瓷磚包裝線中裝箱系統(tǒng)的研究與設計

張明松 ， 蔡振宇 ， 張琰彬 ， 陳梓奇

（1.三峽大學機械與動力學院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002）

當前國內的瓷片磚自動包裝還不成熟，現(xiàn)有研究成果中的高速包裝瓷磚技術在包裝箱封箱和瓷磚堆垛上都有許多不足。大部分的自動化瓷磚高速包裝技術都還是依靠人力去做，不僅包裝勞動的強度高，而且現(xiàn)有的瓷磚包裝技術生產(chǎn)的質量和效率也不理想，不適應國內瓷磚市場的高速包裝需求。還有一小部分專門生產(chǎn)瓷磚的商家將國外的自動化生產(chǎn)線包裝技術加入國內生產(chǎn)線，其中最大的問題是無法完全適應繁雜的瓷磚高速包裝生產(chǎn)過程，自動化瓷磚生產(chǎn)線的高速包裝效果無法發(fā)揮出來，則不能滿足國內的需求。工人付出很多勞動力和機器配合是我國現(xiàn)存的現(xiàn)象，而且在工作中時常有可能會發(fā)生意外[1-3]。本文針對瓷磚包裝線中的裝箱系統(tǒng)進行研究和設計，進一步加強瓷磚包裝線的自動化、可靠性、穩(wěn)定性。

1 裝箱系統(tǒng)整體方案設計

國內許多學者針對瓷磚生產(chǎn)線進行了較多的研究[4-8]，裝箱系統(tǒng)是瓷磚包裝生產(chǎn)線的套袋裝箱部分，本文針對此部分復雜流程，設計了一種自動化裝箱方案，實現(xiàn)套袋和裝箱兩個步驟同時進行，節(jié)約了時間成本和人力成本。本裝置主要由四工位旋轉模塊、套袋模塊、套箱模塊三個部分組成。三個模塊組合在一起可以實現(xiàn)一摞瓷磚同時套袋套箱，整體設計方案如圖1所示。

圖1 裝箱系統(tǒng)整體設計

四工位機構分別設置1號位、2號位、3號位、4號位，其中1號位是套袋部分，2號位是套箱部分，3號位是推箱部分，4號位是預備假箱，如圖2所示。

圖2 四工位機構

瓷磚包裝過程：1號位通過套袋模塊將袋套在假箱上，夾帶機構將袋固定在假箱上，逆時針旋轉90°；2號位通過套箱模塊，將紙箱套在假箱外部，同時夾持機構將袋和紙箱夾緊，最后再旋轉90°；假箱達到水平狀態(tài)，生產(chǎn)線中捆扎好的瓷磚通過假箱后，瓷磚就完成了套袋和裝箱的工作。工作流程如圖3所示，由于假箱上分別設置套袋和套紙箱，每個部分都需要假箱達到精準的位置，所以在四工位旋轉模塊中利用分割器對四個假箱進行精準定位，從而使每個假箱都能到達理想的工作位置。

圖3 工作流程

2 裝箱裝置模塊設計

2.1 套袋模塊

套袋模塊主要是由氣動裝置和持袋機構組成，如圖4所示，其中選擇氣動裝置的主要目的是因為結構簡單、安裝方便并且成本低。

圖4 套袋模塊

套袋模塊工作流程：氣缸1控制氣缸2的位移，氣缸2主要是將包裝袋從儲袋箱中吸附運送到平臺上，從而使可吸附的包裝袋平鋪在平臺上；氣缸3再將包裝袋上部分吸附從而產(chǎn)生一個缺口，可以使持帶機構通過氣缸5的驅動伸入包裝袋；再通過氣缸4驅動使持袋機構撐開包裝袋，持袋機構退回時即可將包裝袋套入1號假箱工位，假箱上的夾持機構則將包裝袋固定在假箱上，防止包裝袋掉落。

2.2 套箱模塊

套箱部分主要是由氣動系統(tǒng)和推箱機構組成，其中推箱機構的運動由鏈輪鏈條傳動，氣動系統(tǒng)主要由氣缸1和氣缸2組成。其中氣缸1安裝吸附裝置可以產(chǎn)生負壓，可將紙箱吸附固定在工作位上。

