粉狀危化品包裝袋自動(dòng)合箱裝置

趙 楊 張廷玨 張國(guó)全

1.武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 湖北 武漢 430048

2.武漢康橙包裝科技有限公司 湖北 武漢 430023

粉狀?；诽刂阜勰钜兹?、易爆等高含能危險(xiǎn)化學(xué)品，廣泛用于兵器、航天、航空、船舶、民用爆破器材等行業(yè)[1]。其對(duì)生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸過程中的安全性和穩(wěn)定性具有極高的要求。據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，粉狀?；烦涮畹桨b袋內(nèi)，以及成品包裝袋套合到包裝箱或桶中，多為人工包裝或者半自動(dòng)化設(shè)備輔助包裝。工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，且在粉塵污染環(huán)境下作業(yè)易發(fā)生生產(chǎn)安全事故。半自動(dòng)化設(shè)備輔助生產(chǎn)中灌裝、計(jì)量、扎口等工序均已實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)完成。陳營(yíng)等[2]設(shè)計(jì)的連續(xù)取袋接袋機(jī)構(gòu)解決了供袋問題。王曉花等[3]設(shè)計(jì)的大袋包裝機(jī)自動(dòng)合箱裝置可以使包裝袋自動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)料管。郭寧等[4]研究了小顆粒狀危化品計(jì)量系統(tǒng)中的加料方式。王帆等[5]設(shè)計(jì)了一款危化品雙層包裝袋的內(nèi)袋扎口裝置。但是，針對(duì)包裝袋自動(dòng)合箱的工序，國(guó)內(nèi)未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。粉狀?；返陌b袋為紙袋，屬于柔性體。用設(shè)備將包裝袋穩(wěn)定地套合在包裝箱內(nèi)并保障包裝袋無破損和變形，此操作難度較大，實(shí)施困難。針對(duì)上述問題，本文研究了包裝袋套合包裝箱原理，并提出合箱方案，以期為粉狀?；钒b自動(dòng)化提供技術(shù)參考。

1 包裝袋合箱原理與工藝要求

1.1 包裝材料

粉狀?；钒b袋一般采用牛皮紙袋，規(guī)格為(760±10) mm ×(940 ±10) mm，扎口采用折疊式封裝。包裝木箱規(guī)格為560 mm×330 mm×280 mm，質(zhì)量約為23 kg。包裝木箱如圖1所示。

圖1 包裝箱Fig. 1 Packing box

1.2 包裝袋合箱原理

粉狀?；钒b袋自動(dòng)合箱原理如圖2所示。合箱裝置主要由供箱裝置、包裝箱、包裝袋、夾袋裝置、壓袋裝置、撐袋裝置、開袋裝置和供袋裝置等組成。各裝置在控制系統(tǒng)的作用下，各自完成相應(yīng)功能。其中，供袋裝置將包裝袋從袋倉(cāng)取出并打開袋口；撐袋裝置從供袋裝置處接過包裝袋并進(jìn)行開袋處理；供箱裝置將空箱運(yùn)輸至合箱處，準(zhǔn)備包裝袋合箱。

圖2 包裝袋合箱原理Fig. 2 Structure diagram of packing bag into box

包裝袋合箱流程（見圖3）如下：供袋裝置通過氣缸帶動(dòng)吸盤將包裝袋從袋倉(cāng)中取出，并輸送至開袋工位，開袋吸盤將包裝袋袋口打開，機(jī)械臂在開袋工位將包裝袋口進(jìn)一步打開并張緊，使袋口始終朝上，沿1/4圓弧順時(shí)針向上運(yùn)動(dòng)至撐袋裝置，撐袋裝置的左右合箱板在撐袋氣缸帶動(dòng)下將袋口進(jìn)一步撐開，待包裝袋被合箱板鎖緊后，壓袋氣缸帶動(dòng)氣囊向下運(yùn)動(dòng)，直至包裝袋完全打開，此時(shí)底部供箱裝置將空箱輸送至輥道末端與托箱平臺(tái)交界處，推箱氣缸將空箱推送至夾袋裝置正下方，頂箱氣缸頂起空箱，包裝袋被順利套入箱內(nèi)，頂箱氣缸回位，套好包裝袋的木箱繼續(xù)輸送至下一工位。

圖3 包裝袋合箱工藝流程圖Fig. 3 Process flow chart of packing bag into box

1.3 包裝袋合箱工藝要求

1）供袋裝置一次取一個(gè)包裝袋，且無空吸和漏吸現(xiàn)象；

2）夾帶裝置需夾袋可靠，不出現(xiàn)掉袋現(xiàn)象；

3）供箱裝置要使空箱能順利到達(dá)合箱工位；

4）包裝袋和包裝箱內(nèi)側(cè)貼合完好，不出現(xiàn)折袋、壓袋現(xiàn)象。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

