板式家具自動化包裝線的設計

(南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京210037)

目前國內(nèi)板式家具智能制造發(fā)展迅速，但大部分板式家具制造企業(yè)的包裝生產(chǎn)線依然較為落后[1]，在板式家具生產(chǎn)過程中包裝環(huán)節(jié)的自動化程度低、人工成本高、生產(chǎn)效率低。為了減輕工人的勞動強度，進一步提高生產(chǎn)效率，加快技術革新，采用先進生產(chǎn)設備及工藝，設計研發(fā)符合我國板式家具行業(yè)實際生產(chǎn)需要的高速全自動包裝生產(chǎn)線變得尤為迫切。

板式家具在出廠前不進行組裝，用戶購買后由銷售公司或制造企業(yè)負責上門現(xiàn)場安裝，家具制造廠在家具出廠前將板件和五金配件進行分包包裝以便于運輸[2-4]。當前板式家具企業(yè)的包裝生產(chǎn)線存在用工人數(shù)多、勞動強度大、生產(chǎn)效率低、成本高等問題，而且還容易出現(xiàn)零配件放錯位置或數(shù)量缺漏等問題。包裝工序已成為整個板式家具生產(chǎn)中的一道瓶頸，嚴重影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益[5-6]。

1 板式家具包裝需求分析

根據(jù)板式家具的結構特征及包裝運輸要求，包裝環(huán)節(jié)的主要工序包括折紙箱、放板件和五金件、紙箱封箱、碼垛堆箱以及整托纏繞等。板式家具包裝生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 板式家具包裝生產(chǎn)工藝流程

板式家具包裝要求示意圖如圖2所示。首先將展開的紙板按照設計好的壓痕折疊成規(guī)定規(guī)格的紙箱，隨后根據(jù)產(chǎn)品說明書將加工好的板件、五金件以及防護泡沫盒和組裝說明按照指定位置在紙箱內(nèi)碼放整齊。放置完畢的紙箱通過盒蓋閉合裝置進入封箱設備，面向紙箱前進的方向，依次對紙箱的右側面、前端面、后端面的盒蓋完成封箱操作。完成封箱后的密封紙箱應在側面粘貼箱號標簽、產(chǎn)品信息標簽以及產(chǎn)品顏色標簽，其中產(chǎn)品信息標簽應包含產(chǎn)品名稱、批號、生產(chǎn)企業(yè)等信息。貼好標簽的紙箱按照指定的順序堆放碼垛成包，每垛家具包裝箱應配有底部托盤和頂部紙蓋，并附上防滑襯片和四周的防護角條。碼垛完成后，整托紙箱送入纏繞設備進行縱向(垂直面內(nèi))和橫向(水平面內(nèi))的薄膜纏繞，以防止運輸過程中堆垛散開或受潮。完成整個包裝環(huán)節(jié)后，堆垛通過輸送設備送入倉庫。

圖2 板式家具包裝要求示意圖

2 板式家具自動化包裝線總體設計

產(chǎn)線布局是指在生產(chǎn)線工藝流程的基礎上，結合現(xiàn)場實際情況按照一定的布局原則對生產(chǎn)線中的設備進行安置與排序，從而達到節(jié)省資源提高生產(chǎn)效率的目的。結合車間可用空間和各個包裝加工設備的占地面積優(yōu)化設計，提出“U”型產(chǎn)線布局方案[7]。

“U” 型產(chǎn)線布局方案的優(yōu)勢主要是將兩臺碼垛機械臂設備布置在生產(chǎn)線轉角位置，這樣既節(jié)省了空間，避免了排布管線過多，同時還大大縮短了機械臂在旋轉過程中的工作路程，進一步提高了工作效率[8-11]。采用“U”型產(chǎn)線布局方案后，人工放置護角和上蓋工位處的工人可以在碼垛間隙及時檢查處理膠合有缺陷的紙箱，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化產(chǎn)線效率。所設計的全自動包裝生產(chǎn)線主要由封箱模塊、碼垛模塊以及堆垛打包模塊等部分組成。包裝車間自動化包裝設備產(chǎn)線布局如圖3所示。

