磚茶包裝機自動化生產(chǎn)線機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究

吳麗霞，錢洪

（1.咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工學(xué)院，湖北 咸寧 437100；2.湖北香城智能機電產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，湖北 咸寧 437100）

隨著科技的發(fā)展，自動化包裝廣泛應(yīng)用于各類產(chǎn)品的生產(chǎn)線，但專用于大塊磚茶生產(chǎn)包裝的自動化生產(chǎn)線目前在市場上較為少見[1-2]. 本文對趙李橋茶廠的“川”字牌磚茶包裝工藝進行研究，設(shè)計了一種與其配套的磚茶自動化包裝生產(chǎn)線機械結(jié)構(gòu)方案，以期提高磚茶的包裝效率，改善生產(chǎn)衛(wèi)生條件，降低勞動力成本，初步達成“機器換人”的構(gòu)想，為磚茶企業(yè)實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)提供可能.

1 磚茶包裝工藝分析

1.1 磚茶外形及內(nèi)、外包裝紙尺寸

趙李橋茶廠的川字牌青磚茶重量為2000±30 g，長330±3 mm，寬155±3 mm，厚32±3 mm，由茶葉稱重后通過木模經(jīng)壓力機壓制而成. 稱重時每塊磚茶總質(zhì)量不變，但因茶葉與茶梗的體積不同且茶葉脫模時會產(chǎn)生粘模現(xiàn)象，壓制成型的磚茶在尺寸上存在一定的變化，尤其是厚度變化可達3 mm 左右. 因此，在進行磚茶包裝機設(shè)計時，要考慮外形尺寸變化所帶來的影響. 配套的外包裝紙尺寸為445 mm × 445 mm ，正面印有商標(biāo)圖案及產(chǎn)品說明等，反面印有定位線. 內(nèi)包裝為白色輕薄柔軟且透氣的棉紙，無圖案，不分正反面，尺寸為445 mm × 415 mm.

1.2 磚茶包裝工藝要求

磚茶包裝一般需滿足以下要求：1）內(nèi)包裝綿紙與磚茶面貼合較好且空隙??；2）包裝后內(nèi)外包裝紙各面平整無褶皺、無破損；3）磚茶必須定位在外包裝紙印制的長方形區(qū)域內(nèi)；4）包裝后內(nèi)外包裝紙要封裝牢固不會松散[3]，如圖1 所示.

圖1 內(nèi)、外包裝完成圖

1.3 磚茶手工包裝工藝及分析

手工包裝磚茶步驟一般分為：先將壓制好的磚茶放置在包裝紙上，同時進行定位. 外包裝紙正面印有定位框，一般情況下可準(zhǔn)確定位. 內(nèi)包裝紙無圖案，其定位需要根據(jù)包裝工人經(jīng)驗來判斷，具有很大隨機性；定位完成后，磚茶長邊一側(cè)的包裝紙折起壓在磚茶上表面，折疊時磚茶棱邊處應(yīng)用手指壓出折痕. 同樣的方法完成磚茶另一側(cè)長邊的折疊，并與前面折起的一側(cè)用食用膠粘合；短邊折疊時，先用左右兩拇指將長邊折疊后伸出磚茶的部分分別壓向磚茶短邊端面，同樣用手指壓出棱邊折痕. 再將短邊處伸出的部分分先后折疊壓向短邊端面，并用食用膠粘合. 手工包裝工藝流程依次為磚茶輸入→包裝紙輸入→長邊折疊上膠→短邊折疊上膠并封蓋→磚茶輸出. 外包裝紙的包裝折疊方法與內(nèi)包裝紙相同，但需按外包裝紙反面定位線進行磚茶的定位.

1.4 磚茶機械化包裝工藝及分析

在分析了手工磚茶包裝工藝之后，針對廠家提出的機械化、自動化包裝要求，以及機械化包裝本身柔性低、包裝實時檢測控制條件不足的情況，我們需在手工包裝磚茶的工藝上進行合理調(diào)整，設(shè)計符合機械化包裝生產(chǎn)的新工藝流程. 磚茶包裝機的整機將按照上述5 個包裝流程劃分成不同的功能單元，結(jié)合機械化包裝生產(chǎn)的要求，我們把這5 個功能單元進行了一定調(diào)整，形成6 個功能單元，包裝紙輸入→依次為磚茶輸入→磚茶定位+長邊推槽入蓋并上膠（或短邊折疊）→磚茶輸送+短邊上膠→磚茶短邊端面封蓋→磚茶輸出. 每個功能單元即為一個工位，各工位之間既相互獨立又相互銜接.

