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摘 要：本文在介紹異形瓶裝箱的系統組成和控制方案的基礎上，提出了解決異形瓶的輸送和瓶整理方法，論述了伺服電機在異形瓶裝箱過程的作用和抓瓶裝箱過程的不同傳動方案的優缺點，論證了初始位在控制過程中的作用。
關 鍵 詞：異形瓶 裝箱機 伺服電機
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
快速消費品行業里的酒類、日化、調味品等液態商品越來越注重產品的個性化包裝，各式各樣的異形瓶（非規則的圓形瓶）讓人眼花繚亂，豐富繁榮了市場。在工業化生產的今天，異形瓶的裝箱給包裝機械行業提出了新的課題，。通過市場調研，在標準形裝箱機的基礎上，研究開發出適應于異形瓶的裝箱機，投入市場后效果良好，得到了用戶的好評。
2 異形瓶裝箱機的系統組成
2.1裝箱機組成與技術規格
（1）組成。異形瓶裝箱機主要由瓶輸送機構、箱輸送機構、抓瓶裝箱機構組成，如圖1所示。瓶輸送機構，對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。箱輸送機構是對裝瓶前箱子和裝瓶后箱子的輸送。抓瓶裝箱機構按照一定的運行軌跡，將排列規律的瓶子裝箱，每次可以裝一箱或多箱。
（2）主要技術指標。紙箱尺寸：根據用戶要求設計調整范圍；瓶型規格：根據用戶要求設計調整范圍；生產速度：12箱/分鐘（可調）；電源：380V、50HZ；總功率：4kw；耗 氣 量：0.6m3/min、 用氣壓力：0.6Mpa。
圖中：1 抓瓶裝箱機構 2 瓶輸送機構 3 箱輸送機構
圖1異形瓶裝箱機的組成示意圖
2.2裝箱機的控制方案
異形瓶裝箱機的控制系統主要由可編程控制器G1、人機界面G2、伺服控制驅動器A1、伺服控制驅動器A2、變頻器A3、變頻器A4、檢測/執行元件組成，如圖2所示。G1、G2構成控制系統的核心和操作界面，所有的控制參數均可在人機界面上完成。伺服控制驅動器A1、A2驅動控制伺服電機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A1、A2發送脈沖，改變脈沖的發送頻率和數量控制伺服電機的運行。A3、A4變頻器控制電機M3和M4，完成瓶子和箱子的輸送，通過RS485總線控制電機M3和M4的速度和啟停。
圖2異形瓶裝箱機的控制系統示意圖
3 裝箱機理瓶方案分析與設計
產品灌裝和貼標后通過輸送鏈，瓶子單排或雙排（通過特定機構改變）輸送到裝箱設備。對于圓形瓶子通過相互推碰、避讓可以從單列變成多列，瓶子在多列鏈道內形成規律的排列。對于異形瓶子，從單列變成多列就無法通過相互推碰、避讓達到目的。對于異形瓶的裝箱，瓶子的輸送整理是一個關鍵問題，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控制移動的裝置將單列輸送的瓶子，依次送到多列輸送鏈的各個道口，使一列瓶子的輸送變成多輸送，優點在于瓶子的輸送幾乎不間斷。
控制伺服電機M2的位移過程中，對于伺服電機M2有一個初始位設置，為了使每一道上的瓶子數量均勻，必須對進入每道的瓶子進行記數，邊道進入的數量是中間道的2倍，以便減少移道的次數，止瓶裝置為了防止移道過程中卡瓶，瓶子隨著移道機構同步移動。
圖3異形瓶一列變多列的瓶整理示意圖
1. 單列輸送帶 2. 瓶變道機構 3.瓶子輸送機構
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、單排變雙排機構、多排輸送步移鏈組成。電機M3驅動單雙排輸送鏈，伺服電機M2驅動多排輸送步移鏈，每次步移兩行瓶子。單排變雙排的目的是減少伺服電機M2步移的等待時間，提高瓶子的輸送速度。該方法機構簡單，控制相對容易。
3.3兩種輸送整理方法的比較
