瓶裝墨水包裝流水線自動(dòng)化升級(jí)改造

徐衛(wèi)華

上海精細(xì)文化用品有限公司 上海 314305

一、引言

自來水筆（俗稱鋼筆）自十九世紀(jì)初發(fā)明以來至今，已成為人們工作、學(xué)習(xí)和生活中普遍使用并喜愛的書寫工具。伴隨著自來水筆的興起和發(fā)展，自來水筆墨水作為書寫配套產(chǎn)品，以方便攜帶的小玻璃瓶瓶裝形式逐步走進(jìn)了辦公樓、學(xué)校和千家萬戶。隨著人們書寫習(xí)慣的形成、對(duì)顏色多樣性的喜好和要求，自來水筆墨水由最初經(jīng)典的四色(即黑色、藍(lán)黑色、純藍(lán)色、紅色)發(fā)展至今已具有紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等幾十種豐富多彩的顏色，可供消費(fèi)者選用。其包裝形式也由原來瓶型、容量比較單一，向外觀精致、形狀多樣的方向發(fā)展，容量有10ml～70ml裝可供選擇，并以40ml～60ml居多。事實(shí)上，除了具有文字、繪畫的書寫功能以外，一套外觀新穎漂亮、色彩鮮艷并具個(gè)性化的瓶裝墨水所呈現(xiàn)出的點(diǎn)綴和裝飾功能也越來越受到年輕人的青睞與喜愛。

二、國內(nèi)墨水工業(yè)化生產(chǎn)概況

國內(nèi)自來水筆墨水實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，最早可以追溯到上世紀(jì)二十年代，在滬上老字號(hào)企業(yè)上海墨水廠（前身民生墨水廠）制造產(chǎn)生了第一滴化學(xué)墨水，經(jīng)過近百年的發(fā)展演變，生產(chǎn)工藝和裝備都得到了很大的改進(jìn)。自來水筆墨水的工業(yè)化生產(chǎn)制造可以分為兩個(gè)部分（工序），即墨水制造與墨水包裝，如下（圖1）所示。

圖1 墨水的生產(chǎn)制造過程

而墨水的包裝工序按先后順序又可以細(xì)分為上瓶、墨水灌裝、旋蓋緊蓋、貼標(biāo)、包裝（小盒、中盒、外箱）多步驟流水作業(yè)，如下（圖2）所示。

圖2 墨水包裝工序手工流水線作業(yè)流程

縱觀目前國內(nèi)墨水生產(chǎn)的幾家規(guī)模企業(yè)，墨水制造工序以耐酸堿腐蝕的搪瓷或不銹鋼混合鍋、耐腐蝕塑料或不銹鋼儲(chǔ)存槽以及管道聯(lián)接，較早時(shí)期已實(shí)現(xiàn)裝備產(chǎn)能高、生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、物料管道化輸送的規(guī)模化生產(chǎn)[1]。但是，直到2010年之前，國內(nèi)墨水包裝工序除個(gè)別工位初步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化或半機(jī)械化改造外，其余工位仍處于依靠勞動(dòng)密集型的手工作業(yè)來完成。由于手工作業(yè)的局限性以及勞動(dòng)者個(gè)體的差異，整條手工流水線存在著生產(chǎn)產(chǎn)能低、效率低、勞動(dòng)力成本高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。由此，研究實(shí)現(xiàn)墨水包裝工序流水線自動(dòng)化升級(jí)，以提高產(chǎn)能、提高效率、降低成本、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，成為了一個(gè)突出的技術(shù)攻關(guān)課題。我們通過下列方案，研究確定工藝參數(shù)、配套機(jī)械設(shè)備和電子電器，設(shè)計(jì)并制造形成了一條自來水筆瓶裝墨水自動(dòng)化包裝流水線，用于工業(yè)生產(chǎn)。

三、自動(dòng)化包裝流水線工位與產(chǎn)能設(shè)計(jì)

