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基于功能分析法的 PVC 扣板自動包裝機設計

發(fā)布時間:2019-12-12 10:27:57 |來源:網(wǎng)絡轉載

為了實現(xiàn) PVC 扣板的自動包裝,設計一種以瓦楞紙板為包裝材料的 PVC 扣板自動包裝機。

PVC 扣板是一種由 PVC 塑料加工制造成型的裝飾定尺板材,被廣泛應用于建筑行業(yè)。為防止在運輸過程中 PVC 扣板損壞,目前通常采用瓦楞紙板對 PVC扣板進行包裝。瓦楞紙板作為包裝材料具有良好的緩沖性能 [1—2] 和抗壓性能 [3—4] ,以及較高的性價比 [5] 。但因 PVC 扣板多樣的長度規(guī)格,使其無法實現(xiàn)自動包裝,所以在實際生產(chǎn)過程中 PVC 扣板的包裝通常由人工完成。人工包裝 PVC 扣板存在勞動強度大、工作效率低、包裝質量差等一系列問題,因此,設計一臺能夠包裝任意長度尺寸的 PVC 扣板自動包裝機具有很大的現(xiàn)實意義。

以瓦楞紙板為包裝材料的包裝機械,其關鍵技術主要是裹包成型及封箱技術。裹包成型主要是通過折疊機構將瓦楞紙板折疊成瓦楞紙箱,從而完成對物料的包裝。劉天植 [6] 等運用變胞機構學的概念對紙盒的折疊軌跡和折疊過程進行了探討,生成了紙盒盒片的折疊運動軌跡,為復雜盒型自動折疊機構設計提供了依據(jù)。王斐 [7] 等運用 SolidEdge 模擬瓦楞紙板到紙箱的三維形成過程,考察了折彎命令執(zhí)行誤差的影響條件,認為“材料外側”的折彎方式對折彎命令的影響最小,板厚越大對折彎命令影響越大。Chen Q [8] 等研究了導軌在折疊紙箱結構設計中的應用,并討論了導軌在葡萄酒包裝中的特殊作用。Mullineux G [9] 等基于幾何約束對紙箱折疊操作進行了仿真,確保了紙板的完整性從而實現(xiàn)紙箱成為封閉的環(huán)形。張有良 [10] 等通過對高速紙箱包裝機的結構組成和基本原理進行分析,設計了一種啤酒飲料的全自動高速紙箱包裝機。同時,隨著封箱技術日趨完善封箱機械也迅速發(fā)展。劉武 [11] 等研究了膠帶自動封箱機的結構設計。尤松 [12]等設計了一種用于解決家具行業(yè)中塊狀長木板包裝后封口問題的紙箱膠帶自動封口裝置。陳培生 [13] 等通過在 YP11 自動裝封箱機的膠帶粘貼部件出口加裝吹風檢測裝置,有效地解決了煙箱封口膠帶粘貼不牢和膠帶搭口卷邊問題。張福華 [14] 等設計了一種自動檢測粘貼及整形裝置,通過引入膠帶的滾輪組的調整能實現(xiàn)智能化粘貼,保證了封箱膠帶的粘接強度,避免了褶皺、重疊缺陷的出現(xiàn)。孫好文 [15] 等進行了裝封箱機自動調節(jié)封膠帶裝置的設計,通過采用接近開關和電機的配合,實現(xiàn)了膠帶松緊的自動調節(jié),保證了煙箱封箱質量。張迎新 [16] 等對卷煙封箱用膠粘帶關鍵質量參數(shù)與上機適用性進行了研究,得出了提高粘接效果的膠粘帶關鍵質量參數(shù)。雖然前人對紙箱包裝機做了很多工作,但是現(xiàn)在還不能實現(xiàn)對 PVC 扣板的自動化包裝。文中基于功能分析法,設計了一種 PVC 扣板自動包裝機,實現(xiàn)了特定寬度不同長度 PVC 扣板的自動包裝。

1 PVC 扣板包裝工藝

PVC 扣板是一種裝飾定尺板材,文中所要求包裝的 PVC 扣板尺寸為:長 3000~7000mm;寬 220~300 mm;厚 120~200 mm。PVC 扣板的包裝材料為瓦楞紙箱,紙箱的封箱材料為膠帶。

