鄒俊剛，李詩(shī)龍

(武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢 430023)

目前市場(chǎng)上所用到的包裝機(jī)是手動(dòng)或者半自動(dòng)，還有很多需要按照包裝要求進(jìn)行制袋，給料和稱量設(shè)備也不精準(zhǔn)，包裝速度和精度都不好［1］。針對(duì)飼料行業(yè)對(duì)包裝機(jī)的要求，對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的飼料包裝機(jī)進(jìn)行了調(diào)研，研制了一套通用性好、性能穩(wěn)定、精度較高的DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)。該設(shè)備是機(jī)電一體化的產(chǎn)品，采用微電腦控制技術(shù)，能完成自動(dòng)給料、稱量、夾袋充填、封包等功能。本機(jī)也可應(yīng)用在糧食、化工、食品及醫(yī)藥等行業(yè)的小包裝。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)主要由給料部件、振動(dòng)給料器、稱量部件、夾袋機(jī)構(gòu)、供袋張袋裝置、皮帶輸送帶、封包裝置、上框架、下框架、過渡斗、吸風(fēng)罩、電控柜和真空系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)組成。

DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。給料裝置主要由三行程給料機(jī)構(gòu)和電磁式振動(dòng)給料器等組成。三行程給料機(jī)構(gòu)主要由斗體、三行程氣缸、三開度弧形截料門、上法蘭和上下調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)等組成。這種給料機(jī)構(gòu)采用自重給料方式［2］，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作安全可靠，通用性好，給料精度高、速度快。三行程給料機(jī)構(gòu)位于上框架頂部，振動(dòng)給料器位于三行程給料機(jī)構(gòu)和稱量部件之間適當(dāng)位置，兩種機(jī)構(gòu)的聯(lián)合使用會(huì)保證給料精度，提高包裝精度。

稱量部件主要是由稱量斗體、活動(dòng)門體、開關(guān)門氣缸、稱重傳感器以及傳感器支座等組成。稱量部件在給料裝置下方，且在過渡斗上方。

圖1 DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

三行程給料機(jī)構(gòu)、振動(dòng)給料器、稱量部件都固定在上框內(nèi)。過渡斗用來固定夾帶裝置，并起到緩沖物料的作用，過渡斗上法蘭固定在上框和下框之間，下法蘭與夾袋機(jī)構(gòu)相連接。

夾袋裝置主要由夾袋斗體、夾袋搖臂、夾袋氣缸、張袋機(jī)構(gòu)以及密封裝置構(gòu)成。張袋機(jī)構(gòu)主要由兩組分別控制水平方向和豎直方向運(yùn)動(dòng)的氣缸、真空吸盤、以及導(dǎo)桿組成，通過水平方向和豎直方向運(yùn)動(dòng)的結(jié)合來完成張袋動(dòng)作。夾袋機(jī)構(gòu)在過渡斗下方，與過渡斗下法蘭連接。

供袋裝置主要由存袋箱、取袋氣缸及真空吸盤、移袋氣缸、電機(jī)減速機(jī)、主動(dòng)滾筒、從動(dòng)滾筒、皮帶、伺服電機(jī)、光電傳感器、送袋手臂、夾持手指氣缸和機(jī)架及腳杯等組成。供袋張袋裝置位于整個(gè)機(jī)器的側(cè)面，送袋手臂由伺服電機(jī)控制90°旋轉(zhuǎn)，將袋子從皮帶尾端位置送到夾袋斗下方。

皮帶輸送機(jī)主要由電機(jī)減速機(jī)、托袋板、主動(dòng)滾筒、從動(dòng)滾筒、皮帶、皮帶托滾、高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。皮帶輸送機(jī)在夾袋機(jī)構(gòu)正下方，整機(jī)的最底部，夾袋機(jī)構(gòu)正下方，另一端在外露整機(jī)一側(cè)。

縫包裝置由外購(gòu)折邊機(jī)和縫包機(jī)及機(jī)架組成，其中機(jī)架上有高度調(diào)節(jié)裝置。折邊機(jī)整袋口和縫包機(jī)封包口位于同一直線，并與夾袋口中心在一直線上?？p包裝置位于在輸送帶外露端后放，且在整機(jī)側(cè)邊。

真空系統(tǒng)主要有真空泵、流量控制閥、方向控制閥、壓力繼電器、消音器、真空吸盤、執(zhí)行氣缸、氣管等組成。真空系統(tǒng)放置位置可以實(shí)際安裝情況而定。

