1.引言

快速消费品行业里的酒类、日化、调味品等液态商品越来越注重产品的个性化包装,各式各样的异形瓶(非规则的圆形瓶)让人眼花缭乱,丰富繁荣了市场。在工业化生产的今天,异形瓶的装箱给包装机械行业提出了新的课题,。通过市场调研,在标准形装箱机的基础上,研究开发出适应于异形瓶的装箱机,投入市场后效果良好,得到了用户的好评。

2.异形瓶装箱机的系统组成

2.1装箱机组成与技术规格

(1)组成。异形瓶装箱机主要由瓶输送机构、箱输送机构、抓瓶装箱机构组成,如图1所示。瓶输送机构,对单列送的异形瓶通过变道输送,将单列瓶输送变成多列的瓶输送,满足抓瓶装箱的需要。箱输送机构是对装瓶前箱子和装瓶后箱子的输送。抓瓶装箱机构按照一定的运行轨迹,将排列规律的瓶子装箱,每次可以装一箱或多箱。

(2)主要技术指标。纸箱尺寸:根据用户要求设计调整范围；瓶型规格:根据用户要求设计调整范围；生产速度:12箱/分钟(可调)；电源:380V、50HZ；总功率:4kw；耗气量:、用气压力:。

图中:1抓瓶装箱机构2瓶输送机构3箱输送机构
图1 异形瓶装箱机的组成示意图

2.2装箱机的控制方案

异形瓶装箱机的控制系统主要由可编程控制器G1、人机界面G2、伺服控制驱动器A1、伺服控制驱动器A2、变频器A3、变频器A4、检测/执行元件组成,如图2所示。G1、G2构成控制系统的核心和操作界面,所有的控制参数均可在人机界面上完成。伺服控制驱动器A1、A2驱动控制伺服电机M1和M2,完成瓶子变道和装箱过程的控制,PLC通过高速输出口对A1、A2发送脉冲,改变脉冲的发送频率和数量控制伺服电机的运行。A3、A4变频器控制电机M3和M4,完成瓶子和箱子的输送,通过RS485总线控制电机M3和M4的速度和启停。

图2 异形瓶装箱机的控制系统示意图

3.装箱机理瓶方案分析与设计

产品灌装和贴标后通过输送链,瓶子单排或双排(通过特定机构改变)输送到装箱设备。对于圆形瓶子通过相互推碰、避让可以从单列变成多列,瓶子在多列链道内形成规律的排列。对于异形瓶子,从单列变成多列就无法通过相互推碰、避让达到目的。对于异形瓶的装箱,瓶子的输送整理是一个关键问题,我们采用了两种解决方案。

3.1一列变多列的输送整理方法

一列变多列的输送整理方法(以下称为方法1)如图3所示,通过M2控制移动的装置将单列输送的瓶子,依次送到多列输送链的各个道口,使一列瓶子的输送变成多输送,优点在于瓶子的输送几乎不间断。

控制伺服电机M2的位移过程中,对于伺服电机M2有一个初始位设置,为了使每一道上的瓶子数量均匀,必须对进入每道的瓶子进行记数,边道进入的数量是中间道的2倍,以便减少移道的次数,止瓶装置为了防止移道过程中卡瓶,瓶子随着移道机构同步移动。

1.单列输送带2.瓶变道机构3.瓶子输送机构
图3 异形瓶一列变多列的瓶整理示意图

3.2列变行步移输送整理方法

列变行步移输送整理方法(以下称为方法2)如图4所示,主要由单双排输送链、单排变双排机构、多排输送步移链组成。电机M3驱动单双排输送链,伺服电机M2驱动多排输送步移链,每次步移两行瓶子。单排变双排的目的是减少伺服电机M2步移的等待时间,提高瓶子的输送速度。该方法机构简单,控制相对容易。

3.3两种输送整理方法的比较

共同点是均能完成异形瓶子从一列输送变成多列输送,采用了伺服电机的精确运行功能。不同点方法1比方法2的机械机构和控制方法复杂,方法1的输入整理速度比方法2快,方法1没有改变瓶子的输送方向,方法2改变了瓶子的输送方向,方法1比方法2的设备布局简单。

