鋁型材自動(dòng)折紙包裝工藝方法的研究

郗志剛，艾 文，何 杰，劉銀庭，劉允棠

（1. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東佛山528225；2. 佛山市嘉榮智能機(jī)械有限公司，廣東 佛山528137；3. 廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山528137）

中國(guó)是全世界的鋁型材生產(chǎn)大國(guó)［1-2］，為了保護(hù)鋁型材表面，使其在倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)不被損壞，90%以上的鋁型材在加工完成后都必須進(jìn)行包裝，鋁型材包裝還具有防潮、防塵、防氧化等功能。因此，包裝是鋁型材儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)闹匾Ｗo(hù)措施，直接影響產(chǎn)品使用和市場(chǎng)信譽(yù)［3-4］?；诰G色制造理念［5］，目前鋁型材的包裝材料一般使用卷筒紙，屬于綠色可回收材料，但由于鋁型材制品規(guī)格繁多，而且縱向尺寸長(zhǎng)（一般都達(dá)到6 m，特殊規(guī)格更長(zhǎng)），重量大，國(guó)內(nèi)外還沒有成熟的鋁型材全自動(dòng)包裝設(shè)備。目前生產(chǎn)企業(yè)一般使用人工折紙包裝或半自動(dòng)纏繞包裝機(jī)包裝，存在生產(chǎn)效率低、用工量大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高以及質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，急需使用自動(dòng)化包裝設(shè)備替代傳統(tǒng)手工操作。

為了解決目前鋁型材包裝中存在的問題，研發(fā)鋁型材全自動(dòng)包裝的相關(guān)裝備并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，筆者走訪了珠三角多家大型鋁型材生產(chǎn)企業(yè)，與企業(yè)的技術(shù)人員和生產(chǎn)人員進(jìn)行了深入的交流和探討，應(yīng)用TRIZ［6-8］理論，確定一種全自動(dòng)折紙包裝的工藝方法，并通過制造樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 全自動(dòng)折紙包裝線的總體布局

TRIZ 理論是一套具有完整體系的發(fā)明問題解決理論和方法，已經(jīng)成為解決技術(shù)問題和發(fā)明問題的強(qiáng)有力的方法。實(shí)踐證明，運(yùn)用TRIZ 理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品，在包裝機(jī)械設(shè)備中也是如此。在包裝線確定方案和總體布局時(shí)，基于TRIZ 理論和模塊化設(shè)計(jì)方法［9-10］，設(shè)計(jì)出最終的自動(dòng)折紙包裝線的總體布局如圖1 所示。

圖1 全自動(dòng)折紙包裝線布局示意

圖1 中，1 為機(jī)架，2 為卷筒紙，3 為送紙模塊，4 為點(diǎn)膠模塊，5 為引紙模塊，6 為待包裝鋁型材輸入傳送模塊，7 為包裝工位上、下料模塊，8 為折紙模塊，9 為已包裝鋁型材輸出傳送模塊。包裝過程步驟為：1）鋪包裝紙。由引紙模塊5 上的夾持機(jī)構(gòu)夾緊卷筒紙的端部，沿機(jī)架1 上的導(dǎo)軌移動(dòng)，到達(dá)需求位置，裁斷包裝紙，并將包裝紙平鋪在包裝工位上（在拉紙過程中，點(diǎn)膠模塊4 將熱熔膠沿縱向噴涂在包裝紙的一個(gè)側(cè)邊）。2）上料。模塊7 將待包裝的鋁型材從輸入傳送模塊6 的抓取位置夾起工件，移動(dòng)到包裝工位，并將工件放置在已鋪設(shè)好的包裝紙上。3）折紙包裝：通過折紙模塊8 將包裝紙折疊包裹在鋁型材外表面，并利用熱熔膠封邊。4）下料。模塊7 將已包裝的鋁型材從包裝工位抓起，移送到輸出傳送模塊9 上。5）在輸出傳送模塊上，完成稱重、封頭、碼框等后序工作。

2 折紙包裝模塊的基本組成

自動(dòng)折紙包裝部分主要由升降裝置和左、右折紙裝置等組成，其組成示意如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)折紙包裝部分組成示意

