由于糧食產地與成品消費地的分離，為更好的實現糧食的運輸和保鮮，真空包裝及裝箱是一個很好的選擇；目前糧食行業裝箱環節大多采用人工裝箱或機器人裝箱，成本較高。隨著國內大米自動化生產線的普及，在產業規?；?、一體化、集體化的糧食加工企業中[1]，為適應其規?；a要求，并進一步降低企業成本，提高經濟效益[2-3]，需要把裝箱機成本控制在合理范圍內，使之與人工裝箱、機器人裝箱相比有明顯優勢。因此，研發真空包裝的全自動裝箱機是企業發展的趨勢。通過對包裝物定位技術、紙箱定位機構、紙張定位機構和裝箱墊紙機構等多項專利技術的研發，筆者開發出了具有裝箱效率高、穩定性好、操作簡單的真空包裝全自動裝箱機。
1 真空包裝全自動裝箱機方案
真空包裝全自動裝箱機采用整機設計，布局如圖1所示。使用簡單的機械結構，滿足功能需求，機電結合，實現自動化生產。
圖1 裝箱機整機布局圖
通過智能儀表采集傳感器信號， PLC處理信號，配合控制系統完成既定動作，每個動作既相互獨立又互為協調。工作過程主要由紙箱定位工序、取包工序、取紙工序和成品輸送工序組成，具體工作流程見圖2。
圖2 工作流程圖
2 真空包裝全自動裝箱機關鍵技術
包裝物定位技術、紙箱定位機構、紙張定位機構、裝箱墊紙機構等在設備運行中起著至關重要的作用，直接影響到包裝效率、包裝成品率、包裝效果及封箱的可靠性。為實現機電一體化，運用過程控制原理，將機械、電子與信息等有關技術進行有機集成，實現整體性能最優化和全自動化。
2.1 包裝物定位技術
對于全自動裝箱機，核心品質是生產效率、工作的穩定性和產品的合格率，因此包裝物狀態是一個關鍵。
包裝物定位技術的結構如圖3所示。當包裝物在輸送過程中，呈現如圖3所示不規整的狀態時，到指定的檢測位置，輸送帶延時停止；與此同時，包裝物前端觸及前擋板機構，被前擋板機構擺正；輸送機構停止后，米包對中機構對包裝物進行對中定位。米包對中機構如圖4所示，對中板a、對中板b分別固定于直線導軌上的滑塊上，氣缸前端固定于機構安裝板上，氣缸尾端則固定于對中板b。對中板a與對中板b通過鋼絲繩按圖示連接方式連接。當氣缸復位時，氣缸尾部帶動對中板b向中間移動，此時由于鋼絲繩a和b的作用，對中板a也向中間移動；當氣缸動作時，對中板a、b同時向外張開。該機構實現對中板a與對中板b同步向中間動作或同時向兩邊張開，對米包進行對中定位[4-5]。
圖3 包裝物定位結構示意圖
圖4 米包對中機構示意圖
2.2 紙箱定位機構
紙箱定位機構由頂部折片擺正導向機構、紙箱高度定位機構、紙箱對中定位機構組成，如圖5所示。
輸送輥筒將紙箱輸送至定位位置，紙箱擋板機構限位并導正紙箱。輸送輥筒停止，紙箱對中定位機構(結構與圖3類似)動作，對中板對中運動，將紙箱對中。紙箱下定位完成后，頂部折片擺正導向機構見6。
靠自重緩慢下降，機構上的定位檢測點檢測到紙箱，機構下降停止，折板機構如圖7所示自上向下運動，將傾斜的紙箱頂部折片擺正。裝箱完成后，紙箱對中機構復位，紙箱擋板機構下降，頂部折片擺正導向機構復位，輸送輥筒啟動，將紙箱送出裝箱機。
紙箱的長度可通過推動前后調節桿移動后折片來適應。紙箱的寬度，可通過轉動手輪，帶動調整螺桿驅動相應螺母開合來調節適應，螺桿與導軌配套使用以保證左右折片擺正部分直線運動。
圖5 紙箱定位機構示意圖
圖6 頂部折片擺正導向機構示意圖
圖7 折板機構動作示意圖
2.3 紙張定位機構
紙張定位機構如圖8所示，將紙片放置于紙片托盤上，旋轉手輪帶動調整螺桿即可帶動調整左右螺母同時向內或者向外移動。調整左螺母與紙片左擋板同固定在同一根導軌的滑塊上，調整右螺母與紙片右擋板同固定在該根導軌的對側滑塊上[5]。當旋轉手輪時，紙片左右擋板也同時向內或向外同步移動以便保證紙片的對中，且適應不同大小的紙張。
