紙尿褲高速碼垛機改進設計

戴文明 黃山富田精工智造股份有限公司

引言

隨著我國人口紅利的逐步消失和國內企業(yè)生產(chǎn)成本日漸升高，自動化包裝成為眾多企業(yè)降本增效的重中之重，企業(yè)迫切需要實現(xiàn)包裝的自動化。經(jīng)過三十多年的高速發(fā)展，我國的包裝技術及裝備水平已有很大提升，部分產(chǎn)品處于國際領先地位，但相比歐美發(fā)達國家，我國產(chǎn)品的技術水平、智能化、成套性、創(chuàng)新性等還存在較大差距[1-2]。

目前，國內的紙尿褲、拉拉褲等吸收性衛(wèi)生用品的生產(chǎn)已經(jīng)實現(xiàn)了自動化，但后道的包裝大多采用半自動方式[3]。

針對國內紙尿褲包裝設備速度越來越快的性能需求，本公司改進設計了一種高速碼垛單元，為紙尿褲包裝機的高速化設計打下堅實基礎。

1 紙尿褲包裝機簡介

紙尿褲包裝機主要用來實現(xiàn)紙尿褲等嬰幼兒吸收性衛(wèi)生用品的自動入袋包裝，主要包括碼垛單元和包裝單元兩部分。碼垛單元主要實現(xiàn)產(chǎn)品的翻轉、碼垛、推出、壓縮等功能，包裝單元主要實現(xiàn)供袋、張袋以及產(chǎn)品的入袋、封口等功能。其中，碼垛單元又被稱為碼垛機，其可以實現(xiàn)包裝的半自動化生產(chǎn)：即通過人工將包裝袋張開后，套入排出口，再將壓縮后的產(chǎn)品推入包裝袋，隨后轉入下道工序，由另外一個工人進行手工封口。如果碼垛單元的排出口配有包裝單元，則可實現(xiàn)張袋、入袋、封口等工序的自動化。

紙尿褲包裝機布局如圖1所示，該包裝機主要包括碼垛單元和包裝單元。其中，碼垛單元主要包括產(chǎn)品翻轉裝置、碼垛裝置、推出裝置和壓縮裝置；包裝單元主要包括供袋裝置、張袋裝置和熱封裝置。

圖1 紙尿褲包裝機

2 碼垛機組成與工作原理

2.1 碼垛機結構組成

如圖2所示，碼垛機主要由產(chǎn)品90°翻轉裝置、碼垛裝置、第一排出裝置、壓縮裝置、第二排出裝置、手工套袋裝置組成。碼垛機一般設計有兩個排出口，一個接包裝機，一個接手工套袋，正常情況下，只使用包裝機進行生產(chǎn)。當包裝機進行維修保養(yǎng)時，可采用手工套袋口進行生產(chǎn)。

圖2 碼垛機結構組成

碼垛裝置主要包括機架、鏈輪、鏈條、葉片和托盤。鏈輪一般按圖3所示布局，均固定在機架3上。其中，位號1為主動鏈輪，由伺服電機驅動。鏈條2呈環(huán)形安裝在鏈輪上，葉片安裝在鏈條2上。托盤7固定在機架3上，處于葉片的最下方，用于托住產(chǎn)品。根據(jù)產(chǎn)品90°翻轉后高度尺寸的不同，鏈條設計成一根或兩根，相應的鏈輪和葉片也對應設計成單套或雙套。

圖3 碼垛裝置結構組成

在90°翻轉裝置排出口的對應位置，裝有從動鏈輪5，其附件的葉片4和葉片5形成的區(qū)域10稱為碼垛區(qū)，碼垛區(qū)空間的大小與從動鏈輪5的齒數(shù)有關。綜合考慮零件的加工、裝配及產(chǎn)品的生產(chǎn)速度等因素，碼垛區(qū)內葉片4與葉片5形成的夾角約為14°～18°。

2.2 碼垛機工藝流程

紙尿褲等吸收性衛(wèi)生用品的碼垛過程可分為“90°翻轉”、“碼垛成型”、“產(chǎn)品第一排出”、“產(chǎn)品壓縮”、“產(chǎn)品第二排出”五個工序。

