編織袋自動捆扎打結機的設計

韓棒斌，鄭希，周杰，張東峰*，毛寬民

編織袋自動捆扎打結機的設計

韓棒斌1，鄭希2，周杰2，張東峰1*，毛寬民2

（1.寧夏大學 機械工程學院，銀川 750021；2.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074）

為解決現有人工使用繩子對編織袋進行捆扎打結效率低、勞動強度大的問題，設計一種基于雙套結的編織袋自動捆扎打結機。根據手工打結的過程，將機械化成結劃分為束口、打結、套繩、系緊、斷繩等步驟。利用3個氣爪與2個抱爪的夾持動作將袋口擠成束狀，束口后滑軌帶動袋子運輸到打結工位，再通過電機和氣缸來驅動特制的繩結擴大裝置來完成旋轉成結和擴大繩環，利用橫向和豎向滑軌的組合運動將繩環套在袋口，套繩后從繩子的兩端拉緊繩結即可實現編織袋自動捆扎打結，構建完成控制系統，并制作出實體樣機后進行打結試驗。對樣機的工作性能進行測試試驗，捆扎打結機的打結成功率約為92%，平均打結時長約為28.1 s/個。通過編織袋自動捆扎打結機的研發，能有效減少人力勞動，具有推廣價值。

打結機；結構設計；自動化

編織袋，又稱蛇皮袋，被廣泛應用于各類農副產品的打包[1]，如小麥、毛豆、青刀豆、西蘭花等。使用繩子對編織袋袋口捆扎的方式有很多種，但大都需要人工完成，人工打包不但效率低[2-3]、成本高，而且隨著工人體力下降，打包質量也逐漸降低，如果長時間從事系繩打包工作還有可能損傷手指。目前，市面上對編織袋進行扎口的機器主要是手持式縫包機，但是其使用的繩子大多是棉線，由于掉落的棉纖維容易附著在作為食品的農產品表面等，故不符合食品安全要求[4-6]，不能用于對如西蘭花等蔬菜的扎口，且該機器的作業方式為半自動化，需要人工協助，不但具有危險性，而且自動化程度低。

本文針對上述情況設計出一款全自動編織袋自動捆扎打結機，能使用符合食品安全要求的PE筒料繩帶對編織袋進行自動捆扎打結，旨在幫助相關農副產品加工企業降低打包成本，提高打包效率，且設備的高智能化、高自動化特性更符合未來發展的趨勢[7-8]。

1 自動捆扎打結機總體方案設計

1.1 雙套結成結工藝分析

雙套結又稱豬蹄扣、丁香結，在包裝作業時被廣泛使用，這種死結可以將繩索卷繞在其他被捆物體上，繩結的纏繞質量與拉力的大小成正比，不但穩定性較高[9-10]，而且僅需要旋轉運動和直線運動的組合交叉即可完成打結，能夠實現機械化。人工打制雙套結的方法是先夾緊繩子并挑起，再用手指帶動繩子逆時針旋轉形成繩環，將繩環套在被捆物體上之后便完成單個繩環的工作，將上述過程重復2遍，并從兩端繩頭拉緊繩結，即可打制出一個完整的雙套結。手工演示打制單個繩環的過程如圖1a～d所示，最終所打雙套結如圖1e所示。該過程的核心點在于旋轉以及用繩環套住被捆物體，這些過程可以由機械化實現。由電機的旋轉實現旋轉成結，由2個方向的滑軌構成的組合運動來帶動繩環套住被捆物體。

圖1 手工打雙套結示意圖

1.2 整機結構與工作原理

編織袋自動捆扎打結機使用70 mm寬的PE筒料繩帶對裝有農副食品的編織袋進行捆扎和打結，能在一次作業中完成束口、纏繞繩子、系緊、斷繩等功能。該設備由多個機構組成，包括束口機構、打結機構、運輸裝置、挑繩擴大裝置、斷繩機構、系緊機構以及送繩機構等，其中的束口機構、打結機構和挑繩擴大裝置為核心機構。按照編織袋在打結過程中的位置，還可將自動捆扎打結機分為束口、打結兩工位，自動捆扎打結機結構如圖2所示。

