天然橡膠標準膠包裝自動輸送線的設(shè)計

王高平++馬慶芬++樊軍慶++蔣匯川++張寶珍

摘 要 為提升天然橡膠標準膠包裝過程的自動化水平、提高生產(chǎn)效率并節(jié)約勞動成本，設(shè)計了一條膠塊的自動輸送線，包括整體、關(guān)鍵組件結(jié)構(gòu)及自動控制系統(tǒng)設(shè)計。自動輸送線由輸送機構(gòu)、質(zhì)量檢測及控制裝置、方向控制裝置和控制系統(tǒng)構(gòu)成，包括動力、非動力、水平、上坡等各種形式輥線、傳送帶、撥輪、氣缸等多種傳送裝置，以及控制模塊，可完成膠包從干燥膠車、經(jīng)稱重臺最終至打包機的自動輸運。通過理論計算獲得水平動力輥線、稱重臺、撥輪裝置、水平上坡組合式動力輸送帶等關(guān)鍵組件的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)并進行了校核。建立了由西門子PLC S7-200工控板、CPU、24V開關(guān)電源、編程纜線、電磁繼電器、電機調(diào)速器、電子秤接收器等組成的硬件系統(tǒng)，通過編程、電路制作，將控制策略轉(zhuǎn)化為PLC指令輸入控制系統(tǒng)，實現(xiàn)輸送線的自動化運行。

關(guān)鍵詞 天然橡膠 ；標準膠 ；包裝 ；自動化輸送線

中圖分類號 TB486 文獻標識碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2017.11.019

Design of the Automatic Transfer Line for the Natural Rubber

（standard rubber） Packing Process

WANG Gaoping1，2） MA Qingfen1，2） FAN Junqing2） JIANG Huichuan1） ZHANG Baozhen2）

（1 Key Laboratory of Rubber Biology and Genetic Resource Utilization， Ministry of Agriculture /

State Key Laboratory Breeding Base of Cultivation & Physiology for Tropical Crops / Danzhou Investigation & Experiment Station of Tropical Crops， Ministry of Agriculture， Danzhou 571737；

2 Mechanical and Electrical Engineering College of Hainan University， Haikou 570228）

Abstract To improve the automatic level of the packing line of the Natural Rubber （standard rubber）， increase the productive rate and save the labor cost， an automatic transfer line of the rubber block was designed， included the design of the total system， the structure of the key component and the automatic controlling module. The automatic transfer line was composed of the transferring mechanisms， mass measuring and controlling device， direction controlling device and controlling system， in specific including power/non-power， horizontal/upward rollers， conveyers， thumbwheels， air cylinders and controlling modules. In virtue of the designed automatic transfer line， the rubber blocks could be automatically unload from the dry rubber vehicle， weighed， and finally packed by the packing machine. Structural and performance parameters of key components such as the horizontal-power rollers， weighing tables， thumbwheels and horizontal-upward-power rollers were checked theoretically. A hardware system composed of the PLC S7-200 controlling board， CPU， 24V-Switching Mode Power Supply， programing cables， electromagnetic relays， motor governor， receiver of electronic scales were established， the controlling strategy was transformed into the PLC instructions inputting by programing and circuit fabricating， to realize the automatic operation of the transfer line of rubber blocks.

Keywords natural rubber ； standard rubber ； packing process ； automatic transfer line

天然橡膠擁有優(yōu)良的回彈性、絕緣性、隔水性及可塑性等特性[1]，經(jīng)過適當處理后還具有耐油、耐酸、耐堿、耐熱、耐寒、耐壓、耐磨等優(yōu)良性質(zhì)[2]，用途廣泛，在國民生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位。海南由于獨特的地理、氣候條件，自20世紀50年代開始種植橡膠以來，目前已成為中國重要的天然橡膠種植和生產(chǎn)基地[3]。國內(nèi)天然橡膠標準膠生產(chǎn)過程一般包括絮凝、干燥、包裝等工藝步驟，研究焦點主要集中在提高干燥熱效率和降低能耗方面，包括橡膠干燥理論和模型研究[4-6]、干燥工藝改進和干燥柜結(jié)構(gòu)改進等[7-10]，但是關(guān)于天然橡膠標準膠生產(chǎn)線的自動化研究鮮有報道。目前國內(nèi)的天然橡膠干燥和包裝生產(chǎn)線均仿制于馬來西亞企業(yè)的同類產(chǎn)品，除溫度能自動控制外，其余裝料、推車、卸料、包裝和打包裝載工序均需人工操作，其中包裝崗位人力最密集、勞動強度大。中國以外的整個國際市場上，同類產(chǎn)品幾乎全部出自馬來西亞企業(yè)，其技術(shù)狀況與國內(nèi)相似。