一般情況下，一條約20m長并配備24～28名熟練工人的墨水手工包裝流水線，實(shí)際操作中圍繞操作臺(tái)板把人員分為若干個(gè)小組（單元），分別承擔(dān)從上瓶、灌墨、旋蓋、緊蓋、貼標(biāo)、折小盒、裝小瓶、折打盒、裝打盒、裝外箱等全部工作任務(wù)，形成流水作業(yè)。正常情況下，8小時(shí)日工作制，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)件日產(chǎn)量約為400箱，全年250天工日，年產(chǎn)量在10萬箱左右即1200萬瓶。

將以上人工作業(yè)動(dòng)作進(jìn)行拆解、合并、歸納、演化，以機(jī)器設(shè)備來取代完成，就構(gòu)成了自動(dòng)化流水線工位雛形。總結(jié)幾十年來生產(chǎn)實(shí)踐，經(jīng)過研究，我們確定了自動(dòng)化流水線包含從理瓶→灌旋→檢漏→烘干→貼標(biāo)→裝小盒為止的六步工位，其中理瓶、灌旋、貼標(biāo)、裝小盒為功能性主工位，檢漏、烘干則是為保質(zhì)保量完成主工位任務(wù)而專門設(shè)置的改良型副工位，如下（圖3）所示。

圖3 墨水包裝工序自動(dòng)化流水線工位流程

依據(jù)企業(yè)多年來墨水產(chǎn)品經(jīng)營實(shí)際并結(jié)合市場產(chǎn)品需求狀況，我們?cè)O(shè)定，以企業(yè)經(jīng)典瓶型八角瓶為對(duì)象，瓶子規(guī)格長、寬、高分別為62mm、40.5mm、58.4mm，總?cè)萘?6ml，實(shí)際灌裝50ml；自動(dòng)化流水線設(shè)計(jì)產(chǎn)能為每分鐘120瓶，全年開工250天，則年生產(chǎn)能力1350萬瓶，這是各工位產(chǎn)能設(shè)計(jì)必須共同達(dá)到的指標(biāo)。在這個(gè)前提下，研究確定各工位工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)配置機(jī)械設(shè)備、電子電器，實(shí)現(xiàn)各工位功能要求。

四、自動(dòng)化包裝流水線各工位功能與設(shè)備概述

（一）理瓶

理瓶工位功能由理瓶機(jī)完成。來自于外采購的玻璃空瓶在經(jīng)過理瓶機(jī)整理后，把空瓶送入下道工位。外采購的玻璃空瓶以一垛為一個(gè)獨(dú)立單元，垛長1.2m、寬1.0m、高18層，每層托盤有464個(gè)瓶子，每垛共8352個(gè)空瓶。由電動(dòng)升降車與理瓶機(jī)緊密銜接，通過理瓶機(jī)整理，使空瓶依次排列、源源不斷地進(jìn)入輸送帶流入下道工位。聯(lián)接整個(gè)流水線各工位的不銹鋼輸送帶寬為83mm，輸送帶軌道護(hù)欄寬度為42mm。

理瓶機(jī)主要由不銹鋼材料輸送平臺(tái)與輸送帶等部件構(gòu)成，平臺(tái)呈三角形，三角形高2.3m、底寬1.46m，可容納900多個(gè)瓶子約兩層瓶子量可以周轉(zhuǎn)。滿負(fù)荷條件下，8h一個(gè)班次需要吞吐約6～7垛空瓶，上瓶作業(yè)由人工完成和控制。理瓶機(jī)如下（圖4）所示。

圖4 理瓶機(jī)實(shí)物圖

（二）灌旋

灌旋工位由全自動(dòng)跟蹤灌旋一體機(jī)完成墨水灌裝、瓶口上蓋及旋蓋功能。把墨水灌裝、上蓋旋蓋布置在同一工位無延時(shí)聯(lián)接，主要是考慮到墨水灌裝完成后，應(yīng)盡可能快地完成上蓋和旋蓋作業(yè)，以免因生產(chǎn)輸送過程中由于機(jī)械設(shè)備發(fā)生的震動(dòng)使墨水從瓶口濺出造成污染與數(shù)量缺損。

