自動化馬桶包裝機(jī)設(shè)計分析

牟勛濤,孟凡召,商 政,楊 濤

(山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,山東 德州 253000)

0 引言

包裝對產(chǎn)品起到保護(hù)、儲存運輸、促進(jìn)銷售等作用,需采用適當(dāng)?shù)娜萜鞑牧霞拜o助物并按一定的方式對產(chǎn)品進(jìn)行裝飾及保護(hù)[1]。包裝機(jī)械是重要的生產(chǎn)組成,在包裝工業(yè)中起著非常重要的作用[2]。人們對機(jī)械化生產(chǎn)的要求越來越高,需對其應(yīng)用理論進(jìn)行研究,不斷提升包裝機(jī)械的自動化水平[3]。馬桶是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚脑O(shè)備,需求量大。其具有易碎特點[4]。目前馬桶的包裝方式存在效率低、成本高等問題。產(chǎn)品大部分采用人工包裝,作業(yè)時間長,現(xiàn)有設(shè)備大多為半自動控制,人工與機(jī)器配合且半自動化噪音大,供電范圍受限,自動化程度不高,易造成損壞。少數(shù)廠家采用自動化包裝,但裝夾效果不理想,無法根據(jù)生產(chǎn)線速度及包裝物尺寸自動匹配調(diào)整,兼容性及智能化程度不高[5-6],易發(fā)生碰撞。在生產(chǎn)線包裝過程中,馬桶箱體內(nèi)空間過大,受力不均,易出現(xiàn)晃動,造成經(jīng)濟(jì)損失[7]。

本研究設(shè)計了一種自動化馬桶包裝機(jī),可針對不同材料、不同厚度的包裝零件自動進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,提高包裝性能及速度,減少人力物力的損耗,更好地利用包裝物料降低生產(chǎn)成本,減輕勞動強(qiáng)度,令包裝變得更加安全高效。

1 自動化馬桶包裝機(jī)的設(shè)計

對產(chǎn)品進(jìn)行功能分析,制定了如圖1所示的包裝機(jī)設(shè)計路線,完成了包裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、運行方案設(shè)計及控制系統(tǒng)設(shè)計等。

圖1 設(shè)計路線Fig.1 Design routine

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動化馬桶包裝機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括主體、紙蓋、壓制裝置及防護(hù)裝置,表面固定連接紙蓋,壓制裝置設(shè)置在主體表面。

壓制裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示,壓板與主體內(nèi)壁為滑動連接,表面呈圓角,主體表面固定連接滑道,呈水平布置。在滑道表面開設(shè)滑槽,滑槽內(nèi)壁有一個可滑動的插塊,表面呈圓角,插塊與壓板內(nèi)壁卡接,呈水平設(shè)置。滑道內(nèi)壁滑動連接豎直安裝推桿,推桿表面呈圓角。

圖2 自動化馬桶包裝機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of automatic toilet packaging machine

插塊與滑道之間固定連接拉動彈簧,呈水平設(shè)置,拉動彈簧與滑道相互配合,達(dá)到推動插塊的目的。插塊可插入壓板中,限制壓板發(fā)生移位。推桿表面固定連接壓塊,壓塊表面呈圓角,豎直設(shè)置,可與設(shè)備相配合,避免發(fā)生顛起,達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。

主體表面設(shè)有防護(hù)裝置,結(jié)構(gòu)如圖4所示。連接帶固定連接在主體表面,呈水平設(shè)置,能夠與主體相配合,防止主體發(fā)生變形,提高紙蓋使用壽命。

連接帶表面與插板固定連接,插板表面為圓角,呈豎直設(shè)置,可與連接帶及限位套相配合,防止紙蓋發(fā)生變形。

圖3 壓制裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of pressing device

圖4 防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Protective device structure

限位套固定連接于主體表面,呈豎直設(shè)置,引導(dǎo)道與其固定連接,呈水平設(shè)置,表面呈圓角,內(nèi)壁上滑動連接著卡板,呈水平布置,卡板表面為圓角,該卡板卡接于插板表面,引導(dǎo)道與限位套相配合,起到支撐并引導(dǎo)卡板的作用,約束插板,避免插板松動。

卡板與引導(dǎo)道之間由推動彈簧固定連接,推動彈簧為水平布置,能與引導(dǎo)道相配合,起到推動卡板的作用,限制插板運動。

1.2 運行方案

對自動化馬桶包裝機(jī)的包裝速度進(jìn)行分析,根據(jù)傳送帶的運動對自動化馬桶包裝機(jī)進(jìn)行智能控制,設(shè)定包裝角度為α,d表示馬桶長度,β表示同步角,v表示包裝速度,m表示編碼器脈沖數(shù),s表示編碼器脈沖量。馬桶長度與包裝范圍基本一致,如傳送帶速度不變,則可表達(dá)為:

(1)

根據(jù)式(1)可得a,則:

(2)