图中:1.单列变双列机构2.双列输瓶链3.多排瓶子输送链
图4 异形瓶由列变行的瓶整理示意图

4.抓瓶装箱的设计和控制

4.1抓瓶装箱的组成

抓瓶装箱主要由驱动和传动系统、抓瓶机构、开箱机构(针对纸箱)、导向机构(水平和垂直方向)等组成。驱动由伺服电机M1驱动,根据装箱过程的运动轨迹,精确的控制运行情况。抓箱机构根据不同的瓶型和箱型设计不同的机构,根据设计的不同,每次可以抓一箱或多箱。开箱机构主要针对纸箱,将纸箱的上封箱沿分开,便于瓶子的装入。导向机构的作用是装箱过程中进行导向,包括水平和垂直两个方向,垂直导向机构安装在水平导向机构上,可以整体水平移动。

4.2抓瓶装箱运动轨迹的设计

(1)大链轮传输方案。大链轮传输方案的传动关系示意图如图5所示,由驱动大链轮、传送链条、抓瓶机构等组成。伺服电机M1驱动大链轮,两个被动轮的小链轮对链条的传动进行定向,提高了传输的平稳性。大减速比的减速机增加了驱动扭矩,抓瓶的载重量集中在链条上。通过导向机构,在链条的带动下,做平面两维运动,平稳的把瓶子从输送链上抓起放到空箱子中。

图中:1.驱动大链轮2.传送链条3.抓瓶机构
图5抓瓶装箱传动关系示意图(1)

(2)小链轮加滑轨的传输方案。小链轮加滑轨的传输方案的传动关系示意图如图6所示,由驱动小链轮、被动小链轮、传送链条、滑动轨道、抓瓶机构等组成。伺服电机M1驱动小链轮,减小了传动扭矩,减速机的减速比相对减小,增加了驱动电机的扭矩,抓瓶的载重量集中在链条或滑动轮上,同方案1比较各有优缺点。通过导向机构,做平面两维运动,平稳的把瓶子从输送链上抓起放到空箱子中。

图中:1.运动滑轨2.滑动连接轴承3.传送链条4.抓瓶机构
图6 抓瓶装箱传动关系示意图(2)

4.3初始位在运动控制过程中的作用

对于任意一个传送方案,伺服电机M1不可能连续运转,必须按照一定的运行轨迹正反转运行,抓完瓶后正转运行装箱,放完瓶后反转,再去抓瓶。为了使伺服电机M1有序运行,伺服电机M1就必须有初始位,初始位一般设在抓瓶的上方。在装箱过程中,瓶子和箱子没有就位,抓瓶机构在初始位等待,就位后开始运行抓瓶、装箱。正常停机停在初始位,紧急停车时,停在任意位置,开机后继续运行。

4.4简易智能型控制方法

机械式抓瓶机构在抓瓶和装箱过程中会出现卡瓶现象,通过光电开关检测卡瓶现象,对于普通装箱机只有通过停机解决,否则就损坏抓瓶头等部件。对于异形瓶装箱机,由于采用伺服电机控制,控制过程中,如果在抓瓶处卡瓶,抓瓶机构漫速退回初始位,再漫速下降到抓瓶处,如果在装箱处卡瓶,抓瓶机构漫速倒退一个瓶高的距离,再漫速下降到装箱处。在这个过程中,操作人员可以及时处理卡瓶现象,没有及时处理,检测到再次卡瓶,设备自动停机,减少了故障和停机次数,同时保护了抓瓶机构不损坏。

5.结束语

异形瓶的装箱机从机械设计中本着简单易调试的思路设计,很好的解决了异形瓶的输送整理难题,在装箱机的设计中首次采用了伺服电机的优越性,简化了机械的机构设计。本文为了保护设计者的技术权益,对解决问题的方法和途径进行了设计探讨,具体的实施过程和控制方法不便叙述,请读者谅解。对运行过程进行反序调整,通过对程序的修改还可以作为卸箱机使用。