全自動(dòng)毛巾折疊機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

安源，徐明旭，李松林，曹長(zhǎng)業(yè)，曹可新，陳浩東，徐學(xué)正，李賀

（1.吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130000；2.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春 130062；3.煙臺(tái)杰瑞石油裝備技術(shù)有限公司，山東 煙臺(tái) 264000；4.沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110142）

0 引言

毛巾是人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｓ玫那鍧嵐ぞ遊1]，在餐飲、服務(wù)等行業(yè)應(yīng)用廣泛。毛巾折疊機(jī)工作效率高，節(jié)省勞動(dòng)力并且無(wú)二次污染，是折疊毛巾的最理想設(shè)備。毛巾折疊機(jī)在商品發(fā)展及包裝工業(yè)中起著重要作用。隨著人們對(duì)毛巾在質(zhì)量、美觀度、衛(wèi)生條件等方面的要求逐漸提高，毛巾折疊機(jī)的種類和功能也逐漸增加。

經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題日益顯著，消費(fèi)者環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)[2]。人們逐漸建立自然、健康、安全、環(huán)保節(jié)能的消費(fèi)理念和消費(fèi)方式[3-5]?？苫厥盏南久泶媪藗鹘y(tǒng)的餐巾紙。其中“蛋卷式”折疊方法非常適用于方巾，折疊后的毛巾小巧、易于存儲(chǔ)且方便運(yùn)輸，已經(jīng)在酒店服務(wù)行業(yè)、餐飲食品行業(yè)普及。毛巾折疊作為我國(guó)的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，人工折疊不僅效率低、成本高且容易對(duì)消毒后的毛巾造成二次污染[6]。

因此，本文通過(guò)文獻(xiàn)研究，設(shè)計(jì)出一種可以將毛巾折疊成蛋卷狀的自動(dòng)毛巾折疊機(jī)，可有效地將毛巾的折疊批量化、規(guī)范化、衛(wèi)生化。

1 毛巾折疊機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究設(shè)計(jì)的毛巾自動(dòng)折疊機(jī)用于將方巾折疊成“蛋卷式”，能夠代替人工折疊毛巾。其整體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。主要由上料機(jī)構(gòu)1、折疊機(jī)構(gòu)2、打卷機(jī)構(gòu)3組成；上料機(jī)構(gòu)1負(fù)責(zé)從毛巾垛中抓取和運(yùn)輸毛巾的工作；折疊機(jī)構(gòu)2負(fù)責(zé)毛巾的3次折疊工作；打卷機(jī)構(gòu)3負(fù)責(zé)最后毛巾搓成“蛋卷”的工作。

圖1 毛巾折疊機(jī)整體方案

2 工作原理

按照毛巾的柔軟性質(zhì)和折疊方法，設(shè)計(jì)的毛巾自動(dòng)折疊機(jī)如圖1所示，其工作原理如下：上料機(jī)構(gòu)1從毛巾垛中利用4個(gè)氣動(dòng)抓手逐一抓取毛巾并輸送到平臺(tái)上；在折疊機(jī)構(gòu)2中待毛巾運(yùn)行到第一次折疊單元位置，氣缸作用下的推板和壓板相互配合對(duì)毛巾進(jìn)行圖2（b）→圖2（c）所示的第一次折疊；待運(yùn)行到第二次折疊單元位置時(shí)，利用電動(dòng)滑臺(tái)作用下的一對(duì)對(duì)稱的推板和氣缸作用下的壓板實(shí)現(xiàn)對(duì)毛巾進(jìn)行圖2（d）→圖2（g）所示的第二、三次折疊；毛巾隨輸送帶運(yùn)行到打卷機(jī)構(gòu)3中的楔形搓卷空間，搓卷板為毛巾提供一對(duì)方向相反的摩擦力將其搓成蛋卷式，任務(wù)完成。與將長(zhǎng)條狀毛巾打卷的毛巾打卷機(jī)相比，該自動(dòng)毛巾折疊機(jī)適用于將毛巾折疊成蛋卷式，無(wú)需人工碼料，且折好后的毛巾更加美觀小巧。

3 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 上料機(jī)構(gòu)

上料機(jī)構(gòu)1由氣動(dòng)抓手4、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、抓手固定盤(pán)5、托板8、電動(dòng)缸9和鋁型材框架10組成，如圖3所示。電動(dòng)滑臺(tái)固定于鋁型材框架10上，抓手固定盤(pán)5通過(guò)螺栓固定于電動(dòng)滑臺(tái)6的滑塊上，通過(guò)L形固定片將4只氣動(dòng)抓手安裝在抓手固定盤(pán)5上。微動(dòng)開(kāi)關(guān)嵌于抓手固定盤(pán)5下面。

