1.引言

快速消費品行業里的酒類、日化、調味品等液態商品越來越注重產品的個性化包裝,各式各樣的異形瓶(非規則的圓形瓶)讓人眼花繚亂,豐富繁榮了市場。在工業化生產的今天,異形瓶的裝箱給包裝機械行業提出了新的課題,。通過市場調研,在標準形裝箱機的基礎上,研究開發出適應于異形瓶的裝箱機,投入市場后效果良好,得到了用戶的好評。

2.異形瓶裝箱機的系統組成

2.1裝箱機組成與技術規格

(1)組成。異形瓶裝箱機主要由瓶輸送機構、箱輸送機構、抓瓶裝箱機構組成,如圖1所示。瓶輸送機構,對單列送的異形瓶通過變道輸送,將單列瓶輸送變成多列的瓶輸送,滿足抓瓶裝箱的需要。箱輸送機構是對裝瓶前箱子和裝瓶后箱子的輸送。抓瓶裝箱機構按照一定的運行軌跡,將排列規律的瓶子裝箱,每次可以裝一箱或多箱。

(2)主要技術指標。紙箱尺寸:根據用戶要求設計調整范圍；瓶型規格:根據用戶要求設計調整范圍；生產速度:12箱/分鐘(可調)；電源:380V、50HZ；總功率:4kw；耗氣量:、用氣壓力:。

圖中:1抓瓶裝箱機構2瓶輸送機構3箱輸送機構
圖1 異形瓶裝箱機的組成示意圖

2.2裝箱機的控制方案

異形瓶裝箱機的控制系統主要由可編程控制器G1、人機界面G2、伺服控制驅動器A1、伺服控制驅動器A2、變頻器A3、變頻器A4、檢測/執行元件組成,如圖2所示。G1、G2構成控制系統的核心和操作界面,所有的控制參數均可在人機界面上完成。伺服控制驅動器A1、A2驅動控制伺服電機M1和M2,完成瓶子變道和裝箱過程的控制,PLC通過高速輸出口對A1、A2發送脈沖,改變脈沖的發送頻率和數量控制伺服電機的運行。A3、A4變頻器控制電機M3和M4,完成瓶子和箱子的輸送,通過RS485總線控制電機M3和M4的速度和啟停。

圖2 異形瓶裝箱機的控制系統示意圖

3.裝箱機理瓶方案分析與設計

產品灌裝和貼標后通過輸送鏈,瓶子單排或雙排(通過特定機構改變)輸送到裝箱設備。對于圓形瓶子通過相互推碰、避讓可以從單列變成多列,瓶子在多列鏈道內形成規律的排列。對于異形瓶子,從單列變成多列就無法通過相互推碰、避讓達到目的。對于異形瓶的裝箱,瓶子的輸送整理是一個關鍵問題,我們采用了兩種解決方案。

3.1一列變多列的輸送整理方法

一列變多列的輸送整理方法(以下稱為方法1)如圖3所示,通過M2控制移動的裝置將單列輸送的瓶子,依次送到多列輸送鏈的各個道口,使一列瓶子的輸送變成多輸送,優點在于瓶子的輸送幾乎不間斷。

控制伺服電機M2的位移過程中,對于伺服電機M2有一個初始位設置,為了使每一道上的瓶子數量均勻,必須對進入每道的瓶子進行記數,邊道進入的數量是中間道的2倍,以便減少移道的次數,止瓶裝置為了防止移道過程中卡瓶,瓶子隨著移道機構同步移動。

1.單列輸送帶2.瓶變道機構3.瓶子輸送機構
圖3 異形瓶一列變多列的瓶整理示意圖

3.2列變行步移輸送整理方法

列變行步移輸送整理方法(以下稱為方法2)如圖4所示,主要由單雙排輸送鏈、單排變雙排機構、多排輸送步移鏈組成。電機M3驅動單雙排輸送鏈,伺服電機M2驅動多排輸送步移鏈,每次步移兩行瓶子。單排變雙排的目的是減少伺服電機M2步移的等待時間,提高瓶子的輸送速度。該方法機構簡單,控制相對容易。

3.3兩種輸送整理方法的比較

共同點是均能完成異形瓶子從一列輸送變成多列輸送,采用了伺服電機的精確運行功能。不同點方法1比方法2的機械機構和控制方法復雜,方法1的輸入整理速度比方法2快,方法1沒有改變瓶子的輸送方向,方法2改變了瓶子的輸送方向,方法1比方法2的設備布局簡單。

