枕形袋裝多列多層裝箱機的機械及控制系統(tǒng)設計

本文講解了枕形袋多列多層裝箱機的組成和控制系統(tǒng)、多列多層排列規(guī)律和裝箱的工藝過程，闡述了其組成和裝箱工藝特點。研究了枕形袋的特性及單列變多列的方法和多列枕形袋的偷送工藝，利用數(shù)字包裝周期的理論對傳動系統(tǒng)進行設計和論證，設計的裝箱運動軌跡，解決了枕形袋多層多列裝箱的問題。

1 枕形袋多列多層裝箱機的組成

1. 1主要組成機構

枕形袋多列多層裝箱機主要由機架總成，位移機構、抓袋(工裝)機構、導向機構、驅(qū)動機構、輸袋機構和輸箱機構等組成，如圖1.抓袋(工裝)機構是快速更換機構，根據(jù)枕形袋、裝箱等規(guī)格的變換而更換。

圖1枕形袋裝箱機系統(tǒng)組成

1.機架總成:2.位移機構:3.抓袋機構:4.導向機構:5.驅(qū)動機構:6.輸袋機構:7.輸箱機構

1. 2控制系統(tǒng)

枕型袋多層多列裝箱機控制系統(tǒng)主要由可編程控制器G1(PLC)、人機界面G2、伺服控制驅(qū)動器A1和A2、變頻器A3和A4、檢測、執(zhí)行元件等組成(見圖2). G1和G2構成控制系統(tǒng)的核心和操作界面，所有的控制參數(shù)均可在人機界面上設置完成。PLC(可編程工業(yè)控制器)通過CANopen總線對A1 , Az傳輸指令，控制伺服電機M1和M2的運行，M1對裝箱過程驅(qū)動，M2對袋子輸送鏈驅(qū)動，同時將M1的運行狀態(tài)反饋給G1，控制電磁閥等執(zhí)行元件，通過CANopen總線對A3 , A4變頻器進行參數(shù)設置和啟停控制，控制電機M1和M2，完成箱子的兩級輸送。

圖2 控制系統(tǒng)原理示意

1. 3裝箱周期數(shù)字化的應用

從抓取物品到放入到包裝箱，再返回到抓取點的整個過程，稱之為一個裝箱周期。抓取頭運動的每一個位置，伺服電機的旋轉(zhuǎn)編碼器會產(chǎn)生一組相應的數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿欧?qū)動器上，驅(qū)動器通過CANo-pen總線將數(shù)據(jù)傳送到PLC中，完成一個裝箱周期，PLC對該數(shù)據(jù)復位，這樣每裝一次箱，均會產(chǎn)生一組0到m的周期數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù)對應著裝箱過程的各個位置，把這組有規(guī)律變化的數(shù)據(jù)稱之為數(shù)字周期或裝箱過程位置數(shù)字化。在裝箱過程的每一個動作有一個相應的位置數(shù)據(jù)，裝箱過程動作可以準確地控制。

2 枕形袋多層多列裝箱的工藝

2. 1每層的排列規(guī)律

圖3是枕形袋每層5列，每列5袋，每箱7層的裝箱立面和平面示意圖，反映出枕形袋在箱內(nèi)多列多層排列規(guī)律。從圖3 (a)可以看出，袋子與袋子之間搭邊排列，以保證袋子在箱子中緊密排列，提高裝箱質(zhì)量和效果。

2. 2 多層裝箱的工藝

1)待裝箱的袋子排列整齊的輸送到抓取位，空箱輸送到裝箱位；

2)抓袋工裝位移到抓取位，抓取袋子；

3)離開抓取位后，完成抓取的袋子隔排上下錯位，排和排之間收縮緊密，列和列之間收縮緊密(根據(jù)數(shù)字包裝周期的參數(shù)控制)；

4)抓袋工裝位移到袋子放入箱子的工位，釋放袋子，完成一層袋子的裝箱，重復以上工序，直到裝滿箱子為止；

5)傳送裝滿袋子的箱子到封箱工位，完成一箱的裝箱工序。

圖3枕形袋裝箱平而立而示意

3 枕型袋的整理機構與傳送工藝研究

3. 1單列變多列機構的組成

枕形袋從包裝機輸送過來的是單列，裝箱是多列排列，因此首先將單列變成多列的排列。單列變多列主要由可伸縮定位輸送機和多列輸送鏈組成，如圖4可伸縮定位輸送機主要由主傳送帶(包括皮帶糾偏機構、初始位、限位、袋子檢測光電開關等組成)和伺服電機控制與驅(qū)動的伸縮機構組成，其工作原理是伸縮帶快速移動到最遠端，檢測到一個袋子并輸送到多列輸送帶上，向后退一個袋寬的距離，等待下一個袋子到來，依次將多列輸送帶上放滿枕形袋，完成一組單列變多列的工序。

圖4枕形袋單列變多列平而組成

1.多列輸送鏈;2.多列排列枕形袋;3.多列輸送鏈驅(qū)動電機:4.單列枕形袋;5.伸縮式理袋機

3. 2單列變多列機構的重要參數(shù)關系

枕形袋單列變多列位置尺寸關系見圖5。從圖5中可以看出，伸縮帶的初始位置到第1列的中線距離為c(c≥b)，每列間距a，等待位到第m列(多列數(shù))中線距離為b，

b=Vt.    (1)

