雙工位連續(xù)型珍珠棉環(huán)保包裝袋封切機(jī)的設(shè)計

劉慶倫 馮嫦 朱培堅 甘友康 朱科諭 李斯曼

摘?要：常見的包裝袋封切機(jī)采用往復(fù)封切的形式，存在沖擊大、噪聲大、效率低等問題。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新封切結(jié)構(gòu)和快速響應(yīng)糾偏機(jī)構(gòu)，從而形成一種新式的快速封切裝置。采用電機(jī)驅(qū)動的螺旋機(jī)構(gòu)作為糾偏工作部分，使用光電傳感器采集糾偏信號，實現(xiàn)快速糾偏的功能，并設(shè)計旋轉(zhuǎn)的雙工位連續(xù)封切裝置。相比傳統(tǒng)糾偏響應(yīng)速度，光電檢測的螺旋糾偏機(jī)構(gòu)將響應(yīng)時間降低80%，旋轉(zhuǎn)封切裝置的封切效率提升150%。通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新高速封切過程中的糾偏準(zhǔn)確度和熱封加工效率和設(shè)備可靠性得到提升。

關(guān)鍵詞：封切機(jī)；糾偏機(jī)構(gòu)；連續(xù)封切

1?概述

目前環(huán)保包裝產(chǎn)品加工設(shè)備隨著應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展逐步實現(xiàn)了產(chǎn)品加工的高速化和信息化，其主要特點(diǎn)是產(chǎn)品加工過程實施監(jiān)控與反饋、高度自動化、產(chǎn)品數(shù)據(jù)分析與挖掘。李文方等［1］通過橫封切機(jī)構(gòu)的速度進(jìn)行加減速調(diào)整，降低加速時間，利用五階曲線速度控制方法，保證封切速度、提高加速度，降低往復(fù)運(yùn)動的時間，更加平滑的曲線降低了沖擊力，提升了設(shè)備平滑性和柔性。陳少克［2］通過對封切機(jī)自動化定位系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)實現(xiàn)看包裝袋自動計數(shù)和誤差補(bǔ)償和封裝數(shù)量報警系統(tǒng)，為包裝設(shè)備信息化提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。朱家誠等［3］針對凝膠卡片封切過程中存在的不合格率加高的問題，利用新型自動化控制技術(shù)實現(xiàn)了封口的穩(wěn)定性和效率。張曉森［4］基于模糊PID技術(shù)設(shè)計了一種礦用帶式運(yùn)輸帶糾偏機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了帶式運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)輸過程的實時監(jiān)控，有效降低膠帶跑偏的現(xiàn)象，提升了運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的效率。

綜上，通過封切機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計、控制方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計等內(nèi)容進(jìn)行調(diào)研后，本文通過結(jié)構(gòu)設(shè)計一種連續(xù)封切結(jié)構(gòu)，降低往復(fù)式封切帶來的沖擊振動的強(qiáng)度；通過糾偏機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計實現(xiàn)連續(xù)加工過程中的袋料姿態(tài)的有效控制；基于PLC控制對通過整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，實現(xiàn)高度自動化。

2?整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙工位連續(xù)型珍珠棉環(huán)保包裝袋封切機(jī)主要包括封切底座、封切機(jī)構(gòu)、牽引機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、糾偏裝置、糾偏檢測裝置和結(jié)構(gòu)背板等部分組成。珍珠棉包裝袋卷料通過糾偏檢測裝置對其空間位置進(jìn)行檢測，并通過糾偏裝置的輪旋導(dǎo)向裝置進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，主要進(jìn)行平面位置的調(diào)整，保證包裝袋的折疊精度。封切裝置通過旋轉(zhuǎn)封切實現(xiàn)高速連續(xù)封切，降低封切時間，提升封切效率。

珍珠棉料卷通過張緊機(jī)構(gòu)的四次折彎實現(xiàn)平直穩(wěn)定的輸出狀態(tài)。通過糾偏機(jī)構(gòu)檢測裝置對珍珠棉袋料在輸出方向上的左右偏轉(zhuǎn)進(jìn)行精密檢測，并實時反饋。根據(jù)可編程控制器檢測的時間周期為0.01秒，可以實現(xiàn)高頻檢測和實時反饋。經(jīng)過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)對珍珠棉料卷進(jìn)行折彎形成U型料，然后進(jìn)行封邊。珍珠棉卷料在牽引機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用下，去除褶皺。在牽引機(jī)構(gòu)的引導(dǎo)下形成一定剛度保證珍珠棉卷料可以更好地進(jìn)入封切裝置。封切裝置采用雙工位旋轉(zhuǎn)封切機(jī)構(gòu)對珍珠棉卷料進(jìn)行連續(xù)封切，保證加工速度，如圖1所示。