圖3 自動(dòng)上料部分結(jié)構(gòu)圖

圖4 自動(dòng)打卷部分結(jié)構(gòu)圖

圖5 自動(dòng)打卷部分結(jié)構(gòu)圖

電動(dòng)缸9固定于鋁型材框架10上，支架8與電動(dòng)缸9的伸縮軸連接。托板8用于承載毛巾垛7。該上料機(jī)構(gòu)的任務(wù)就是將毛巾逐一分開(kāi)并將每一張毛巾輸送到折疊機(jī)構(gòu)2的傳送帶上。

電動(dòng)缸9推動(dòng)托板8上的毛巾垛7向上直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)毛巾垛7觸碰到抓手固定盤(pán)5下面的微動(dòng)開(kāi)關(guān)后，電動(dòng)缸9停止上升。4只氣動(dòng)抓手4通氣，電動(dòng)缸9沿直線垂直向下移動(dòng)，從而使抓取到毛巾的電動(dòng)滑臺(tái)6能夠向右移動(dòng)到折疊機(jī)構(gòu)2的正上方，松開(kāi)氣爪，毛巾成功脫落在傳送帶上。電動(dòng)滑臺(tái)6返回到待機(jī)位置，電動(dòng)缸9重新進(jìn)行上述操作，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)上料。

3.2 折疊機(jī)構(gòu)

折疊機(jī)構(gòu)2由傳送帶11、鋁型材框架16、直流電動(dòng)機(jī)23、傳送帶24、傳感器以及第一折疊單元和第二折疊單元組成。用于支撐傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)的同步帶輪被螺栓固定于鋁型材框架16上，由直流電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，帶動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)。毛巾的兩次折疊均采用“錯(cuò)切原理”?！板e(cuò)切原理”是指兩個(gè)相差一定高度的推板相對(duì)移動(dòng)，從而在空間上形成一個(gè)剪切的過(guò)程，即壓板壓在毛巾的一側(cè)，而毛巾的另一端位于推板的上方，當(dāng)推板和壓板相對(duì)移動(dòng)時(shí)，壓在推板上的毛巾便會(huì)因推板和壓板的共同作用而發(fā)生折疊[7]。

第一折疊單元由氣缸13、電動(dòng)滑臺(tái)15、推板14、壓板12、傳感器、傳送帶11、同步帶輪和直流電動(dòng)機(jī)23組成。從上料機(jī)構(gòu)1輸送到折疊機(jī)構(gòu)2的毛巾隨傳送帶11移動(dòng)，毛巾緩緩滑到推板14上。毛巾到達(dá)預(yù)設(shè)位置時(shí)，傳感器會(huì)接收信號(hào)使直流電動(dòng)機(jī)23停止轉(zhuǎn)動(dòng)。壓板機(jī)構(gòu)由氣缸13和壓板12組成；氣缸通過(guò)螺栓與壓板12連接。推板機(jī)構(gòu)由電動(dòng)滑臺(tái)15與推板14組成；電動(dòng)滑臺(tái)15與推板14通過(guò)L形固定片連接。當(dāng)傳送帶11停止后，氣缸13控制壓板12下壓到工作位置，電動(dòng)滑臺(tái)15帶動(dòng)推板14緩緩將毛巾向左推動(dòng)，毛巾完成第一次折疊任務(wù)。直流電動(dòng)機(jī)23開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)傳送帶11上的毛巾進(jìn)入到第二折疊單元。

第二折疊單元由氣缸18、過(guò)渡板17、推板21、推板22、壓板19、電動(dòng)滑臺(tái)20、傳感器、傳送帶24、同步帶輪和直流電動(dòng)機(jī)25組成。從第一折疊單元輸送到第二折疊單元的毛巾通過(guò)過(guò)渡板17緩緩滑到推板21、22上。毛巾到達(dá)預(yù)設(shè)位置時(shí)，傳感器會(huì)接收信號(hào)使直流電動(dòng)機(jī)25停止轉(zhuǎn)動(dòng)。壓板機(jī)構(gòu)由氣缸18和推板19組成；氣缸18通過(guò)螺栓與推板19聯(lián)接。推板機(jī)構(gòu)由電動(dòng)滑臺(tái)20與推板21、22組成；左、右電動(dòng)滑臺(tái)分別與左、右推板通過(guò)L型固定片聯(lián)接。當(dāng)傳送帶24停止后，氣缸18控制壓板19下壓到工作位置，由于圖2（d）→圖2（g）所示的兩次折疊相對(duì)于毛巾是對(duì)稱分布的，所以可以在一個(gè)工位依次完成兩次折疊任務(wù)。直流電動(dòng)機(jī)25開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)傳送帶24上的毛巾進(jìn)入到打卷機(jī)構(gòu)部分。