圖3 包裝車間自動化包裝設備產(chǎn)線布局

3 板式家具自動化包裝線關鍵裝置設計

上述板式家具自動化包裝生產(chǎn)線中，碼垛機械臂在國內(nèi)外已有成熟技術，對于該設備僅進行選型設計，其他設備進行自主結構設計。

3.1 紙箱封箱設備

設計的全自動熱熔膠封箱設備主要由推板裝置、壓板裝置、被動夾手裝置、傳送輥筒、前段電機、入口處光電傳感器、主動夾手裝置、長度方向夾手裝置、出口處光電傳感器、后段電機、橫梁、縱梁以及噴膠系統(tǒng)等部件組成，封箱設備主體結構示意圖如圖4所示。

圖4 封箱設備主體結構示意圖1.縱梁；2.推板裝置；3.壓板裝置；4.寬度方向被動夾手裝置；5.傳送輥筒；6.前段電機；7.入口處光電傳感器；8.移動夾手裝置；9.長度方向夾手裝置；10.出口處光電傳感器；11.后段電機；12.橫梁

紙箱放置在封箱機前端的進給輥筒上后，啟動前段電機。前段電機帶動紙箱向中段前進，紙箱進入封箱機時安裝在擋板進口位置處的感應器檢測到有紙箱通過，橫梁上的噴槍開始噴膠。待箱體完全進入中段范圍內(nèi)，移動夾手裝置動作，將箱件推至被動夾手裝置所在位置，從而固定住紙箱完成定位。定位完成后，橫梁上和寬度方向上的壓板裝置將壓緊箱體頂部和箱體右側(面向紙箱前移方向)，膠槍移動噴膠。噴膠結束后，中段電機帶動紙箱繼續(xù)前進進入后段區(qū)域。當紙箱末端前進到封箱機后端設置的光電感應裝置并前進一小段距離后，后段電機帶動紙箱回退到后段噴膠定位點，按照封箱機中段噴膠壓緊的方式完成紙箱的末端封箱，這樣做的目的是為了避免紙箱在高速前進中行程定位不準現(xiàn)象出現(xiàn)。封箱加工完成后的紙箱離開封箱機，通過傳送輥筒進入下一個工序進行加工。

3.1.1 紙箱定位系統(tǒng)

自動封箱設備的紙箱定位系統(tǒng)如圖5所示，主要由傳感器和夾手裝置兩部分組成。

圖5 紙箱定位系統(tǒng)1.入口處光電傳感器發(fā)射裝置；2.移動夾手裝置；3.移動夾手裝置移動氣缸；4.移動夾手裝置移動導軌；5.長度方向被動夾手裝置；6.出口處光電傳感器發(fā)射裝置；7.出口處光電傳感器接收裝置；8.長度方向被動夾手升降氣缸；9.長度方向被動夾手支架；10.寬度方向被動夾手裝置；11.移動夾手裝置升降氣缸；12.寬度方向被動夾手升降氣缸；13.入口處光電傳感器接收裝置

封箱機入口處和出口處的傳感器為光電傳感器。封箱機中部傳感器用于感應紙箱的寬度，若采用光電傳感器，由于需要隨著噴膠口在滑動導軌上移動，則無法安裝光電接收裝置，故采用激光傳感器。本定位系統(tǒng)所使用的夾手裝置分為被動夾手裝置和移動夾手裝置，其中被動夾手裝置又分為長度方向和寬度方向，而移動夾手裝置則只在寬度方向上配置。

定位系統(tǒng)的被動夾手裝置在水平方向上始終保持不動，在高度方向上則根據(jù)紙箱的進出情況由氣缸控制上下移動。主動夾手裝置除了要在高度方向上根據(jù)紙箱的進出情況由氣缸控制上下移動外，還要根據(jù)紙箱的寬度與被動夾手裝置相配合進行水平方向上的移動，從而對紙箱進行定位。