1.封切底座；2.封切機(jī)構(gòu)；3.牽引機(jī)構(gòu)；4.導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；5.輸送機(jī)構(gòu)；6.糾偏裝置；7.糾偏檢測裝置；8.結(jié)構(gòu)背板

3?糾偏裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

珍珠棉卷料放置在封切機(jī)的工作平臺上，通過輸送機(jī)構(gòu)將珍珠棉輸送到糾偏執(zhí)行裝置和糾偏檢測裝置之間，如圖2、圖3所示。正常輸送狀態(tài)時，珍珠棉在輸送區(qū)域內(nèi)從下方起始傳輸位置向上方導(dǎo)向和牽引裝置進(jìn)行運(yùn)動，當(dāng)珍珠棉在導(dǎo)向軸上發(fā)生除輸送方向外的其他方向的偏移時，即珍珠棉部分超出輸送區(qū)域時，通過糾偏執(zhí)行裝置將偏移珍珠棉及時調(diào)整至輸送區(qū)域內(nèi)，保障輸送的精準(zhǔn)度，從而保障封切的精準(zhǔn)度，有利于提升產(chǎn)品質(zhì)量。

3.1?糾偏執(zhí)行裝置

糾偏執(zhí)行裝置設(shè)于珍珠棉卷料輸送裝置的下方，珍珠棉與糾偏螺桿緊密接觸，形成壓緊結(jié)構(gòu)。珍珠棉在運(yùn)輸過程中因為張緊力和空間軸的位置不準(zhǔn)確造成跑偏的現(xiàn)象。此時，珍珠棉會在輸送方向的其他方向產(chǎn)生位移，以左右偏移為主要結(jié)果。在可編程控制器的驅(qū)動下糾偏電機(jī)驅(qū)動糾偏螺桿正向轉(zhuǎn)動或反向轉(zhuǎn)動，螺旋結(jié)構(gòu)、珍珠棉和螺桿壓緊結(jié)構(gòu)共同作用，偏移珍珠棉受到沿糾偏螺桿的軸向移動的作用力，使珍珠棉可以在糾偏螺桿旋轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生延軸向的運(yùn)動，從而糾正跑偏現(xiàn)象，使偏移珍珠棉受到沿糾偏螺桿的軸向移動的作用力，從而將偏移珍珠棉調(diào)整至輸送區(qū)域內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單，能有效實現(xiàn)珍珠棉糾偏，保障輸送的精準(zhǔn)度，如圖2所示。

3.2?糾偏檢測裝置工作原理

珍珠棉糾偏檢測裝置布置于珍珠棉卷料的上方，傳感器向下對珍珠棉進(jìn)行空間檢測。糾偏檢測機(jī)構(gòu)包括右側(cè)傳感器、右側(cè)傳感器固定裝置、可調(diào)橫梁、左側(cè)傳感器固定裝置、左側(cè)傳感器。左右側(cè)傳感器固定裝置固定在可調(diào)橫梁上面，通過調(diào)整位置可以適用于多種尺寸的珍珠棉卷料。左右傳感器主要通過光電信號對珍珠棉卷料的空間位置進(jìn)行實時檢測。當(dāng)珍珠棉卷料正常運(yùn)輸?shù)臅r候左右傳感器都處于未被遮擋的狀態(tài)。當(dāng)珍珠棉發(fā)生跑偏時，左右兩側(cè)的傳感器就會有其中的一個光信號被珍珠棉遮擋并產(chǎn)生傳感信號，在可編程控制器的處理下，控制糾偏螺桿轉(zhuǎn)動，使珍珠棉向反向進(jìn)行移動，直至遮擋信號消失，珍珠棉處于正確的控制位置為止，從而使珍珠棉的側(cè)邊始終保持在同一位置，如圖3所示。

4?連續(xù)封切機(jī)構(gòu)

