食品包裝PE 塑料盒自動開盒機(jī)構(gòu)的設(shè)計

余 斌， 王 珍

（哈工大機(jī)器人南昌智能制造研究院， 江西 南昌 330200）

引言

現(xiàn)階段食品行業(yè)對自動化生產(chǎn)的要求越來越高，在產(chǎn)品生產(chǎn)成本不變的情況下，要求不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量和效率。為減少甚至杜絕食品安全問題并提高生產(chǎn)效率，在糕點(diǎn)食品全自動化包裝生產(chǎn)線中包裝盒的取盒是比較關(guān)鍵的。而食品的包裝盒一般都是未打開狀態(tài)并且相互疊置在一起，因此需要專門的取盒裝置將包裝盒逐個取出在打開才能保證產(chǎn)線的自動化連續(xù)生產(chǎn)。本文所述一種PE 塑料盒自動開盒機(jī)構(gòu)通過將一疊未打開的PE 盒體疊好累放在送盒輸送帶上。輸送帶依靠120 W 交流齒輪減速馬達(dá)感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動。通過給感應(yīng)電機(jī)安裝調(diào)速器保證輸送帶送盒最理想的速度來實(shí)現(xiàn)不間斷的自動送盒。另外在輸送帶兩側(cè)安裝對射光電傳感器來做缺料提醒，盒子即將取完時報警提醒人工加入新的盒子。開盒部份由200 W 伺服電機(jī)通過PLC 精準(zhǔn)控制。設(shè)計一組凸輪連桿機(jī)構(gòu)，伺服電機(jī)的力臂經(jīng)減速機(jī)增大后又經(jīng)凸輪連桿機(jī)構(gòu)將動力傳到真空吸盤處。真空吸盤由真空泵提供吸力，并由真空電磁閥控制將盒取出。取出的盒體通過機(jī)構(gòu)下部的真空吸盤，將盒體拉開成形，完成一次取盒與開盒的動作周期。我們通過設(shè)計出這一組自動送盒，自動取盒，自動開盒三種機(jī)構(gòu)，將這三種機(jī)構(gòu)整合成一套設(shè)備融入整個包裝產(chǎn)線中，來實(shí)現(xiàn)整個后道包裝的全自動化生產(chǎn)。并且可以通過各種網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議使開盒設(shè)備的PLC 和MES 建立連接，達(dá)到智能化生產(chǎn)的目的。

1 開盒機(jī)構(gòu)動作流程設(shè)計

開盒機(jī)構(gòu)動作流程設(shè)計為三步。第一步上吸取機(jī)構(gòu)取盒，第二步下吸取機(jī)構(gòu)接盒，第三步上下機(jī)構(gòu)配合并通過下機(jī)構(gòu)的下拉力，和上機(jī)構(gòu)的上拉力來達(dá)到開盒成形的目的。首先由人工操作將一疊PE盒疊好放在送盒輸送帶上。輸送帶由變頻電機(jī)控制，給盒體提供向前的動力來補(bǔ)充盒體的消耗。設(shè)計一種上取盒機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)精準(zhǔn)控制真空吸盤的運(yùn)動軌跡，使真空吸盤從起始點(diǎn)將盒體從存料框中取中。運(yùn)動至終止點(diǎn)與下吸盒機(jī)構(gòu)配合將盒體拉開。下吸盒機(jī)構(gòu)由氣缸控制連桿，真空吸盤安裝在連桿上吸附盒體的下表面。上取盒機(jī)構(gòu)真空吸盤吸附盒體的上表面。通過下吸盒氣缸的向下運(yùn)動，將盒體拉開成型，完成一次動作周期。

2 開盒連桿機(jī)構(gòu)原理設(shè)計

如下頁圖1 所示，1-1 為吸盒起始位置，1-2 為吸盒終止位置。設(shè)計開盒機(jī)構(gòu)由桿a、桿b、桿c、桿d 組成上取盒機(jī)構(gòu)[1]。桿e 和氣缸組成下接盒機(jī)構(gòu)[2]。桿a 由伺服電機(jī)驅(qū)動做圓周運(yùn)動，伺服電機(jī)運(yùn)動一周，開盒機(jī)構(gòu)完成一個運(yùn)動周期[3]。桿c 由兩根桿組成固定的角度來保證每次的吸盒角度為73°。盒體疊堆放于送盒輸送帶存料框，輸送帶與水平的夾角為17°保證4 個真空吸盤組成的平面與盒體接觸時完全平行來保證吸附效率。桿d 同樣由兩根桿組成固定的90°角，并由一個鉸鏈和一個滑塊限制其自由度，保證其能完成翻轉(zhuǎn)伸縮取盒動作。