灌旋一體機(jī)主要有灌裝部、供蓋部、旋蓋部三部分構(gòu)成。灌裝部設(shè)有四個(gè)可放置不同顏色墨水的墨水料箱，安裝有10頭可同時(shí)精準(zhǔn)計(jì)量的蠕動(dòng)泵，旋轉(zhuǎn)式灌裝底座設(shè)有20個(gè)瓶位。供蓋部由理蓋器、上蓋機(jī)、供蓋盤等構(gòu)成，經(jīng)過理蓋、上蓋等一系列動(dòng)作使蓋子進(jìn)入供蓋盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈后有序送出，由抓蓋頭抓好蓋子進(jìn)入旋蓋作業(yè)。旋蓋部由8頭旋蓋頭、爪頭器等部件組成，當(dāng)蓋子旋至要求的扭力時(shí)，爪頭會(huì)自動(dòng)離合，爪蓋、瓶子相對(duì)靜止，完成旋蓋作業(yè)。

灌旋一體機(jī)進(jìn)瓶系統(tǒng)采用螺桿分瓶裝置，確保了進(jìn)瓶順暢，在進(jìn)瓶方向加裝有光電檢測裝置，實(shí)現(xiàn)了堵瓶、缺瓶自動(dòng)停機(jī)并報(bào)警功能。灌旋作業(yè)完成后，裝有出瓶剔除裝置，由檢測光電和氣動(dòng)手指組成，當(dāng)檢測到瓶蓋缺陷（指缺蓋、松蓋、斜蓋）時(shí)，氣動(dòng)手指將不合格品導(dǎo)入到不合格品輸送帶上。灌旋一體機(jī)如下（圖5）所示。

圖5 灌旋一體機(jī)實(shí)物圖

灌旋一體機(jī)每次灌裝動(dòng)作由10頭蠕動(dòng)泵同時(shí)作業(yè)，一輪次灌裝10瓶墨水，為達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能，整體上一輪次灌裝時(shí)間控制約2s；因蠕動(dòng)泵個(gè)體差異，可調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵灌裝流量和時(shí)間以確保墨水灌裝精準(zhǔn)，符合容量允差。本企業(yè)所用瓶蓋是一次成形的PP材料雙色瓶蓋，瓶蓋上部鑲有本企業(yè)品牌特有元素，防偽效果好，是市場上獨(dú)一無二的瓶蓋，將旋蓋扭力控制在1.5～2.0N·m即達(dá)到旋緊要求。

（三）檢漏

如果前道工位瓶子因沙眼、裂縫、瓶口有缺口、瓶口變形以及瓶蓋缺陷未檢出等原因造成墨水滲漏或滴漏，則將會(huì)在去后道工位的輸送過程中以及后道工位作業(yè)中造成墨水污染而影響正常生產(chǎn)。由于手工流水作業(yè)的局限性，某些缺陷盡管比例不高但難以完全避免，流入成品的這種瑕疵品在運(yùn)輸過程中或到客戶手中后造成漏墨污染，因此漏墨在手工包裝流水線包裝作業(yè)時(shí)是用戶投訴較多的一個(gè)質(zhì)量問題。檢漏工位的功能就是再加一道檢測，以杜絕漏墨的發(fā)生。因?yàn)闄z漏工位本身不具有墨水包裝作業(yè)功能但對(duì)產(chǎn)品包裝質(zhì)量的保證又非常重要，是我們專門設(shè)置的改良型副工位。

