金槍魚罐頭盒的疊罐裝置設計

劉留留，顧平燦

（浙江海洋大學 船舶與機電工程學院，浙江 舟山 316022）

0 引言

我國南海金槍魚資源豐富，舟山每年都會捕撈大量的金槍魚。舟山的金槍魚加工方式主要有兩種：1）將金槍魚加工成半成品魚柳罐頭，每年占比約為60%～70%；2）將金槍魚加工為成品金槍魚罐頭，這種加工方式占比較少，但是有著很廣闊的未來。金槍魚罐頭不僅營養(yǎng)豐富、衛(wèi)生安全，同時還具有方便攜帶等優(yōu)點。

傳統(tǒng)的金槍魚加工方式中會使用大量的人力，例如在制罐、加工、包裝等方面。其中制罐過程中的疊罐工作通常是人工輔助機械來完成，不具備完全的自動化。為此，設計了一套能夠完成自動化疊罐的裝置。這套裝置對比此前的機械加人工輔助的傳統(tǒng)模式可以極大地提高工作量，節(jié)約人力成本，滿足中小型企業(yè)的批量生產的需求。

1 疊罐裝置的基本機構和工作原理

1.1 基本機構

通過對實際罐頭盒實際生產過程的觀察和研究發(fā)現，罐頭盒在疊罐時有諸多的不便，于是便設計出疊罐裝置（如圖1）來解決此問題。

圖1 疊罐裝置示意圖

該裝置主要由分離機構、推盒機構、整列機構、傳送機構等組成，其三維圖如圖2所示。

圖2 疊罐裝置三維圖

1.2 工作原理

罐頭盒由入口進入，會暫時集中在罐頭盒入口處，由分離機構上部分阻止罐頭盒向下運動，分離機構的下半部分會控制罐頭盒在適當的時間點下落；當光電傳感器A感應到罐頭盒的存在時，推盒機構上下2個氣缸會交替地把罐頭盒推進整列機構，罐頭盒之間會形成交替相錯的位置，如圖3所示。

圖3 罐頭盒交替錯開圖

罐頭盒會在整列機構里形成有序的隊列，并不斷地向左方向移動；當移動到光電傳感器B的位置時，控制系統(tǒng)會控制機械手向右方向移動；機械手上的計數器會在機械手向右移動時記錄盒子的數量；當數量達到50個時，機械手會停止水平移動，氣缸收縮，機械手向下運動，抓住罐頭盒；然后機械手帶著罐頭盒向左移動，并把罐頭盒帶到打包區(qū)域。流程圖如圖4所示。

圖4 工作流程圖

2 疊罐裝置的設計

2.1 分離機構的設計

2.1.1 分離機構的工作原理

分離機構（如圖5）主要由罐頭盒通道、搖桿、氣缸、M形阻斷機構、支撐架和底座組成。

圖5 分離機構三維圖

有2個主要的作用：1）阻止罐頭盒的下降，保持適量的罐頭盒聚集在罐頭盒入口處；2）分離2個罐頭盒，使2個罐頭盒的裙擺不會影響2個罐頭盒的左右移動（如圖6）。罐頭盒的四周有裙擺，上下2個罐頭盒之間要左右移動時，其中的一方可能影響到另一方的移動；想要2個罐頭盒之間不相互影響，就必須先要在豎直方向上分離，才不會影響2個罐頭盒的左右移動。

圖6 罐頭盒裙擺

首先罐頭盒進入罐頭盒通道后，M形機構的下半部分抵擋住罐頭盒a的下落，如圖7（a）所示。此時氣缸的伸長，帶動搖桿轉動，最后帶動M形機構的轉動，使其發(fā)生順時針旋轉，罐頭盒a就會因為沒有阻擋而下落到底座上，罐頭盒a與罐頭盒b就能分離開來，如圖7（b）所示。在罐頭盒a下落后，氣缸就會往回收縮，帶動搖桿轉動，最后帶動M形機構的轉動，使其發(fā)生逆時針旋轉，回到原始位置。由于M形機構的旋轉，M形機構的上半部分將不再控制罐頭盒b的位置，罐頭盒b就會下落。罐頭盒b在下落的過程中，M形機構下半部分會阻止罐頭盒b的下落，如圖7（c）。最后分離機構完成一個工作周期，恢復到原始位置，如圖7（d）所示。

圖7 分離機構工作流程圖

2.1.2 分離機構的主要設計

氣缸的選擇如表1所示。

表1 CJ2標準迷你氣缸主要參數

搖桿長度和氣缸位置的確定：設計要求M形機構的轉動角度為29°～31°之間，當M形機構處在中間位置時，M形機構轉動角度為14.5°～15.5°之間。搖桿末端到氣缸末端的豎直距離為80 mm。氣缸在沒有伸長的情況下，總長度為167 mm（如圖8）。

圖8 搖桿工作與M形機構的位置關系

以搖桿末端為圓心，以搖桿的長度X為半徑畫圓，該圓的圓心角15°對應的弦長為a，則得出

2.2 推盒機構的設計

2.2.1 推盒機構的工作原理如圖9所示，當罐頭盒由分離機構下來時，光電傳感器A開始工作，檢測到有罐頭盒下來，控制系統(tǒng)會控制氣缸開始工作，兩個氣缸會交替工作，把罐頭盒交錯地送入整列機構中，罐頭盒在整列機構中形成有序隊列。