1.繩帶；2.平動滑軌；3.前系緊滑軌；4.續繩夾爪；5.送繩滑軌；6.邊緣束口爪；7.左抱爪；8.運輸滑軌；9.壓板；10.繩帶夾爪；11.氣剪；12.提升滑軌；13.挑繩擴大裝置；14.后系緊滑軌；15.束口提升滑軌；16.右抱爪；17.中心束口爪。

編織袋自動捆扎打結機的作業按照動作順序可分為束口工序、打結工序、套繩工序、系緊工序、斷繩工序以及續繩工序。束口提升滑軌15帶動邊緣束口爪6、中心束口爪17向下運動并抓住編織袋的袋口，之后左抱爪7、右抱爪16、邊緣束口爪6向中間合攏使袋口被擠成束狀，最后邊緣束口爪6、中心束口爪17松開并復位完成束口工序；運輸滑軌8帶動被左抱爪7與右抱爪16束縛的編織袋輸送到打結工位，打結工位的挑繩擴大裝置13進行挑繩、旋轉成結、擴大繩結等任務，完成打結工序；提升滑軌12和平動滑軌2之間的組合插補運動帶動擴大后的繩結向袋口運動并套住袋口，完成套繩工序；2次套繩后，前系緊滑軌3、后系緊滑軌14分別帶動前系緊繩帶夾爪、后系緊繩帶夾爪向兩邊運動拉緊繩結完成系緊工序；氣剪11沿其滑軌伸出并剪斷繩帶1，完成斷繩工序；續繩夾爪4夾持繩帶1，送繩滑軌5帶動續繩夾爪4完成續繩工序。繩帶夾爪的位置分布如圖3所示。

圖3 繩帶夾爪分布示意圖

2 核心機構的設計

自動捆扎打結機由數個機構組成，包括束口機構、打結機構、運輸裝置、挑繩擴大裝置、斷繩機構、系緊機構以及送繩機構等。束口機構、打結機構和挑繩擴大裝置為核心機構。

2.1 束口機構的設計

人手工使用繩子對編織袋進行扎口打結時，需要利用手指與虎口相配合將袋口向中間折疊，以便于后續的繞繩與打結，這個過程被稱為束口。機械化自動束口需要3個頂部的束口爪與2個抱爪來實現，其中3個頂部束口爪用來約束袋口的橫向和縱向位置，防止袋口在束口過程中出現任意擺動的情況，2個抱爪用于模仿手工扎口時虎口的作用，將袋口沿著橫向歸攏。束口過程如圖4所示。

圖4 束口過程示意圖

束口作業時，束口爪不但要夾緊袋口，而且位于兩端的束口爪還要能夠帶動袋口向中間合攏。抱爪與束口爪在向中間合攏時具有嚴格的順序關系，抱爪的運動須先于左右兩夾持裝置，才能使得袋口能從邊緣向中間有序的規整折疊，折疊過程中擠壓作用點與夾持點之間呈現直線狀，運動狀態如圖4b所示。

束口工位的三維模型如圖5所示，其中的束口機構主要由邊緣束口爪3、邊緣束口爪11、中心束口爪7以及右抱爪4、左抱爪12和束口平移滑軌1、10等構件組成，所有構件均為氣動元器件。邊緣束口爪3、邊緣束口爪11可分別沿著束口平移滑軌1、10移動，中心束口爪7以及束口平移滑軌1、10固定在束口平移滑軌安裝板9之上，束口平移滑軌安裝板9與束口提升滑軌2的滑塊固連為一體，可沿豎直方向上下移動；右抱爪4、左抱爪12可分別沿著抱爪滑軌5、13移動；束口工序完成后，運輸滑軌6、14分別帶動右抱爪4、左抱爪12和抱爪滑軌5、13和編織袋運輸到打結工位。

