包裝機(jī)高速堆垛單元改進(jìn)設(shè)計(jì)

戴文明

（黃山富田精工智造股份有限公司，安徽黃山 245000）

0 引言

包裝機(jī)械工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，涉及領(lǐng)域廣，與民生息息相關(guān)[1]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的繁榮和人們需求的多樣化，對(duì)產(chǎn)品包裝要求越來(lái)越高，迫切要求包裝實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化[2]。

目前，國(guó)內(nèi)的紙尿褲生產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但后續(xù)的包裝大多采用半自動(dòng)方式[3]。紙尿褲包裝屬于紙品包裝的一部分，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)幾個(gè)企業(yè)能制造全自動(dòng)紙尿褲包裝機(jī)，而歐美國(guó)家的紙品包裝智能裝備公司技術(shù)領(lǐng)先。世界上的主要紙品包裝行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)大都位于德國(guó)、意大利和美國(guó)[4]。

針對(duì)國(guó)內(nèi)紙尿褲包裝的高速自動(dòng)化生產(chǎn)需求，改進(jìn)設(shè)計(jì)一種高速堆垛單元，為高速紙尿褲包裝機(jī)的設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 紙尿褲包裝機(jī)簡(jiǎn)介

紙尿褲包裝機(jī)主要用以實(shí)現(xiàn)紙尿褲等嬰幼兒一次性衛(wèi)生用品的自動(dòng)入袋包裝，主要包含紙尿褲產(chǎn)品的翻轉(zhuǎn)、堆垛、推出、壓縮、入袋和熱封等功能，是實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線自動(dòng)化高速生產(chǎn)的重中之重。如圖1所示，包裝機(jī)主要包括堆垛單元和包裝單元。其中，堆垛單元實(shí)現(xiàn)紙尿褲的翻轉(zhuǎn)、堆垛、推出和壓縮功能；包裝單元實(shí)現(xiàn)供袋、張袋、被壓縮產(chǎn)品的入袋和袋口熱封功能。

圖1 紙尿褲包裝機(jī)Fig.1 Diaper packaging machine

2 堆垛單元組成與工作原理

2.1 堆垛單元結(jié)構(gòu)組成

如圖2所示，堆垛單元主要由產(chǎn)品90°翻轉(zhuǎn)裝置、堆垛裝置、產(chǎn)品排出裝置和壓縮裝置組成。堆垛單元一般設(shè)計(jì)有2套產(chǎn)品排出裝置和壓縮裝置，其中一套供手工套袋使用，另一套供后續(xù)自動(dòng)包裝單元使用。堆垛裝置主要包括葉片、鏈條和鏈輪。其中，主動(dòng)鏈輪由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。鏈條呈環(huán)形安裝在鏈輪上，葉片安裝在鏈條上。在90°翻轉(zhuǎn)裝置末端的相對(duì)應(yīng)位置，裝有一定齒數(shù)的從動(dòng)鏈輪，使得堆垛區(qū)的葉片形成一個(gè)銳角，該銳角區(qū)域稱為堆垛區(qū)，堆垛區(qū)空間的大小與從動(dòng)鏈輪齒數(shù)有關(guān)。綜合考慮零件的加工、裝配等因素，堆垛區(qū)內(nèi)2種葉片形成的夾角約為14～18°。

圖2 堆垛單元結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Structure of stack cell

2.2 堆垛單元工藝流程

紙尿褲等一次性衛(wèi)生用品的堆垛過(guò)程可分為90°翻轉(zhuǎn)、堆垛成型、產(chǎn)品排出和產(chǎn)品壓縮4個(gè)工序。

90°翻轉(zhuǎn)工序主要通過(guò)翻轉(zhuǎn)皮帶將前道工序輸入的紙尿褲進(jìn)行90°翻轉(zhuǎn)。產(chǎn)品經(jīng)翻轉(zhuǎn)后進(jìn)入堆垛區(qū)。堆垛區(qū)每進(jìn)入1片產(chǎn)品，電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而帶動(dòng)鏈條和葉片前進(jìn)1個(gè)堆垛位，產(chǎn)品也隨之從堆垛區(qū)被輸送至圖2所示葉片之間位置。隨著產(chǎn)品持續(xù)進(jìn)入，堆垛區(qū)形成連續(xù)的產(chǎn)品堆垛陣列。此過(guò)程稱為堆垛成型工序。

