食品包装PE 塑料盒自动开盒机构的设计

余 斌， 王 珍

（哈工大机器人南昌智能制造研究院， 江西 南昌 330200）

引言

现阶段食品行业对自动化生产的要求越来越高，在产品生产成本不变的情况下，要求不断提升产品质量和效率。为减少甚至杜绝食品安全问题并提高生产效率，在糕点食品全自动化包装生产线中包装盒的取盒是比较关键的。而食品的包装盒一般都是未打开状态并且相互叠置在一起，因此需要专门的取盒装置将包装盒逐个取出在打开才能保证产线的自动化连续生产。本文所述一种PE 塑料盒自动开盒机构通过将一叠未打开的PE 盒体叠好累放在送盒输送带上。输送带依靠120 W 交流齿轮减速马达感应电机驱动。通过给感应电机安装调速器保证输送带送盒最理想的速度来实现不间断的自动送盒。另外在输送带两侧安装对射光电传感器来做缺料提醒，盒子即将取完时报警提醒人工加入新的盒子。开盒部份由200 W 伺服电机通过PLC 精准控制。设计一组凸轮连杆机构，伺服电机的力臂经减速机增大后又经凸轮连杆机构将动力传到真空吸盘处。真空吸盘由真空泵提供吸力，并由真空电磁阀控制将盒取出。取出的盒体通过机构下部的真空吸盘，将盒体拉开成形，完成一次取盒与开盒的动作周期。我们通过设计出这一组自动送盒，自动取盒，自动开盒三种机构，将这三种机构整合成一套设备融入整个包装产线中，来实现整个后道包装的全自动化生产。并且可以通过各种网络通讯协议使开盒设备的PLC 和MES 建立连接，达到智能化生产的目的。

1 开盒机构动作流程设计

开盒机构动作流程设计为三步。第一步上吸取机构取盒，第二步下吸取机构接盒，第三步上下机构配合并通过下机构的下拉力，和上机构的上拉力来达到开盒成形的目的。首先由人工操作将一叠PE盒叠好放在送盒输送带上。输送带由变频电机控制，给盒体提供向前的动力来补充盒体的消耗。设计一种上取盒机构由伺服电机精准控制真空吸盘的运动轨迹，使真空吸盘从起始点将盒体从存料框中取中。运动至终止点与下吸盒机构配合将盒体拉开。下吸盒机构由气缸控制连杆，真空吸盘安装在连杆上吸附盒体的下表面。上取盒机构真空吸盘吸附盒体的上表面。通过下吸盒气缸的向下运动，将盒体拉开成型，完成一次动作周期。

2 开盒连杆机构原理设计

如下页图1 所示，1-1 为吸盒起始位置，1-2 为吸盒终止位置。设计开盒机构由杆a、杆b、杆c、杆d 组成上取盒机构[1]。杆e 和气缸组成下接盒机构[2]。杆a 由伺服电机驱动做圆周运动，伺服电机运动一周，开盒机构完成一个运动周期[3]。杆c 由两根杆组成固定的角度来保证每次的吸盒角度为73°。盒体叠堆放于送盒输送带存料框，输送带与水平的夹角为17°保证4 个真空吸盘组成的平面与盒体接触时完全平行来保证吸附效率。杆d 同样由两根杆组成固定的90°角，并由一个铰链和一个滑块限制其自由度，保证其能完成翻转伸缩取盒动作。

取杆a 和杆c 的铰链间距为225 mm，伺服电机控制杆a 起始角度为17°。根据任意角的三角函数工式：

联立求解得：L1=185.5 mm；L2=73.2 mm。

上吸取机构翻转到（b）位置：

解得：L3=238 mm。

设杆a 长度为x，杆b 长度为y，则：x+y=238 mm，y-x=185.5 mm。

解得杆a 长度x=26.5 mm、杆b 长度y=211.5 mm。

下接盒机构接取角度设置30°。气缸伸长度340 mm。气缸铰链与杆e 铰链位置相对角度为62°，距离为295.5。由计算可得：

解得：L4=158.5 mm。

3 开盒连杆机构结构设计

如图2 本机构主要由上吸盒机构、下接盒机构、送盒输送带、三部份组成。上吸盒机构动力由3 伺服电机加减速机组成，PLC 精准位置控制[4]，4 凸轮依靠止动螺钉固定在减速机输出轴端，凸轮工作直径由上计算为26.5 mm。减速机轴旋转一周，吸盒动作从起点—终点—起点完成一次动作周期。5 连杆1 两端分别装有关节轴承, 由上计算关节轴承中心距为211.5 mm，一端定位凸轮上，一端定位在6 连杆2上。连杆2 锁紧在7 传动轴1 一端上。8 连杆3 锁紧在传动轴1 另一端，连杆2 与连杆3 之间夹角为59°。9 传动轴2 通过深沟球轴承安装在连杆3 上。12 吸盘安装板固定在传动轴2 上。保4 个真空吸盘所组成的吸取面在同一平面，并且与盒体存放面平行。11 连杆4 通过带座轴承定位在基座上，本身有自润滑套与10 轴3 连接，完成吸盒翻转动作。下接盒机构由14 气缸控制，气缸运行到最大行程后的总长尺寸为340 mm。15 开盒连杆通过铰链于气缸。两铰连点的中心距通上述计算为158.5 mm。气缸回程时，真空吸盘保持与水平面平行。气缸最大行程时，吸盘面与水平面成30°角。送盒输送带由变频电机加减速机控制[5]，输送带给物料一个向前的推力，保证物料与真空吸盘的接触面可以完全贴合，提高吸盒效率。当塑料盒物料缺少时，由一对光电传感器发出电信号给PLC 提示加料，同时机构停止运动[6]。

4 结语

本文首先介绍了自动开盒机的背景。先构思开盒流程，然后做机械原理设计，最后细化结构。开盒流程分为三个步骤分别是上机构真空吸盘取盒、下机构真空吸盘接盒、上下机构配合开盒。为使设计过程更加简便清楚，故将开盒机分为三个部份，上取盒机构、下接盒机构、盒体输送机构。在首先确定好接盒初始角为17°，开盒对接角度30°后，对三个部份单独设计，画出原理简图计算各连杆长度，最后细化各机构具体的连接方式来完成开盒机的总体结构设计。