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摘 要：本文在介紹異形瓶裝箱的系統(tǒng)組成和控制方案的基礎(chǔ)上，提出了解決異形瓶的輸送和瓶整理方法，論述了伺服電機(jī)在異形瓶裝箱過程的作用和抓瓶裝箱過程的不同傳動(dòng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，論證了初始位在控制過程中的作用。
關(guān) 鍵 詞：異形瓶 裝箱機(jī) 伺服電機(jī)
Abstract:The structure and control project of the carton packing machine for irregular shaped bottles was introduced.The methods of conveying and sorting the irregular shaped bottles was provided.The function of servo motor used in carton packing process was discussed.The advantages and shortcoming of different transmission in gripping bottle process was compared.The function of initialized position in control process was demonstrated.
Key words:Irregular shaped bottle Carton packaging Servo motor
1 引言
快速消費(fèi)品行業(yè)里的酒類、日化、調(diào)味品等液態(tài)商品越來越注重產(chǎn)品的個(gè)性化包裝，各式各樣的異形瓶（非規(guī)則的圓形瓶）讓人眼花繚亂，豐富繁榮了市場(chǎng)。在工業(yè)化生產(chǎn)的今天，異形瓶的裝箱給包裝機(jī)械行業(yè)提出了新的課題，。通過市場(chǎng)調(diào)研，在標(biāo)準(zhǔn)形裝箱機(jī)的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)出適應(yīng)于異形瓶的裝箱機(jī)，投入市場(chǎng)后效果良好，得到了用戶的好評(píng)。
2 異形瓶裝箱機(jī)的系統(tǒng)組成
2.1裝箱機(jī)組成與技術(shù)規(guī)格
（1）組成。異形瓶裝箱機(jī)主要由瓶輸送機(jī)構(gòu)、箱輸送機(jī)構(gòu)、抓瓶裝箱機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。瓶輸送機(jī)構(gòu)，對(duì)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(jī)構(gòu)是對(duì)裝瓶前箱子和裝瓶后箱子的輸送。抓瓶裝箱機(jī)構(gòu)按照一定的運(yùn)行軌跡，將排列規(guī)律的瓶子裝箱，每次可以裝一箱或多箱。
（2）主要技術(shù)指標(biāo)。紙箱尺寸：根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)調(diào)整范圍；瓶型規(guī)格：根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)調(diào)整范圍；生產(chǎn)速度：12箱/分鐘（可調(diào)）；電源：380V、50HZ；總功率：4kw；耗 氣 量：0.6m3/min、 用氣壓力：0.6Mpa。
圖中：1 抓瓶裝箱機(jī)構(gòu) 2 瓶輸送機(jī)構(gòu) 3 箱輸送機(jī)構(gòu)
圖1異形瓶裝箱機(jī)的組成示意圖
2.2裝箱機(jī)的控制方案
異形瓶裝箱機(jī)的控制系統(tǒng)主要由可編程控制器G1、人機(jī)界面G2、伺服控制驅(qū)動(dòng)器A1、伺服控制驅(qū)動(dòng)器A2、變頻器A3、變頻器A4、檢測(cè)/執(zhí)行元件組成，如圖2所示。G1、G2構(gòu)成控制系統(tǒng)的核心和操作界面，所有的控制參數(shù)均可在人機(jī)界面上完成。伺服控制驅(qū)動(dòng)器A1、A2驅(qū)動(dòng)控制伺服電機(jī)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(duì)A1、A2發(fā)送脈沖，改變脈沖的發(fā)送頻率和數(shù)量控制伺服電機(jī)的運(yùn)行。A3、A4變頻器控制電機(jī)M3和M4，完成瓶子和箱子的輸送，通過RS485總線控制電機(jī)M3和M4的速度和啟停。