如圖3，形成連續(xù)的產(chǎn)品堆垛陣列后，排出裝置按照一定的數(shù)量將產(chǎn)品推出至壓縮裝置，此工序稱為產(chǎn)品排出。壓縮裝置將整齊排列的產(chǎn)品壓縮至預(yù)定尺寸，再送入后道包裝工序，此過(guò)程即為產(chǎn)品壓縮工序。

圖3 堆垛單元工藝流程Fig.3 Process flow of stack cell

產(chǎn)品堆垛的好壞，直接影響產(chǎn)品入袋質(zhì)量的好壞，進(jìn)而影響袋口的熱封質(zhì)量。常規(guī)紙尿褲生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)速度約為500片/min，隨著速度提高至700～900片/min，產(chǎn)品堆垛單元會(huì)出現(xiàn)堆垛區(qū)堵片、無(wú)法正常堆垛成型的現(xiàn)象，將會(huì)影響后續(xù)推出、壓縮、進(jìn)袋和熱封封口等一系列工序的進(jìn)行。

3 高速堆垛存在的問(wèn)題及原因分析

3.1 存在的問(wèn)題

進(jìn)入包裝機(jī)堆垛單元的產(chǎn)品，并不是一個(gè)持續(xù)不斷的產(chǎn)品流。由于紙尿褲生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)品原材料的不停機(jī)換接料，及操作人員在線排出產(chǎn)品以進(jìn)行質(zhì)量檢查等因素，進(jìn)入堆垛單元的產(chǎn)品會(huì)中斷，中斷的產(chǎn)品數(shù)量從1～6片不等。

在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生產(chǎn)速度超過(guò)450片/min且進(jìn)入堆垛單元的產(chǎn)品中斷時(shí)，堆垛區(qū)偶爾會(huì)有產(chǎn)品沒(méi)有完全進(jìn)入而堵在該處。當(dāng)生產(chǎn)速度越來(lái)越快時(shí)，如果中斷的次數(shù)較多，這類堵片現(xiàn)象愈發(fā)頻繁和明顯。如果堆垛區(qū)堵片，則需立即停機(jī)進(jìn)行人工清理，否則將會(huì)嚴(yán)重影響整條流水線生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)效率。

3.2 原因分析

因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)葉片移動(dòng)并不是一個(gè)持續(xù)的、穩(wěn)態(tài)的勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程，每次有產(chǎn)品進(jìn)入時(shí)，電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)1次。當(dāng)產(chǎn)品連續(xù)進(jìn)入時(shí)，電機(jī)根據(jù)產(chǎn)品進(jìn)入的周期，在相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)→?！D(zhuǎn)的循環(huán)動(dòng)作，因此，葉片受到1個(gè)間斷的階躍力驅(qū)動(dòng)。由機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)可知[5-6]，單自由度有阻尼系統(tǒng)在階躍函數(shù)激勵(lì)下的響應(yīng)為：

式中 x——系統(tǒng)振幅；

F0——突加常力；

K——系統(tǒng)剛度；

e——自然常數(shù)；

ζ——系統(tǒng)阻尼比；

ωn——系統(tǒng)固有圓頻率；

ωd——有阻尼時(shí)固有圓頻率；

t——時(shí)間。

如果忽略阻尼，當(dāng)ζ=0時(shí)，ωd= ωn，振幅：

即在忽略系統(tǒng)阻尼情況下，葉片端部的最大變形可達(dá)2F0/K。根據(jù)以上分析，初步判定由于葉片收到1個(gè)間斷的階躍力作用引起端部變形，從而導(dǎo)致堵片現(xiàn)象的發(fā)生。

假設(shè)某紙尿褲生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)速度v'=500片/min，產(chǎn)品長(zhǎng)度L=220 mm，產(chǎn)品間距H=450 mm，產(chǎn)品從翻轉(zhuǎn)皮帶排出到進(jìn)入葉片內(nèi)部前進(jìn)的距離H1=270 mm。由此可得生產(chǎn)設(shè)備的線速度：