當紙箱進入封箱設備后位于封箱機入口處的光電傳感器檢測到紙箱前部進入，移動夾手裝置和被動夾手裝置在氣缸的推動下上升，使夾手超過傳送輥筒，從而推動并固定住運動中的紙箱。當氣缸推動夾手超過傳送輥筒并上升到位后，用于控制移動夾手沿軌道左右移動的氣缸工作，推動移動夾手向被動夾手的方向移動，從而在寬度方向上固定住紙箱。

紙箱進入輥筒后，位于封箱機入口處的光電傳感器檢測到紙箱前部，位于封箱機長度方向上左側的夾手裝置在氣缸的推動下上升，使夾手超過傳送輥筒，從而擋住前進中的紙箱，以完成紙箱在長度方向上的定位。

由于體育旅游專業(yè)的復合屬性，現(xiàn)有基礎師資構成主要是以體育專業(yè)出身和旅游專業(yè)出身的師資為主。體育院校類和綜合高校的體育院系開設體育旅游方向的專業(yè)，師資力量的構成主要是體育學教師，旅游院系則主要是旅游管理類教師，缺乏復合型的師資體系和教學隊伍。進一步完善教學師資力量結構體系是體育旅游專業(yè)人才培養(yǎng)首先需要解決的問題。應加強體育旅游專業(yè)人才師資隊伍的建設，建立專門的培養(yǎng)機構或者在相關高等院校開設長短期的進修班，培養(yǎng)復合應用型的師資隊伍。

在長度方向和寬度方向夾手裝置的協(xié)同作用下，紙箱定位完成，此時傳動輥筒停止轉動，紙箱靜止在封箱機內(nèi)。

傳送輥筒完全停止后，長度方向和寬度方向上的被動夾手裝置在氣缸的帶動下退回到初始位置，寬度方向上的移動夾手裝置同樣在氣缸的帶動下退回到初始位置。

完成紙箱右側面和前端面的封箱操作后，封箱機前段的輸送輥筒同步啟動將紙箱繼續(xù)向前輸送。封箱設備出口處裝有光電傳感器，紙箱最前端觸發(fā)該光電傳感器，封箱設備后段的輸送輥筒啟動。紙箱繼續(xù)前進直至完全通過該光電傳感器，此時封箱機長度方向上右側的夾手裝置在氣缸的推動下上升超過輥筒。隨后后段電機反轉，后段傳送輥筒將紙箱退回。紙箱后退到位后，后端電機停止轉動，紙箱停留在后端面封箱的位置上。此時，封箱機長度方向上右側的夾手裝置和左側夾手裝置一樣，在氣缸的帶動下退回到初始位置。

3.1.2 膠合壓緊系統(tǒng)

為了使熱熔膠充分發(fā)揮膠合效果，同時防止在封箱壓緊過程中紙箱位置發(fā)生偏移，本膠合系統(tǒng)主要由推板裝置和壓板裝置兩部分組成。

紙箱進入封箱設備，并經(jīng)過輥筒輸送裝置輸送到位和紙箱定位裝置完成定位后，封箱機的膠合壓緊系統(tǒng)初始狀態(tài)如圖6所示。

圖6 封箱機膠合壓緊系統(tǒng)初始狀態(tài)

圖7 封箱機膠合壓緊系統(tǒng)工作狀態(tài)

完成紙箱右側面和前端面的封箱操作后，封箱機前段的輸送輥筒同步啟動將紙箱繼續(xù)向前輸送。封箱設備出口處裝有光電傳感器，紙箱最前段觸發(fā)該光電傳感器，封箱設備后段的輸送輥筒啟動。紙箱繼續(xù)前進直至完全通過該光電傳感器，后段電機反轉，后段傳送輥筒使紙箱后退。紙箱后退到位后，后端電機停止轉動，紙箱停留在后端面封箱位置上。

