燈泡自動包裝機設(shè)計研究

耿雅男　付拯　馬銀忠

摘要：當前，燈泡包裝仍普遍采用人工包裝，存在工作效率低、人工成本過高、現(xiàn)場較為混亂等問題，人工長時間單調(diào)作業(yè)，易產(chǎn)生疲勞，易產(chǎn)生工傷事故。文中設(shè)計的燈泡自動包裝機包括運輸結(jié)構(gòu)、開盒機構(gòu)，燈泡進盒、盒體封口、燈泡進箱結(jié)構(gòu)，能完成將規(guī)格不一的燈泡自動裝箱的需求。

Abstract： At present， manual packaging is still widely used in lamp packaging. There are some problems， such as low efficiency， high labor cost and confusion on the spot. Long time monotonous manual work can easily lead to fatigue and work-related accidents. The bulb automatic packaging machine designed in this paper includes transportation structure， box opening mechanism， bulb box entry， box sealing and bulb box entry structure， which can fulfill the requirements of automatic packing of bulbs of different specifications.

關(guān)鍵詞：自動;包裝機;燈泡;設(shè)計

Key words： automatic;packaging machine;light bulb;design

中圖分類號：TB486? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）33-0182-03

0? 引言

工業(yè)技術(shù)的變革，促進了社會商品流通發(fā)展。在商品需求量不斷增加前提下商品供應(yīng)量持續(xù)加大。因此高效的商品生產(chǎn)需求帶動了自動化生產(chǎn)技術(shù)。同時，高效的包裝技術(shù)也應(yīng)時得到發(fā)展，和基礎(chǔ)包裝設(shè)備相比，包裝機屬于一種現(xiàn)代科技產(chǎn)物，包裝自動化是其設(shè)計與制造的主導思想及核心技術(shù)。顧客手中的商品沒有任何一件是未經(jīng)包裝而獲得的，也就是說，商品包裝需求量巨大，因此包裝設(shè)備必需更加簡單、便捷才能滿足日益增長的商品包裝需求。包裝機能將商品包裝效率顯著提升，從而縮短商品運輸時間，實現(xiàn)企業(yè)核心競爭力提升目標。在減少用工量的同時，實現(xiàn)用工成本節(jié)約，降低包括工人的勞動強度。完善包裝業(yè)發(fā)展，促進我國智能設(shè)備發(fā)展，助力國內(nèi)高、精、尖技術(shù)進步，增強中國在全球范圍內(nèi)的整體競爭力，為我國贏得更多核心技術(shù)主導權(quán)，所以研究設(shè)計包裝機具有更充分的現(xiàn)實意義[1]。

1? 包裝的總體設(shè)計

本機械采用模塊化設(shè)計思想，分別設(shè)計了自動開盒機構(gòu)，燈泡進盒機構(gòu)，運輸機構(gòu)，燈泡自動進箱機構(gòu)，并將機械在空間上劃分為A工位（自動開盒機構(gòu)）， B工位（燈泡進盒機構(gòu)），C工位（紙盒封口機構(gòu)），D工位（燈泡進箱機構(gòu)），E工位（紙箱封口、打包機構(gòu)）[2]。圖1和表1即為本次研究設(shè)計的包裝設(shè)備中的五個機構(gòu)的工位劃分與組件功能。

2? 包裝機結(jié)構(gòu)設(shè)計

此自動包裝機四個機構(gòu)的空間關(guān)系是在一平面內(nèi)成行排列的，開盒機構(gòu)與燈泡進盒機構(gòu)以及封盒機構(gòu)通過運輸機構(gòu)相連，進箱機構(gòu)與其通過一個有傾角的滑道鏈接，筆者以SolidWorks軟件設(shè)計了該包裝設(shè)備中的各個模塊三維造型。

2.1 運輸機構(gòu)設(shè)計

燈泡包裝機中的運輸機構(gòu)功能主要表現(xiàn)在紙箱傳遞、紙盒運輸這兩個環(huán)節(jié)。其運輸組件的核心構(gòu)件則包括行程開關(guān)、步進電機、特制鏈條及傳送帶等，如圖2是箱體的傳送機構(gòu)，圖3是紙盒的傳送機構(gòu)，構(gòu)成部分包括步進電機、特制鏈條，鏈條齒之間的距離接近于紙盒寬度，在步進電機的帶動下可以穩(wěn)定運輸紙盒，以達到指定的位置。本文所用到的特殊的鏈條有別于普通的傳送帶，它能更加的穩(wěn)定的卡住需要運輸?shù)募埡?，以防止在傳送帶上由于潮濕等環(huán)境因素，影響摩擦力易導致無法運輸?shù)膯栴}。這種運輸方法在保持成本不增加前提下實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單化目標，且可以更準確、牢靠的控制紙盒運行，明顯不同于傳統(tǒng)設(shè)備。