1.束口平移滑軌；2.束口提升滑軌；3.邊緣束口爪；4.右抱爪；5,13.抱爪滑軌；6,14.運輸滑軌；7.中心束口爪；8.機架；9.束口平移滑軌安裝板；10.束口平移滑軌；11.邊緣束口爪；12.左抱爪。

2.2 打結機構的設計

自動捆扎打結機在打結工位的結構如圖6所示。打雙套結需要挑繩、旋轉成結、套口等步驟。編織袋被運輸到打結工位后，提升滑軌10和平動滑軌2帶動挑繩擴大裝置8挑起繩帶，之后由旋轉成結電機9帶動挑繩擴大裝置8逆時針旋轉180°完成第1個繩結；由挑繩擴大裝置8把繩結撐大，由提升滑軌10和平動滑軌2的組合運動帶動擴大后的繩結向著編織袋6的袋口斜向下運動，將繩結套在袋口上；將繞繩、擴大繩結和套繩完成2次后即完成打結工序。

1.機架；2.平動滑軌；3.送繩夾爪；4.續繩橫向滑軌；5.續繩縱向滑軌；6.編織袋；7.壓板；8.挑繩擴大裝置；9.旋轉成結電機；10.提升滑軌；11.繩帶夾爪；12.氣剪 13.前系緊滑軌；14.后系緊滑軌；15.氣剪滑軌。

2.3 挑繩擴大裝置的設計

挑繩擴大裝置與旋轉成結電機通過聯軸器連接，其中旋轉成結電機安裝在電機座之上，結構如圖7所示。

挑繩擴大裝置進行挑繩、旋轉成環作業的工作過程如圖8所示。

挑繩擴大裝置的主要功能是將繩帶挑起并帶動旋轉。挑起高度由圖9確定，圖9a中為固定繩結與活動繩結擴大桿垂直間距、為擴大桿水平間距、為固定繩結擴大桿與活動繩結擴大桿的直徑；圖9b中為活動擴張桿移動距離、為挑繩高度。為減少系緊繩結所需運動行程，在滿足打結需求的前提下以單個繩環周長最小作為最優值。經過試驗分析得出，=18 mm、=25 mm、=8 mm為最優組合參數，再計算得出最佳挑繩高度為146 mm，活動擴張桿的移動距離為157 mm，擴大后單個繩環的周長為243 mm。

1.旋轉成結電機；2.聯軸器；3.電機座；4.軸承；5.擴大桿推動氣缸；6.擴大桿推動氣缸；7.固定擴大桿；8.活動擴大桿；9.活動擴大桿。

圖8 挑繩擴大裝置工作過程

圖9 繩帶挑起高度設計

3 控制系統與樣機試制

3.1 打結機控制系統組成

采用PAC技術對捆扎打結機的控制系統進行了設計[11-12]。在程序方面，使用華中科技大學HPAC團隊開發的HPAC[13-14]軟件編制基于SFC語言的控制程序，使用QTOUCH軟件組建可實時在線操控的人機交互界面。在硬件方面，選擇HPAC團隊研發的H842.12總線型工業平板電腦，華大公司生產的80ST-M02403050LM1DD/B型交流永磁同步伺服電機[15]和TSVB系列伺服驅動器，以及日本SMC株式會社生產的氣動元件。其中H842.12型工業電腦內置Linux系統，配置有EtherCAT主站和12.1寸HMI觸摸屏，能實現多功能控制與實時在線信號傳輸，符合智能化的設計理念。

3.2 自動控制流程與人機交互界面

捆扎打結機的控制具有手動和自動2種模式，一般采用自動模式來進行自動化打結作業，手動模式是為了便于安裝、調試和檢修。自動模式的運行流程如圖10所示。

H842.12型工業電腦可與內置的QTOUCH在運行時系統進行互操作，在主程序的HPACRL系統中通過使用QTOUCH_READ功能塊讀取內部變量中的數據。通過使用QTOUCH_WRUTE功能塊往內部變量中寫入數據，以此實現可實時控制的信息傳輸功能。用QTOUCH軟件設計的操作界面傳輸至工業電腦的觸摸屏上進行界面顯示。