為實現(xiàn)上述包裝過程的自動化，本文根據(jù)生產(chǎn)工藝需求，擬設(shè)計一套自動化膠塊輸送線，完成膠塊在干燥車、稱重臺、打包機之間的自動運輸，以節(jié)省勞動力和提高生產(chǎn)效率。

1 總體方案設(shè)計

1.1 輸送線的任務(wù)要求

輸送線輸送的對象是天然橡膠干燥膠包，其外形接近長方體，尺寸約為長660 mm、寬330 mm、高100 mm，質(zhì)量約16.5 kg，膠包上表面凹凸不平，每塊膠包尺寸和質(zhì)量略有偏差。輸送線的任務(wù)要求為：首先將干燥膠車卸載下來的干燥膠塊運輸?shù)椒Q重臺上，然后將自動稱重后的干燥膠包運輸并投送至打包機工位。此外，所設(shè)計的輸送線是用于改進工廠原有的生產(chǎn)線，因此系統(tǒng)還需要滿足投資少、占地空間小、性能可靠、操作簡單、維修方便和與現(xiàn)有工藝設(shè)備兼容等要求。

1.2 輸送線的構(gòu)成

圖1所示為單條輸送線的構(gòu)成和布局，主要由輸送機構(gòu)、質(zhì)量檢測及質(zhì)量控制裝置、方向控制裝置和控制模塊構(gòu)成。由于一個標準膠打包機具有兩個打包工位，所以一個打包機需要配備兩條圖1所示的輸送線。

1.2.1 輸送機構(gòu)

輸送機構(gòu)主要包括水平動力輥線、撥輪（前、后撥輪）裝置、水平上坡組合式動力輸送帶、無動力下坡輥線。水平動力輥線既是輸送線運送膠塊的入口，亦是卸膠臺，利用卸膠機械手將膠塊從干燥膠車上卸載并以兩塊相疊的方式依次放在水平動力輥線上。助力撥輪裝置用于在切膠前后進給和輸出膠塊，包括前撥輪和后撥輪，均由輥筒、電機、鏈輪、鏈條、撥輪組成。撥輪裝置的安裝位置都是在兩段動力交接地帶，以輔助膠塊的連續(xù)運行并有效控制運行距離。前撥輪位于切膠刀前，將膠塊推至粗稱重臺，后撥輪位于切膠刀后，將膠塊運至水平上坡組合式動力輸送帶上。水平上坡組合式動力輸送帶用于運送膠塊，以水平部分作為緩沖使膠塊順利上坡，運至位置較高的粗稱重臺。無動力下坡輥線帶有一定坡度，用于將膠塊在一定的初速度下繼續(xù)加速，從而準確地送入打包機工位框。

1.2.2 質(zhì)量檢測及控制裝置

質(zhì)量檢測元件為稱重臺（圖2-A），質(zhì)量控制裝置為切膠機（圖2-B）。稱重臺分為精稱和粗稱，因此質(zhì)量檢測也相應(yīng)的分為是粗稱和精稱。粗稱確定兩塊干燥膠包的質(zhì)量是否超過33.5 kg，如果低于該質(zhì)量設(shè)定值則直接通過，切膠機不工作，但如果膠塊的質(zhì)量大于設(shè)定值，測量值反饋給控制系統(tǒng)進行計算，換算成切膠長度（因為干燥膠包雖然整體上密度不均勻，但是在沿著長度方向基本變化不大），然后切膠機啟動，切膠量（長度）由前撥輪通過控制膠塊進給長度來確定，切割之后使干燥膠包質(zhì)量小于33.5 kg，不足的部分由稱重補料機構(gòu)添加。精稱部分所獲得的數(shù)據(jù)反饋到控制系統(tǒng)中，計算出與標準膠質(zhì)量的差值，作為稱重補料質(zhì)量的依據(jù)。