式(1)中，V為伸縮帶主傳送帶的線速度，單位為mm/s，t為枕形袋從伸縮帶跌落到多列帶需要的時間，伸縮帶平面距多列帶平面距離為h，根據(jù)自由落體定律得，

h=gt²/2（g為重力加速度）

由公式(2)得，將t帶入（1）式得

，        （3）

初始位到等待位的距離

S1=S一b，

式(4)中，S=c+a(m一1)，由(3)和(4)得

（5）

為了簡化編程，設那么S1 =a(m一1)，因此，對于單列變多列的調(diào)試首先尋找和確定初始位，控制過程就變得比較簡單。

圖5 枕形袋單列變多列位置尺寸關系

3. 3單列變多列的工藝

伸縮帶端頭正常停機時停留在初始位，初始位距離多列帶的第1列為計算公式(4).jpg開機后按照以下工藝運行。

1)伸縮帶快速向前移動S1，等待枕形袋到來，檢測到枕形袋，向后退a，令m=m一1；

2)m≠0，檢測到袋子，向后退a，令m=m一1；當m =0時，轉(zhuǎn)到1)，否則重復2)；

3)當遇到正常停機，伸縮帶的傳送帶停，伸縮后退到初始位停機，急停時，伸縮帶及伸縮帶傳送帶立即停。

3. 4枕型袋多列輸送規(guī)律的研究

枕形袋的輸送不同于瓶裝、盒裝的輸送，不能大量的堆積。解決枕形袋輸送的最簡單辦法就是通過3級或4級輸送，采用快、慢、快、慢的差速輸送。第1級輸送速度比較快，將袋子與袋子拉開較大的距離，每個袋子的輸送過程中盡量減少外界因素的影響。第2級輸送較慢，使袋子在2級輸送的過程中有搭邊現(xiàn)象，但不能堆積過多。第3級輸送比第2級輸送快一點，使袋子與袋子首尾相接。第4級輸送調(diào)整到抓取需要的距離，由裝箱機的伺服電機M2驅(qū)動與控制。

4 多層裝箱的傳動機構

多層裝箱的傳動機構采用固定的運動軌跡，解決了裝箱過程的二維運動，使機械機構簡單，操作維護方便，提高了設備的使用效率，降低了能耗，運動軌跡如圖6.運行軌跡主要由水平導向機構、抓取頭連接座、移動連接機構、導軌槽、垂直導向機構、傳送鏈條、驅(qū)動機構、安裝板等組成。

4. 1平面導向機構

平面導向機構由水平和垂直導向機構組成(見圖6)，水平導向機構作用是水平導向和水平滑動。抓取袋子工裝機構安裝在連接座上，安裝座安裝在垂直導向機構上，連接驅(qū)動鏈條，垂直導向機構安裝在水平導向軸上，隨著水平導向機構整體移動。這樣抓袋子工裝機構就可以在同一平面上沿著運行軌道曲線平穩(wěn)運行，將枕形袋從抓取工位放入箱子中完成裝箱。

圖6運動軌跡與導向機構示意

4. 2固定軌跡傳送機構

固定傳送機構的作用是抓袋工裝按照固定的運動軌跡移動。固定傳送機構主要由移動連接機構、傳動鏈條、鏈條導向槽、鏈輪、驅(qū)動機構(減速機和伺服電機)等組成(見圖6)，傳送鏈條和抓取頭連接座連接在一起，驅(qū)動機構帶動鏈條沿著鏈條導軌槽運動，按照裝箱工序，通過控制伺服電機的位移量，將枕形袋從初始位抓取放入箱子里不同層中完成裝箱。

4. 3傳動運行的參數(shù)設置

通過人機界面，運動行程可編程，對于不同的產(chǎn)品規(guī)格和包裝形式，進行多列多層裝箱。一臺裝箱機，適應于批量小、規(guī)格多的日化、白酒、農(nóng)藥的異型瓶裝箱，枕形袋包裝(如乳品、小食品、調(diào)味品、食鹽、白糖等)的多層裝箱，有廣泛推廣意義。

初始位定義，裝箱機在初始開機和正常停機抓取工裝的停留位稱之為初始位。一般情況下，程序設計者會設計一個尋找初始位的程序，使裝箱機在運行中有一個準確的初始位(或參考位).對于安裝好的裝箱機，枕形袋輸送鏈平面距離初始位的距離L1(常數(shù))，輸箱鏈到平面距離初始位的軌跡距離L2(常數(shù))，對于不同的裝箱產(chǎn)品，裝箱規(guī)格要進行枕形袋高度h，設定，裝箱的層數(shù)k設定，包裝紙箱厚度h2設定，這些參數(shù)確定后，裝箱機就會按照要求完成裝箱過程。

4. 4裝箱傳動過程

裝箱機的抓取工裝在正常停機時停留在初始位(按照功能也可稱之為等待位)，開機后設定相關參數(shù)，按照裝箱的工藝運行。

1)檢測枕形袋輸送是否到位，如果沒到位等待枕形袋到位，到位后運行L1一h1位移，抓袋，設定n=1；

2)運行L1 + L2一h2一((n+1)h1位移到第n層放袋位，如果檢測紙箱沒到位，需要在初始位等待，同時在運行的過程中，根據(jù)數(shù)字包裝周期的數(shù)據(jù)，抓袋工裝進行調(diào)整，對

抓袋子進行歸攏和調(diào)整，運行到第n層放袋工位放下袋子，第n層袋子裝入箱子，同時n=n+1。

3)運行L11+ L2一h2一((n+1)h1位移到抓袋位，如果檢測到枕形袋沒有到位，在初始位等待，同時在運行的過程中，根據(jù)數(shù)字包裝周期的數(shù)據(jù)，對抓袋工裝復位，開始抓袋;

4)重復2)和3)，完成每一層的裝箱，直到n-k時，箱子裝滿，完成一個裝箱周期，輸送滿箱和空箱，返回到1)步，進行下一箱的裝箱。