3.3 自動捆扎打結機試驗

編織袋自動捆扎打結機的樣機如圖11所示。為驗證捆扎打結機在自動模式下的打結效果，對裝有切割后西蘭花的編織袋進行了測試，主要測試其打結成功率和打結效率。測試前使袋口邊沿高出袋內西蘭花28 cm進行測試，進行了5組測試，每組進行20次打結，中間不停頓，以平均值作為有效打結時長，得出數據如表1所示。

圖10 自動模式控制流程

圖11 自動捆扎打結機樣機照片

表1 打結測試試驗數據

Tab.1 Knotting test data

表1的數據表明，在自動模式下，捆扎打結機作業的單次平均時長為26.9～28.3 s。打結成功率最高的是第3組和第5組，為95%，而打結成功率最低的為第1組，僅有85%，相對較低。分析原因是在套繩階段偶爾會出現脫繩不及時的現象，導致繩環未能正確掛在編織袋的頸部，后續研究可在固定擴大桿的上方添加托繩推板，這樣能保證脫繩的穩定性。取5組試驗數據的平均值可得自動捆扎打結機的單次打結時長為28.1 s，成功率為92%，能滿足實際使用需求。

4 結語

根據雙套結的打結工藝設計一種基于工業電腦控制的編織袋自動捆扎打結機，單次打結時長約為28.1 s，成功率約為92%。打結機將手工打結的方式劃分為挑繩、旋轉成結、套繩、系緊等幾個步驟。應用國產軟件和硬件組建了控制系統，在解決人手工捆扎編制效率低、勞動強度高等問題的同時，也為國產工控技術積累了改進經驗。

[1] 謝楠. 筒子紗自動包裝與碼垛系統設計與開發[D]. 天津: 天津工業大學, 2017: 1-3.

XIE Nan. Design and Development of Automatic Package and Palletizing System for Cheese[D]. Tianjin: Tianjin Polytechnic University, 2017: 1-3.

[2] 林晶, 陳鼎, 李超鵬, 等. 瓦楞紙板垛的自動繞繩打結機設計及試驗[J]. 包裝工程, 2020, 41(1): 82-87

LIN Jing, CHEN Ding, LI Chao-peng, et al. Design and Test of Automatic Rope-Winding and Knotting Machine for Corrugated Cardboard Pile[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(1): 82-87

[3] 陳天池. 海帶力學特性研究與海帶打結機構設計[D]. 南京: 東南大學, 2018: 2-3.

CHEN Tian-chi. Study on Mechanical Properties of Kelp and Design of Knotting Mechanism of Kelp[D]. Nanjing: Southeast University, 2018: 2-3.

[4] 陳云峰, 王增瑞, 周玉虎. 包裝袋線頭過長的原因分析及解決辦法[J]. 廣東飼料, 2018, 27(7): 39-40

CHEN Yun-feng, WANG Zeng-rui, ZHOU Yu-hu. Cause Analysis and Solution of Long Thread End of Packaging Bag[J]. Guangdong Feed, 2018, 27(7): 39-40

[5] 伍換, 蔣小良, 李軒, 等. 食品包裝高分子材料的種類及安全性[J]. 當代化工研究, 2022(17): 10-12.

WU Huan, JIANG Xiao-liang, LI Xuan, et al. Type and Safety of Food Packaging Polymer Materials[J]. Modern Chemical Research, 2022(17): 10-12.

[6] 李亞男. 食品包裝材料安全問題探究[J]. 綠色包裝, 2022(9): 36-39.

LI Ya-nan. Research on the Safety of Food Packaging Materials in China[J]. Green Packaging, 2022(9): 36-39.

[7] 趙錦康. 包裝機械中自動化技術的應用與展望[J]. 科技創新與應用, 2021(2): 158-160.