圖9 推盒機構三維圖

2.2.2 推盒機構的設計

1）氣缸的選擇。氣缸的選擇主要由行程和缸徑兩項決定，如果行程和缸徑選擇不合適，就無法滿足工作要求。如果行程太小，就無法把罐頭盒推進可調節(jié)通道里，但如果行程太大就會增加來回時間，降低工作效率；同樣，如果缸徑選擇太小了，就推不動罐頭盒，如果缸徑選擇太大，就會使得氣缸的體積太大，造成不必要的浪費。

2）行程的選擇。行程的大小主要由2個量決定的，罐頭盒的厚度給氣缸A留下一定的空間。依據這2個量得到氣缸的行程不小于85 mm。

3）缸徑的計算。負載的來源主要是罐頭盒與可調節(jié)通道的底部摩擦?？烧{節(jié)通道的底部有2根具有磁性的圓柱型釹鐵硼磁鐵，會吸住罐頭盒，罐頭盒和圓柱型釹鐵硼磁鐵的摩擦力的大小無法直接由計算得出，于是設計以下實驗用來計算摩擦力的大小。由推力計來測量不同數量的罐頭盒與圓柱型釹鐵硼磁鐵的摩擦力。得出表2中的數據，畫出罐頭盒數量和所需要的推力大小的散點圖，如圖10所示。

圖10 摩擦力與罐頭盒數量關系散點圖

表2 摩擦力與罐頭盒數量的關系

由以上數據利用最小二乘法計算出摩擦力和罐頭盒數量之間的關系為Y＝2.3902X。

以50個罐頭盒為例，氣缸的負載為2.3902× 50＝119.51 N。考慮到實際工作工況，還需要增加20%的大小。最終確定氣缸的負載為143 N：

式中：F為摩擦力的大小；F0為氣缸的最大負載能力；S為氣缸橫截面積；D為氣缸直徑；P為氣缸壓力，0.6 MPa。

由此可以得出D＝19.08 mm。

根據以上分析，選擇的氣缸型號為TN-20X90-S，缸徑為20 mm，行程為90 mm。

4）選擇雙氣缸的原因。單氣缸只能在1個方向上向里推罐頭盒，如果氣缸對準罐頭盒的中間位置，那么罐頭盒就會一個一個地疊加在一起，會形成圖11左圖所示的效果，一個罐頭盒完全陷入另一個罐頭盒里，在使用時，需要很大力氣才能取出來。選擇雙氣缸，可以把2個氣缸分別放置在罐頭盒的上下2個位置，產生一個相互交錯的位置，罐頭盒不會陷進去，方便使用。

圖11 罐頭盒位置交錯圖

2.3 整列機構

整列機構三維圖和細節(jié)如圖12所示。當罐頭盒到達整列機構時，會在整列機構里停留一會，并且和其他罐頭盒形成相互交錯的擺放。為保證罐頭盒在整列機構里順利通過，整列機構上下支撐柱的距離會比罐頭盒的高度稍微高一些。而左右兩邊的側邊擋柱是為了罐頭盒在位置上不發(fā)生偏差，所以要和罐頭盒緊密地貼在一起，并使罐頭盒處在中間位置。通過控制調節(jié)桿的伸長量就能調節(jié)兩側擋板的距離，從而調整通道的距離。最終合適的距離需要根據現場的調試才能確定。經過調試，最終確定2個擋板的距離為68.2 mm。

圖12 可調節(jié)通道原理圖

2.4 傳送機構的設計

傳送機構三維圖如圖13所示。傳送機構的目的是將50個罐頭盒為一組送到打包區(qū)域。機械手左右移動范圍是1200 mm，上下移動范圍是80 mm，當罐頭盒累積到一定數量時，光電傳感器會發(fā)出信號讓機械手臂從左向右移動。機械手的末端有計數器，當計數器達到50時，機械手會停止水平移動，并向下運動抓取罐頭盒。然后機械手會帶著罐頭盒向左運動，把罐頭盒傳送到打包區(qū)域。

圖13 傳送機構

2.5 控制系統(tǒng)的設計

選擇基恩士的KV-NC32T系列的PLC作為控制單元，這個型號的PLC能通過LAN電纜對PLC、傳感器設備和遠程I/O進行輕松連接，可大幅削減以往耗費時間的配線工時。通過PLC上開關來控制整個工作流程，其中電磁閥決定氣缸活塞的伸長量。

表3 裝置控制程序I/O分配表

采用PLC控制整個工作流程的運轉，可以有效減少員工的工作量。輸入和輸出端口的一一對應，使整個流程簡潔明了。整個過程采用PLC控制，顯著地提升了生產效率。

3 結語

1）整個疊罐裝置基本實現了自動化控制，節(jié)省了大量的人力成本，適用企業(yè)的生產。該裝置能夠實現長度約為110 mm、寬度約為66 mm、高度約為29 mm的罐頭盒疊罐。

2）通過對比6組數量不同的罐頭盒與圓柱磁鐵的摩擦力，測試不同數量下罐頭盒與圓柱磁鐵的摩擦力，利用最小二乘法得出罐頭盒與圓柱磁鐵的摩擦力和罐頭盒數量的函數關系。

3）通過確定分離機構的氣缸長度，工作條件確定搖桿的長度為28.6 mm和M形機構的轉動角度為30.50°。