由于篇幅所限，本文僅介紹供袋裝置、撐袋裝置、供箱裝置和合箱裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理。

2.1 供袋裝置

供袋裝置的作用是將包裝袋從袋倉(cāng)取出，并打開袋口等待取袋裝置取出包裝袋。供袋裝置主要由袋庫(kù)、移袋吸盤組件、上下開袋組件、氣缸等部件組成（見圖4）。目前，包裝袋主要分為非透氣性袋和透氣性袋。非透氣性袋如覆膜編織袋和塑料袋等，可以利用真空吸附技術(shù)吸住袋口，以便后面順利打開袋口。透氣性袋如編織袋等，其材質(zhì)柔軟，用真空吸咐技術(shù)會(huì)使袋變形、漏氣，從而脫落，因而常用摩擦破口開袋[6]。本文所研究的對(duì)象為非透氣性的牛皮紙袋，故選用真空吸附開袋。對(duì)于柔性規(guī)則物體，常用的吸盤主要有平直型、平直帶肋型、深凹型和風(fēng)琴型4種類型，其中平直帶肋型常用于易變形物體[7]。因?yàn)椴捎蒙舷挛P開袋，包裝袋會(huì)承受一定的壓力，所以本文選用平直帶肋型吸盤。袋庫(kù)大小可調(diào)，適用于不同尺寸包裝袋。

圖4 供袋裝置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the bag feeding device

圖4所示，氣缸1和氣缸2由連接板連接，組成一個(gè)氣缸行程放大機(jī)構(gòu)；氣缸3連接吸盤。初始狀態(tài)時(shí)氣缸1～3均處于縮回狀態(tài)。供袋裝置的工作流程如下：氣缸3向下伸出，使吸盤吸住包裝袋側(cè)邊，氣缸3縮回，包裝袋被提起；氣缸2伸出，帶動(dòng)氣缸1向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)氣缸2到達(dá)最大行程處，氣缸1繼續(xù)伸出運(yùn)動(dòng)至最右端，使袋口到達(dá)開袋位，等待上下開袋氣缸開袋。

2.2 撐袋裝置

撐袋裝置的作用是將已開口的包裝袋通過合箱板夾住，并進(jìn)一步撐開，然后由壓袋氣缸帶動(dòng)氣囊向下將包裝袋袋底撐開。包裝袋口撐開后的尺寸為330 mm×560 mm。

撐袋裝置主要由夾袋組件、壓袋組件及其他附件組成。夾袋組件主要由合箱板、夾袋氣缸、Y型接頭組成。其中，夾袋氣缸缸體和主機(jī)架之間發(fā)生的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)是轉(zhuǎn)動(dòng)副；夾袋氣缸缸體和活塞桿之間發(fā)生的相對(duì)移動(dòng)是移動(dòng)副；活塞桿和Y型接頭通過螺紋連接成為獨(dú)立構(gòu)件，該構(gòu)件與合箱板之間發(fā)生的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)是轉(zhuǎn)動(dòng)副；合箱板與機(jī)架之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)是轉(zhuǎn)動(dòng)副。壓袋組件主要由壓袋氣缸、充氣氣囊、滑軌及其他附件組成。在夾袋過程中合箱板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為α。壓袋氣缸固定在機(jī)架上。

撐袋裝置的工作流程（見圖5）如下：首先供袋裝置的機(jī)械臂將尺寸為60 mm×560 mm的包裝袋送至固定的合箱板上，夾袋氣缸推動(dòng)活塞桿，活塞桿通過Y型接頭推動(dòng)合箱板繞轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度，打開包裝袋，直至袋口完全打開，此時(shí)壓袋氣缸向下伸出，充氣氣囊同步向下運(yùn)動(dòng)至袋底，包裝袋被完全打開等待合箱。