包裝過程中,首先將需要包裝的 PVC 扣板放置于紙箱結構的底面位置區(qū)域,然后依次折疊側面、頂面、側面鴨舌、頂面鴨舌、和底面鴨舌,最后用膠帶在箱體頂面的縱向、橫向以及端面封箱。

2 PVC 扣板自動包裝機功能分析

2.1 總功能確定

功能被定義為能量、物質、信息的輸入和輸出之間的關系;相應的,用能量、物質、信息流的轉換可以表達功能。PVC 扣板自動包裝機的輸入量為 PVC 扣板、未經(jīng)折疊的瓦楞紙箱以及各種能量、信號等,輸出量為 PVC扣板的包裝成品以及反饋信號等,因此,該 PVC 扣板自動包裝機的總功能為改變物料狀態(tài)。

2.2 功能分解

總功能抽象復雜,無法形成清晰明確的設計主線,因此需要對總功能進行功能分解。根據(jù)所設定的總功能及 PVC 扣板包裝工藝要求,采用自頂向下(top-down)的功能分析法進行功能分解,分解出的子系統(tǒng)包括:裹包成型、膠帶封箱、物料輸送 3 個子系統(tǒng),然后再針對這幾個子系統(tǒng)進行逐級的功能分解,直至分解出的分功能滿足功能元的要求。

2.3 功能元求解

功能元求解就是尋求實現(xiàn)各功能元的物理作用,求解方法包括:直覺法、調查分析法及設計目錄法。

根據(jù)該自動包裝機的特點,綜合利用以上 3 種方法對各功能元求解。通過把系統(tǒng)的分功能或功能元作為縱坐標,把各功能元所對應解法作為橫坐標,構成形態(tài)學矩陣。該 PVC 扣板自動包裝機的系統(tǒng)解形態(tài)學矩陣。

2.4 原理解組合及最優(yōu)解的確定

根據(jù)表 1,將功能元解交叉組合,得到多個系統(tǒng)原理解,則系統(tǒng)原理解的組合方案數(shù)為:2×2×2×2×2×2×3×2×3=1152。由此可見形態(tài)學矩陣組成的

系統(tǒng)方案較多,難以對其逐一評價。通常根據(jù)以下 3點進行方案評價,從而選出最優(yōu)方案。

1)功能元解之間必須相容。由 PVC 扣板包裝的工藝要求可以得出,當 PVC 扣板包裝機的物料輸送選為輸送帶輸送時,由于未折疊的瓦楞紙箱與輸送帶接觸,不利于紙箱的側面折疊和底面鴨舌的折疊動作,也不利于折疊機構的布置,因此物料輸送應選用輥筒輸送線,則剩余的可選方案為 576 種。

2)優(yōu)先選用功能元的較佳,依據(jù)該解,選擇與它相容的其他功能元解。裹包成型和膠帶封箱 2 個系統(tǒng)直接關系到 PVC 扣板的包裝質量,因此這 2 大系統(tǒng)是 PVC 扣板自動包裝機的核心。裹包成型的作用就是折疊瓦楞紙箱將 PVC 扣板包裹起來,在這過程中可以將紙箱上的折痕作為轉動副,紙箱各部分在旋

轉機構的驅動下繞折痕旋轉最終完成裹包動作。但是由于 PVC 扣板易損壞,因此旋轉機構的驅動方式應有緩沖作用,所以選用氣缸為動力源的折疊機構。同理,膠帶封箱的行走機構也應選擇具有緩沖作用的氣缸為動力源。同時選用氣缸為動力源還具有操作簡單、控制方便的優(yōu)點。由此可以選定側面折疊、側面鴨舌折疊、頂面鴨舌折疊、底面鴨舌折疊、兩端封箱及橫向封箱的解,剩余可選方案為 4 種。

3)剔除不滿足設計要求、約束條件或令人不滿意的解。
縱向封箱的 2 個原理解都能完成所需功能,但是采用物料固定移動膠帶封箱時所需要的空間更大,結構更復雜,成本也更高,所以選用了物料兩側通過帶式輸送和固定式膠帶封箱的結構。頂面折疊的2 個解中倒 V 字形下壓機構折疊效果更好,因此選用倒 V 字形下壓機構。
通過以上分析,得出最優(yōu)解的組合為 A2+B2+C1+D2+E2+F2+G1+H1+I1。

