基于慧魚模型的商品封箱流水線的設(shè)計(jì)與制作

周敘榮，劉天軍，楊步超，胡佳偉，莊寶，張健

(1.常州工學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，江蘇 常州 213032；2.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；3.常州工學(xué)院數(shù)理與化工學(xué)院，江蘇 常州 213032)

0 引言

慧魚創(chuàng)意組合模型(Fischertechnik，以下簡稱慧魚模型)是一種展示機(jī)械原理和機(jī)械加工過程的理想教具，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力[1-5]。慧魚模型來源于德國的工程技術(shù)類智趣拼裝模型，匯聚了設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意，可以拼裝成一般工程機(jī)械制造所需要的各種型號(hào)和規(guī)格的零件并可進(jìn)行多種組合，制成各種動(dòng)作模型，特別是機(jī)械模型。

本文利用慧魚模型，針對(duì)長方體瓦楞紙箱的包裝，在已有商品包裝機(jī)械基礎(chǔ)上進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)。以節(jié)省人力、節(jié)能環(huán)保為出發(fā)點(diǎn)，以流水線的形式完成紙箱合蓋及封膠等一系列步驟，提高了包裝過程的自動(dòng)化程度。

1 商品封箱流水線主要功能及工作原理

商品封箱流水線如圖1所示，能夠完成商品裝箱后頂部四面合蓋及貼膠帶等一系列封箱動(dòng)作。該裝置綜合運(yùn)用機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)和機(jī)電控制技術(shù)，采用多種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式，如齒輪齒條傳動(dòng)、蝸輪與蝸桿傳動(dòng)、帶輪傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)等，實(shí)現(xiàn)了紙箱合蓋、封箱的目的。

圖1 商品裝箱流水線

1.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(如圖2所示)用慧魚零件中的凸輪作為曲柄，連接發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過連桿帶動(dòng)兩個(gè)滑塊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)夾緊與松開的動(dòng)作，以保證放在軌道上的箱體始終在軌道的中央，有利于完成后續(xù)動(dòng)作。

圖2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

1.2 頂部合蓋機(jī)構(gòu)

頂部合蓋機(jī)構(gòu)(如圖3所示)主要由氣錘、支撐所用的柱與支架以及升降臺(tái)等構(gòu)成。

圖3 頂部合蓋機(jī)構(gòu)

當(dāng)裝好充填物和商品的紙箱憑借傳送帶與紙箱底面的靜摩擦力，隨傳送帶向前移動(dòng)到氣錘下方時(shí)，觸動(dòng)光敏傳感器，傳送帶停止運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)氣錘隨電機(jī)下降，氣錘安裝板下方的擋板壓平紙箱的前蓋。一旦擋板邊上的限位開關(guān)觸碰到紙箱棱邊，氣錘停止下降，同時(shí)，通過電磁氣閥控制儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體向氣缸輸送的通斷，帶動(dòng)氣缸活塞前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一端與活塞桿相連且鉸接在氣錘安裝板上的氣錘作圓周運(yùn)動(dòng)，使紙箱后蓋也合上。接下來傳送帶開始向前運(yùn)轉(zhuǎn)，紙箱向前移動(dòng)，安裝板下傾斜的壓桿給紙箱兩邊側(cè)蓋施加力的作用，使兩側(cè)蓋向中間合上。

1.3 頂部貼膠機(jī)構(gòu)

頂部貼膠機(jī)構(gòu)(如圖4所示)主要由移動(dòng)刀架、升降簡易平臺(tái)、氣動(dòng)刀片、氣動(dòng)雙側(cè)合蓋和膠帶拉伸機(jī)構(gòu)組成。

圖4 頂部貼膠機(jī)構(gòu)