圖5 夾袋過程示意圖Fig. 5 Schematic diagram of bag clamping process

2.3 供箱裝置

供箱裝置用于運(yùn)輸木箱，解決傳統(tǒng)輸送過程中人工搬運(yùn)費(fèi)時(shí)、效率低等問題。此裝置主要由機(jī)架、輥道輸送組件、推箱組件、限位組件及其他附件組成（見圖6）。目前，市面上常見的輸送設(shè)備有皮帶輸送機(jī)、輥道輸送機(jī)等[8]。皮帶輸送機(jī)是通過摩擦輸送水平或者傾斜的物料，不適用于大質(zhì)量物料的運(yùn)輸。本文的空木箱質(zhì)量約為23 kg，若采用皮帶輸送，皮帶下方需加裝托板，皮帶和托板之間會(huì)產(chǎn)生摩擦，因而皮帶輸送不適合運(yùn)輸粉狀?；贰］伒揽奢斔透黝愊浒巴斜P等物品，木箱與輥道之間是線接觸，接觸面小，安全性更高[9]。綜上，本文選用輥道輸送。輥道輸送組件一般有兩種動(dòng)力輸送方式：鏈傳動(dòng)和氣動(dòng)馬達(dá)。鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是無法保持恒定的傳動(dòng)比；氣動(dòng)馬達(dá)可在惡劣環(huán)境下正常運(yùn)行，同時(shí)具有啟停響應(yīng)迅速、裝置密封性好等特點(diǎn)[10]。根據(jù)粉狀?；诽厥獾睦砘匦?，本文選用氣動(dòng)馬達(dá)作為動(dòng)力輸送方式。

圖6 供箱裝置示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the box supply device

供箱裝置的工作流程如下：輥道輸送空木箱至限位組件時(shí)，傳感器檢測(cè)到信號(hào)，限位氣缸帶動(dòng)限位棒升起，空木箱運(yùn)動(dòng)停止并等待前一個(gè)工序完成，當(dāng)前一個(gè)合箱工序完成時(shí)，限位氣缸縮回，空木箱繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，被推箱組件推送至合箱工位。

2.3.1 推箱組件

推箱組件主要由推箱板、推板氣缸、提板氣缸組成（見圖7）。當(dāng)空木箱被輸送至輥道末端與托箱平臺(tái)交界處時(shí)，動(dòng)力不足會(huì)導(dǎo)致木箱無法順利進(jìn)入下一工位。推箱組件可以很好地解決這一問題。

推箱組件的工作流程如下：空木箱被運(yùn)送至輥道與托箱平臺(tái)交界處時(shí)，提板氣缸縮回，帶動(dòng)推箱板（位于輥道下方）升起，同時(shí)推板氣缸伸出，使推箱板水平向前運(yùn)動(dòng)，空木箱在推箱板的推力下向前運(yùn)動(dòng)，被推至升降平臺(tái)。

2.3.2 限位組件

限位組件由限位棒、限位氣缸等部件組成（見圖8）。限位組件位于輥道底部，限位氣缸帶動(dòng)限位棒上下運(yùn)動(dòng)，限位棒能阻止后箱對(duì)前箱產(chǎn)生的沖擊。

限位組件的工作流程如下：空木箱到達(dá)限位組件處，觸動(dòng)感應(yīng)開關(guān)，限位氣缸伸出，帶動(dòng)限位棒豎直向上，空木箱停止運(yùn)動(dòng)，等待前一空木箱送至升降臺(tái)后，限位氣缸縮回，限位棒下降，空木箱繼續(xù)向前輸送。

圖8 限位組件示意圖Fig. 8 Schematic diagram of limit components

2.4 合箱裝置

合箱裝置由升降平臺(tái)、推箱氣缸及其他附件組成（見圖9）。升降平臺(tái)的初始位與輥道輸送平臺(tái)平齊。升降平臺(tái)上升高度為S1，其正上方的包裝袋底與升降平臺(tái)初始位的距離為S2，推箱氣缸行程為L(zhǎng)1，升降平臺(tái)寬度為L(zhǎng)2。S1、S2兩者需滿足關(guān)系S1＞S2，才能保證包裝袋底部與木箱內(nèi)壁貼合（見圖9a）。L1、L2兩者需滿足關(guān)系L1＞L2，才能保證空木箱被順利推出升降平臺(tái)，輸送至下一工位（見圖9b）。

圖9 合箱裝置示意圖Fig. 9 Schematic diagram of bagging device

合箱裝置的工作流程如下：合箱時(shí)，空木箱位于升降平臺(tái)上，箱口正對(duì)上方的包裝袋底部，此時(shí)升降平臺(tái)在推箱氣缸的推力下緩慢上升，直到包裝袋底貼合木箱內(nèi)壁，合箱動(dòng)作結(jié)束，升降平臺(tái)再在推箱氣缸的作用下下降至與輥道輸送平臺(tái)平齊，隨后推箱氣缸伸出，木箱被推至輥道輸送平臺(tái)并送至下一工位，推箱氣缸縮回。

3 氣缸關(guān)鍵參數(shù)

氣缸具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且安全可靠性優(yōu)于液壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)，因而更適用于易燃、易爆、粉塵作業(yè)場(chǎng)所。本粉狀?；钒b袋自動(dòng)合箱裝置采用氣缸作為驅(qū)動(dòng)力。氣缸選擇的合理性直接影響整套包裝生產(chǎn)線的運(yùn)行效率。若缸徑過小，則氣缸輸出力不夠，不能正常工作；若缸徑過大，設(shè)備不僅笨重、成本高，同時(shí)耗氣量會(huì)增大，從而造成能源浪費(fèi)[11]。下文對(duì)撐袋裝置中夾帶組件的氣缸行程與缸徑進(jìn)行分析。