檢漏功能由自動(dòng)翻轉(zhuǎn)檢漏機(jī)完成作業(yè)。主要由調(diào)速電機(jī)、旋轉(zhuǎn)托盤、凸輪以及32只蟹鉗狀?yuàn)A緊機(jī)構(gòu)、圖像檢測裝置等組成，其工作原理是在灌旋完畢的待檢測瓶自動(dòng)進(jìn)瓶后，由夾頭夾住瓶子，順著凸輪翻轉(zhuǎn)90°，使瓶口朝向側(cè)面并充滿墨水，時(shí)間不少于10s，再由圖像檢測裝置進(jìn)行檢測是否漏墨，如有漏墨則自動(dòng)出水沖洗，同時(shí)將不合格品剔除。翻轉(zhuǎn)角度與延遲時(shí)間是很重要的兩個(gè)工藝控制參數(shù)，前者決定了檢漏設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，并與后者一起構(gòu)成墨水滲透滲漏的必要條件。自動(dòng)翻轉(zhuǎn)檢漏機(jī)如下（圖6）所示。

圖6 自動(dòng)翻轉(zhuǎn)檢漏機(jī)實(shí)物圖

（四）烘干

前道工位作業(yè)完畢流入的瓶子，由于可能有瓶子漏墨沖洗水時(shí)濺到相鄰瓶子，或者冬天成品墨水溫度低于包裝工序環(huán)境溫度使得瓶子外面產(chǎn)生水汽，或者包裝工序環(huán)境相對(duì)濕度≥70%等原因，造成瓶子外表面吸濕受潮，則難以貼標(biāo)，或者貼標(biāo)以后標(biāo)貼會(huì)發(fā)生遷移、容易脫落等造成漏標(biāo)，因此整個(gè)瓶子外表面必須烘干，烘干作業(yè)即由風(fēng)刀吹干機(jī)完成。風(fēng)刀吹干機(jī)如下（圖7）所示。

圖7 風(fēng)刀吹干機(jī)實(shí)物圖

風(fēng)刀吹干機(jī)主要由兩組風(fēng)機(jī)和四組刀形吹風(fēng)口組成，吹風(fēng)機(jī)風(fēng)量、吹風(fēng)口方向可調(diào)節(jié)，由吸風(fēng)口過濾后的空氣經(jīng)吹風(fēng)機(jī)葉輪高速旋轉(zhuǎn)后吹出，出口風(fēng)溫度可比環(huán)境氣溫升高15℃以上，瓶子隨輸送帶走過烘道時(shí)間應(yīng)不低于15s，以確保瓶子烘干。因?yàn)楹娓晒の槐旧聿痪哂心b作業(yè)功能，但對(duì)下一道貼標(biāo)工位能否順利進(jìn)行影響極大，是我們專門設(shè)置的改良型副工位。

（五）貼標(biāo)

貼標(biāo)工位的功能是完成瓶裝墨水的貼標(biāo)作業(yè)，把顯示產(chǎn)品商標(biāo)、型號(hào)、顏色等相關(guān)元素的不干膠貼紙工整、服帖地黏于瓶子的側(cè)面，完全避免了由于手工個(gè)體的差異，產(chǎn)生標(biāo)貼傾斜、翹角甚至漏標(biāo)的現(xiàn)象。

貼標(biāo)作業(yè)由全自動(dòng)雙面貼標(biāo)機(jī)完成作業(yè)。由分離校正機(jī)構(gòu)、上壓瓶機(jī)構(gòu)、貼標(biāo)機(jī)構(gòu)、輪附機(jī)構(gòu)、檢瓶光電等部件組成。分離校正機(jī)構(gòu)使瓶子按正確的角度、相隔一定距離依次進(jìn)入主架裝置等待貼標(biāo)；貼標(biāo)機(jī)構(gòu)位于瓶子輸送帶的兩側(cè)，可左右雙面輪流貼標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)換標(biāo)時(shí)間不影響連續(xù)正常生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。輪附機(jī)構(gòu)即壓標(biāo)海綿輪，對(duì)標(biāo)貼進(jìn)行壓平使標(biāo)貼服帖地黏于瓶身；檢瓶光電采用對(duì)射光纖的形式，當(dāng)對(duì)射光纖檢測到瓶子時(shí)，貼標(biāo)機(jī)構(gòu)對(duì)瓶子進(jìn)行貼標(biāo)，檢瓶一次，貼標(biāo)一次。當(dāng)貼標(biāo)機(jī)后工位有堵瓶現(xiàn)象或故障發(fā)生時(shí)，可自動(dòng)停機(jī)，待故障排除后自動(dòng)啟動(dòng)。全自動(dòng)雙面貼標(biāo)機(jī)如（圖8）所示。