3 最優(yōu)方案的具體設計結果
根據(jù)最優(yōu)解方案,生產(chǎn)出的 PVC 扣板經(jīng)人工檢查后放置到物料供送位置的瓦楞紙箱板上,然后運送到裹包成型區(qū),首先經(jīng)過側面折疊、頂面折疊,將 PVC 扣板的側面和頂面裹包。然后,前端面的側面鴨舌折疊機構、頂面鴨舌折疊機構和底面鴨舌折疊機構依次動作,將前端面裹包成型。前端面裹包成型后,端面封箱機構動作,完成前端面的封箱。前端封箱完成后,物料繼續(xù)向前輸送到縱向封箱機構,從而完成縱向封箱??v向封箱一定距離后間歇停止,此時紙箱前端超出橫向封箱機構,然后橫向封箱機構動作,在紙箱頂面完成橫向封箱。如此間歇動作完成縱向封箱和橫向封箱。紙箱輸送過程中,當紙箱末端到達末端折疊區(qū)域時,停止輸送,并完成末端折疊,然后端面封箱機構動作完成末端封箱。最后,包裝好的 PVC 扣板被輸送出來。

3.1 裹包成型系統(tǒng)設計

根據(jù)各功能元最優(yōu)解原理結合機械設計理論對裹包成型系統(tǒng)進行設計。側面折疊是裹包成型的第一步,折疊時由氣缸將壓板頂起翻轉 90°,將側面紙板沿著側面與底面之間的折痕折起。為使 PVC 扣板在輸送的過程中保持整齊緊湊,壓板表面安裝兩無動力輥筒。完成側面的折疊后,連續(xù)進行紙箱的頂面折疊,

倒 V 字形下壓機構。下壓過程中,倒 V 字形的機構的夾角逐漸變大,直到 180°,下壓結束后,機構在彈簧的作用下恢復到初始狀態(tài)。倒 V 字形結構的主要作用是使頂面兩對稱部分在下壓過程中往中間折疊,從而提高頂面裹包質量。側面折疊機構和頂面折疊機構見紙箱的頂面分為對稱的兩部分,該折疊機構設計選用。

完成側面及頂面的裹包之后,進行端面的鴨舌裹包,兩端面的鴨舌折疊順序為側面鴨舌、頂面鴨舌、底面鴨舌。兩氣缸推動連桿運動,完成側面鴨舌折疊。折疊過程中,下壓板壓緊紙箱頂面,防止鴨舌折疊過程中頂面變形,然后前折板在氣缸驅動下完成頂面鴨舌的折疊。氣缸推動壓板旋轉從而完成底面鴨舌的折疊,為避免頂面鴨舌彈性變形影響封箱效果,底面鴨舌折疊應該在頂面鴨舌機構收回前,同時底面鴨舌壓板內側安裝彈力海綿,以持續(xù)提供壓力,有效地避免底面鴨舌變形。

3.2 膠帶封箱系統(tǒng)設計

膠帶封箱系統(tǒng)的關鍵機構是膠帶封箱機芯,它可以懸掛膠帶,對紙箱進行封箱與切帶。

兩端封箱機構有 2 個反向安置的膠帶封箱機芯,由無桿氣缸驅動行走。在對兩端進行膠帶封箱時,無桿氣缸推進,帶動前端機芯完成前端封箱,然后紙箱繼續(xù)向前輸送當紙箱后端完成裹包后,無桿氣缸返程,帶動后端機芯完成紙箱后端封箱。

紙箱完成前端封箱后,裹包成型的紙箱以間歇運動向前輸送。在輸送的過程中,縱向封箱機構同時完成對紙箱的縱向封箱。縱向封箱機構的膠帶封箱機芯固定,機芯高度依靠滾珠絲杠手動調節(jié),兩側裝有帶式驅動裝置,對紙箱起驅動和定位作用。