3.1 氣缸行程

圖5所示，當(dāng)合箱板處于初始位置時(shí)，夾袋氣缸伸出，桿AD和桿A1D1合攏，合箱板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度α為25°；當(dāng)合箱板夾袋時(shí)，夾袋氣缸縮回，桿AD和桿A1D1平行，α=0°?？紤]鉸鏈B的位置，鉸鏈B若靠近D點(diǎn)，氣缸活塞桿行程較大，運(yùn)動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，可能存在壓桿失穩(wěn)問題；鉸鏈B若靠近A點(diǎn)，雖然可減小失穩(wěn)幾率，但是會(huì)使AD內(nèi)部彎曲應(yīng)力增大，強(qiáng)度受到影響。綜合上述兩種情況，選取中間點(diǎn)為B的初始位置。氣缸行程示意圖如圖10所示。確定B點(diǎn)初始位置后，以A為圓心，桿AD繞A點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α得到AD′，此時(shí)AD′為氣缸回程狀態(tài)。桿AD長(zhǎng)為L(zhǎng)3，BB′的距離L4=2L3sin(α/2)，氣缸行程應(yīng)大于L3。查詢氣缸參數(shù)表選出滿足行程的標(biāo)準(zhǔn)氣缸[12]。

圖10 氣缸行程設(shè)計(jì)Fig. 10 Cylinder stroke design

3.2 氣缸缸徑

根據(jù)氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理繪制了夾袋示意圖（見圖11）。A點(diǎn)為合箱板與主機(jī)架的連接點(diǎn)，B點(diǎn)為氣缸活塞桿和合箱板連接點(diǎn)，B點(diǎn)處氣缸為動(dòng)力輸入點(diǎn)。合箱板撐緊包裝袋口時(shí)，氣缸對(duì)合箱板作用力F1的方向?yàn)樗较蜃?，C點(diǎn)為包裝袋口與合箱板下端接觸點(diǎn)，此處包裝袋對(duì)合箱板作用力F2的方向?yàn)樗较蛴?。合箱板繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，L和（L-H）分別為F2、F1的作用力臂。

圖11 夾袋示意圖Fig. 11 Schematic diagram of the bag clamping process

為保證包裝袋被夾緊，A點(diǎn)需滿足如下關(guān)系：

氣囊向下?lián)伍_包裝袋底部時(shí)，包裝袋受到的重力G和氣囊壓力F的方向?yàn)樨Q直向下，包裝袋口與合箱板接觸產(chǎn)生摩擦力P的方向?yàn)樨Q直向上。為保證包裝袋不掉落，C點(diǎn)需滿足如下關(guān)系：

式中μ為包裝袋與合箱板的摩擦系數(shù)，取0.33。

由式（1）～（3）可得

氣缸的理論輸出力是在最理想狀態(tài)下的輸出力，但實(shí)際中會(huì)受摩擦、氣壓等的影響有損失，所以實(shí)際輸出力要小于理論輸出力。一般，氣缸按照理論輸出力的50%～70%來選型[13-14]。

當(dāng)氣缸收縮時(shí)，合箱板張開夾緊包裝袋，氣缸實(shí)際輸出力F1為

式中：ρ為系統(tǒng)壓強(qiáng)，MPa；S為氣缸活塞面積，m2；d為氣缸缸徑。

根據(jù)式（4）～（6）可得氣缸缸徑。

4 合箱裝置的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

采用SolidWors軟件繪制包裝袋自動(dòng)合箱裝置的三維模型，如圖12所示。生產(chǎn)實(shí)踐證明了包裝袋自動(dòng)合箱裝置的各功能均能實(shí)現(xiàn)，所有組件能正常工作，各運(yùn)動(dòng)件之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖12 包裝袋自動(dòng)合箱裝置三維圖Fig. 12 3D drawing of the packaging bag sleeve into the box device

5 結(jié)語

針對(duì)粉狀?；钒b袋需要人工合箱的問題，本文設(shè)計(jì)了自動(dòng)合箱裝置。此裝置由供袋、撐袋、供箱、合箱等裝置組成。供袋裝置用于連續(xù)供應(yīng)包裝袋，撐袋裝置用于撐開袋口，供箱裝置是將空箱輸送到指定工位，合箱裝置是通過氣囊運(yùn)動(dòng)，將夾緊的包裝袋向下套入包裝箱。本粉狀?；钒b袋自動(dòng)合箱裝置對(duì)其他物料的包裝合箱設(shè)計(jì)有一定借鑒作用。