金槍魚罐頭盒的疊罐裝置設(shè)計

劉留留，顧平燦

（浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山 316022）

0 引言

我國南海金槍魚資源豐富，舟山每年都會捕撈大量的金槍魚。舟山的金槍魚加工方式主要有兩種：1）將金槍魚加工成半成品魚柳罐頭，每年占比約為60%～70%；2）將金槍魚加工為成品金槍魚罐頭，這種加工方式占比較少，但是有著很廣闊的未來。金槍魚罐頭不僅營養(yǎng)豐富、衛(wèi)生安全，同時還具有方便攜帶等優(yōu)點。

傳統(tǒng)的金槍魚加工方式中會使用大量的人力，例如在制罐、加工、包裝等方面。其中制罐過程中的疊罐工作通常是人工輔助機(jī)械來完成，不具備完全的自動化。為此，設(shè)計了一套能夠完成自動化疊罐的裝置。這套裝置對比此前的機(jī)械加人工輔助的傳統(tǒng)模式可以極大地提高工作量，節(jié)約人力成本，滿足中小型企業(yè)的批量生產(chǎn)的需求。

1 疊罐裝置的基本機(jī)構(gòu)和工作原理

1.1 基本機(jī)構(gòu)

通過對實際罐頭盒實際生產(chǎn)過程的觀察和研究發(fā)現(xiàn)，罐頭盒在疊罐時有諸多的不便，于是便設(shè)計出疊罐裝置（如圖1）來解決此問題。

圖1 疊罐裝置示意圖

該裝置主要由分離機(jī)構(gòu)、推盒機(jī)構(gòu)、整列機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)等組成，其三維圖如圖2所示。

圖2 疊罐裝置三維圖

1.2 工作原理

罐頭盒由入口進(jìn)入，會暫時集中在罐頭盒入口處，由分離機(jī)構(gòu)上部分阻止罐頭盒向下運動，分離機(jī)構(gòu)的下半部分會控制罐頭盒在適當(dāng)?shù)臅r間點下落；當(dāng)光電傳感器A感應(yīng)到罐頭盒的存在時，推盒機(jī)構(gòu)上下2個氣缸會交替地把罐頭盒推進(jìn)整列機(jī)構(gòu)，罐頭盒之間會形成交替相錯的位置，如圖3所示。

圖3 罐頭盒交替錯開圖

罐頭盒會在整列機(jī)構(gòu)里形成有序的隊列，并不斷地向左方向移動；當(dāng)移動到光電傳感器B的位置時，控制系統(tǒng)會控制機(jī)械手向右方向移動；機(jī)械手上的計數(shù)器會在機(jī)械手向右移動時記錄盒子的數(shù)量；當(dāng)數(shù)量達(dá)到50個時，機(jī)械手會停止水平移動，氣缸收縮，機(jī)械手向下運動，抓住罐頭盒；然后機(jī)械手帶著罐頭盒向左移動，并把罐頭盒帶到打包區(qū)域。流程圖如圖4所示。

圖4 工作流程圖

2 疊罐裝置的設(shè)計

2.1 分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計

2.1.1 分離機(jī)構(gòu)的工作原理

分離機(jī)構(gòu)（如圖5）主要由罐頭盒通道、搖桿、氣缸、M形阻斷機(jī)構(gòu)、支撐架和底座組成。

圖5 分離機(jī)構(gòu)三維圖

有2個主要的作用：1）阻止罐頭盒的下降，保持適量的罐頭盒聚集在罐頭盒入口處；2）分離2個罐頭盒，使2個罐頭盒的裙擺不會影響2個罐頭盒的左右移動（如圖6）。罐頭盒的四周有裙擺，上下2個罐頭盒之間要左右移動時，其中的一方可能影響到另一方的移動；想要2個罐頭盒之間不相互影響，就必須先要在豎直方向上分離，才不會影響2個罐頭盒的左右移動。