2.2 開盒機構(gòu)、燈泡進盒機構(gòu)和封盒機構(gòu)設(shè)計

開盒機構(gòu)和燈泡進盒機構(gòu)是包裝機的核心結(jié)構(gòu)，兩機構(gòu)主要是完成開盒以及燈泡進盒功能，未開啟紙盒放入后撞塊在氣缸的作用下對盒子進行小力的沖撞，在這些動作的配合下使紙盒成型，當完成開盒后，壓小舌桿現(xiàn)將小舌壓至固定位置，大舌彎曲機構(gòu)將大舌壓彎到45度之后壓小舌桿撤去，然后將大舌壓至盒體，一側(cè)的盒子完成封盒，定時器定時結(jié)束，步進電機轉(zhuǎn)動以帶動成型后的盒子，運輸?shù)綗襞葸M盒的位置后，在氣缸盒推桿的作用下，燈泡被推進紙盒，因為一側(cè)紙盒完成封盒，以保證燈泡可以安全入盒，不會使燈泡因為過大的加速度滑出紙盒，在進行另一側(cè)紙盒包裝，從而完成燈泡的單個包裝。此機構(gòu)與傳統(tǒng)的“氣動推桿”結(jié)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)和運動過程更加簡單，且適用于不同型號的產(chǎn)品，擴大適用范圍。上述機構(gòu)的三維圖如圖4所示。

進箱機構(gòu)主要實現(xiàn)進盒燈泡的入箱過程，其中整體的機構(gòu)是由機械手組件和傳送機構(gòu)組成，因為紙箱質(zhì)量較大所以用普通的傳送帶即可滿足運輸要求，在燈泡裝盒封盒完成后，進入裝箱裝置的傳送帶，到達搬運機械手的位置時，機械手開始工作，機械手每個工作臂上都有上、下限位和左、右限位開關(guān)，而其夾持裝置不帶限位開關(guān)。一旦夾持開始，定時器便會啟動，定時器結(jié)束，夾持動作隨即完成，機械手到達放置點后，將工件松開的時間也是由定時器控制的，定時器結(jié)束時，表示被抓工件已松開。機械手起始位置在盒子正上方的位置，同時通過伸縮桿的作用，機械手豎直向下運動到達可抓住盒子的位置時接通下限位開關(guān)定時1秒后夾持裝置開始工作，夾緊盒子，定時1s后機械臂豎直向上運動到達相應(yīng)位置后觸動上限位開關(guān)，停止上升，右移機械手，在將右限位開關(guān)觸動時停止右移;機械手開始下降，觸底條件下將下極限開關(guān)觸動，就此停止下降;定時器接通開始工作，機械手開始放松工件，1s定時結(jié)束，將工件松開，隨之進入提升狀態(tài)，上升到頂部，觸動上極限開關(guān)，上升停止;左移至原點的機械手在將左限位開關(guān)觸動后，終止繼續(xù)左移，裝箱就此結(jié)束[3]。進箱機構(gòu)的三維模型如圖5所示。