取桿a 和桿c 的鉸鏈間距為225 mm，伺服電機(jī)控制桿a 起始角度為17°。根據(jù)任意角的三角函數(shù)工式：

聯(lián)立求解得：L1=185.5 mm；L2=73.2 mm。

上吸取機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)到（b）位置：

解得：L3=238 mm。

設(shè)桿a 長度為x，桿b 長度為y，則：x+y=238 mm，y-x=185.5 mm。

解得桿a 長度x=26.5 mm、桿b 長度y=211.5 mm。

下接盒機(jī)構(gòu)接取角度設(shè)置30°。氣缸伸長度340 mm。氣缸鉸鏈與桿e 鉸鏈位置相對角度為62°，距離為295.5。由計算可得：

解得：L4=158.5 mm。

3 開盒連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2 本機(jī)構(gòu)主要由上吸盒機(jī)構(gòu)、下接盒機(jī)構(gòu)、送盒輸送帶、三部份組成。上吸盒機(jī)構(gòu)動力由3 伺服電機(jī)加減速機(jī)組成，PLC 精準(zhǔn)位置控制[4]，4 凸輪依靠止動螺釘固定在減速機(jī)輸出軸端，凸輪工作直徑由上計算為26.5 mm。減速機(jī)軸旋轉(zhuǎn)一周，吸盒動作從起點(diǎn)—終點(diǎn)—起點(diǎn)完成一次動作周期。5 連桿1 兩端分別裝有關(guān)節(jié)軸承, 由上計算關(guān)節(jié)軸承中心距為211.5 mm，一端定位凸輪上，一端定位在6 連桿2上。連桿2 鎖緊在7 傳動軸1 一端上。8 連桿3 鎖緊在傳動軸1 另一端，連桿2 與連桿3 之間夾角為59°。9 傳動軸2 通過深溝球軸承安裝在連桿3 上。12 吸盤安裝板固定在傳動軸2 上。保4 個真空吸盤所組成的吸取面在同一平面，并且與盒體存放面平行。11 連桿4 通過帶座軸承定位在基座上，本身有自潤滑套與10 軸3 連接，完成吸盒翻轉(zhuǎn)動作。下接盒機(jī)構(gòu)由14 氣缸控制，氣缸運(yùn)行到最大行程后的總長尺寸為340 mm。15 開盒連桿通過鉸鏈于氣缸。兩鉸連點(diǎn)的中心距通上述計算為158.5 mm。氣缸回程時，真空吸盤保持與水平面平行。氣缸最大行程時，吸盤面與水平面成30°角。送盒輸送帶由變頻電機(jī)加減速機(jī)控制[5]，輸送帶給物料一個向前的推力，保證物料與真空吸盤的接觸面可以完全貼合，提高吸盒效率。當(dāng)塑料盒物料缺少時，由一對光電傳感器發(fā)出電信號給PLC 提示加料，同時機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動[6]。

4 結(jié)語

本文首先介紹了自動開盒機(jī)的背景。先構(gòu)思開盒流程，然后做機(jī)械原理設(shè)計，最后細(xì)化結(jié)構(gòu)。開盒流程分為三個步驟分別是上機(jī)構(gòu)真空吸盤取盒、下機(jī)構(gòu)真空吸盤接盒、上下機(jī)構(gòu)配合開盒。為使設(shè)計過程更加簡便清楚，故將開盒機(jī)分為三個部份，上取盒機(jī)構(gòu)、下接盒機(jī)構(gòu)、盒體輸送機(jī)構(gòu)。在首先確定好接盒初始角為17°，開盒對接角度30°后，對三個部份單獨(dú)設(shè)計，畫出原理簡圖計算各連桿長度，最后細(xì)化各機(jī)構(gòu)具體的連接方式來完成開盒機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。