食品包裝PE 塑料盒自動開盒機構的設計

余 斌， 王 珍

（哈工大機器人南昌智能制造研究院， 江西 南昌 330200）

引言

現階段食品行業對自動化生產的要求越來越高，在產品生產成本不變的情況下，要求不斷提升產品質量和效率。為減少甚至杜絕食品安全問題并提高生產效率，在糕點食品全自動化包裝生產線中包裝盒的取盒是比較關鍵的。而食品的包裝盒一般都是未打開狀態并且相互疊置在一起，因此需要專門的取盒裝置將包裝盒逐個取出在打開才能保證產線的自動化連續生產。本文所述一種PE 塑料盒自動開盒機構通過將一疊未打開的PE 盒體疊好累放在送盒輸送帶上。輸送帶依靠120 W 交流齒輪減速馬達感應電機驅動。通過給感應電機安裝調速器保證輸送帶送盒最理想的速度來實現不間斷的自動送盒。另外在輸送帶兩側安裝對射光電傳感器來做缺料提醒，盒子即將取完時報警提醒人工加入新的盒子。開盒部份由200 W 伺服電機通過PLC 精準控制。設計一組凸輪連桿機構，伺服電機的力臂經減速機增大后又經凸輪連桿機構將動力傳到真空吸盤處。真空吸盤由真空泵提供吸力，并由真空電磁閥控制將盒取出。取出的盒體通過機構下部的真空吸盤，將盒體拉開成形，完成一次取盒與開盒的動作周期。我們通過設計出這一組自動送盒，自動取盒，自動開盒三種機構，將這三種機構整合成一套設備融入整個包裝產線中，來實現整個后道包裝的全自動化生產。并且可以通過各種網絡通訊協議使開盒設備的PLC 和MES 建立連接，達到智能化生產的目的。

1 開盒機構動作流程設計

開盒機構動作流程設計為三步。第一步上吸取機構取盒，第二步下吸取機構接盒，第三步上下機構配合并通過下機構的下拉力，和上機構的上拉力來達到開盒成形的目的。首先由人工操作將一疊PE盒疊好放在送盒輸送帶上。輸送帶由變頻電機控制，給盒體提供向前的動力來補充盒體的消耗。設計一種上取盒機構由伺服電機精準控制真空吸盤的運動軌跡，使真空吸盤從起始點將盒體從存料框中取中。運動至終止點與下吸盒機構配合將盒體拉開。下吸盒機構由氣缸控制連桿，真空吸盤安裝在連桿上吸附盒體的下表面。上取盒機構真空吸盤吸附盒體的上表面。通過下吸盒氣缸的向下運動，將盒體拉開成型，完成一次動作周期。

2 開盒連桿機構原理設計

如下頁圖1 所示，1-1 為吸盒起始位置，1-2 為吸盒終止位置。設計開盒機構由桿a、桿b、桿c、桿d 組成上取盒機構[1]。桿e 和氣缸組成下接盒機構[2]。桿a 由伺服電機驅動做圓周運動，伺服電機運動一周，開盒機構完成一個運動周期[3]。桿c 由兩根桿組成固定的角度來保證每次的吸盒角度為73°。盒體疊堆放于送盒輸送帶存料框，輸送帶與水平的夾角為17°保證4 個真空吸盤組成的平面與盒體接觸時完全平行來保證吸附效率。桿d 同樣由兩根桿組成固定的90°角，并由一個鉸鏈和一個滑塊限制其自由度，保證其能完成翻轉伸縮取盒動作。

取桿a 和桿c 的鉸鏈間距為225 mm，伺服電機控制桿a 起始角度為17°。根據任意角的三角函數工式：

聯立求解得：L1=185.5 mm；L2=73.2 mm。

上吸取機構翻轉到（b）位置：

解得：L3=238 mm。

設桿a 長度為x，桿b 長度為y，則：x+y=238 mm，y-x=185.5 mm。

解得桿a 長度x=26.5 mm、桿b 長度y=211.5 mm。

下接盒機構接取角度設置30°。氣缸伸長度340 mm。氣缸鉸鏈與桿e 鉸鏈位置相對角度為62°，距離為295.5。由計算可得：

解得：L4=158.5 mm。

3 開盒連桿機構結構設計

如圖2 本機構主要由上吸盒機構、下接盒機構、送盒輸送帶、三部份組成。上吸盒機構動力由3 伺服電機加減速機組成，PLC 精準位置控制[4]，4 凸輪依靠止動螺釘固定在減速機輸出軸端，凸輪工作直徑由上計算為26.5 mm。減速機軸旋轉一周，吸盒動作從起點—終點—起點完成一次動作周期。5 連桿1 兩端分別裝有關節軸承, 由上計算關節軸承中心距為211.5 mm，一端定位凸輪上，一端定位在6 連桿2上。連桿2 鎖緊在7 傳動軸1 一端上。8 連桿3 鎖緊在傳動軸1 另一端，連桿2 與連桿3 之間夾角為59°。9 傳動軸2 通過深溝球軸承安裝在連桿3 上。12 吸盤安裝板固定在傳動軸2 上。保4 個真空吸盤所組成的吸取面在同一平面，并且與盒體存放面平行。11 連桿4 通過帶座軸承定位在基座上，本身有自潤滑套與10 軸3 連接，完成吸盒翻轉動作。下接盒機構由14 氣缸控制，氣缸運行到最大行程后的總長尺寸為340 mm。15 開盒連桿通過鉸鏈于氣缸。兩鉸連點的中心距通上述計算為158.5 mm。氣缸回程時，真空吸盤保持與水平面平行。氣缸最大行程時，吸盤面與水平面成30°角。送盒輸送帶由變頻電機加減速機控制[5]，輸送帶給物料一個向前的推力，保證物料與真空吸盤的接觸面可以完全貼合，提高吸盒效率。當塑料盒物料缺少時，由一對光電傳感器發出電信號給PLC 提示加料，同時機構停止運動[6]。

4 結語

本文首先介紹了自動開盒機的背景。先構思開盒流程，然后做機械原理設計，最后細化結構。開盒流程分為三個步驟分別是上機構真空吸盤取盒、下機構真空吸盤接盒、上下機構配合開盒。為使設計過程更加簡便清楚，故將開盒機分為三個部份，上取盒機構、下接盒機構、盒體輸送機構。在首先確定好接盒初始角為17°，開盒對接角度30°后，對三個部份單獨設計，畫出原理簡圖計算各連桿長度，最后細化各機構具體的連接方式來完成開盒機的總體結構設計。