產(chǎn)品進(jìn)入堆垛區(qū)的周期：

產(chǎn)品由翻轉(zhuǎn)裝置完全進(jìn)入葉片的時(shí)間：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，圖2中葉片由位置7轉(zhuǎn)至位置8時(shí)，耗時(shí)T2≈0.02 s。

所以，在1個(gè)進(jìn)片周期T=0.12 s內(nèi)，葉片由位置7轉(zhuǎn)動(dòng)至位置8后的等待時(shí)間：

當(dāng)進(jìn)片產(chǎn)品流被中斷1片時(shí)，等待下一片產(chǎn)品進(jìn)入的時(shí)間：

當(dāng)中斷的產(chǎn)品數(shù)量為n片時(shí)，等待下一片產(chǎn)品進(jìn)入的時(shí)間：

被中斷的產(chǎn)品越多，等待的時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)產(chǎn)品流被中斷后，葉片在等待的時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生衰減振動(dòng)，由于阻尼的存在，振幅會(huì)逐漸縮小[7]。而最大振幅往往發(fā)生在靠近葉片等待開(kāi)始后的第1個(gè)振動(dòng)周期。從實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生產(chǎn)操作人員在包裝機(jī)前端設(shè)備排出1片產(chǎn)品以檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，堆垛區(qū)堵片的概率很大；當(dāng)前端生產(chǎn)設(shè)備由于換接料，連續(xù)排出5～6片產(chǎn)品時(shí)，堆垛區(qū)堵片的概率反而很小。因此，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的故障現(xiàn)象與分析的結(jié)果一致。

為分析葉片振動(dòng)振幅的大小，利用有限元軟件分析進(jìn)片產(chǎn)品被中斷后，葉片的變形情況。葉片為復(fù)合材料注塑成型零件，其材料性質(zhì)見(jiàn)表1，入口處鏈輪、葉片詳細(xì)布局見(jiàn)圖4，葉片呈扁平狀，主要分析其長(zhǎng)度方向的法向變形[8]，并假設(shè)其物理性質(zhì)各項(xiàng)同性。

表1 材料屬性Tab.1 Material properties

圖4 常規(guī)入口布局Fig.4 General entrance layout

將鏈輪、鏈條和葉片組合裝配后導(dǎo)入有限元軟件[9]，忽略系統(tǒng)阻尼，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析[10-11]，結(jié)果見(jiàn)圖5。葉片7轉(zhuǎn)動(dòng)至葉片8處位置時(shí)，端部振幅最大可達(dá)66 mm，的確增加了產(chǎn)品在入口處堵片的概率。

圖5 葉片變形云圖Fig.5 Nephogram of deformation of paddle

4 高速堆垛機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

由以上分析可知，堵片的原因主要是葉片受到間斷的階躍力作用后，端部發(fā)生大變形，對(duì)即將進(jìn)入的下一片產(chǎn)品起到了阻擋作用。

減小這種變形的措施，一是減小階躍力F0的大小，二是提高葉片的剛度K。降低F0的大小，可以通過(guò)改變鏈輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)。如在伺服系統(tǒng)中設(shè)置運(yùn)動(dòng)曲線為5次樣條曲線，盡量降低加速度的大小[12]。但是，由于產(chǎn)品的生產(chǎn)速度較快，葉片的進(jìn)給周期非常小，即使將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)曲線設(shè)置的非常平滑，其作用也有限。提高葉片剛度的方法包括更改零件材料的彈性模量、零件幾何特征及零件支撐形式[13]。葉片材料為30%玻纖增強(qiáng)尼龍66，如果將玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至50%，其彈性模量?jī)H提高3%，且葉片表面將變的粗糙，反而影響進(jìn)片，甚至刮破產(chǎn)品，故不合適。零件的幾何形狀是根據(jù)產(chǎn)品的尺寸設(shè)計(jì)，不能輕易改變。因此，只能改變零件的支撐形式。

