基于重力作用的大袋包装物码垛机械设计

杨大春

YANG Da－chun

（淮阴工学院，江苏 淮安 223003）

（Huaiyin Institute of Technology，Huai’an，Jiangsu 223003，China）

袋装货物码放、仓储是企业生产组织的一个重要环节，特别是生产规模大的企业，产品堆放、库存、转运、出库等环节尤为重要。如何搞好产品的仓储码放设计，降低生产成本，是企业在进行技术改造时应着重考虑的［1］。

包装码垛机械简单地讲，是由包装机械和码垛机械组成，其中的主要部分还是包装机械，码垛机械是从包装生产线上分离出来而发展起来的［2］。在自动化生产线的终端，产品以每小时数吨以至数十吨的速度源源而来，这相当于每小时要称量、包装、堆码数十袋以至上千袋货物，如此繁重、精确的工作，人力已不能胜任。因此，码垛系统是自动化生产线的重要组成部分，处理不当往往会变成生产线的瓶颈环节。而码垛系统要适应目前生产发展的需求，就必须采用模块化结构［3］。采用模块化结构不仅可以最大限度的满足不同用户的使用要求，还可以简化设备的设计与制造，缩短生产周期，降低成本。

为了压缩储存空间以及场地管理的需要，装满物品的包装袋需要码放堆垛，从而使生产管理整洁有序。在形成堆垛后，为防止其垛坍塌，码垛基本原则是层与层之间的包装袋横竖交叉摆放。另外，从堆垛美观的角度出发，统一将大袋包装物的缝包口朝里。

目前，已有文献［4－6］研究并介绍了码垛机器人的自动化码垛情况，但码垛机器人采购价格高，维护成本大。在中小型企业中，一般采用人工码放的方式，劳动强度大，生产效率低。本研究以食糖袋的大袋包装物装盘码垛为例，拟设计一种适合中小型乃至大型企业的基于重力作用的大袋包装物的装盘码垛机械，在保证堆垛的基础上，实现大袋包装物装盘码垛的自动化，无人干预以降低劳动力成本，提高生产效率，达到整洁有序的现场管理。

1 食糖袋装盘码垛机械的总体方案设计

1.1 码垛的基本原则

根据码垛基本原则和堆垛美观要求，层与层之间包装袋需横竖交叉摆放在托盘上，并且食糖袋缝包口一律朝里，第1层和第2层包装袋的装盘码放形式见图1。第1层食糖袋按图1（a）码放完毕后，在第1层的上面按图1（b）码放第2层。按照此码放方式即可实现层与层之间的交叉并满足食糖袋缝包口一律朝里的美观要求。

图1 包装袋的装盘码放形式Figure 1 Palletizing style of first and second layer packaging

1.2 基于重力作用的食糖袋码垛机械基本原理

食品袋装满食糖并封口后，由推袋机构将其放平（袋底在前、封口在后）在带式输送线上向前输送，并在输送过程中用轧辊将松散的食糖袋压平实。当平实的食糖袋输送至一定位置时，其脱离带式输送线由自身惯性力转移至同向辊道上继续在惯性力作用下向前移动，当滑行到达平滑道的落袋窗口时，在重力作用下，食糖袋基本以自由落体的方式（由于在平滑道上存在一定的滑动摩擦力）下落至码垛托盘中。为了保证食糖袋不会越过落袋窗口，在适当位置设置限位块。辊道及平滑道结构见图2。

图2 辊道及平滑道结构示意图Figure 2 Diagram of the roller and level channel structure

1.3 托盘（码垛机械）的运动方式

食糖袋基本以自由落体的方式在落袋窗口定点下落。基于码垛基本原则和堆垛美观要求，将托盘放置在码垛机械上，则托盘随码垛机械按照一定的运动方式即可实现堆垛要求。图3为托盘（码垛机械）的基本动作次序示意图。图3中，在初始位置（序号1），食糖袋在落袋窗口下落至托盘A1位；码垛机械向左移动（图示）（序号2）至落袋窗口，停留，食糖袋下落至托盘A2位；码垛机械继续向左移动（图示）（序号3）至落袋窗口，停留，食糖袋下落至托盘A3位。当落下3包食糖袋后，托盘随码垛机械向右回复至初始位置（序号4），在原位（初始位）顺时针旋转90°（序号5），然后同时向左微移（图示）向后微移（图示）（序号6）至落袋窗口（注：两个位移量因食品袋尺寸因素有所不同），停留，食糖袋下落至托盘A4位；托盘在承接第4包后，同时向右微移（图示△）向前微移（图示）回复（序号7）至初始位置，在原位顺时针旋转180°（序号8），然后同时向左移动（图示）向后微移（图示）（序号9）至落袋窗口，停留，食糖袋下落至托盘A5位。至此，在托盘中放置了第1层的5袋食糖，实现了袋底朝外的堆垛美观要求。此时托盘不在初始位置，需同时向右移动（图示）向前微移（图示）（序号10）方可使托盘处于初始位置。为达到层与层之间包装袋横竖交叉摆放原则，第1层码好后，在初始位逆时针旋转90°使第1层的5包呈图3的序号11状态，以便于第2层放置时食糖袋交叉落在第1层上。其余几层的托盘动作次序和第1层的动作次序相同。

