The design and control of carton packing machine

摘 要：本文在介绍异形瓶装箱的系统组成和控制方案的基础上，提出了解决异形瓶的输送和瓶整理方法，论述了伺服电机在异形瓶装箱过程的作用和抓瓶装箱过程的不同传动方案的优缺点，论证了初始位在控制过程中的作用。
关 键 词：异形瓶 装箱机 伺服电机
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：0.6m3/min、 用气压力：0.6Mpa。

　　　　　　　　　　　　　　　　　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。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3异形瓶一列变多列的瓶整理示意图
　　 1. 单列输送带 2. 瓶变道机构 3.瓶子输送机构
　　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。
参考文献（略）
作者简介
张有良（1962-）男 高级工程师，长期从事食品、饮料、乳品、包装机械等的电气设计和研究工作。



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