“90°翻轉”工序主要通過翻轉皮帶將前道工序輸入來的紙尿褲進行90°翻轉。如圖4所示，翻轉后的產(chǎn)品，持續(xù)進入到葉片4和葉片5之間。每進入一片產(chǎn)品，在主動鏈輪的帶動下，入口鏈輪6旋轉一個角度，將葉片4驅動至葉片5的位置，從而形成新的空隙，隨后，下一片產(chǎn)品進入該空隙，入口鏈條6又旋轉相同的角度。如此反復，在產(chǎn)品持續(xù)不斷的進入過程中，入口鏈輪6持續(xù)不斷的轉動，從而在碼垛裝置的葉片之間持續(xù)不斷的裝入產(chǎn)品，此過程即為“碼垛成型”工序。

圖4 碼垛成型

如圖5，當連續(xù)不斷的產(chǎn)品被推送至“產(chǎn)品第一排出”工位時，“產(chǎn)品第一排出”裝置按照包裝需要的產(chǎn)品數(shù)量將其推送至“產(chǎn)品壓縮”工位。產(chǎn)品被壓縮后，由“產(chǎn)品第二排出”裝置推送至下一工位，要么到達包裝機進行自動包裝，要么進入手工套袋工位，進行手工入袋。

圖5 碼垛機工藝流程

產(chǎn)品碼垛成型質量的好壞，會影響后續(xù)包裝工序的進行，特別是當碼垛區(qū)出現(xiàn)堵片、無法正常碼垛成型時，整個包裝機或碼垛機只能停機，將碼垛區(qū)堵塞的產(chǎn)品清理后，才能繼續(xù)生產(chǎn)。如果碼垛區(qū)產(chǎn)品頻繁堵片時，將影響整套設備的生產(chǎn)效率。因此，研發(fā)高速可靠的紙尿褲碼垛機，對于提升整套紙尿褲包裝機的生產(chǎn)穩(wěn)定性具有重大意義。

3 高速碼垛機存在的問題及原因分析

3.1 存在的問題

進入包裝機碼垛單元的產(chǎn)品，并不是一個持續(xù)不斷的產(chǎn)品流。由于紙尿褲生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品原材料的不停機換接料，及操作人員在前端排出產(chǎn)品以檢查產(chǎn)品質量等因素，進入碼垛單元的產(chǎn)品流并不是持續(xù)不斷的，而是會中斷，中斷的產(chǎn)品數(shù)量從1片～6片不等。

在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，當生產(chǎn)速度超過450（片/min）時，如果產(chǎn)品流中斷，則碼垛區(qū)10（見圖3）偶爾會有產(chǎn)品沒有完全進入而堵在該處。隨著生產(chǎn)速度的提高，中斷過程中出現(xiàn)堵片的現(xiàn)象愈發(fā)頻繁和明顯。如果碼垛區(qū)出現(xiàn)堵片現(xiàn)象，則必須停機進行人工清理，否則無法繼續(xù)在碼垛區(qū)進行連續(xù)生產(chǎn)，會嚴重影響整條流水線生產(chǎn)設備的生產(chǎn)效率。

3.2 原因分析

因為電機驅動鏈輪旋轉帶動葉片移動，并不是一個持續(xù)的、穩(wěn)態(tài)的勻速運動過程，每次有產(chǎn)品進入時，電機會轉動一次。當產(chǎn)品連續(xù)進入時，電機根據(jù)產(chǎn)品進入的周期，會在相應的時間內完成轉→停→轉……的動作，如圖6所示，每個周期內，入口鏈輪相應經(jīng)歷了加速→勻速→減速→停止的過程。

圖6 入口鏈輪轉速曲線

假設某紙尿褲生產(chǎn)設備（見圖5）的生產(chǎn)速度ν'=480(片/min)，產(chǎn)品長度L=220(mm)，產(chǎn)品間距H=450(mm)，產(chǎn)品從翻轉皮帶排出到進入葉片內部前進的距離H1=270(mm)。由此可得生產(chǎn)設備的線速度為：

V=ν'×H÷60=3.6(m/s)

產(chǎn)品進入碼垛區(qū)的周期：

T=60÷ν'=0.125(s)

產(chǎn)品由翻轉裝置完全進入葉片的時間：

T1=H1÷V=0.075(s)

即入口從動鏈輪在一個運動周期T內的等待時間：

t4≥T1=0.075(s)

假設從動鏈輪勻速時間t2=0，加速時間t1=t3，等待時間t2=0.075(s)，則加減速時間：

t1=t3=(T-t2-t2)÷2=0.025(s)