橫向封箱機構的功能是在包裝箱頂面進行橫向膠帶封箱,經(jīng)過橫向封箱,頂面的紙箱會更加牢固,避免在搬運時引起開裂。橫向封箱機構主要包括膠帶封箱機芯、機芯升降機構、機芯行走機構、紙箱夾緊機構以及位置檢測裝置。橫向封箱時,機芯運動路線見10b。A 點為機芯的初始位置,B 點為封箱開始位置,從 A 點下降到 B 點后,兩側紙箱夾緊機構夾緊紙箱,防止封箱過程中紙箱橫向移動。B 點到 C 點是機芯的封箱的過程,該過程中,機芯在 B 點由無桿氣缸拉至 C 點,完成對紙箱的橫向封箱。完成橫向封箱后,夾緊裝置收回,機芯由 C點到 D 再返回到 A 點的過程為機芯的復位過程。

4 實驗驗證

為了驗證該 PVC 扣板自動包裝機的工作效率和穩(wěn)定性,加工裝配了包裝機的實驗樣機。通過對設備進行大量的試驗,得出了自動包裝機的工作效率和包裝質量的相關數(shù)據(jù)

1)工作效率。由于 PVC 產(chǎn)品種類繁多,消耗時間不盡相同,最長的 7 m 扣板耗時最久,因此選用 7m 長的扣板進行設備運行時間試驗。通過對 500 包 7m 長 PVC 扣板進行試驗驗證,該包裝機的平均包裝效率為 55 s/包。

2)包裝質量。包裝質量的要求是紙箱完整、美觀,不發(fā)生撕裂、無劃痕,無明顯褶皺,膠帶粘貼到位,松緊度適中。通過對 500 包各種規(guī)格的產(chǎn)品進行包裝試驗得出,92.4%的裹包質量滿足包裝要求,存在少量瓦楞紙箱撕裂和劃痕現(xiàn)象;87.2%的封箱質量滿足要求,存在主要問題為膠帶未能粘貼到位;最終 83.6%的包裝產(chǎn)品滿足包裝要求。

 

不合格包裝品的出現(xiàn)主要由以下幾個因素造成的:同一規(guī)格的 PVC 扣板長度尺寸誤差較大,導致在裹包過程中裹包系統(tǒng)對瓦楞紙箱造成損壞或使裹包成型的紙箱尺寸出現(xiàn)偏差,繼而影響膠帶粘貼質量;由鋁型材搭建的實驗樣機加工裝配誤差較大,穩(wěn)定性不足,造成裹包和封箱動作出現(xiàn)偏差,影響包裝質量;兩端封箱機芯沒有豎直方向的運動單元,PVC扣板尺寸誤差較大時會影響端面鴨舌的長度,造成無法粘貼到位。根據(jù)以上 3 點后期可以對包裝機做出以下改進:控制同一規(guī)格 PVC 扣板的尺寸誤差范圍,以 7 m 長 PVC 扣板為例,其誤差應控制在 1 cm 之內;提高包裝機的裝配精度和穩(wěn)定性,可以采用焊接機架代替鋁型材機架來實現(xiàn);在 PVC 扣板尺寸誤差不可控的情況下,可以給兩端封箱機芯增加豎直方向的運動單元和端面鴨舌的位置監(jiān)測單元,以適應端面鴨舌的變動,提高包裝質量。

 

5 結語

基于功能分析法設計了一臺 PVC 扣板自動包裝機,該自動包裝機通過人工上料后,能夠實現(xiàn) PVC扣板的自動包裝工作。該自動包裝機結構靈活,通過調節(jié)可以滿足不同寬度和包裝厚度的 PVC 扣板的包裝,且通過傳感器識別功能,能自動完成不同長度尺寸的 PVC 扣板的識別和包裝。通過搭建樣機,實驗驗證了該包裝機具有較高的包裝效率和包裝質量。該包裝機應用于 PVC 扣板包裝過程,提高了 PVC 扣板生產(chǎn)的機械化、自動化水平,提高了生產(chǎn)效率,節(jié)約了勞動成本,具有廣闊的應用前景。同時,該包裝機對未來設計大型板材瓦楞紙箱包裝設備具有借鑒意義。

 

 

 

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