圖2 中，1 為待包裝的鋁型材（橫斷面），3 為包裝紙。1）左折紙裝置主要包括折紙輥筒4、折紙板5、步進(jìn)電機(jī)6、螺母7、滾珠絲杠8 等零部件。步進(jìn)電機(jī)可通過滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)折紙板和折紙輥筒做左右直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其移動(dòng)距離根據(jù)待包裝的鋁型材橫斷面寬度確定，由電氣系統(tǒng)控制。2）右折紙裝置的組成和運(yùn)動(dòng)形式與左折紙裝置基本相同。3）升降裝置主要包括升降平臺(tái)2、升降齒條9、定位導(dǎo)向輪10、升降齒輪11 等零部件，升降平臺(tái)2 與升降齒條9 固連。升降齒輪11 由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)（圖2 中未示出），通過齒輪齒條副使升降平臺(tái)做上下直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其升降高度由鋁型材橫斷面高度確定。

3 自動(dòng)折紙包裝的方法和步驟

3.1 自動(dòng)折紙包裝的方法

折紙包裝前，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降平臺(tái)左右兩側(cè)折紙板，使折紙輥筒之間的距離略大于鋁型材寬度；引紙模塊夾持卷筒紙的端部，沿機(jī)架上的導(dǎo)軌直線移動(dòng)，達(dá)到所需長(zhǎng)度時(shí)，裁斷包裝紙，松開夾持的端部，將包裝紙平鋪在升降平臺(tái)上；在引紙過程中，點(diǎn)膠模塊將熱熔膠噴涂在包裝紙上表面的一個(gè)縱向側(cè)邊上；上料模塊將待包裝的鋁型材放置在已鋪設(shè)好的包裝紙上。至此，折紙的前序工作完成，此時(shí)折紙包裝各組成部分的相對(duì)位置如圖2 所示。

3.2 自動(dòng)折紙包裝的步驟

折紙包裝的過程主要分為以下4 個(gè)步驟，如圖3 所示。

圖3 自動(dòng)折紙包裝方法

（1）翻折兩側(cè)面包裝紙。伺服電機(jī)通過齒輪齒條副，使升降平臺(tái)下降，鋁型材及包裝紙隨平臺(tái)同步下降，直至兩側(cè)折紙輥筒均略高于鋁型材上表面；在這個(gè)過程中，兩側(cè)折紙輥筒使包裝紙向上翻折，并緊貼鋁型材兩側(cè)面，完成鋁型材兩側(cè)面的包裝，如圖3a 所示。

（2）翻折接口內(nèi)層。一側(cè)的步進(jìn)電機(jī)通過滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)折紙板和折紙輥筒朝向鋁型材橫向移動(dòng)，推動(dòng)包裝紙向內(nèi)翻折，覆蓋在鋁型材上表面并形成包裝接口內(nèi)層，如圖3b 所示。

（3）翻折接口外層，粘接封口。另一側(cè)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)折紙板和折紙輥筒朝向鋁型材橫向移動(dòng)，推動(dòng)帶有熱熔膠一側(cè)的包裝紙向內(nèi)翻折，同時(shí)對(duì)面的折紙輥筒同步后退，使接口外層壓在內(nèi)層上，最終內(nèi)、外層粘接在一起，完成鋁型材上表面的包裝，如圖3c 所示。

（4）包裝完成。另一側(cè)折紙輥筒后退復(fù)位，升降平臺(tái)上升復(fù)位，將已包裝好的鋁型材抬起，完成折疊包裝過程，如圖3d 所示。

在自動(dòng)折紙過程中，可根據(jù)鋁型材寬度尺寸來設(shè)置折紙橫向驅(qū)動(dòng)器的控制參數(shù)，改變折紙輥筒的初始位置和行程距離，以適應(yīng)不同寬度的鋁型材；還可根據(jù)鋁型材高度尺寸來設(shè)置縱向驅(qū)動(dòng)器的控制參數(shù)，改變升降平臺(tái)的行程距離，以適應(yīng)不同高度的鋁型材。