1.2.3 方向控制裝置

方向控制裝置包括氣動系統(tǒng)（圖3-A）、萬向牛眼平臺（圖2-A）和導(dǎo)向裝置（圖3-B），用來約束膠塊的運動方向和軌跡。萬向牛眼平臺和氣動系統(tǒng)聯(lián)合使用完成精稱臺上干燥膠包的90度轉(zhuǎn)向，氣動系統(tǒng)還會為膠塊提供產(chǎn)生初速度的助力；導(dǎo)向裝置用于約束膠塊的運行軌跡，使膠塊能準確地進入打包機工位，在運行途中不發(fā)生偏移。

1.2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的核心部件是可編程序邏輯控制器PLC，本文使用西門子PLC S7-200工控板、CPU、24V開關(guān)電源、編程纜線、電磁繼電器、電機調(diào)速器、電子秤接收器等硬件，通過編程，將控制策略轉(zhuǎn)化為PLC指令輸入控制系統(tǒng)，代替工人來控制輸送鏈的運行，實現(xiàn)輸送線的自動化運行。

2 關(guān)鍵部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 水平動力輥線

將傳動輥筒的直徑和輥筒間距分別設(shè)計為50和30 mm，則3個輥筒所占據(jù)的最大寬度為290 mm，小于干燥膠包寬度（330 mm），即每塊膠包占用3根輥筒，可以平穩(wěn)輸送。所選動力滾筒傳輸機是雙鏈傳動，根據(jù)式（1）計算出其傳動鏈條牽引力Fn為576.04 N。而根據(jù)式（2）計算出的干燥膠包在運動時受到的摩擦阻力Ff為58.21 N，因此牽引力遠大于阻力，動力滾筒可帶動標準膠包運動。

式中：f-摩擦系數(shù)；D-傳動滾筒直徑；DS-傳動滾筒鏈輪節(jié)圓直徑；Q-傳動系數(shù)；Ws-單個傳動滾筒計算載荷[14]。

Ff=fqmg（2）

式中：qm為2塊干燥膠包質(zhì)量；g為重力加速度。

動力輥筒輸送機功率PO[15]由式（3）計算，取輸送速度v為0.5 m/s，得出PO=265 W。再根據(jù)式（4）求出電機功率P為612 kW。因此選用額定功率為0.75 kW的電機即可滿足傳動要求。

式中：K為功率安全系數(shù)，K=1.2～1.5；η為驅(qū)動裝置效率，η=0.65～0.85。

2.2 粗稱牛眼稱重臺

粗稱牛眼稱重臺由地磅和牛眼平臺組成，并將二者放在安裝在支架上使牛眼平臺上表面高度與水平動力輥線相同。根據(jù)天然橡膠干燥膠包的質(zhì)量和尺寸確定地磅臺面尺寸為800 mm×600 mm，稱量范圍為50 kg/0.1 kg。地磅中心上方焊接牛眼平臺，尺寸為800 mm×350 mm，略大于一塊干燥膠包所占的面積。

水平動力輥線參數(shù)設(shè)計值見表1。

2.3 撥輪裝置

如圖4所示，撥輪裝置由電機、非標齒輪、輥筒和撥輪等零件組成。電機選單相250 W、可調(diào)速（最低轉(zhuǎn)速6 r/min）的步進電機，4分11齒的非標齒輪與電機配套。輥筒的直徑為50 mm，有效送膠距離為800 mm，一端焊有單排齒輪。2～4個撥輪等間隔套焊在輥筒上，撥輪由圓鐵和撥桿組成，圓鐵尺寸為直徑100 mm、厚10 mm、內(nèi)孔50 mm，撥桿由長150 mm、直徑12 mm的鋼筋制成，焊接在圓鐵的圓周上。運行前，撥輪機構(gòu)停止不動，且撥桿垂直向下，對膠包起定位作用，使膠包恰好停在粗稱牛眼稱重臺上。粗稱結(jié)束后，電機啟動，帶動輥筒與撥輪轉(zhuǎn)動，撥輪轉(zhuǎn)動5/4圈，將粗稱重臺上的膠包送到皮帶輸送機上，再轉(zhuǎn)動3/4圈，撥輪回到原位，繼續(xù)下一循環(huán)。經(jīng)計算，牛眼平臺上膠包的疊放膠包的阻力矩為19.04 N·m，而選用的250 W電機可提供的扭矩為214.9 N·m，故完全滿足要求。