2 自動化磚茶包裝機整機功能及布局

根據(jù)調(diào)研，內(nèi)、外包裝流程一致. 我們可根據(jù)上述磚茶包裝工藝流程將磚茶的包裝分為內(nèi)包裝和外包裝兩個工序來完成，每個工序有6 個工位，每個工位都由相對應(yīng)的控制系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)完成.除了內(nèi)、外包裝紙輸送方式不同導(dǎo)致輸送機構(gòu)有所區(qū)別，包裝機其余部分在進行內(nèi)、外包裝時均可采用相同結(jié)構(gòu)，即內(nèi)、外包裝工序的工位相同. 整機布局如圖2 所示. 在工位3、工位4 和工位5 要完成茶磚的包裝紙折疊過程. 整個自動化生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)按工位匹配，采用程序控制，參數(shù)化設(shè)置，人機界面采用觸摸屏操作.

圖2 自動化磚茶包裝機整機布局

3 磚茶包裝生產(chǎn)線機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 磚茶夾持及輸入機構(gòu)

磚茶的夾持及輸入動作分解為：夾爪下降→夾緊磚茶→夾爪上升→輸送架攜磚茶移動至包裝紙固定位置→夾爪下降→松開磚茶→夾爪上升→輸送機構(gòu)歸位（如圖3 所示）. 擬采用直線模組帶動輸送架實現(xiàn)對磚茶的水平輸送移動，電動推缸帶動電動夾爪對磚茶進行夾持和垂直移動. 含有茶梗的磚茶壓制成型后尺寸偏差較大，因此夾爪應(yīng)具備一定的微調(diào)節(jié)功能，以便于夾爪能更好地適應(yīng)磚茶外形.

圖3 磚茶夾持及輸入機構(gòu)

3.2 包裝紙輸入機械結(jié)構(gòu)

包裝紙輸入需要解決兩個問題：一是要解決吸盤吸入紙張的準(zhǔn)確性和平整性；二是要保證磚茶與紙張的精準(zhǔn)定位和同步運行. 經(jīng)多次試驗，本磚茶包裝機包裝紙的輸入機構(gòu)設(shè)計如下.

3.2.1 內(nèi)包裝紙輸入機構(gòu)

內(nèi)包裝紙為輕薄、透氣的綿紙，由于其紙質(zhì)特點，無法采用真空吸入的方式輸入，擬采用卷筒進紙、剪裁，然后用電磁夾將剪裁好的紙夾至工位3 包裝槽中. 內(nèi)包裝紙輸入機構(gòu)整體外購，機構(gòu)簡圖見圖4. 內(nèi)包裝紙由上壓輥3 和下壓輥12 壓緊帶動，并經(jīng)導(dǎo)輥6、14、15 導(dǎo)向，通過后托板13、上壓條5、上壓條4 到達前托板10，再由上切刀2 和下切刀11 切斷，切斷后由電磁夾9 夾住內(nèi)包裝紙1 邊緣送至工位3.

3.2.2 外包裝紙輸入機構(gòu)

外包裝紙輸入機構(gòu)如圖5 所示. 外包裝紙類似于牛皮紙，由包裝紙生產(chǎn)廠家印刷并裁剪好后直接使用. 外包裝紙垛5 整齊碼放在托盤2 上，托盤2 由彈簧6 支撐. 采用真空吸盤3 吸起包裝紙，再由電磁夾1 夾至工位3 包裝槽中.包裝時，真空吸盤3 往下垂直運動至紙垛上表面，吸附最上面的一張包裝紙. 接著，電磁夾移動至被吸附的外包裝紙邊緣，夾住外包裝并帶至工位3 包裝槽中.