圖8 全自動(dòng)雙面貼標(biāo)機(jī)實(shí)物圖

（六）裝（小）盒

裝盒工位的功能是把上道工位流入的已經(jīng)完成墨水灌裝、旋蓋、貼標(biāo)的瓶子裝入小盒紙盒內(nèi)，這是墨水成品包裝最小的單元，然后十瓶一打流入人工作業(yè)和控制的中包裝與外箱包裝工位。水平連續(xù)式多功能自動(dòng)裝盒機(jī)如下（圖9）所示。

圖9 水平連續(xù)式多功能自動(dòng)裝盒機(jī)實(shí)物圖

由水平連續(xù)式多功能自動(dòng)裝盒機(jī)完成這項(xiàng)作業(yè)。裝盒機(jī)主要由儲(chǔ)盒庫、三爪吸盤式吸盒裝置、推桿式進(jìn)瓶裝置、往復(fù)式左右對(duì)稱關(guān)小舌裝置等機(jī)構(gòu)組成，能同時(shí)完成（小）盒子的送位、打開、瓶子的推入、批號(hào)及生產(chǎn)日期的印制等作業(yè)任務(wù)。當(dāng)墨水瓶發(fā)生卡位故障、檢測到卡盒、無盒、無瓶時(shí)，裝盒機(jī)自動(dòng)停機(jī)并向前道工位發(fā)出警報(bào)。為確保折盒順暢，對(duì)紙盒的適用尺寸應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)；對(duì)紙盒的材質(zhì)硬度也有一定要求，太軟吸盤裝置不能正常操作，反之則會(huì)提高小盒包裝成本。經(jīng)過上萬次折盒試驗(yàn)，我們采用250g白底白卡紙。

五、總結(jié)與建議

1.瓶裝墨水自動(dòng)化包裝流水線，實(shí)際上是集機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)于一體的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)項(xiàng)目[2]，自投產(chǎn)以來，已包裝生產(chǎn)瓶裝墨水1000多萬瓶走向市場，流水線產(chǎn)能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)于人工流水線包裝質(zhì)量。自動(dòng)流水線人員配備6～7人，而達(dá)到同樣產(chǎn)能的手工流水線人員配備至少在24～28人，顯示出生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)力成本低、管理成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好的優(yōu)越性。這是目前國內(nèi)產(chǎn)量最高、自動(dòng)化程度最高的瓶裝墨水包裝流水線。

2.如果把這條自動(dòng)化流水線進(jìn)行“柔性”[3]（即靈活通用性）改造，對(duì)灌旋一體機(jī)、檢漏機(jī)、裝盒機(jī)等相應(yīng)部分功能性部件稍作調(diào)整，設(shè)計(jì)制作相應(yīng)的部件配件，那么這條自動(dòng)化包裝流水線不僅適用于八角墨水瓶，還將適用于外形尺寸相差不是很大的其他形狀的墨水瓶，這將為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展、多品種產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)營減少不必要的重復(fù)投資。

3.目前墨水包裝生產(chǎn)自動(dòng)化流水線截至裝（小）盒工位，裝好小盒后流入后道由人工完成中盒（俗稱打盒，10瓶裝）、大箱（俗稱外箱，有12打，共120瓶）包裝后進(jìn)倉。對(duì)包裝流水線尾部從技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)中盒、大箱包裝作業(yè)的自動(dòng)化，直至墨水成品的自動(dòng)化進(jìn)倉入庫，對(duì)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、提高現(xiàn)代化管理水平是一個(gè)很有意義的課題。