在頂部合蓋機(jī)構(gòu)下降時(shí)，頂部貼膠機(jī)構(gòu)也跟著一同下降，當(dāng)頂部合蓋完成后，紙箱繼續(xù)隨傳送帶向前移動(dòng)，到達(dá)彈簧正下方停止。為了防止紙箱兩側(cè)蓋再次彈起，氣缸里的活塞桿驅(qū)動(dòng)側(cè)壓板使紙箱兩側(cè)蓋保持合上狀態(tài)，此時(shí)大電機(jī)正轉(zhuǎn)通過皮帶帶動(dòng)絲杠、拉桿向輔桿靠近，纏上膠帶后大電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠拉出膠帶，拉出預(yù)定長度后停止，整個(gè)機(jī)構(gòu)下降，彈簧壓縮使膠帶緊緊貼在紙箱上。活塞桿末端的刀片在氣壓驅(qū)動(dòng)下切斷膠帶。頂部合蓋機(jī)構(gòu)和頂部貼膠機(jī)構(gòu)上升復(fù)位，傳送帶將封裝好的紙箱傳送至指定位置后停止，完成紙箱的頂部合蓋及貼膠工作。

1.4 氣泵裝置

氣泵裝置(如圖5所示)包括氣罐、單向氣缸、雙向氣缸、電磁氣閥等。本裝置利用一根皮筋與轉(zhuǎn)盤作為電機(jī)輸出，帶動(dòng)單向氣缸打氣，通過氣管輸送到電磁氣閥，然后通過TX控制板控制電磁氣閥的通斷實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

圖5 氣泵裝置

電磁氣閥是一種電動(dòng)元件，接控制器的輸出端，通過控制電磁線圈的通電與斷電來控制氣路的通斷，它有P、A、R三個(gè)連接段和打開、關(guān)閉兩個(gè)位置，即2位3通閥，其優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)迅速，易于達(dá)到精確控制的要求。

2 集成控制部分

程序控制部分是商品封箱流水線的靈魂。程序用 ROBO Pro軟件編制[6]，它是一種模塊化、圖形化編程語言軟件，簡潔、直觀、易懂[7]，可以精確控制“慧魚”模型的動(dòng)作，還可以提供編程前的硬件快速測(cè)試、在線檢測(cè)、在線調(diào)試、下載操作等功能。

頂部合蓋機(jī)構(gòu)(程序如圖6所示)運(yùn)動(dòng)過程由時(shí)間控制電磁換向閥通斷實(shí)現(xiàn)活塞桿伸出與收回，從而帶動(dòng)氣錘運(yùn)動(dòng)，壓下前段擋板，再由平臺(tái)下端凸起壓下后段擋板，再通過傳送帶的移動(dòng)壓下兩側(cè)擋板完成合蓋。

圖6 頂部合蓋機(jī)構(gòu)程序圖

頂部貼膠部分(程序如圖7所示)通過光感觸動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)拉出膠帶，直到經(jīng)過

圖7 頂部貼膠機(jī)構(gòu)程序圖

預(yù)定的時(shí)間，膠帶拉伸至合適的長度，電機(jī)停止。然后升降臺(tái)降下并壓緊膠帶，再由刀架切斷并壓實(shí)側(cè)邊的部分。

圖8為包裝計(jì)數(shù)功能的程序圖，完成一次包裝過程的最后頂部封箱的動(dòng)作后，觸發(fā)最后的光感，完成一次計(jì)數(shù)，一次計(jì)數(shù)為一件貨物，該程序就可以統(tǒng)計(jì)數(shù)量，以便準(zhǔn)確把握包裝物品數(shù)量。

圖8 包裝計(jì)數(shù)功能程序圖

3 結(jié)語

利用慧魚模型設(shè)計(jì)了商品封箱流水線制作，并對(duì)其進(jìn)行了仿真與驗(yàn)證，結(jié)果方便可行。但尚未制作實(shí)物樣機(jī)，其實(shí)用性、正確性有待于實(shí)踐的檢驗(yàn)，特別是實(shí)際使用中封蓋與貼膠部分有待驗(yàn)證，相關(guān)問題得到妥善解決后，將有利于該產(chǎn)品投入實(shí)踐應(yīng)用之中。

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