最后，下料模塊將已包裝的鋁型材從包裝工位抓起，移送到輸出傳送模塊上。在輸出傳送過程中，完成稱重、封頭，并碼放到料框內(nèi)。

4 其他模塊的基本組成和工作原理

4.1 送紙模塊

4.1.1 送紙模塊組成

送紙模塊主要由送紙機(jī)構(gòu)和裁紙機(jī)構(gòu)兩部分組成，如圖4 所示。

圖4 送紙模塊

圖4 中，5 為包裝紙，壓紙氣缸1、壓紙輥筒2、驅(qū)動(dòng)電機(jī)3、送紙輥筒4 等組成送紙機(jī)構(gòu)，下裁紙刀6、上裁紙刀7 和裁紙氣缸8 組成裁紙機(jī)構(gòu)。

4.1.2 送紙模塊工作原理

送紙時(shí)，壓緊氣缸1 活塞桿向下伸出，將包裝紙5 壓緊在壓紙輥筒2 和送紙輥筒4 之間，電機(jī)3 驅(qū)動(dòng)輥筒4 旋轉(zhuǎn)，將包裝紙向右側(cè)送出；控制驅(qū)動(dòng)輥筒4 的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，可控制送紙長(zhǎng)度。包裝紙右端由引紙模塊的夾持機(jī)構(gòu)夾緊，并向包裝工位牽引，到達(dá)位置后，裁紙氣缸8 動(dòng)作，使上裁紙刀7 向下擺動(dòng)，將包裝紙裁斷。

4.2 引紙模塊

4.2.1 引紙模塊組成

引紙模塊主要包括夾持機(jī)構(gòu)和拉紙機(jī)構(gòu)兩部分組成，如圖5 所示。

圖5 引紙模塊

4.3 上、下料模塊

4.3.1 上、下料模塊組成

上、下料模塊主要包括移位機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和夾取機(jī)構(gòu)等三部分組成，如圖6 所示。圖中10 為鋁型材，同步齒形帶輪1、同步齒形帶2、移位座3、升降滑塊4、升降齒輪13 等組成移位機(jī)構(gòu)，升降導(dǎo)軌5、夾取固定座6、升降齒條12 等組成升降機(jī)構(gòu)，同步齒形帶輪7、同步齒形帶8、夾取爪9 和11 等組成夾取機(jī)構(gòu)。

4.3.2 上、下料模塊工作原理

上料時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪1，使同步帶2 將移位機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至待包裝鋁型材輸入傳送裝置上方；電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪13 旋轉(zhuǎn)，升降機(jī)構(gòu)下移，使夾取機(jī)構(gòu)到上料工位；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪7 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使夾取爪9 和10 將工件夾緊；升降機(jī)構(gòu)上移，使鋁型材上升到一定高度；移位機(jī)構(gòu)動(dòng)作，將鋁型材搬運(yùn)到包裝工位上方；升降機(jī)構(gòu)下降，將鋁型材放到包裝紙上方；夾取機(jī)構(gòu)動(dòng)作，將鋁型材松開；升降機(jī)構(gòu)上升，將夾緊機(jī)構(gòu)提升至一定高度，避免干涉下方包裝工位的動(dòng)作。下料時(shí)，工作原理和過程與上料相同，只不過是從包裝工位夾取已包裝的鋁型材，輸送至輸出傳送裝置上。

圖6 上、下料模塊

5 工藝方法試驗(yàn)

鋁型材自動(dòng)折紙包裝試驗(yàn)樣機(jī)如圖7 所示。該樣機(jī)可包裝的鋁型材最大長(zhǎng)、寬、高規(guī)格分別為7 500、250 和200 mm，包裝誤差在±3 mm 以內(nèi)，包裝紙外表面平整，平均最大包裝速度可達(dá)到150 件/h。目前樣機(jī)已在鋁型材生產(chǎn)企業(yè)試用，能完全滿足鋁型材紙包裝的質(zhì)量要求和生產(chǎn)效率。

圖7 試驗(yàn)樣機(jī)

6 小結(jié)

應(yīng)用該工藝方法研發(fā)的鋁型材自動(dòng)折紙包裝線生產(chǎn)效率高，包裝質(zhì)量穩(wěn)定，在實(shí)際生產(chǎn)中可大大減少用工量和勞動(dòng)強(qiáng)度。該鋁型材自動(dòng)折紙包裝機(jī)構(gòu)已獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利的授權(quán)。