圖4 內(nèi)包裝紙輸入機構(gòu)簡圖

圖5 外包裝紙輸入機構(gòu)簡圖

3.3 包裝折疊機構(gòu)

3.3.1 長邊入槽推蓋機構(gòu)

磚茶長邊采用推蓋折疊包裝，如圖6 所示. 包裝紙由電磁夾2、7 夾至工位3 包裝槽中后，磚茶被夾至包裝紙上定位完成，接著支撐架6 帶著磚茶1 及包裝紙3 從位置1 下降至位置2. 下降后，磚茶長邊兩側(cè)電動推缸分別先后帶動左推蓋板5、右推蓋板10 做水平直線運動，將磚茶長邊兩側(cè)伸出的包裝紙8 進行推蓋包裝. 左右推蓋板兩側(cè)均傾斜翹起，上方設(shè)直線軸承4、9，以適應(yīng)磚茶的厚度變化，并能將包裝紙較好地貼合在磚茶表面.

圖6 長邊入槽推蓋機構(gòu)簡圖

3.3.2 短邊包裝折疊機構(gòu)

磚茶端面包裝采用U 形折疊機構(gòu)，如圖7 所示. 工位3 工作完成后，磚茶6 長邊左側(cè)電動推缸分別先后帶動 U 形折疊機構(gòu)直線運動，完成端面的折疊.U 形折疊機構(gòu)主要由U 型架3 和左右兩側(cè)的活動壓板2 組成，兩者之間由直線軸承1 連接，可使U 型折疊機構(gòu)開口處寬度可調(diào)，U 形板背面也安裝直線軸承4，以使U 形折疊機構(gòu)能夠適應(yīng)磚茶寬度的變化. U 形折疊機構(gòu)往右推動磚茶至輸送槽，推動過程完成短邊左側(cè)的包裝折疊，磚茶被推到輸送槽兩側(cè)壓條5 之間時右側(cè)包裝折疊完成.

3.3.3 短邊推蓋機構(gòu)

磚茶短邊推蓋機構(gòu)也采用U 形設(shè)計，如圖8 所示. 當(dāng)磚茶3 被推至工位5 后，先由電動推缸帶動推桿1 和上U 形板2 往下運動，進行上短邊包裝紙9 伸出部分的包裝折疊. 上U 形板2 背面裝有直線軸承6，內(nèi)側(cè)兩邊裝有上活動板8，上活動板8 通過直線軸承7 與U 形板2 連接，可使上短邊推蓋機構(gòu)適應(yīng)磚茶的厚度和長度變化. 上短邊包裝推蓋完成后，再由下推蓋板4 往上推動下短邊包裝紙9 伸出部分，進行推蓋折疊. 下推蓋板4 內(nèi)側(cè)也裝有活動板10，通過直線軸承5 連接在下推蓋板內(nèi)側(cè)，以適應(yīng)磚茶長度變化.

圖7 短邊包裝折疊機構(gòu)簡圖

圖8 短邊推蓋機構(gòu)簡圖

3.4 傳輸、壓緊機構(gòu)

傳輸、壓緊機構(gòu)如圖9 所示. 磚茶在工位4和工位5 之間的傳輸以及磚茶包裝完畢后的輸出是采用自身推動的方式進行，即下一塊磚茶包裝好以后，輸出同時推動前一塊磚茶往前移動一塊磚茶的距離. 磚茶在工位4 至工位5 之間移動的過程中，磚茶短邊端面及磚茶上表面均設(shè)置帶有直線軸承3、5 的彈性壓條2、4，使包裝紙能較好地貼合在磚茶表面，如圖9 所示. 磚茶包裝完畢輸出時不設(shè)上壓緊機構(gòu).

圖9 傳輸、壓緊機構(gòu)圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的磚茶包裝機生產(chǎn)線能滿足磚茶包裝的工藝規(guī)程，并在一定程度上適配磚茶的尺寸偏差. 該生產(chǎn)線投入使用后，預(yù)期可將20 人組成的4 條人工生產(chǎn)線的工作任務(wù)降低至2 人組成的1條生產(chǎn)線來完成，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了人工成本，有利于磚茶企業(yè)實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn). 但該包裝機在試包裝過程中還存在一定的問題，如包裝折疊過程偶有褶皺、內(nèi)包裝紙因太柔軟推蓋有時無法順利展開、包裝紙在磚茶棱邊處無折痕等，如何進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并解決以上問題是下一步的研究方向.