2.4 水平上坡組合式動力輸送帶

疊放的兩塊天然橡膠干燥膠包被后撥輪送到動力輸送帶上后，先作水平運動，然后沿著斜坡向上運動后平緩過渡到精稱牛眼稱重臺上。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計值如表2所示。

由于膠包是靠皮帶提供的摩擦力來驅(qū)動的，皮帶的牽引力實際上就等于橡膠在皮帶上的摩擦力。水平上坡組合式動力輸送帶的牽引力包括水平移動牽引力和爬坡牽引力，再考慮皮帶空轉(zhuǎn)功率，求得皮帶負載總功率為107 W，遠小于所選電機功率，故可滿足要求。

2.5 精稱牛眼稱重臺

精稱牛眼稱重臺也是由地磅和牛眼平臺組成，不同的是，它的安裝支架高1 200 mm，由多段熱軋等邊角鋼焊接而成。地磅的臺面為800 mm×800 mm，其稱量范圍是500 kg/0.1 kg。牛眼平臺是用多條40 mm的扁鐵焊接而成。扁鐵上面等間距打孔，用來安裝牛眼。牛眼平臺的一側(cè)，焊接著一塊角鋼，這塊角鋼剛好把從皮帶輸送機末端來的天然橡膠擋住，保證天然橡膠不會從平臺上面掉落，也為后面氣缸將天然橡膠推進下坡輥道做定位準備。

2.6 氣缸

天然橡膠完成精稱后，需要使用推送機構(gòu)將其推送至下坡輥線才能進入打包機工位。根據(jù)現(xiàn)場能源供應(yīng)、工作機承受載荷情況、工作機的起動與停止的平穩(wěn)性控制、工作機調(diào)速控制與過載保護、原動機操作的可靠性和簡便性，以及原動機的成本與維護費用情況[4]，比較液壓與氣壓傳動的各方面性能[5-6]，推送機構(gòu)選擇氣壓傳動，氣缸及附件的型號和參數(shù)如表3所示。經(jīng)校核，氣缸的最大輸出力為437.5 N，大于兩塊干燥膠包與牛眼的之間的摩擦力97.02 N，故所選氣缸符合要求。

2.7 無動力下坡輥線

Gsinδ-μGcosδ=0（5）

天然橡膠干燥膠包被氣缸推送到無動力下坡輥線上，沿著一定坡度運動，最后滑落進入橡膠打包機的工位框。輥線的坡度以及與打包機工位框的距離需通過實驗確定，因此輥線的一側(cè)設(shè)置為螺母絲桿式通過調(diào)節(jié)高度調(diào)整角度。圖5所示為下坡輥線上干燥膠包的受力分析圖，自然下滑所需要的最小坡度δ由式（5）計算為4.57°。本設(shè)計的輥線坡度范圍是15.827°～27.036°，不僅可完全滿足膠包下滑要求，還可提供一定的膠包初速度以利于膠包水平落入打包機工位框。下坡輥線參數(shù)的設(shè)計值如表4所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)采用S7-200系列CPU224XP系統(tǒng)晶體管輸出型PLC作為控制器，控制氣缸的伸縮、采集稱重信號和控制電器啟停。

3.1 控制電磁換向閥

三位五通電磁換向閥的控制器由兩個線圈組成，通過控制線圈的通斷電來實現(xiàn)換向閥的工作與否。圖6所示為其中一個線圈的控制電路（附帶保護電路），由3個直流繼電器J0～J2組成，綠色虛線框內(nèi)的電路為主電路，其余部分為保護電路。J0受PLC的輸出控制，它的常開觸點控制電磁閥的通斷。為避免繼電器觸點粘連及線圈短路引起失控而造成事故，增加了J1、J2二個繼電器及電阻電容等原件，組成了保護電路，當上述情況發(fā)生時立即斷電。當Q0.0=0時，電磁閥停止工作；當Q0.0=1時，換向閥動作；其余狀態(tài)均為電路異常保護狀態(tài)。

3.2 采集稱重信號

膠包的稱重分為粗稱和精稱，而且都需要信號接收與簡單處理。利用PLC的模擬輸入端口，接收電子秤自帶的RS232模塊發(fā)出的質(zhì)量數(shù)據(jù)，只要地磅和PLC的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式和校驗方式一致，PLC與電子秤就能鏈接成功，獲取稱重數(shù)據(jù)并計算。