圖2異形瓶裝箱機(jī)的控制系統(tǒng)示意圖
3 裝箱機(jī)理瓶方案分析與設(shè)計(jì)
產(chǎn)品灌裝和貼標(biāo)后通過輸送鏈，瓶子單排或雙排（通過特定機(jī)構(gòu)改變）輸送到裝箱設(shè)備。對(duì)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(nèi)形成規(guī)律的排列。對(duì)于異形瓶子，從單列變成多列就無法通過相互推碰、避讓達(dá)到目的。對(duì)于異形瓶的裝箱，瓶子的輸送整理是一個(gè)關(guān)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(dòng)的裝置將單列輸送的瓶子，依次送到多列輸送鏈的各個(gè)道口，使一列瓶子的輸送變成多輸送，優(yōu)點(diǎn)在于瓶子的輸送幾乎不間斷。
控制伺服電機(jī)M2的位移過程中，對(duì)于伺服電機(jī)M2有一個(gè)初始位設(shè)置，為了使每一道上的瓶子數(shù)量均勻，必須對(duì)進(jìn)入每道的瓶子進(jìn)行記數(shù)，邊道進(jìn)入的數(shù)量是中間道的2倍，以便減少移道的次數(shù)，止瓶裝置為了防止移道過程中卡瓶，瓶子隨著移道機(jī)構(gòu)同步移動(dòng)。
圖3異形瓶一列變多列的瓶整理示意圖
1. 單列輸送帶 2. 瓶變道機(jī)構(gòu) 3.瓶子輸送機(jī)構(gòu)
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(jī)構(gòu)、多排輸送步移鏈組成。電機(jī)M3驅(qū)動(dòng)單雙排輸送鏈，伺服電機(jī)M2驅(qū)動(dòng)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(jī)M2步移的等待時(shí)間，提高瓶子的輸送速度。該方法機(jī)構(gòu)簡單，控制相對(duì)容易。
3.3兩種輸送整理方法的比較
共同點(diǎn)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(jī)的精確運(yùn)行功能。不同點(diǎn)方法1比方法2的機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制方法復(fù)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(shè)備布局簡單。
圖中：1單列變雙列機(jī)構(gòu) 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(shè)計(jì)和控制
4.1抓瓶裝箱的組成
抓瓶裝箱主要由驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)、抓瓶機(jī)構(gòu)、開箱機(jī)構(gòu)（針對(duì)紙箱）、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（水平和垂直方向）等組成。驅(qū)動(dòng)由伺服電機(jī)M1驅(qū)動(dòng)，根據(jù)裝箱過程的運(yùn)動(dòng)軌跡，精確的控制運(yùn)行情況。抓箱機(jī)構(gòu)根據(jù)不同的瓶型和箱型設(shè)計(jì)不同的機(jī)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，每次可以抓一箱或多箱。開箱機(jī)構(gòu)主要針對(duì)紙箱，將紙箱的上封箱沿分開，便于瓶子的裝入。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是裝箱過程中進(jìn)行導(dǎo)向，包括水平和垂直兩個(gè)方向，垂直導(dǎo)向機(jī)構(gòu)安裝在水平導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上，可以整體水平移動(dòng)。
4.2抓瓶裝箱運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)
