自动化马桶包装机设计分析

牟勋涛,孟凡召,商 政,杨 涛

(山东华宇工学院机械工程学院,山东 德州 253000)

0 引言

包装对产品起到保护、储存运输、促进销售等作用,需采用适当的容器材料及辅助物并按一定的方式对产品进行装饰及保护[1]。包装机械是重要的生产组成,在包装工业中起着非常重要的作用[2]。人们对机械化生产的要求越来越高,需对其应用理论进行研究,不断提升包装机械的自动化水平[3]。马桶是人们日常生活中必不可少的设备,需求量大。其具有易碎特点[4]。目前马桶的包装方式存在效率低、成本高等问题。产品大部分采用人工包装,作业时间长,现有设备大多为半自动控制,人工与机器配合且半自动化噪音大,供电范围受限,自动化程度不高,易造成损坏。少数厂家采用自动化包装,但装夹效果不理想,无法根据生产线速度及包装物尺寸自动匹配调整,兼容性及智能化程度不高[5-6],易发生碰撞。在生产线包装过程中,马桶箱体内空间过大,受力不均,易出现晃动,造成经济损失[7]。

本研究设计了一种自动化马桶包装机,可针对不同材料、不同厚度的包装零件自动进行参数调整,提高包装性能及速度,减少人力物力的损耗,更好地利用包装物料降低生产成本,减轻劳动强度,令包装变得更加安全高效。

1 自动化马桶包装机的设计

对产品进行功能分析,制定了如图1所示的包装机设计路线,完成了包装机结构设计、运行方案设计及控制系统设计等。

图1 设计路线Fig.1 Design routine

1.1 结构设计

自动化马桶包装机结构如图2所示,包括主体、纸盖、压制装置及防护装置,表面固定连接纸盖,压制装置设置在主体表面。

压制装置结构如图3所示,压板与主体内壁为滑动连接,表面呈圆角,主体表面固定连接滑道,呈水平布置。在滑道表面开设滑槽,滑槽内壁有一个可滑动的插块,表面呈圆角,插块与压板内壁卡接,呈水平设置。滑道内壁滑动连接竖直安装推杆,推杆表面呈圆角。

图2 自动化马桶包装机结构Fig.2 Structure of automatic toilet packaging machine

插块与滑道之间固定连接拉动弹簧,呈水平设置,拉动弹簧与滑道相互配合,达到推动插块的目的。插块可插入压板中,限制压板发生移位。推杆表面固定连接压块,压块表面呈圆角,竖直设置,可与设备相配合,避免发生颠起,达到保护设备的目的。

主体表面设有防护装置,结构如图4所示。连接带固定连接在主体表面,呈水平设置,能够与主体相配合,防止主体发生变形,提高纸盖使用寿命。

连接带表面与插板固定连接,插板表面为圆角,呈竖直设置,可与连接带及限位套相配合,防止纸盖发生变形。

图3 压制装置结构Fig.3 Structure of pressing device

图4 防护装置结构Fig.4 Protective device structure

限位套固定连接于主体表面,呈竖直设置,引导道与其固定连接,呈水平设置,表面呈圆角,内壁上滑动连接着卡板,呈水平布置,卡板表面为圆角,该卡板卡接于插板表面,引导道与限位套相配合,起到支撑并引导卡板的作用,约束插板,避免插板松动。

卡板与引导道之间由推动弹簧固定连接,推动弹簧为水平布置,能与引导道相配合,起到推动卡板的作用,限制插板运动。

1.2 运行方案

对自动化马桶包装机的包装速度进行分析,根据传送带的运动对自动化马桶包装机进行智能控制,设定包装角度为α,d表示马桶长度,β表示同步角,v表示包装速度,m表示编码器脉冲数,s表示编码器脉冲量。马桶长度与包装范围基本一致,如传送带速度不变,则可表达为:

(1)

根据式(1)可得a,则:

(2)

由式(2)可知,当自动化马桶包装机在初始时刻包装时,(0,ta)时刻位于同步区;ta时刻位于包装区;(ta,tc)时刻位于包装区,tc时刻位于同步区,(tc,td)时刻位于同步区。据此原理有:

(3)

(4)

(5)

tc=td-(td-tc)

(6)

根据式(3)、(4)、(5)、(6)可得自动化马桶包装机运行函数方程式,表达为:

(7)

利用式(7)对自动化马桶包装机的速度进行控制,保证其包装速度与生产线速度相匹配。

本装置的包装作业主要通过以下几方面实现:通过主体与压制装置、防护装置的密切配合进行自动化包装。设置压制装置,马桶包装机对设备进行压制,旋转压板,压板压在设备表面上,对设备起到约束作用。关闭纸盖,推动插块,插块移动并插入压板中,插块对压板起到约束作用,推杆在压块的带动下向下滑动,抵住插块,从而完成压制包装。设置防护装置对马桶包装机进行防护,转动连接带并压在纸盖上,插板插入限位套中,松开卡板,卡板失去束缚并受到推动弹簧的推动,卡板移动并压住插板,从而达到防护作用。

1.3 控制系统的设计

包装方式主要为手动包装与自动连续包装。需根据不同的应用场景选择不同的包装方式,结合输出与输入点数的差异选择恰当的方法。

为了更好地实现包装机的自动化控制,设计了基于PLC技术的控制系统,对其进行自动化管理。采用周期扫描方法,通过调整扫描参数来应对生产线的不同速度,周期扫描分为三个阶段,即输出刷新、输入扫描及程序执行。PLC根据控制单元的具体参数读取数据,对自动化马桶包装机进行识别监督,从而发出指令,保证包装工作的顺利进行,提升其可靠性与抗干扰能力。

包装机按照自动化程度可分为全自动包装及半自动包装,对比如表1所示。半自动化包装已无法满足市场需要,目前大部分采用全自动化包装,在节省人力的同时提升效率。本项目采用全自动化包装,安全高效,节约了劳动力。

表1 马桶包装机自动化分析

2 自动化马桶包装机的特点

采用自动化操作控制,降低成本,控制简单,损坏几率小。该智能装置集结构及原理展示于一体,实践性强,稳定性较高,配备安全防护,更加安全。运用PLC控制系统,使用方便,编程简单,可靠性高,抗干扰能力强,使用了简洁的梯形图、逻辑图及陈述表,研制周期短,易于现场调试。可在不拆除硬件的情况下对程序进行在线修改,变更控制方案,具有良好的性能及较高的性价比。PLC内部有几百几千个程序组件供用户选择,功能强大,能够完成十分复杂的控制任务。与同等功能的继电保护系统比较,其性价比较高,结构紧凑,重量轻,耗能少,利用通信网络可实现分散控制与集中管理。该系统设备完备,操作简单,具有很好的适应性。目前,PLC产品已实现标准化、系列化、模块化发展,配有品种齐全的各类硬件装置,用户可灵活、便利地对其进行配置,将其组合成不同功能、不同规格的产品,可灵活地运用于自动化马桶包装机产品中。自动化包装机节能环保,耐腐蚀,易清理,精度高,运行稳定。其利用电脑控制按键,操作方便,有利于维修维护[7],通用性较强。

3 结束语

设计了自动化马桶包装机,实用性强,效率高,能够有效避免包装过程中的碰撞,运用可靠性高的PLC控制系统,操作便捷,配套齐全,功能完善,适用性强,符合行业标准,制作成本低,应用价值高,维修方便,应用前景广阔。