設從動鏈輪處葉片的夾角為14°，鏈輪運動曲線為勻加減速模式，則可計算得角加速度為：

α=14/180×π÷0.0252≈390.9 rad/s2

經(jīng)計算，單個葉片圍繞鏈輪旋轉軸轉動慣量約為0.004（kg·m2），則單個葉片受到的慣性力矩：

T=390.9×0.004=1.56（N·m）

因此，在鏈輪的旋轉過程中，葉片受到一個周期性的慣性力矩作用。當鏈輪加速時，葉片受到的慣性力矩方向與鏈輪轉動方向相反，當鏈輪減速時，葉片受到的慣性力矩方向與鏈輪旋轉方向相同。由機械系統(tǒng)動力學[5]可知，當物體受到周期性的載荷作用時，物體會產(chǎn)生振動現(xiàn)象。單自由度有阻尼系統(tǒng)在階躍函數(shù)激勵下的響應為：

式中 x—系統(tǒng)振幅

F0—突加常力

K—系統(tǒng)剛度

e—自然常數(shù)

ζ—系統(tǒng)阻尼比

ωn—系統(tǒng)固有圓頻率

ωd—有阻尼時固有圓頻率

t—時間

如果忽略阻尼，當ζ=0時，ωd=ωn，振幅為：

其中，F(xiàn)0=∫Tdr

即在忽略系統(tǒng)阻尼情況下，葉片端部的最大變形可達2F0/K。根據(jù)以上分析，初步判定由于葉片收到一間斷的階躍力作用引起端部變形，從而導致堵片現(xiàn)象的發(fā)生。

當產(chǎn)品流被中斷n個產(chǎn)品時，葉片的等待時間為：

T1=t4+(n-1)×T

由于阻尼的存在，葉片會做有阻尼受迫振動，其振幅會逐漸縮小。最大振幅往往發(fā)生在靠近葉片等待開始后的第一個振動周期[4]。從實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，當生產(chǎn)操作人員在包裝機前端設備排出1片產(chǎn)品以檢驗產(chǎn)品質量時，碼垛區(qū)堵片的概率很大；當前端生產(chǎn)設備由于換接料，連續(xù)排出5～6片產(chǎn)品時，碼垛區(qū)堵片的概率反而很小。因此，實際生產(chǎn)過程的故障現(xiàn)象與分析的結果一致。

為分析葉片振動振幅的大小，可利用有限元軟件分析進片產(chǎn)品被中斷后，葉片的變形情況。葉片為復合材料注塑成型零件，其材料性質見表1，入口處鏈輪、葉片詳細布局見圖7，葉片呈扁平狀，主要分析其長度尺寸方向的法向變形，此處可假設其物理性質各項同性。

表1 材料屬性表[5]

圖7 入口葉片布局

將鏈輪、鏈條、葉片組合裝配后導入有限元軟件，忽略系統(tǒng)阻尼，進行有限元分析[6]，其結果見圖8。在產(chǎn)品流中斷時，葉片端部振幅最大可達52mm，靜止狀態(tài)下，葉片端部距離約為96mm，最大振幅超過了靜態(tài)距離的一半，的確增加了產(chǎn)品在入口處堵片的概率。

圖8 葉片變形云圖

4 高速碼垛機結構的改進

4.1 改進原理分析

由以上分析可知，入口堵片的原因，是鏈輪轉動過程中，葉片端部發(fā)生較大變形，對下一片產(chǎn)品起到了阻擋作用。

減小這種變形的措施，一是減小階躍力F0的大小，二是提高葉片的剛度K。

降低階躍力F0的大小，可以通過改變鏈輪驅動電機的運動曲線來實現(xiàn)。如在伺服系統(tǒng)里設置運動曲線為5次樣條曲線，盡量降低加速度的大小[7]。但是，由于產(chǎn)品的生產(chǎn)速度較快，葉片的進給周期非常小，即使將電機的運動曲線設置的非常平滑，其作用也有限；提高葉片的剛度，方法包括更改零件材料的彈性模量、零件幾何特征及零件支撐形式[8]。葉片材料為30%玻纖增強尼龍66，如果將玻纖質量分數(shù)提高至50%，其彈性模量僅提高3%[5]，且葉片表面將變的粗糙，反而影響進片，甚至刮破產(chǎn)品，故不合適。零件的幾何形狀是根據(jù)產(chǎn)品的尺寸來設計的，不能輕易改變。因此，只能改變葉片的支撐形式。