（1）大鏈輪傳輸方案。大鏈輪傳輸方案的傳動(dòng)關(guān)系示意圖如圖5所示，由驅(qū)動(dòng)大鏈輪、傳送鏈條、抓瓶機(jī)構(gòu)等組成。伺服電機(jī)M1驅(qū)動(dòng)大鏈輪，兩個(gè)被動(dòng)輪的小鏈輪對(duì)鏈條的傳動(dòng)進(jìn)行定向，提高了傳輸?shù)钠椒€(wěn)性。大減速比的減速機(jī)增加了驅(qū)動(dòng)扭矩，抓瓶的載重量集中在鏈條上。通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，在鏈條的帶動(dòng)下，做平面兩維運(yùn)動(dòng)，平穩(wěn)的把瓶子從輸送鏈上抓起放到空箱子中。
圖中： 1驅(qū)動(dòng)大鏈輪 2傳送鏈條 3抓瓶機(jī)構(gòu)
圖5 抓瓶裝箱傳動(dòng)關(guān)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(dòng)關(guān)系示意圖如圖6所示，由驅(qū)動(dòng)小鏈輪、被動(dòng)小鏈輪、傳送鏈條、滑動(dòng)軌道、抓瓶機(jī)構(gòu)等組成。伺服電機(jī)M1驅(qū)動(dòng)小鏈輪，減小了傳動(dòng)扭矩，減速機(jī)的減速比相對(duì)減小，增加了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩，抓瓶的載重量集中在鏈條或滑動(dòng)輪上，同方案1比較各有優(yōu)缺點(diǎn)。通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，做平面兩維運(yùn)動(dòng)，平穩(wěn)的把瓶子從輸送鏈上抓起放到空箱子中。
圖中：1運(yùn)動(dòng)滑軌 2滑動(dòng)連接軸承 3傳送鏈條 4抓瓶機(jī)構(gòu)
圖6 抓瓶裝箱傳動(dòng)關(guān)系示意圖(2)
4.3初始位在運(yùn)動(dòng)控制過程中的作用
對(duì)于任意一個(gè)傳送方案，伺服電機(jī)M1不可能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須按照一定的運(yùn)行軌跡正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，抓完瓶后正轉(zhuǎn)運(yùn)行裝箱，放完瓶后反轉(zhuǎn)，再去抓瓶。為了使伺服電機(jī)M1有序運(yùn)行，伺服電機(jī)M1就必須有初始位，初始位一般設(shè)在抓瓶的上方。在裝箱過程中，瓶子和箱子沒有就位，抓瓶機(jī)構(gòu)在初始位等待，就位后開始運(yùn)行抓瓶、裝箱。正常停機(jī)停在初始位，緊急停車時(shí)，停在任意位置，開機(jī)后繼續(xù)運(yùn)行。
4.4簡易智能型控制方法
機(jī)械式抓瓶機(jī)構(gòu)在抓瓶和裝箱過程中會(huì)出現(xiàn)卡瓶現(xiàn)象，通過光電開關(guān)檢測(cè)卡瓶現(xiàn)象，對(duì)于普通裝箱機(jī)只有通過停機(jī)解決，否則就損壞抓瓶頭等部件。對(duì)于異形瓶裝箱機(jī)，由于采用伺服電機(jī)控制，控制過程中，如果在抓瓶處卡瓶，抓瓶機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)漫速倒退一個(gè)瓶高的距離，再漫速下降到裝箱處。在這個(gè)過程中，操作人員可以及時(shí)處理卡瓶現(xiàn)象，沒有及時(shí)處理，檢測(cè)到再次卡瓶，設(shè)備自動(dòng)停機(jī)，減少了故障和停機(jī)次數(shù)，同時(shí)保護(hù)了抓瓶機(jī)構(gòu)不損壞。
5 結(jié)束語
異形瓶的裝箱機(jī)從機(jī)械設(shè)計(jì)中本著簡單易調(diào)試的思路設(shè)計(jì)，很好的解決了異形瓶的輸送整理難題，在裝箱機(jī)的設(shè)計(jì)中首次采用了伺服電機(jī)的優(yōu)越性，簡化了機(jī)械的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文為了保護(hù)設(shè)計(jì)者的技術(shù)權(quán)益，對(duì)解決問題的方法和途徑進(jìn)行了設(shè)計(jì)探討，具體的實(shí)施過程和控制方法不便敘述，請(qǐng)讀者諒解。對(duì)運(yùn)行過程進(jìn)行反序調(diào)整，通過對(duì)程序的修改還可以作為卸箱機(jī)使用。
作者簡介
張有良（1962-）男 高級(jí)工程師，長期從事食品、飲料、乳品、包裝機(jī)械等的電氣設(shè)計(jì)和研究工作。
馮育全 路建章 西安華維輕工機(jī)械技術(shù)開發(fā)有限公司
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