噴膠完成后，紙箱封箱設備的膠合壓緊裝置開始進行后端面的膠合壓緊工作，其工作流程和右側面及前端面的工作流程大致相同，都是在膠合壓緊的初始階段，壓板裝置沿軌道垂直下壓，將紙箱上部壓緊。當壓板裝置下降到位后，推板裝置立即工作，沿軌道以一定的傾角將紙箱的后端面壓向紙箱涂膠部位，并維持約1 s的時間，使紙箱后端面與紙箱邊板通過熱熔膠充分膠合。膠合完成后，推板裝置退回至初始位置。推板裝置離開紙箱后，壓板裝置也上升至初始位置，紙箱后端面封箱加工完成。

3.2 堆垛打包設備

產(chǎn)品完成內(nèi)包裝后，通常采用集合、裝箱、捆扎、堆碼等后包裝方式，使產(chǎn)品形成一個合適的物流運輸包裝單元，以增加產(chǎn)品的外包裝強度，減少散包造成損失，提高倉庫與貨位利用率，提高物流效率，節(jié)省運輸成本，方便銷售[12]。

本條生產(chǎn)線所需的纏繞裝置由立式薄膜纏繞設備和旋臂式薄膜纏繞設備兩部分組成。其中立式薄膜纏繞機的主要作用是對整托紙箱在垂直面內(nèi)進行縱向纏繞；旋臂式薄膜纏繞機的主要作用是經(jīng)過縱向纏繞的整托紙箱在水平面內(nèi)再次進行橫向纏繞。整托紙箱經(jīng)過縱橫十字交叉纏繞非常穩(wěn)固，方便運輸。

3.2.1 薄膜縱向纏繞裝置

立式薄膜纏繞裝置如圖8所示，主要由機架、支撐架、旋轉軌道、壓板、薄膜拉伸夾持裝置以及薄膜截斷裝置等幾部分組成。

圖8 立式薄膜纏繞裝置1.薄膜拉伸夾持裝置；2.旋轉軌道；3.機架；4.支撐架；5.坦克鏈輸送帶；6.擋輪；7.堆垛壓板裝置

整個薄膜縱向纏繞裝置的核心部件是薄膜拉伸夾持裝置，其主要由電機、薄膜拉伸裝置以及薄膜夾持裝置等部件組成，如圖9所示。

圖9 薄膜拉伸夾持裝置1.電機；2.旋轉滾軸；3.固定拉伸軸；4.塑料薄膜；5.薄膜夾持裝置

薄膜拉伸夾持裝置固定在旋轉圓盤上，跟隨圓盤一起旋轉。當薄膜纏繞裝置工作時，電機啟動并帶動小齒輪旋轉，通過內(nèi)齒輪嚙合，帶動整個大的圓盤開始旋轉，如圖10所示。為便于表述，對旋轉圓盤的外殼做了透明化處理。通過旋轉滾軸與固定拉伸軸之間的摩擦力可以始終使薄膜處于拉伸狀態(tài)，以便于塑料薄膜的纏繞。

3.2.2 薄膜橫向纏繞裝置

由于不同家具的包裝紙箱碼放成的堆垛尺寸不一，因此采用窄幅薄膜螺旋纏繞法進行拉伸薄膜集裝，從而能靈活地適應堆垛的尺寸變化。薄膜卷筒圍繞貨物旋轉的同時，薄膜卷筒也在上下移動將薄膜從貨物頂部纏繞到底部，再從底部裹繞到頂部。

