瓷磚包裝線中裝箱系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

張明松 ， 蔡振宇 ， 張琰彬 ， 陳梓奇

（1.三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002）

當(dāng)前國內(nèi)的瓷片磚自動(dòng)包裝還不成熟，現(xiàn)有研究成果中的高速包裝瓷磚技術(shù)在包裝箱封箱和瓷磚堆垛上都有許多不足。大部分的自動(dòng)化瓷磚高速包裝技術(shù)都還是依靠人力去做，不僅包裝勞動(dòng)的強(qiáng)度高，而且現(xiàn)有的瓷磚包裝技術(shù)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率也不理想，不適應(yīng)國內(nèi)瓷磚市場的高速包裝需求。還有一小部分專門生產(chǎn)瓷磚的商家將國外的自動(dòng)化生產(chǎn)線包裝技術(shù)加入國內(nèi)生產(chǎn)線，其中最大的問題是無法完全適應(yīng)繁雜的瓷磚高速包裝生產(chǎn)過程，自動(dòng)化瓷磚生產(chǎn)線的高速包裝效果無法發(fā)揮出來，則不能滿足國內(nèi)的需求。工人付出很多勞動(dòng)力和機(jī)器配合是我國現(xiàn)存的現(xiàn)象，而且在工作中時(shí)常有可能會(huì)發(fā)生意外[1-3]。本文針對(duì)瓷磚包裝線中的裝箱系統(tǒng)進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加強(qiáng)瓷磚包裝線的自動(dòng)化、可靠性、穩(wěn)定性。

1 裝箱系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

國內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)瓷磚生產(chǎn)線進(jìn)行了較多的研究[4-8]，裝箱系統(tǒng)是瓷磚包裝生產(chǎn)線的套袋裝箱部分，本文針對(duì)此部分復(fù)雜流程，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化裝箱方案，實(shí)現(xiàn)套袋和裝箱兩個(gè)步驟同時(shí)進(jìn)行，節(jié)約了時(shí)間成本和人力成本。本裝置主要由四工位旋轉(zhuǎn)模塊、套袋模塊、套箱模塊三個(gè)部分組成。三個(gè)模塊組合在一起可以實(shí)現(xiàn)一摞瓷磚同時(shí)套袋套箱，整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 裝箱系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

四工位機(jī)構(gòu)分別設(shè)置1號(hào)位、2號(hào)位、3號(hào)位、4號(hào)位，其中1號(hào)位是套袋部分，2號(hào)位是套箱部分，3號(hào)位是推箱部分，4號(hào)位是預(yù)備假箱，如圖2所示。

圖2 四工位機(jī)構(gòu)

瓷磚包裝過程：1號(hào)位通過套袋模塊將袋套在假箱上，夾帶機(jī)構(gòu)將袋固定在假箱上，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°；2號(hào)位通過套箱模塊，將紙箱套在假箱外部，同時(shí)夾持機(jī)構(gòu)將袋和紙箱夾緊，最后再旋轉(zhuǎn)90°；假箱達(dá)到水平狀態(tài)，生產(chǎn)線中捆扎好的瓷磚通過假箱后，瓷磚就完成了套袋和裝箱的工作。工作流程如圖3所示，由于假箱上分別設(shè)置套袋和套紙箱，每個(gè)部分都需要假箱達(dá)到精準(zhǔn)的位置，所以在四工位旋轉(zhuǎn)模塊中利用分割器對(duì)四個(gè)假箱進(jìn)行精準(zhǔn)定位，從而使每個(gè)假箱都能到達(dá)理想的工作位置。

圖3 工作流程

2 裝箱裝置模塊設(shè)計(jì)

2.1 套袋模塊

套袋模塊主要是由氣動(dòng)裝置和持袋機(jī)構(gòu)組成，如圖4所示，其中選擇氣動(dòng)裝置的主要目的是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單、安裝方便并且成本低。

圖4 套袋模塊

套袋模塊工作流程：氣缸1控制氣缸2的位移，氣缸2主要是將包裝袋從儲(chǔ)袋箱中吸附運(yùn)送到平臺(tái)上，從而使可吸附的包裝袋平鋪在平臺(tái)上；氣缸3再將包裝袋上部分吸附從而產(chǎn)生一個(gè)缺口，可以使持帶機(jī)構(gòu)通過氣缸5的驅(qū)動(dòng)伸入包裝袋；再通過氣缸4驅(qū)動(dòng)使持袋機(jī)構(gòu)撐開包裝袋，持袋機(jī)構(gòu)退回時(shí)即可將包裝袋套入1號(hào)假箱工位，假箱上的夾持機(jī)構(gòu)則將包裝袋固定在假箱上，防止包裝袋掉落。

2.2 套箱模塊

套箱部分主要是由氣動(dòng)系統(tǒng)和推箱機(jī)構(gòu)組成，其中推箱機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由鏈輪鏈條傳動(dòng)，氣動(dòng)系統(tǒng)主要由氣缸1和氣缸2組成。其中氣缸1安裝吸附裝置可以產(chǎn)生負(fù)壓，可將紙箱吸附固定在工作位上。

如圖5所示，推箱機(jī)構(gòu)將空箱推到氣缸1處，氣缸1與氣缸2將空箱固定，當(dāng)2號(hào)工位定位完成時(shí)，氣缸2驅(qū)動(dòng)推桿將空紙箱套入假箱，最后夾持機(jī)構(gòu)將紙箱夾緊。