電氣控制系統(tǒng)包括弱電控制部分和強(qiáng)電控制部分。弱電系統(tǒng)主要是PLC可編程控制器，對(duì)三行程給料機(jī)構(gòu)、稱量部件活門氣缸、傳感器、夾帶氣缸、供袋機(jī)構(gòu)電機(jī)、夾持手指氣缸、折邊機(jī)、縫包機(jī)等進(jìn)行時(shí)間和順序控制。強(qiáng)電部分主要是控制真空泵、伺服電機(jī)、電磁式振動(dòng)給料器、皮帶輸送機(jī)。

1.2 特殊機(jī)構(gòu)

夾袋裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，張袋機(jī)構(gòu)是夾袋裝置中的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，對(duì)整機(jī)的自動(dòng)化起著重要作用。張袋機(jī)構(gòu)主要有控制水平方向運(yùn)動(dòng)的氣缸(氣缸X)、控制豎直方向運(yùn)動(dòng)的氣缸(氣缸Y)、真空發(fā)生器、真空吸盤和張袋氣缸固定板等組成。每側(cè)在同一直線上并排有兩個(gè)雙層真空吸盤，其結(jié)構(gòu)如圖3。這種夾袋裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在夾袋時(shí)更具夾持力，不會(huì)對(duì)包裝袋口造成損傷;氣密性很好，對(duì)于粉塵大的物料，下料時(shí)也不會(huì)有粉塵散出，而影響包裝環(huán)境。

圖2 夾袋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

真空吸盤是一種用來抓取和握持工件的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，本機(jī)中主要用真空吸盤來取袋和張袋。取袋時(shí)真空吸盤主要承受拉力，張袋時(shí)真空吸盤要同時(shí)承受拉力和剪切力。由于真空吸盤采用硅膠制造和它的他樹結(jié)構(gòu)，真空吸盤在吸附過程中具有一定的柔順性，即使包裝袋有一定的尺寸偏差和位置偏差，也能被吸附和脫落［3］。雙層吸盤比單層吸盤更具吸附力，更安全可靠。

1.3 工作原理

圖3 張袋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)能自動(dòng)完成給料、稱量、供袋、夾袋、充填、縫包六大工序，工作程序圖如圖4所示，工作過程主要分兩個(gè)并行路線來完成，那么整機(jī)的工作原理分為兩個(gè)部分。

圖4 DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)工作程序圖

第一部分:人工將一疊平鋪的包裝袋(大約400個(gè))整齊放在存袋箱中的托板上，按下啟動(dòng)按鈕，控制托板升降的電機(jī)、皮帶電機(jī)和真空泵啟動(dòng)，光柵傳感器檢測(cè)包裝袋高度后，將信號(hào)經(jīng)PLC傳給控制取袋氣缸的的繼電器，取袋氣缸向下伸出，同時(shí)真空發(fā)生器啟動(dòng)，真空吸盤通氣迅速吸附包裝袋。取袋氣缸向上收縮后，將信號(hào)傳給控制移袋氣缸的繼電器，移袋氣缸向前伸出，然后真空吸盤斷氣，包裝袋被移送到皮帶上，向夾帶裝置方向移動(dòng)。與此同時(shí)，送袋搖臂處于豎直方向，夾持手指氣缸打開。待光電傳感器檢測(cè)到包裝袋到一定位置，并且包裝袋邊緣進(jìn)入手指氣缸開口內(nèi)時(shí)，手指氣缸閉合，將信號(hào)傳給控制伺服電機(jī)的繼電器，伺服電機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，送袋搖臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，剛好將包裝袋送袋夾袋斗體下方中心位置。

此時(shí)夾袋氣缸伸出，夾袋搖臂打開，張袋機(jī)構(gòu)的氣缸X和氣缸Y都處于收縮狀態(tài)。開始夾袋，首先是氣缸Y向下伸出，到位后氣缸X都向中心伸出，然后真空吸盤通氣，包裝袋吸住。保持適當(dāng)時(shí)間(例如設(shè)定0.5 s)后，氣缸X都向兩側(cè)縮回，袋子口張開。氣缸Y向上收縮，將包裝袋提起。氣缸Y到位后將信號(hào)傳給控制夾袋氣缸的繼電器，夾袋氣缸收縮，兩側(cè)搖臂向中心合攏，將袋子口夾緊在夾袋斗體外壁上。

至此，第一條路線上的供袋、夾袋動(dòng)作完成。需要說明的是，每臺(tái)機(jī)器備兩個(gè)存袋箱，當(dāng)一個(gè)存袋箱的袋子用完之前，提前準(zhǔn)備好換存袋箱，保證機(jī)器不停止運(yùn)轉(zhuǎn)，各個(gè)動(dòng)作不間斷。