圖6 罐頭盒裙擺

首先罐頭盒進(jìn)入罐頭盒通道后，M形機(jī)構(gòu)的下半部分抵擋住罐頭盒a的下落，如圖7（a）所示。此時氣缸的伸長，帶動搖桿轉(zhuǎn)動，最后帶動M形機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，使其發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)，罐頭盒a就會因為沒有阻擋而下落到底座上，罐頭盒a與罐頭盒b就能分離開來，如圖7（b）所示。在罐頭盒a下落后，氣缸就會往回收縮，帶動搖桿轉(zhuǎn)動，最后帶動M形機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，使其發(fā)生逆時針旋轉(zhuǎn)，回到原始位置。由于M形機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，M形機(jī)構(gòu)的上半部分將不再控制罐頭盒b的位置，罐頭盒b就會下落。罐頭盒b在下落的過程中，M形機(jī)構(gòu)下半部分會阻止罐頭盒b的下落，如圖7（c）。最后分離機(jī)構(gòu)完成一個工作周期，恢復(fù)到原始位置，如圖7（d）所示。

圖7 分離機(jī)構(gòu)工作流程圖

2.1.2 分離機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計

氣缸的選擇如表1所示。

表1 CJ2標(biāo)準(zhǔn)迷你氣缸主要參數(shù)

搖桿長度和氣缸位置的確定：設(shè)計要求M形機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動角度為29°～31°之間，當(dāng)M形機(jī)構(gòu)處在中間位置時，M形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動角度為14.5°～15.5°之間。搖桿末端到氣缸末端的豎直距離為80 mm。氣缸在沒有伸長的情況下，總長度為167 mm（如圖8）。

圖8 搖桿工作與M形機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系

以搖桿末端為圓心，以搖桿的長度X為半徑畫圓，該圓的圓心角15°對應(yīng)的弦長為a，則得出

2.2 推盒機(jī)構(gòu)的設(shè)計

2.2.1 推盒機(jī)構(gòu)的工作原理如圖9所示，當(dāng)罐頭盒由分離機(jī)構(gòu)下來時，光電傳感器A開始工作，檢測到有罐頭盒下來，控制系統(tǒng)會控制氣缸開始工作，兩個氣缸會交替工作，把罐頭盒交錯地送入整列機(jī)構(gòu)中，罐頭盒在整列機(jī)構(gòu)中形成有序隊列。

圖9 推盒機(jī)構(gòu)三維圖

2.2.2 推盒機(jī)構(gòu)的設(shè)計

1）氣缸的選擇。氣缸的選擇主要由行程和缸徑兩項決定，如果行程和缸徑選擇不合適，就無法滿足工作要求。如果行程太小，就無法把罐頭盒推進(jìn)可調(diào)節(jié)通道里，但如果行程太大就會增加來回時間，降低工作效率；同樣，如果缸徑選擇太小了，就推不動罐頭盒，如果缸徑選擇太大，就會使得氣缸的體積太大，造成不必要的浪費。

2）行程的選擇。行程的大小主要由2個量決定的，罐頭盒的厚度給氣缸A留下一定的空間。依據(jù)這2個量得到氣缸的行程不小于85 mm。

3）缸徑的計算。負(fù)載的來源主要是罐頭盒與可調(diào)節(jié)通道的底部摩擦。可調(diào)節(jié)通道的底部有2根具有磁性的圓柱型釹鐵硼磁鐵，會吸住罐頭盒，罐頭盒和圓柱型釹鐵硼磁鐵的摩擦力的大小無法直接由計算得出，于是設(shè)計以下實驗用來計算摩擦力的大小。由推力計來測量不同數(shù)量的罐頭盒與圓柱型釹鐵硼磁鐵的摩擦力。得出表2中的數(shù)據(jù)，畫出罐頭盒數(shù)量和所需要的推力大小的散點圖，如圖10所示。

圖10 摩擦力與罐頭盒數(shù)量關(guān)系散點圖

表2 摩擦力與罐頭盒數(shù)量的關(guān)系

由以上數(shù)據(jù)利用最小二乘法計算出摩擦力和罐頭盒數(shù)量之間的關(guān)系為Y＝2.3902X。

以50個罐頭盒為例，氣缸的負(fù)載為2.3902× 50＝119.51 N?？紤]到實際工作工況，還需要增加20%的大小。最終確定氣缸的負(fù)載為143 N：