3.3 控制電機

本系統(tǒng)要求實現(xiàn)電機的啟停與點動兩種動作方式，其中啟停有自動和手動兩種控制方式。圖7所示為PLC與電機控制開關(guān)的外圍接電圖，PLC的6個輸入端口用來接收輸入信號（即開關(guān)與按鈕通斷產(chǎn)生的模擬信號），經(jīng)過CPU辨別處理后經(jīng)兩個輸出端口輸出，線圈得電，電機轉(zhuǎn)動；線圈失電，電機停止。輸入以及輸出設(shè)備和PLC的I/O配置見表5。

4 結(jié)論

（1）目前天然橡膠標準膠的生產(chǎn)過程自動化水平低下，極大程度地制約了生產(chǎn)效率的提高、增加了勞動力成本。本文針對天然橡膠加工企業(yè)的實際需求，結(jié)合現(xiàn)有的工藝生產(chǎn)設(shè)備進行自動化改造。設(shè)計了一條用于天然橡膠標準膠包裝的膠包自動輸送線，可節(jié)約勞動力70%以上、提升勞動生產(chǎn)率，和已設(shè)計的自動稱重補料系統(tǒng)配合使用，可完全實現(xiàn)標準膠包裝過程的自動化。

（2）所設(shè)計的自動輸送線由輸送機構(gòu)、質(zhì)量檢測及控制裝置、方向控制裝置和控制模塊構(gòu)成。輸送機構(gòu)主要包括水平動力輥線、撥輪裝置（前、后撥輪）、水平上坡組合式動力輸送帶、無動力下坡輥線；質(zhì)量檢測及控制包括粗稱和精稱兩個環(huán)節(jié)，質(zhì)量檢測元件為稱重臺，質(zhì)量控制裝置為切膠機；方向控制裝置包括氣動系統(tǒng)、萬向牛眼平臺和導(dǎo)向裝置；控制系統(tǒng)利用PLC，通過編程控制硬件元件實現(xiàn)自動動作。

（3）對水平動力輥線、稱重臺、撥輪裝置、水平上坡組合式動力輸送帶等自動輸送線的關(guān)鍵組件進行了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，計算獲得了主要的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)，并進行了校核；利用西門子PLC S7-200工控板、CPU、24V開關(guān)電源、編程纜線、電磁繼電器、電機調(diào)速器、電子秤接收器等建立了硬件系統(tǒng)，通過編程、電路制作，將控制策略轉(zhuǎn)化為PLC指令輸入控制系統(tǒng)，實現(xiàn)輸送線的自動化運行。

參考文獻

[1] 周 洋. 發(fā)泡劑并用活化機理研究及其在天然橡膠發(fā)泡中的應(yīng)用[D]. 上海：上海交通大學，2011.

[2] 蔡世平. 天然橡膠跨市場期現(xiàn)套利研究[D]. 廈門： 廈門大學，2013.

[3] 徐 文，張江雄，唐文浩，等. 海南省天然橡膠加工廢水綜合處理及利用技術(shù)分析[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2014（01）：241-242.

[4] Bouyer D， Philippe K， Wisunthorn S， et al. Experimental and numerical study on the drying process of natural rubber latex films[J]. Drying Technology， 2009， 27（1）： 59-70.

[5] Tirawanichakul Y，Tasara J，Tirawanichakul S. Two-stage optimal fixed-bed drying for natural rubber producing STR20 block rubber[C]. IEEE Colloquium on Humanities， Science & Engineering， 2011： 43-48.

[6] 高宏華，張新儒，王勇洪，等. 熱空氣-微波耦合天然橡膠干燥機設(shè)計及其干燥動力學研究[J]. 熱帶作物學報，2016，37（12）：2 415-2 419.

[7] 王偉民，胡明輔，馬福華，等. 天然橡膠干燥中的能耗效率分析[J]. 石油化工設(shè)備，2011，40（6）：20-23.

[8] 王永周，張福全，丁 麗，等. 不同干燥方式干燥天然橡膠硫化特性研究[J]. 彈性體，2015，25（3）：34-37.

[9] 鐘浩文，胡明輔，王 佳. 天然橡膠干燥氣流分布的均勻性研究[J]. 化工進展，2013，32（5）：978-984.

[10] 張 飛，沈家鋒，王益慶，等. 干燥方式對天然橡膠性能的影響[J]. 橡膠工業(yè)，2016，63（2）：93-97.