共同點是均能完成異形瓶子從一列輸送變成多列輸送，采用了伺服電機的精確運行功能。不同點方法1比方法2的機械機構和控制方法復雜，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的設備布局簡單。
圖中：1單列變雙列機構 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 抓瓶裝箱的設計和控制
4.1抓瓶裝箱的組成
抓瓶裝箱主要由驅動和傳動系統、抓瓶機構、開箱機構（針對紙箱）、導向機構（水平和垂直方向）等組成。驅動由伺服電機M1驅動，根據裝箱過程的運動軌跡，精確的控制運行情況。抓箱機構根據不同的瓶型和箱型設計不同的機構，根據設計的不同，每次可以抓一箱或多箱。開箱機構主要針對紙箱，將紙箱的上封箱沿分開，便于瓶子的裝入。導向機構的作用是裝箱過程中進行導向，包括水平和垂直兩個方向，垂直導向機構安裝在水平導向機構上，可以整體水平移動。
4.2抓瓶裝箱運動軌跡的設計
（1）大鏈輪傳輸方案。大鏈輪傳輸方案的傳動關系示意圖如圖5所示，由驅動大鏈輪、傳送鏈條、抓瓶機構等組成。伺服電機M1驅動大鏈輪，兩個被動輪的小鏈輪對鏈條的傳動進行定向，提高了傳輸的平穩性。大減速比的減速機增加了驅動扭矩，抓瓶的載重量集中在鏈條上。通過導向機構，在鏈條的帶動下，做平面兩維運動，平穩的把瓶子從輸送鏈上抓起放到空箱子中。
圖中： 1驅動大鏈輪 2傳送鏈條 3抓瓶機構
圖5 抓瓶裝箱傳動關系示意圖(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關系示意圖如圖6所示，由驅動小鏈輪、被動小鏈輪、傳送鏈條、滑動軌道、抓瓶機構等組成。伺服電機M1驅動小鏈輪，減小了傳動扭矩，減速機的減速比相對減小，增加了驅動電機的扭矩，抓瓶的載重量集中在鏈條或滑動輪上，同方案1比較各有優缺點。通過導向機構，做平面兩維運動，平穩的把瓶子從輸送鏈上抓起放到空箱子中。
圖中：1運動滑軌 2滑動連接軸承 3傳送鏈條 4抓瓶機構
圖6 抓瓶裝箱傳動關系示意圖(2)
4.3初始位在運動控制過程中的作用
對于任意一個傳送方案，伺服電機M1不可能連續運轉，必須按照一定的運行軌跡正反轉運行，抓完瓶后正轉運行裝箱，放完瓶后反轉，再去抓瓶。為了使伺服電機M1有序運行，伺服電機M1就必須有初始位，初始位一般設在抓瓶的上方。在裝箱過程中，瓶子和箱子沒有就位，抓瓶機構在初始位等待，就位后開始運行抓瓶、裝箱。正常停機停在初始位，緊急停車時，停在任意位置，開機后繼續運行。
4.4簡易智能型控制方法
機械式抓瓶機構在抓瓶和裝箱過程中會出現卡瓶現象，通過光電開關檢測卡瓶現象，對于普通裝箱機只有通過停機解決，否則就損壞抓瓶頭等部件。對于異形瓶裝箱機，由于采用伺服電機控制，控制過程中，如果在抓瓶處卡瓶，抓瓶機構漫速退回初始位，再漫速下降到抓瓶處，如果在裝箱處卡瓶，抓瓶機構漫速倒退一個瓶高的距離，再漫速下降到裝箱處。在這個過程中，操作人員可以及時處理卡瓶現象，沒有及時處理，檢測到再次卡瓶，設備自動停機，減少了故障和停機次數，同時保護了抓瓶機構不損壞。
5 結束語
異形瓶的裝箱機從機械設計中本著簡單易調試的思路設計，很好的解決了異形瓶的輸送整理難題，在裝箱機的設計中首次采用了伺服電機的優越性，簡化了機械的機構設計。本文為了保護設計者的技術權益，對解決問題的方法和途徑進行了設計探討，具體的實施過程和控制方法不便敘述，請讀者諒解。對運行過程進行反序調整，通過對程序的修改還可以作為卸箱機使用。
作者簡介
張有良（1962-）男 高級工程師，長期從事食品、飲料、乳品、包裝機械等的電氣設計和研究工作。
馮育全 路建章 西安華維輕工機械技術開發有限公司
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