2.3 紙箱封口、打包機構(gòu)設(shè)計

封箱打包機構(gòu)是包裝機的最后環(huán)節(jié)，其主要是完成裝箱后的箱體的封口和膠帶密封，封口機構(gòu)是通過氣缸驅(qū)動帶動齒條運動，齒條和齒輪嚙合帶動齒輪轉(zhuǎn)動，這樣與齒輪連接的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸另一端連接的氣缸擺臂也同時擺動，這樣就完成了封口的動作。紙箱被推箱機構(gòu)推入紙箱軌道中后，紙箱在向前運動，因為封箱機構(gòu)上方有一個裝置，該裝置可以使紙箱在牢固的同時，也能把前單向膠輪壓低，使其發(fā)生轉(zhuǎn)動。膠帶的頂端在前單向膠輪上，當紙箱從前單向膠輪壓過時，前單向膠輪上的膠帶就會粘貼在紙箱上。紙箱在皮帶摩擦力的作用下繼續(xù)向前，與此同時前單向膠輪通過曲柄帶動后單向膠輪，兩個單向膠輪同時發(fā)生轉(zhuǎn)動，后單向膠輪連接的彈簧被拉伸。紙箱在前進過程中的同時將刀片和刀片上的擋板壓低。與刀片和刀片的擋板連接的彈簧被拉伸。當紙箱越過刀片和刀片擋板的時候，刀片和刀片擋板在彈簧的作用下沿下壓的路徑反向轉(zhuǎn)動，從而可以切斷膠帶。當紙箱繼續(xù)前進，越過后單向膠輪時，連接后單向膠輪的彈簧要恢復(fù)原來的形狀，因此連接后單向膠輪的彈簧會發(fā)生收縮，從而帶動給后單向膠輪沿下壓的路徑反向轉(zhuǎn)動，因此紙箱底部膠帶的后半部分被粘貼好。同時后單向膠輪通過曲柄帶動前單向膠輪轉(zhuǎn)動，所以當紙箱穿過紙箱軌道封好膠帶后，折前蓋及封箱裝置自動還原。

以SolidWorks軟件為基礎(chǔ)裝配已設(shè)計完成的各機構(gòu)、零部件，如圖6所示的三維立體燈泡包裝機結(jié)構(gòu)即可獲得。

3? 包裝機控制系統(tǒng)設(shè)計

燈泡包裝機的控制系統(tǒng)主要包括由可編程控制器（PLC）、繼電器等元件組成。

基于PLC的執(zhí)行元件控制系統(tǒng)設(shè)計：PLC現(xiàn)已成為工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的一種主要裝備，其發(fā)展速度極快，可以有效滿足工業(yè)自動化的各種自控需求。因為包裝機需要由各種復(fù)雜傳感器組配而成，同時存在過大的干擾，可編程控制器的優(yōu)勢則在于編程方便、控制能力強、可靠性高等，所以對于紙箱包裝機可編程控制系統(tǒng)而言，應(yīng)能基于待包裝產(chǎn)品技術(shù)來協(xié)調(diào)管理各個部分，這點在設(shè)計其電控部分時需要考慮在內(nèi)。運送待裝盒（箱）產(chǎn)品環(huán)節(jié)、裝箱成型環(huán)節(jié)、紙盒進箱環(huán)節(jié)等包裝機控制系統(tǒng)控制的重點環(huán)節(jié)。筆者研發(fā)的基于PLC的自動控制系統(tǒng)由內(nèi)部控制系統(tǒng)、電磁閥、光電開關(guān)、限位開關(guān)等關(guān)鍵件組成，紙箱包裝可以就此順利完成，將各類包裝需求全面滿足。

由于燈泡包裝機的各組件互相獨立，因此包裝機的控制執(zhí)行系統(tǒng)被筆者設(shè)計成2級，所以組件啟、?？刂朴?級系統(tǒng)負責;各組件內(nèi)部的執(zhí)行件啟、停由2級系統(tǒng)（子系統(tǒng)）負責，控制方式上通過行程和時間的方式來進行控制已達到包裝機的精確控制，比如裝盒機構(gòu)子命令控制原理：運輸組件PLC為S1，其利用A1、A2和1級PLC、檢測開關(guān)分別連接，電機參數(shù)設(shè)置為B1、B2，電磁繼電器參數(shù)設(shè)置為C1-C4[4]。裝箱機構(gòu)的控制原理如圖7所示。

4? 結(jié)束語

包裝機機構(gòu)及其控制原理是本文闡述的重點，所應(yīng)用的PLC控制系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)繼電器控制機械的缺陷，使得燈泡自動包裝的效率提高，同時本機構(gòu)用氣缸實現(xiàn)往返運動減少電機頻繁正反切換，防止造成電機容易過載過熱引起火災(zāi)隱患，使安全性大大提高。對于機械部分，盡可能采用標準件，減少零件制造成本。測試結(jié)果證實，筆者設(shè)計完成的包裝設(shè)備功能齊全，可以將各種型號的燈泡包裝需求全面滿足，提高包裝效率，具有良好的包裝效果。但是因機械是各個獨立機構(gòu)控制組合，所以多次調(diào)整會導致機構(gòu)精度下降嚴重時配合出現(xiàn)誤差，導致包裝失敗。同時進行連續(xù)工作會產(chǎn)生卡死情況，有待進一步開發(fā)和改善。

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