圖5 套箱模塊

2.3 四工位旋轉(zhuǎn)模塊

四工位旋轉(zhuǎn)模塊由假箱、轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、夾帶機(jī)構(gòu)組成，如圖6所示。在四工位旋轉(zhuǎn)裝置中，利用分割器可以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)的間隙運(yùn)動(dòng)并同時(shí)保證運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)性，四工位假箱的作用是支撐塑料袋和紙箱。本模塊主要在3號(hào)工位旋轉(zhuǎn)定位之后，將捆扎好的瓷磚通過推磚裝置通過假箱，與此同時(shí)，3號(hào)工位的包裝袋和紙箱將包裹瓷磚運(yùn)往傳送帶。至此整個(gè)裝箱套袋部分結(jié)束。

圖6 四工位旋轉(zhuǎn)模塊

3 參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 分割器

四工位旋轉(zhuǎn)裝置的間歇運(yùn)動(dòng)，需要用分割器來實(shí)現(xiàn)，其中分割器不僅可以實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)動(dòng)，還能使推向裝置精準(zhǔn)定位，廣泛用于負(fù)載運(yùn)動(dòng)。分割器對(duì)于精確定位具有非常重要的作用，分割器使四工位裝置水平對(duì)齊，能夠使推箱裝置更好地將瓷磚推到下一個(gè)傳送帶上，減少瓷磚的磕碰，更大程度地解決了瓷磚在四工位裝箱系統(tǒng)中的難點(diǎn)，提高了生產(chǎn)效率并降低了失誤率。

此裝置所需分割器條件：1）可承載大直徑盤面；2）適用于重負(fù)載；3）高精度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。所以選擇DA超薄桌面型分割器。

此系列設(shè)計(jì)特性與平臺(tái)桌面型功能相似，驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)上可承受超大軸向負(fù)載及垂直徑向壓力，在輸出端有一凸起固定盤面及大孔徑空心軸，可搭配設(shè)置動(dòng)能、靜態(tài)自動(dòng)化周邊設(shè)備，可將動(dòng)力源的電、油、氣管路置于空心孔內(nèi)，此系列機(jī)種廣泛應(yīng)用于重負(fù)載、直接自動(dòng)化設(shè)備的各類機(jī)構(gòu)及專業(yè)機(jī)械等，作同步自動(dòng)化間歇驅(qū)動(dòng)。

依據(jù)表1，按要求選擇工位數(shù)為4、驅(qū)動(dòng)角為90°的DA超薄桌面型分割器。

表1 DA超薄桌面型分割器參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2 驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)

由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》查得[9]，材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 45鋼材料力學(xué)性能

E=2.15×10e5MPa。

并且初步選擇和估算每個(gè)軸的材料直徑和長度，材料為45鋼、調(diào)質(zhì)和熱處理。材料Q235，45鋼A的取值范圍如表3所示。

表3 材料Q235，45鋼A的取值范圍

按照軸的許用切應(yīng)力的計(jì)算公式[10]：

其中，軸的直徑為d，因?yàn)樾枰_一個(gè)鍵槽，所以軸的直徑需要增大，故驅(qū)動(dòng)軸直徑取d=130 mm。

3.3 軸上受力分析

驅(qū)動(dòng)軸上的軸轉(zhuǎn)矩：

其中，P為軸傳遞的額定功率（kW）；n為軸的轉(zhuǎn)速（r/min）。

軸的所受軸向力的合力為0，因此，驅(qū)動(dòng)軸所受總轉(zhuǎn)矩為 T1=6 207.5 N·m。

3.4 電機(jī)的選型

3.4.1 工作電機(jī)所需功率Pw

由工作的阻力和運(yùn)動(dòng)的參數(shù)來確定工作電機(jī)所需功率。

已知主軸的轉(zhuǎn)矩為T1=6 207.5 N·m，主軸的轉(zhuǎn)速為n=60 r/min～70 r/min，則主軸所需功率：

所以Pw=39.0 kW～45.5 kW。

3.4.2 輸出功率Pd

因?yàn)樵跈C(jī)械傳動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一些不必要的損耗和熱量，所以輸出的功率要減去額外產(chǎn)生的熱量。

其中，η為電機(jī)和軸承之間的傳動(dòng)效率，η取0.8～0.9，故：

3.4.3 電機(jī)輸入額定轉(zhuǎn)速

電動(dòng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。

3.4.4 電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇

輸出的轉(zhuǎn)速為60 r/min～70 r/min，傳動(dòng)比為15~17，所以選擇電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)數(shù)為60 r/min，額定功率48 kW。

4 結(jié)語

本文分析和研究瓷磚包裝線中的裝箱系統(tǒng)，區(qū)別于傳統(tǒng)生產(chǎn)線復(fù)雜的裝箱流程，通過模塊化設(shè)計(jì)裝箱套袋部分，實(shí)現(xiàn)瓷磚的裝箱套袋同時(shí)進(jìn)行，提高了瓷片包裝生產(chǎn)線的可靠性、平穩(wěn)性、高效性。通過對(duì)軸的位置和尺寸進(jìn)行計(jì)算和校核，對(duì)電機(jī)的型號(hào)進(jìn)行選擇，計(jì)算出來的尺寸能符合瓷片包裝生產(chǎn)線的性能要求。