ZHAO Jin-kang. Application and Prospect of Automation Technology in Packaging Machinery[J]. Technology Innovation and Application, 2021(2): 158-160.

[8] 齊帥. 自動化技術在包裝機械中的應用[J]. 造紙裝備及材料, 2020, 49(6): 22-24.

QI Shuai. The Application of Automation Technology in Packaging Machinery[J]. Papermaking Equipment & Materials, 2020, 49(6): 22-24.

[9] 白茂東, 楊繼新, 王學俊, 等. 平結式雙條海帶打結新方法[J]. 大連工業大學學報, 2017, 36(4): 300-303.

BAI Mao-dong, YANG Ji-xin, WANG Xue-jun, et al. New Method of Double Flat Kelp Knotting[J]. Journal of Dalian Dalian Polytechnic University, 2017, 36(4): 300-303.

[10] 趙文銳, 賀秋森, 張婧怡, 等. 紗線打結拓撲結構的穩定性研究[J]. 棉紡織技術, 2021, 49(8): 22-25

ZHAO Wen-rui, HE Qiu-sen, ZHANG Jing-yi, et al. Study on Stability of Yarn Knotting Network Topology[J]. Cotton Textile Technology, 2021, 49(8): 22-25

[11] 黃杰. 蠶絲打結機器人動力學的仿真與實驗研究[D]. 北京: 北京工業大學, 2018: 1-2.

HUANG Jie. Simulation and Experimental Study on Dynamics of Silk Knotting Robot[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2018: 1-2.

[12] HALTERMAN D. Edge Controller, PLC, or PAC?[J]. Control Engineering, 2020, 67(5): 34-35.

[13] 蔣興建. 可編程自動化控制器的高密度數據采集存儲與回放系統研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2021: 17-18.

JIANG Xing-jian. Research on Programmable Automation Controller's High Density Data Acquisition, Storage and Playback System[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2021: 17-18.

[14] 高朝陽. 基于PLCOpen及OPC UA的標準化機器人控制軟件研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2019: 73-74.

GAO Chao-yang. Research on Standardized Robot Control Software Based on PLCOpen and OPC UA[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2019: 73-74.

[15] 焦西凱. 總線式超聲電機控制驅動器研究[D]. 長沙: 國防科技大學, 2019: 2-7.

JIAO Xi-kai. Research on Bus-Type Ultrasonic Motor Control Driver[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2019: 2-7.

Design of Automatic Binding and Knotting Machine for Woven Bags

HAN Bang-bin1, ZHENG Xi2, ZHOU Jie2, ZHANG Dong-feng1*, MAO Kuan-min2

(1. College of Mechanical Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2. College of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The work aims to design an automatic binding and knotting machine for woven bags based on double-knot, so as to solve the problems of low efficiency and high labor intensity in manual use of ropes to tie woven bags. According to the manual knotting process, the mechanical knotting process was divided into bunching, knotting, lassoing, fastening, cutting, and other steps. The machine squeezed the bag mouth into a bundle through the clamping action of three air claws and two holding claws. After bundled, the bag was transported to the knotting station by the sliding rail. The special knot expanding device was driven by the motor and the cylinder to complete the rotary knotting and expand the rope loop. The horizontal and vertical slides were combined to put the rope loop on the mouth of the bag, and the knot was pulled from both ends of the rope to complete the automatic binding and knotting of woven bag. Finally, the control system was constructed and the prototype was made for knotting test. The working performance of the prototype was tested and the successful knotting rate of the machine was about 92%, and the average knotting time was about 28.1 s/piece. The research and development of the automatic binding and knotting machine of woven bags can effectively reduce manual labor and have promotion value.

knotting machine; structure design; automation

TB486

A

1001-3563(2023)21-0214-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.21.026

2023-05-07

寧夏回族自治區科技攻關計劃項目（2019BFH02005）

通信作者

責任編輯：曾鈺嬋