3.3 打卷機(jī)構(gòu)

打卷機(jī)構(gòu)由搓卷板26、楔形空間27和傳送帶24組成。搓卷板26利用螺栓固定于打卷機(jī)構(gòu)的鋁型材框架16的最右側(cè)橫梁。毛巾打卷采用一對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反且?guī)в屑y路的兩條板材對(duì)搓，使毛巾受到一對(duì)方向相反的摩擦力組合成的力偶，從而實(shí)現(xiàn)毛巾打卷的功能。利用打卷機(jī)構(gòu)2中第二折疊單元的傳送帶，在其右側(cè)安裝一打卷板26，打卷板26由質(zhì)量輕、彈性大的鋁片制成，內(nèi)表面與傳送帶材質(zhì)相同。使傳送帶24與打卷板26組合成為楔形打卷空間27。當(dāng)毛巾完成折疊任務(wù)后，傳送帶24繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)使毛巾進(jìn)入打卷機(jī)構(gòu)3，利用楔形的打卷空間，使毛巾受到力偶從而完成打卷任務(wù)。

與運(yùn)用兩套運(yùn)行方向相反的輸送平臺(tái)對(duì)毛巾進(jìn)行打卷相比，不僅節(jié)省了空間，而且減少了一套輸送平臺(tái)，從而節(jié)省資源、降低成本。

4 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)，制造了一臺(tái)自動(dòng)毛巾折疊機(jī)，如圖6所示。為了確認(rèn)該機(jī)器是否能滿足設(shè)計(jì)要求及功能是否達(dá)標(biāo)，進(jìn)行了實(shí)際的樣機(jī)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中的方巾選用規(guī)格為300 mm×300 mm的純棉材質(zhì)方巾。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為380 r/min，電動(dòng)缸及電動(dòng)滑臺(tái)移動(dòng)速度均為0.2 m/s。實(shí)驗(yàn)證明了該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與理論的正確性，打卷后的毛巾美觀小巧、易于運(yùn)輸且避免了二次污染，打卷效率與熟練工人基本一致，但是可24 h工作，所以生產(chǎn)效率遠(yuǎn)高于人工。

圖6 全自動(dòng)毛巾折疊機(jī)實(shí)物圖

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

選用歐姆龍CP1H系列的PLC[8-9]，該P(yáng)LC采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造和內(nèi)部電路的先進(jìn)抗干擾技術(shù)使其具有很高的可靠性[10]。選用CX-Progra mmer編程軟件，其特點(diǎn)為功能豐富、操作簡(jiǎn)單，具有豐富的調(diào)試功能和良好的兼容性。

該毛巾折疊機(jī)的程序按照功能可劃分為5個(gè)部分：參數(shù)錄入部分、初始化部分、主程序部分、報(bào)警單元部分和終止部分。其中錄入部分是將需要的指令錄入到存儲(chǔ)單元中，當(dāng)需要某項(xiàng)指令時(shí)，通過(guò)地址將指令從存儲(chǔ)單元中調(diào)出。初始化部分是為每個(gè)執(zhí)行元件確定工作初始點(diǎn)。主程序部分為該程序的核心部分，通過(guò)動(dòng)作的不同可分為自動(dòng)上料部分、第一折疊部分和第二折疊部分[11]，各個(gè)執(zhí)行單元根據(jù)指定的操作命令來(lái)完成任務(wù)。報(bào)警單元部分負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的執(zhí)行。終止部分負(fù)責(zé)結(jié)束程序的運(yùn)行。其具體控制流程如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)流程圖

6 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)毛巾折疊機(jī)工作時(shí)各氣缸的工作需求，編制了一套氣動(dòng)回路圖，如圖8所示。

圖8 氣動(dòng)回路圖

7 結(jié)論

目前折疊毛巾的方式仍采用傳統(tǒng)人工折疊的形式，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且容易造成對(duì)消毒后的毛巾二次污染。本文在對(duì)方巾包裝情況進(jìn)行充分調(diào)研和分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研制了一套組合全自動(dòng)毛巾折疊機(jī)。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)、調(diào)試，證明該機(jī)器可以有效地將方巾折疊成蛋卷形狀，效率高且成本低。

該全自動(dòng)毛巾折疊機(jī)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用為我國(guó)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)提供了重要參考，相信會(huì)在未來(lái)毛巾包裝市場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。