由式(2)可知,當(dāng)自動化馬桶包裝機(jī)在初始時刻包裝時,(0,ta)時刻位于同步區(qū);ta時刻位于包裝區(qū);(ta,tc)時刻位于包裝區(qū),tc時刻位于同步區(qū),(tc,td)時刻位于同步區(qū)。據(jù)此原理有:

(3)

(4)

(5)

tc=td-(td-tc)

(6)

根據(jù)式(3)、(4)、(5)、(6)可得自動化馬桶包裝機(jī)運行函數(shù)方程式,表達(dá)為:

(7)

利用式(7)對自動化馬桶包裝機(jī)的速度進(jìn)行控制,保證其包裝速度與生產(chǎn)線速度相匹配。

本裝置的包裝作業(yè)主要通過以下幾方面實現(xiàn):通過主體與壓制裝置、防護(hù)裝置的密切配合進(jìn)行自動化包裝。設(shè)置壓制裝置,馬桶包裝機(jī)對設(shè)備進(jìn)行壓制,旋轉(zhuǎn)壓板,壓板壓在設(shè)備表面上,對設(shè)備起到約束作用。關(guān)閉紙蓋,推動插塊,插塊移動并插入壓板中,插塊對壓板起到約束作用,推桿在壓塊的帶動下向下滑動,抵住插塊,從而完成壓制包裝。設(shè)置防護(hù)裝置對馬桶包裝機(jī)進(jìn)行防護(hù),轉(zhuǎn)動連接帶并壓在紙蓋上,插板插入限位套中,松開卡板,卡板失去束縛并受到推動彈簧的推動,卡板移動并壓住插板,從而達(dá)到防護(hù)作用。

1.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

包裝方式主要為手動包裝與自動連續(xù)包裝。需根據(jù)不同的應(yīng)用場景選擇不同的包裝方式,結(jié)合輸出與輸入點數(shù)的差異選擇恰當(dāng)?shù)姆椒ā?/p>

為了更好地實現(xiàn)包裝機(jī)的自動化控制,設(shè)計了基于PLC技術(shù)的控制系統(tǒng),對其進(jìn)行自動化管理。采用周期掃描方法,通過調(diào)整掃描參數(shù)來應(yīng)對生產(chǎn)線的不同速度,周期掃描分為三個階段,即輸出刷新、輸入掃描及程序執(zhí)行。PLC根據(jù)控制單元的具體參數(shù)讀取數(shù)據(jù),對自動化馬桶包裝機(jī)進(jìn)行識別監(jiān)督,從而發(fā)出指令,保證包裝工作的順利進(jìn)行,提升其可靠性與抗干擾能力。

包裝機(jī)按照自動化程度可分為全自動包裝及半自動包裝,對比如表1所示。半自動化包裝已無法滿足市場需要,目前大部分采用全自動化包裝,在節(jié)省人力的同時提升效率。本項目采用全自動化包裝,安全高效,節(jié)約了勞動力。

表1 馬桶包裝機(jī)自動化分析

2 自動化馬桶包裝機(jī)的特點

采用自動化操作控制,降低成本,控制簡單,損壞幾率小。該智能裝置集結(jié)構(gòu)及原理展示于一體,實踐性強(qiáng),穩(wěn)定性較高,配備安全防護(hù),更加安全。運用PLC控制系統(tǒng),使用方便,編程簡單,可靠性高,抗干擾能力強(qiáng),使用了簡潔的梯形圖、邏輯圖及陳述表,研制周期短,易于現(xiàn)場調(diào)試。可在不拆除硬件的情況下對程序進(jìn)行在線修改,變更控制方案,具有良好的性能及較高的性價比。PLC內(nèi)部有幾百幾千個程序組件供用戶選擇,功能強(qiáng)大,能夠完成十分復(fù)雜的控制任務(wù)。與同等功能的繼電保護(hù)系統(tǒng)比較,其性價比較高,結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,耗能少,利用通信網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)分散控制與集中管理。該系統(tǒng)設(shè)備完備,操作簡單,具有很好的適應(yīng)性。目前,PLC產(chǎn)品已實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化發(fā)展,配有品種齊全的各類硬件裝置,用戶可靈活、便利地對其進(jìn)行配置,將其組合成不同功能、不同規(guī)格的產(chǎn)品,可靈活地運用于自動化馬桶包裝機(jī)產(chǎn)品中。自動化包裝機(jī)節(jié)能環(huán)保,耐腐蝕,易清理,精度高,運行穩(wěn)定。其利用電腦控制按鍵,操作方便,有利于維修維護(hù)[7],通用性較強(qiáng)。

3 結(jié)束語

設(shè)計了自動化馬桶包裝機(jī),實用性強(qiáng),效率高,能夠有效避免包裝過程中的碰撞,運用可靠性高的PLC控制系統(tǒng),操作便捷,配套齊全,功能完善,適用性強(qiáng),符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),制作成本低,應(yīng)用價值高,維修方便,應(yīng)用前景廣闊。