如圖5所示，推箱機構將空箱推到氣缸1處，氣缸1與氣缸2將空箱固定，當2號工位定位完成時，氣缸2驅動推桿將空紙箱套入假箱，最后夾持機構將紙箱夾緊。

圖5 套箱模塊

2.3 四工位旋轉模塊

四工位旋轉模塊由假箱、轉盤驅動機構、夾帶機構組成，如圖6所示。在四工位旋轉裝置中，利用分割器可以驅動轉盤實現(xiàn)90°旋轉的間隙運動并同時保證運動的精準性，四工位假箱的作用是支撐塑料袋和紙箱。本模塊主要在3號工位旋轉定位之后，將捆扎好的瓷磚通過推磚裝置通過假箱，與此同時，3號工位的包裝袋和紙箱將包裹瓷磚運往傳送帶。至此整個裝箱套袋部分結束。

圖6 四工位旋轉模塊

3 參數(shù)設計

3.1 分割器

四工位旋轉裝置的間歇運動，需要用分割器來實現(xiàn)，其中分割器不僅可以實現(xiàn)間歇運動，還能使推向裝置精準定位，廣泛用于負載運動。分割器對于精確定位具有非常重要的作用，分割器使四工位裝置水平對齊，能夠使推箱裝置更好地將瓷磚推到下一個傳送帶上，減少瓷磚的磕碰，更大程度地解決了瓷磚在四工位裝箱系統(tǒng)中的難點，提高了生產(chǎn)效率并降低了失誤率。

此裝置所需分割器條件：1）可承載大直徑盤面；2）適用于重負載；3）高精度旋轉驅動。所以選擇DA超薄桌面型分割器。

此系列設計特性與平臺桌面型功能相似，驅動運轉上可承受超大軸向負載及垂直徑向壓力，在輸出端有一凸起固定盤面及大孔徑空心軸，可搭配設置動能、靜態(tài)自動化周邊設備，可將動力源的電、油、氣管路置于空心孔內，此系列機種廣泛應用于重負載、直接自動化設備的各類機構及專業(yè)機械等，作同步自動化間歇驅動。

依據(jù)表1，按要求選擇工位數(shù)為4、驅動角為90°的DA超薄桌面型分割器。

表1 DA超薄桌面型分割器參數(shù)設計

3.2 驅動軸的設計

由《機械設計手冊》查得[9]，材料力學性能數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 45鋼材料力學性能

E=2.15×10e5MPa。

并且初步選擇和估算每個軸的材料直徑和長度，材料為45鋼、調質和熱處理。材料Q235，45鋼A的取值范圍如表3所示。

表3 材料Q235，45鋼A的取值范圍

按照軸的許用切應力的計算公式[10]：

其中，軸的直徑為d，因為需要開一個鍵槽，所以軸的直徑需要增大，故驅動軸直徑取d=130 mm。

3.3 軸上受力分析

驅動軸上的軸轉矩：

其中，P為軸傳遞的額定功率（kW）；n為軸的轉速（r/min）。

軸的所受軸向力的合力為0，因此，驅動軸所受總轉矩為 T1=6 207.5 N·m。

3.4 電機的選型

3.4.1 工作電機所需功率Pw

由工作的阻力和運動的參數(shù)來確定工作電機所需功率。

已知主軸的轉矩為T1=6 207.5 N·m，主軸的轉速為n=60 r/min～70 r/min，則主軸所需功率：

所以Pw=39.0 kW～45.5 kW。

3.4.2 輸出功率Pd

因為在機械傳動的時候會產(chǎn)生一些不必要的損耗和熱量，所以輸出的功率要減去額外產(chǎn)生的熱量。

其中，η為電機和軸承之間的傳動效率，η取0.8～0.9，故：

3.4.3 電機輸入額定轉速

電動機的輸入轉速為1 000 r/min。

3.4.4 電動機型號的選擇

輸出的轉速為60 r/min～70 r/min，傳動比為15~17，所以選擇電機的輸出轉數(shù)為60 r/min，額定功率48 kW。

4 結語

本文分析和研究瓷磚包裝線中的裝箱系統(tǒng)，區(qū)別于傳統(tǒng)生產(chǎn)線復雜的裝箱流程，通過模塊化設計裝箱套袋部分，實現(xiàn)瓷磚的裝箱套袋同時進行，提高了瓷片包裝生產(chǎn)線的可靠性、平穩(wěn)性、高效性。通過對軸的位置和尺寸進行計算和校核，對電機的型號進行選擇，計算出來的尺寸能符合瓷片包裝生產(chǎn)線的性能要求。