圖中:1.單列變雙列機構2.雙列輸瓶鏈3.多排瓶子輸送鏈
圖4 異形瓶由列變行的瓶整理示意圖

4.抓瓶裝箱的設計和控制

4.1抓瓶裝箱的組成

抓瓶裝箱主要由驅動和傳動系統、抓瓶機構、開箱機構(針對紙箱)、導向機構(水平和垂直方向)等組成。驅動由伺服電機M1驅動,根據裝箱過程的運動軌跡,精確的控制運行情況。抓箱機構根據不同的瓶型和箱型設計不同的機構,根據設計的不同,每次可以抓一箱或多箱。開箱機構主要針對紙箱,將紙箱的上封箱沿分開,便于瓶子的裝入。導向機構的作用是裝箱過程中進行導向,包括水平和垂直兩個方向,垂直導向機構安裝在水平導向機構上,可以整體水平移動。

4.2抓瓶裝箱運動軌跡的設計

(1)大鏈輪傳輸方案。大鏈輪傳輸方案的傳動關系示意圖如圖5所示,由驅動大鏈輪、傳送鏈條、抓瓶機構等組成。伺服電機M1驅動大鏈輪,兩個被動輪的小鏈輪對鏈條的傳動進行定向,提高了傳輸的平穩性。大減速比的減速機增加了驅動扭矩,抓瓶的載重量集中在鏈條上。通過導向機構,在鏈條的帶動下,做平面兩維運動,平穩的把瓶子從輸送鏈上抓起放到空箱子中。

圖中:1.驅動大鏈輪2.傳送鏈條3.抓瓶機構
圖5抓瓶裝箱傳動關系示意圖(1)

(2)小鏈輪加滑軌的傳輸方案。小鏈輪加滑軌的傳輸方案的傳動關系示意圖如圖6所示,由驅動小鏈輪、被動小鏈輪、傳送鏈條、滑動軌道、抓瓶機構等組成。伺服電機M1驅動小鏈輪,減小了傳動扭矩,減速機的減速比相對減小,增加了驅動電機的扭矩,抓瓶的載重量集中在鏈條或滑動輪上,同方案1比較各有優缺點。通過導向機構,做平面兩維運動,平穩的把瓶子從輸送鏈上抓起放到空箱子中。

圖中:1.運動滑軌2.滑動連接軸承3.傳送鏈條4.抓瓶機構
圖6 抓瓶裝箱傳動關系示意圖(2)

4.3初始位在運動控制過程中的作用

對于任意一個傳送方案,伺服電機M1不可能連續運轉,必須按照一定的運行軌跡正反轉運行,抓完瓶后正轉運行裝箱,放完瓶后反轉,再去抓瓶。為了使伺服電機M1有序運行,伺服電機M1就必須有初始位,初始位一般設在抓瓶的上方。在裝箱過程中,瓶子和箱子沒有就位,抓瓶機構在初始位等待,就位后開始運行抓瓶、裝箱。正常停機停在初始位,緊急停車時,停在任意位置,開機后繼續運行。

4.4簡易智能型控制方法

機械式抓瓶機構在抓瓶和裝箱過程中會出現卡瓶現象,通過光電開關檢測卡瓶現象,對于普通裝箱機只有通過停機解決,否則就損壞抓瓶頭等部件。對于異形瓶裝箱機,由于采用伺服電機控制,控制過程中,如果在抓瓶處卡瓶,抓瓶機構漫速退回初始位,再漫速下降到抓瓶處,如果在裝箱處卡瓶,抓瓶機構漫速倒退一個瓶高的距離,再漫速下降到裝箱處。在這個過程中,操作人員可以及時處理卡瓶現象,沒有及時處理,檢測到再次卡瓶,設備自動停機,減少了故障和停機次數,同時保護了抓瓶機構不損壞。

5.結束語

異形瓶的裝箱機從機械設計中本著簡單易調試的思路設計,很好的解決了異形瓶的輸送整理難題,在裝箱機的設計中首次采用了伺服電機的優越性,簡化了機械的機構設計。本文為了保護設計者的技術權益,對解決問題的方法和途徑進行了設計探討,具體的實施過程和控制方法不便敘述,請讀者諒解。對運行過程進行反序調整,通過對程序的修改還可以作為卸箱機使用。