在此需要说明的是，码垛机械的移动量有所不同，在上述内容中用了不同符号表示加以区分。

图3 托盘动作次序示意图Figure 3 Diagram of action sequence for pallet

2 装盘码垛机械的结构及其驱动设计

2.1 装盘码垛机械的结构设计

前已述及食糖袋基于其重力作用从落袋窗口定点落在托盘中，若要形成一定的堆垛要求，托盘必须按照一定的动作次序方可实现。托盘动作次序的完成则完全依赖码垛机械，所以，码垛机械应能实现上述的某层食糖袋码放时的前移、后移、左移和右移以及回转等一系列运动。此外，当第1层码放完毕后，由于食糖袋的厚度尺寸，在进行下一层码放时，托盘应下移一个食糖袋厚度尺寸高度，下移次数依码放层数确定。为此，装盘码垛机械在进行结构设计时应使其能实现前移、后移、左移、右移、回转以及上下运动，其基本结构见图4。

图4 码垛机械的结构设计Figure 4 Design of structure for palletizing machine

在图4中，将托盘平台1固结在回转机构2（如图5）的托盘平台安装座上，并将回转机构2的箱体固结在上滑台3，则托盘平台1可在回转机构2的驱动下实现相对于上滑台3的回转运动。将上滑台3通过滑移结构和下滑台5联接，上滑台3可在上滑台驱动机构4的驱动下实现相对于下滑台5的左右移动。将下滑台5通过滑移结构和升降平台6联接，下滑台5在下滑台驱动机构7的驱动下实现相对于升降平台6的前后移动。升降平台6通过剪式升降机构8在升降平台驱动机构9的驱动下实现相对于底座（机架）10的上下运动。通过上述联接方式，该结构实现了前后左右移动、回转和上下运动，满足了托盘的动作次序。

图5 回转机构示意图Figure 5 Diagram of gyrating mechanism

2.2 装盘码垛机械的驱动机构设计

为实现托盘的精准定位，驱动机构设计显得尤为重要。由于食品行业的特殊要求以及前述的移动位移量各有不同，所以在将驱动机构与电气控制系统等因素综合考虑的基础上，以滚珠丝杠传动系统作为驱动机构的核心部分，相关文献［7～10］对此传动方式已有成熟的理论和实践依据。在该码垛机械上，上、下滑台驱动机构由滚珠丝杠传动系统和伺服电机组成，滚珠丝杠传动保证其精准定位，伺服电机配以PLC控制系统实现移动位移量的大小精准控制，如此就达到托盘平台的前移、后移、左移和右移位移量的精准控制。由于升降平台的上下运动定位不需要太精确，从成本控制角度，故升降平台驱动机构由滚珠丝杠传动系统和步进电机组成，其上下运动位移量由PLC控制系统控制。同样，对于托盘平台的回转运动，在图5中，小齿轮轴的回转可用步进电机驱动配以PLC控制系统实现90°、180°的转动。和升降平台驱动机构以及上下运动移动。

3 结语

上述设计的利用食糖袋自身重力作用以自由落体方式的装盘码垛机，其机械结构简单，滚珠丝杠传动系统由伺服电机或步进电机驱动，配以PLC控制系统可方便实现装盘码垛的实际需求，轻易满足码垛基本原则和堆垛美观要求。当然，对其它类似于食糖袋的大袋包装物的装盘码垛，本设计具有一定的借鉴与参考价值。当大袋包装物的码垛方式与食糖袋的码垛方式相同而其重量和尺寸有所不同时，只需从机械结构本身的强度、刚度以及驱动系统的驱动功率稍加调整即可。若码垛方式不需要考虑缝包口一律朝里时，其PLC控制系统则可以更简单些。

该装盘码垛机械的制造成本大大低于码垛机器人采购价格，维护成本低，适应性强，且极易实现装盘码垛的自动化，提高生产效率，其无人干预模式可降低劳动力成本，有利于实现整洁有序的生产现场管理，是一种适合中小型乃至大型企业装盘码垛的必须生产设备。

1 谢求实.企业袋装产品仓储码放设计研究及经济性分析［J］.粮食与食糖工业，2010（6）：35～37.

2 丁黎光，陈小泉，李伯胜.我国包装码垛机械的现状及发展趋势［J］.广西工学院学报，2001（3）：37～43.

3 徐国燕，柳林.包装设计的时间和空间特征［J］.包装工程，1999（5）：3～5.

4 李晓刚，刘晋浩.码垛机器人的研究与应用现状、问题及对策［J］.包装工程，2011（2）：96～101.

5 管小清，罗庆生.码垛机器人交错式码放样式算法的研究［J］.食品与机械，2012，28（2）：83～86.

6 管小清，吕志强.工业码垛机器人动力学仿真分析与研究［J］.食品与机械，2013，29（1）：149～176.

7 王红旭，魏巍.直接驱动技术的发展及其应用前景［J］.制造技术与机床，2008（6）：150～154.

8 黄祖尧.精密高速滚珠丝杠副的最新发展及其应用［J］.航空制造技术，2003（4）：36～40.

9 王志民，张西忠，厉勇.滚珠丝杠传动使用与发展［J］.机电工程技术，2004（9）：88～90.

10 许向荣，宋现春，姜洪奎.单螺母滚珠丝杠副轴向刚度的分析研究［J］.武汉理工大学学报，2009（12）：54～57.