4.1?連續(xù)封切機(jī)構(gòu)原理

封切機(jī)構(gòu)的工作原理是驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)封切主刀組和旋轉(zhuǎn)封切副刀組轉(zhuǎn)動，以使旋轉(zhuǎn)封切主刀組切刀A與旋轉(zhuǎn)封切副刀組切刀B在轉(zhuǎn)動至相對接時，可編程控制器控制電源為電熱絲供電形成熱封切刀，將位于切刀A與切刀B之間的珍珠棉進(jìn)行熱封和切斷。在驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動下兩組切刀連續(xù)轉(zhuǎn)動，完成第一組封切之后，切刀A與切刀B分離，可編程控制器控制對應(yīng)電熱絲斷電，降低電熱絲溫度，通過控制驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速和電熱絲通斷電時間可以對封切過程的時間和熱封溫度進(jìn)行控制，保證封切質(zhì)量。

當(dāng)?shù)谝唤M切刀對接并完成封切后，驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)封切主刀組和副刀組繼續(xù)轉(zhuǎn)動，當(dāng)切刀C和切刀D對接時，可編程控制器接通對應(yīng)電熱絲對位于切刀C和切刀D之間的珍珠棉對折料進(jìn)行直線封切形成完整包裝袋，如圖4所示。

4.2?連續(xù)封切機(jī)構(gòu)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)

珍珠棉包裝袋的熱封工藝過程中影響封口質(zhì)量的主要因素是封切壓力、熱封時間。針對這兩個因素進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

4.2.1?熱封壓力調(diào)整

通過設(shè)計刀頭壓緊裝置以及旋緊螺栓對連續(xù)封切機(jī)構(gòu)的兩組刀頭的正壓力進(jìn)行調(diào)整，緊固旋緊螺栓可以增加刀組之間的壓力，主要用于珍珠棉厚度較大、材料彈性模量高的材料，可以更好地對珍珠棉進(jìn)行預(yù)先擠壓，保證封切過程中兩層珍珠棉緊密的接觸如圖4所示。

當(dāng)切刀A與切刀B發(fā)生錯位的時候，會破壞刀頭組的正向相對的結(jié)構(gòu)，形成刀頭錯位的剪切結(jié)構(gòu)，會降低封切壓力，針對這個問題實時監(jiān)測從動齒輪的轉(zhuǎn)速是非常必要的。通過設(shè)置編碼器，檢測從動齒輪的轉(zhuǎn)速，保證同步齒輪組轉(zhuǎn)速相同，從而保證熱封壓力的穩(wěn)定性。

4.2.2?熱封溫度

熱封溫度是影響熱封壓力的重要因素，而電熱絲的通電時間、功率等是影響電熱絲熱封溫度的主要因素。本設(shè)計中在切刀組對接的過程中通過通電進(jìn)行熱封，而調(diào)整驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，特別是當(dāng)旋轉(zhuǎn)封切刀組對接時的時間是控制熱封溫度的重要手段，通過可編程控制器控制驅(qū)動電機(jī)在非熱封和切刀組對接時的轉(zhuǎn)速可以改變電熱絲通電和斷電的時間，調(diào)整熱封溫度保障熱封質(zhì)量。

5?結(jié)論

本文通過對傳統(tǒng)往復(fù)式熱封加工方式進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化，設(shè)計珍珠棉包裝袋的連續(xù)封切工藝裝備，從原理上的對旋轉(zhuǎn)式連續(xù)封切設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計和論述。針對傳統(tǒng)糾偏機(jī)構(gòu)的檢測和糾偏時效性較低的現(xiàn)象，通過利用可編程控制器、可調(diào)傳感器糾偏檢測裝置和螺旋糾偏裝置實現(xiàn)了實時監(jiān)控和及時糾偏的目的，使檢測到跑偏到執(zhí)行糾偏動作時長在0.1秒以內(nèi)，較高地實現(xiàn)了高效糾偏。針對往復(fù)式封切裝置效率低、沖擊力大的問題，通過旋轉(zhuǎn)刀頭設(shè)計實現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的封切過程，通過調(diào)整刀頭熱封和非工作過程的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)包裝袋大小和熱封溫度的控制。對連續(xù)式熱封工藝可控的連續(xù)熱封裝置的設(shè)計和應(yīng)用提供了一種可行性方案。

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基金項目：本文由廣東省教育廳高職院校產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺項目——中山火炬智能機(jī)器人應(yīng)用產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺項目（2020CJPT022）；中山市社會公益科技研究項目珍珠棉環(huán)保包裝袋高速封切機(jī)的研制（2019B2035）；2020年校級科研創(chuàng)新團(tuán)隊智能機(jī)電技術(shù)服務(wù)鄉(xiāng)村振興創(chuàng)新團(tuán)隊項目（202107TDZZ06）支持

作者簡介：劉慶倫（1982—?），男，漢族，山東龍口人，碩士，副教授，研究方向：精密制造與自動化控制。