第二部分:供料系統(tǒng)開始供料后，將信號(hào)傳給控制三行程氣缸和電磁式振動(dòng)給料器的繼電器，初始時(shí)三行程氣缸處于收縮狀態(tài)。當(dāng)快加一定時(shí)間后(例如設(shè)定時(shí)間1s)，三行程氣缸開始伸出第一個(gè)行程，三開度弧形截料門開度減小一定角度，此時(shí)實(shí)際就是中加狀態(tài)。當(dāng)稱量斗中物料計(jì)量到達(dá)一定(例如設(shè)定為理論計(jì)量的85%)時(shí)，三行程氣缸伸出第二個(gè)行程，只留三開度弧形截料門的小口給料，此時(shí)實(shí)際就是慢加狀態(tài)。當(dāng)達(dá)到理論計(jì)量或者是慢加給料到時(shí)間時(shí)，三行程氣缸伸出第三個(gè)行程，三開度弧形截料門完全關(guān)閉，停止加料。若三開度弧形截料門完全關(guān)閉卻計(jì)量沒有達(dá)到理論計(jì)量，電磁式振動(dòng)給料器啟動(dòng)，進(jìn)行小流量慢加給料，從而更進(jìn)一步提高給料精度，保證稱量精度。當(dāng)計(jì)量達(dá)到理論計(jì)量時(shí)，給料裝置的三行程給料機(jī)構(gòu)和電磁式振動(dòng)給料器都停止給料。并將信號(hào)傳給控制稱量裝置活門氣缸的繼電器，兩側(cè)活門氣缸伸出，活門打開，開始下料充填。包裝填充完成之后，夾袋氣缸收縮，夾袋搖臂打開，包裝袋落在皮帶輸送機(jī)上?？刂品Q量裝置活門氣缸收縮，活門關(guān)閉，等待下一個(gè)循環(huán)。

至此，第二條路線上的給料、稱量、充填動(dòng)作完成。接下來就是在皮帶輸送機(jī)上輸送過程中依次完成折邊、縫包和輸送這些后續(xù)動(dòng)作。

需要說明的是，三行程給料機(jī)構(gòu)快加、中加、慢加的時(shí)間要依據(jù)不同物料、不同上料速度、三行程給料機(jī)構(gòu)到稱量裝置的高度等因素來設(shè)定參數(shù)。這些參數(shù)包括傳感器精度補(bǔ)償變量、三開度弧形截料門各開門時(shí)間、每次開度及開門速度等［4］。同時(shí)也要根據(jù)這些因素來設(shè)定三行程氣缸的通氣量，從而控制三開度弧形截料門動(dòng)作快慢。還要設(shè)置電磁式振動(dòng)給料器的振動(dòng)頻率等。

2 主要技術(shù)參數(shù)

DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

3 氣動(dòng)系統(tǒng)

3.1 氣動(dòng)系統(tǒng)組成

氣動(dòng)系統(tǒng)主要由氣源裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制元件、輔助元件四種裝置組成。

氣源裝置即壓縮空氣的發(fā)生裝置，其主體部分是空氣壓縮機(jī)。它將原動(dòng)機(jī)(如電動(dòng)機(jī))的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為空氣的壓力能并經(jīng)凈化設(shè)備凈化，為各類氣動(dòng)設(shè)備提供潔凈的壓縮空氣。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)的能量輸出裝置，如氣缸和真空吸盤，它們將氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并輸出到工作機(jī)構(gòu)上去。

控制元件是用以控制調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力、流量、流動(dòng)方向以及系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作程序的元件，如壓力閥、流量閥、方向閥等。

在系統(tǒng)中除上述三類元件外，其余元件稱輔助元件，如各種過濾器、油霧器、消聲器、傳感器及管件等，對(duì)保持系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定和持久地工作起著十分重要的作用。

3.2 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

3.3 氣動(dòng)元件

DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)氣動(dòng)元件明細(xì)表如表2所示。

表2 DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)氣動(dòng)元件明細(xì)

圖6 DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)真空系統(tǒng)原理圖

4 真空系統(tǒng)

5 結(jié)束語

DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)的真空系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、二位三通電磁閥、空氣壓力繼電器、真空發(fā)生器、真空吸盤、氣管等組成。DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)真空系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

研制的第一臺(tái)DCS-50小型全自動(dòng)定量包裝機(jī)樣機(jī)試制表明，該包裝機(jī)達(dá)到了預(yù)期工作要求和性能要求，能順利完成給料、稱量、供袋、夾袋、充填、縫包六大工序，能適應(yīng)多種物料的包裝，并且性能穩(wěn)定、精度較高、可靠性好、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，滿足了用戶需求。

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