圖10 圓盤旋轉結構1.傳動齒輪；2.電機；3.旋轉圓盤；4.從動齒條

旋臂式薄膜纏繞裝置主要包括燙膜截斷夾持裝置、升降氣缸、機架、壓板、坦克鏈輸送帶、鏈條升降裝置、薄膜卡套裝置。懸臂式薄膜纏繞裝置如圖11所示。

圖11 懸臂式薄膜纏繞裝置1.燙膜截斷夾持裝置；2.升降氣缸；3.機架；4.壓板；5.坦克鏈輸送帶；6.鏈條升降裝置；7.薄膜卡套裝置

旋臂式纏繞機工作時，通過壓緊裝置可以實現(xiàn)對轉盤上包裝物品的壓緊，壓緊裝置上下高度可調(diào)、左右位移可調(diào)，使用非常便捷。同時在纏繞包裝過程中為了滿足大型物件的薄膜包裝，通過氣缸上下伸縮移動，使大型物件從下至上或從上至下纏繞包裝。纏繞完成后燙膜截斷裝置自動工作，截斷纏繞塑料薄膜，纏繞加工好的堆垛通過封閉式坦克鏈傳送至下一工序。

纏繞機由四臺電機控制。第一臺電機用來控制燙膜截斷夾持裝置，燙膜截斷裝置將薄膜燙斷后，薄膜沒有脫離該裝置，而是可以繼續(xù)夾持薄膜以便于下一次堆垛纏繞。第二臺電機用來控制薄膜夾持裝置繞旋轉軸旋轉，從而使薄膜可以完整地纏繞在堆垛上。另外兩臺電機通過傳送鏈條驅動薄膜夾持裝置做升降運動。

紙箱堆垛完成縱向薄膜纏繞后，堆垛由坦克鏈式輸送裝置送往橫向薄膜纏繞裝置。紙箱進入橫向薄膜纏繞裝置后，輸送裝置停止運動。此時安裝在旋轉軸上的升降桿通過氣缸向下運動，升降桿末端的壓板裝置向下壓緊紙箱堆垛。隨后燙膜截斷夾持裝置打開，薄膜夾持裝置開始以旋轉軸為中心繞著貨物旋轉。旋轉半周后，燙膜截斷夾持裝置沿中心軸上升與薄膜脫離并閉合。薄膜卡套裝置圍繞貨物旋轉的同時沿著升降導軌上下運動，以便實現(xiàn)薄膜的螺旋纏繞。懸臂旋轉裝置如圖12所示。

圖12 懸臂旋轉裝置1.支架；2.空心軸套；3.從動齒輪；4.L型懸臂；5.傳動齒輪；6.電機

薄膜卡套裝置的升降通過鏈條的傳動來實現(xiàn)，薄膜卡套裝置如圖13所示?？ㄌ籽b置通過卡槽安裝在升降導軌上，兩根傳動鏈條安裝在頂部和底部的滑動輪上。薄膜纏繞裝置工作時，電機啟動，并控制鏈條繞著滑動輪轉動。整個卡套裝置通過U型卡槽固定在傳動鏈條上，跟隨升降導軌上下移動。

圖13 薄膜卡套裝置1.升降鏈條；2.纏繞薄膜；3.升降導軌；4.電機；5.鏈條傳動齒輪；6.薄膜夾持裝置；7.薄膜拉伸裝置；8.連接裝置

當薄膜旋轉纏繞即將結束時，燙膜截斷夾持裝置重新打開。此時，薄膜夾持裝置繼續(xù)旋轉直至薄膜將夾持桿和堆垛纏繞在一起，隨后，燙膜截斷裝置閉合，與夾持桿一起將薄膜燙斷。纏繞結束后，薄膜夾持裝置旋轉回初始位置，燙膜截斷裝置閉合，整個橫向纏繞加工過程結束。

4 小結

針對板式家具配件包裝，以減少人工成本為目標，對人工完成家具板件及五金配件裝箱工序之后的紙箱封箱、堆垛以及打包纏繞等工序進行了自動化設計[13-15]。在紙箱移動過程中，自動完成紙盒封箱、堆碼、纏繞等動作，需要人工操作的工作量較少，紙盒運行速度可調(diào)，便于實現(xiàn)包裝效率的最大化，設計的紙箱封箱設備可以適應不同尺寸的紙箱，實現(xiàn)了柔性化生產(chǎn)。