式中：F為摩擦力的大??；F0為氣缸的最大負(fù)載能力；S為氣缸橫截面積；D為氣缸直徑；P為氣缸壓力，0.6 MPa。

由此可以得出D＝19.08 mm。

根據(jù)以上分析，選擇的氣缸型號為TN-20X90-S，缸徑為20 mm，行程為90 mm。

4）選擇雙氣缸的原因。單氣缸只能在1個方向上向里推罐頭盒，如果氣缸對準(zhǔn)罐頭盒的中間位置，那么罐頭盒就會一個一個地疊加在一起，會形成圖11左圖所示的效果，一個罐頭盒完全陷入另一個罐頭盒里，在使用時，需要很大力氣才能取出來。選擇雙氣缸，可以把2個氣缸分別放置在罐頭盒的上下2個位置，產(chǎn)生一個相互交錯的位置，罐頭盒不會陷進(jìn)去，方便使用。

圖11 罐頭盒位置交錯圖

2.3 整列機(jī)構(gòu)

整列機(jī)構(gòu)三維圖和細(xì)節(jié)如圖12所示。當(dāng)罐頭盒到達(dá)整列機(jī)構(gòu)時，會在整列機(jī)構(gòu)里停留一會，并且和其他罐頭盒形成相互交錯的擺放。為保證罐頭盒在整列機(jī)構(gòu)里順利通過，整列機(jī)構(gòu)上下支撐柱的距離會比罐頭盒的高度稍微高一些。而左右兩邊的側(cè)邊擋柱是為了罐頭盒在位置上不發(fā)生偏差，所以要和罐頭盒緊密地貼在一起，并使罐頭盒處在中間位置。通過控制調(diào)節(jié)桿的伸長量就能調(diào)節(jié)兩側(cè)擋板的距離，從而調(diào)整通道的距離。最終合適的距離需要根據(jù)現(xiàn)場的調(diào)試才能確定。經(jīng)過調(diào)試，最終確定2個擋板的距離為68.2 mm。

圖12 可調(diào)節(jié)通道原理圖

2.4 傳送機(jī)構(gòu)的設(shè)計

傳送機(jī)構(gòu)三維圖如圖13所示。傳送機(jī)構(gòu)的目的是將50個罐頭盒為一組送到打包區(qū)域。機(jī)械手左右移動范圍是1200 mm，上下移動范圍是80 mm，當(dāng)罐頭盒累積到一定數(shù)量時，光電傳感器會發(fā)出信號讓機(jī)械手臂從左向右移動。機(jī)械手的末端有計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)器達(dá)到50時，機(jī)械手會停止水平移動，并向下運動抓取罐頭盒。然后機(jī)械手會帶著罐頭盒向左運動，把罐頭盒傳送到打包區(qū)域。

圖13 傳送機(jī)構(gòu)

2.5 控制系統(tǒng)的設(shè)計

選擇基恩士的KV-NC32T系列的PLC作為控制單元，這個型號的PLC能通過LAN電纜對PLC、傳感器設(shè)備和遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行輕松連接，可大幅削減以往耗費時間的配線工時。通過PLC上開關(guān)來控制整個工作流程，其中電磁閥決定氣缸活塞的伸長量。

表3 裝置控制程序I/O分配表

采用PLC控制整個工作流程的運轉(zhuǎn)，可以有效減少員工的工作量。輸入和輸出端口的一一對應(yīng)，使整個流程簡潔明了。整個過程采用PLC控制，顯著地提升了生產(chǎn)效率。

3 結(jié)語

1）整個疊罐裝置基本實現(xiàn)了自動化控制，節(jié)省了大量的人力成本，適用企業(yè)的生產(chǎn)。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)長度約為110 mm、寬度約為66 mm、高度約為29 mm的罐頭盒疊罐。

2）通過對比6組數(shù)量不同的罐頭盒與圓柱磁鐵的摩擦力，測試不同數(shù)量下罐頭盒與圓柱磁鐵的摩擦力，利用最小二乘法得出罐頭盒與圓柱磁鐵的摩擦力和罐頭盒數(shù)量的函數(shù)關(guān)系。

3）通過確定分離機(jī)構(gòu)的氣缸長度，工作條件確定搖桿的長度為28.6 mm和M形機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動角度為30.50°。