為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新的葉片張角形式。如圖6所示，在鏈條直線段設(shè)計(jì)一種“三夾輥”葉片張角方案：2根固定輥輪廓線與鏈條節(jié)線的平行線相切，移動(dòng)輥沿著鏈條節(jié)線的法線方向移動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)輥朝著固定輥移動(dòng)時(shí)，鏈條節(jié)線形成1段中凸曲線，鏈條也隨即形成中凸形狀。

圖6 三夾輥形成中凸Fig.6 Formation of a convexity by three roller clamping

“三夾輥”張角方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖7。鏈條采用雙排鏈，其一側(cè)的銷軸往外延長(zhǎng)，葉片安裝在銷軸上。固定輥和移動(dòng)輥可旋轉(zhuǎn)，其外圓均采用雙凸臺(tái)設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)雙排鏈條，使得固定輥和移動(dòng)輥可以卡在鏈條滾子的兩側(cè)，形成“中凸”結(jié)構(gòu)。

圖7 三夾輥詳細(xì)結(jié)構(gòu)Fig.7 Detailed structure of three roller clamping

當(dāng)鏈條裝上葉片后，如圖8所示。不僅葉片5與葉片8能形成張角區(qū)，葉片5，6，7的端部會(huì)緊緊挨在一起，相當(dāng)于3個(gè)葉片的根部和端部都存在約束。端部的約束能很好地提高葉片的剛度，在葉片隨鏈條運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，有效降低葉片移動(dòng)時(shí)端部的變形。

圖8 三夾輥結(jié)構(gòu)增加葉片剛性Fig.8 Increase of paddle rigidity by three roller clamping

將該模型略去相關(guān)零件后，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，如圖9所示?？傻萌~片端部最大變形縮小至5 mm左右，效果明顯。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，圖8中的葉片5，6之間及葉片6，7之間存有產(chǎn)品，因產(chǎn)品有一定的厚度，其原材料主要為無(wú)紡布、木漿和高分子，使得該產(chǎn)品起到類似彈簧和阻尼的作用，即起到一定的減振效果。因而，該側(cè)葉片端部的實(shí)際變形量＜5 mm。

圖9 三夾輥結(jié)構(gòu)葉片變形云圖Fig.9 Deformation nephogram of paddle by three roller clamping structure

5 試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方法

為測(cè)試高速堆垛裝置的性能，將碼垛機(jī)接入主機(jī)，在不同的生產(chǎn)速度下，分別運(yùn)行20 min，計(jì)算裝置每次運(yùn)行效率，各速度段分別測(cè)試5次。運(yùn)行效率如下式計(jì)算：

式中 η——設(shè)備運(yùn)行效率，%；

n1——進(jìn)入堆垛區(qū)的實(shí)際產(chǎn)品數(shù)量，片；

n2——進(jìn)入堆垛區(qū)的理論產(chǎn)品數(shù)量，片。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

每種生產(chǎn)速度下的設(shè)備運(yùn)行效率見(jiàn)表2，取平均值。當(dāng)生產(chǎn)速度超過(guò)850片/min時(shí)，設(shè)備的平均運(yùn)行效率已經(jīng)低于80%。通常，客戶要求包裝機(jī)整機(jī)運(yùn)行效率≥95%，由此，堆垛裝置的運(yùn)行效率至少要＞97%。因此在生產(chǎn)速度為800片/min時(shí)，高速堆垛裝置能滿足客戶需求。

表2 不同速度下的運(yùn)行效率Tab.2 Operating efficiency at different speeds

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹常規(guī)紙尿褲堆垛工藝流程，指出高速生產(chǎn)時(shí)堆垛區(qū)堵片的原因，采用有限元方法對(duì)堆垛入口處鏈輪、鏈條和葉片進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，提出一種“三夾輥”張角結(jié)構(gòu)，通過(guò)給堆垛區(qū)葉片端部增加約束，提高葉片整體剛度，將葉片端部位移減至原來(lái)的1/10以下，有效避免堵片現(xiàn)象。經(jīng)測(cè)試，在800片/min的速度下，平均運(yùn)行效率達(dá)到99.25%，生產(chǎn)線生產(chǎn)穩(wěn)定。高速堆垛單元的設(shè)計(jì)改進(jìn)能滿足紙尿褲的高速自動(dòng)化生產(chǎn)需求，市場(chǎng)前景廣闊。