蓋機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，理蓋速度大大提升，具有較高的推廣意義。

自從該產(chǎn)品研發(fā)成功以來，運(yùn)行穩(wěn)定，得到了客戶的好評，市場前景良好，目前已經(jīng)銷售到國內(nèi)某化工廠共計(jì)十多套，年產(chǎn)量大大提高，減少了人工勞動(dòng)成本，使用效果良好，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，得到了客戶的好評。同時(shí)產(chǎn)品提高了在包裝行業(yè)內(nèi)的品牌知名度和影響力，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。