葉片為典型的懸臂梁支撐結構，根部連接在鏈條上，要減少其端部的變形，最優(yōu)方案是在其端部增加一個輔助支撐，將其優(yōu)化成類似簡支梁的支撐結構。如圖9所示，同等條件下，當增加輔助支撐后，葉片端部最大變形量小于2mm，效果明顯。

圖9 增加輔助支撐后葉片變形云圖

4.2 改進高速碼垛機結構的工藝流程

如圖10、11、12、13、14、15所示，以入口鏈輪5的旋轉軸為y軸，初始狀態(tài)下葉片2的對稱面所在平面構成xoy面。

1、初始時，輔助支撐4位于葉片2上方靠近z軸正方向一側，如圖10。產(chǎn)品P1（圖中未畫出）進入葉片1、葉片2之間。

圖10 高速碼垛機結構工藝流程1

2、從動鏈輪5在驅動力作用下繞y軸作順時針旋轉運動，旋轉一個較小的角度，如圖11。該角度應該小于初始狀態(tài)下葉片1與葉片2之間的夾角，又要大于某個角度A，角度A能夠保證輔助支撐4沿著y軸負方向運動時，與葉片不干涉。在從動鏈輪5的作用下，所有葉片均繞y軸作順時針旋轉，同時葉片2也帶動產(chǎn)品P1繞y軸作順時針旋轉。

圖11 高速碼垛機結構工藝流程2

3、從動鏈輪5繼續(xù)繞y軸作順時針旋轉運動，同時，輔助支撐4在外力作用下，快速沿y軸負方向運動并停止，要保證輔助支撐4能夠遮擋葉片3繞y軸的旋轉，如圖12。產(chǎn)品P1繼續(xù)被葉片2帶動，繞y軸作順時針旋轉。

圖12 高速碼垛機結構工藝流程3

4、從動鏈輪5繼續(xù)繞y軸作順時針旋轉運動，直至葉片2運動至葉片1處，此時，葉片3運動至葉片2處，產(chǎn)品P1位于葉片1和葉片2之間，如圖13。雖然葉片3的端部有繼續(xù)繞y軸順時針旋轉的趨勢，但由于輔助支撐4的阻攔，葉片3端部的變形被抑制，此時產(chǎn)品P2進入葉片2與葉片3之間，由于輔助支撐4的存在，葉片3端部變形很小，產(chǎn)品P2能夠順利的進入葉片2與葉片3之間。

圖13 高速碼垛機結構工藝流程4

5、在產(chǎn)品P2進入葉片2與葉片3之間區(qū)域的過程中，輔助支撐4沿著y軸正方向運動，回到初始位置。

如此反復過程1～5，產(chǎn)品即能源源不斷地進入葉片之間的碼垛區(qū)，不會因為葉片端部的變形而引起堵塞。

圖14 高速碼垛機結構工藝流程5

4.3 輔助支撐的詳細設計

某紙尿褲碼垛機采用雙排葉片結構，其葉片輔助支撐的布局如圖15所示。上支撐1固定在上排葉片2的上方，下支撐4固定在托盤5的下方，托盤5開有U型槽7，作為下支撐4的支撐塊的運動空間，以避免結構干涉。如果碼垛機采用單排葉片結構，則下支撐4可省略，僅保留上支撐1。

圖15 輔助支撐布局

輔助支撐的詳細結構如圖16所示，采用曲柄滑塊結構形式，伺服電機1、減速機2安裝在機架4上，減速機2的輸出軸安裝有曲柄3，曲柄3通過桿端軸承8、10及連桿9與固定座6連接，固定座6安裝在導軌5的滑塊上，同時，支撐塊7安裝在固定座6上。通過伺服電機的旋轉，驅動固定座6沿著導軌5作往復運動，從而帶動支撐塊7作往復運動。

圖16 輔助支撐詳細設計

5 結束語

通過在入口葉片增加輔助支撐，有效減小產(chǎn)品進入碼垛區(qū)時葉片的端部變形，減少碼垛區(qū)的堵片現(xiàn)象。經(jīng)測試，該種方案可在700片/min的生產(chǎn)速度下穩(wěn)定生產(chǎn)，市場前景廣闊。