圖8 紙張定位機構示意圖
2.4 裝箱墊紙機構
裝箱墊紙機構由取紙機構、取包機構、移動機構組成，如圖9所示。
圖9 裝箱墊紙機構示意圖
2.4.1 取紙機構
取紙機構見圖10。
圖10 取紙機構示意圖
如圖10所示，取紙時，先由測距開關測出開關距離紙張上表面的高度H，再根據結構得出測距開關與真空吸盤下端面的距離h,執行元件取紙時所需走的行程=H-h。執行元件走完所需行程后，吸盤打開真空回路，將紙片吸起，然后回原點即完成一張紙片的吸取。
2.4.2 取包機構
如圖11所示，包裝物定位后，測距檢測開關測出開關到包裝物表面的高度H,吸盤被壓縮下平面與測檢測開關下平面距離為h,此時吸盤需下降抓取包裝物的距離=H+h。執行元件取包時所需走的行程=H-h，執行元件走完所需行程后，吸盤打開真空回路，將包裝物吸起，然后回原點即完成一件包裝物的吸取。
圖11 取包機構示意圖
2.4.3 移動機構
圖12 移動機構示意圖
移動機構如圖12所示，機構安裝板固定在兩套導軌上，伺服電機通過聯軸器與滾珠絲桿連接，絲桿螺母通過螺母固定座與機構安裝板固連在一起。伺服電機驅動絲桿轉動，從而帶動機構安裝板左右移動。利用伺服電機可頻繁啟動、響應快的特性，通過控制伺服電機正反轉來實現機構安裝板快速往復定距移動，配合取紙機構、取包機構動作，實現包裝物與紙片交替放置。
2.4.4 絲桿強度的計算及選型
由于移動機構絲桿負載較大，且需頻繁往復運行，需對絲桿強度進行計算及校核，以便選擇合適的絲桿。移動機構簡圖如圖13所示，絲桿采用一端固定一端支持的固定方式。
已知滑動工作臺質量M=36 kg，工作物質量m=10 kg，速度v=60 m/min，最大行程L=940 mm，轉動率60%，伺服電機額定轉速2 000 r/min。
圖13 移動機構簡圖
(1)運轉條件設定
機械壽命時間t的推定：
t=每天的工作時間×每年的工作天數×假定工作年限×轉動率=12×250×10×60% =18 000 h。
(2)滾珠絲桿導程l
(3)平均載荷Fm的計算
查《機械設計手冊》[6]第2版第4卷34-23中的計算公式34.2-6得，
式中,F1、F2為軸向工作變載荷，N；q1、q2為相應載荷工作時間與總工作時間的比值，%。
計算可得Fm=407.68 N
(4)平均轉速nm的計算
查《機械設計手冊》[6]第2版第4卷34-23中的計算公式34.2-5得，
nm=n1q1+n2q2+…+nkqk，
式中n1、n2為各種工作轉速，r/min；q1、q2為相應載荷工作時間與總工作時間的比值，%。
計算可得nm=1 200 r/min。
(5)基本額定動載荷Ca的計算
根據《TBI綜合型錄》 [7]C26中的計算公式：
Ca=Fm×fs，
式中，fs為安全系數，查TBI綜合型錄[7]C26中的表1.9.3可得，見表1。
表1 安全系數fs
取fs的值為5，
計算可得Ca=2 038.4 N
(6) 基本額定靜載荷Coa的計算
根據《TBI綜合型錄》 [7]C26中的計算公式：
Coa=Pmax×fs,
式中, Pmax≈Fm/0.65。
計算可得Coa=3 136 N。
(7)螺帽型式的選定
根據型錄表選定SFYR2550，
可得Ca=19 208 N，Coa=55 017.2 N。
(8)壽命時間Lt的計算
根據《TBI綜合型錄》 [7]C26中的計算公式：
式中，fw為負荷系數，查TBI綜合型錄[7]表1.9.2可得，見表2。
表2 負荷系數fw
取fw的值為2，
計算可得Lt=182 232 h>18 000 h
(9)容許回轉數n及dm值的檢驗
根據《TBI綜合型錄》 [7]C15中的計算公式：
式中，α為安全系數，α=0.8；E為彈性系數，E=2.06×105,N/mm2；I為螺桿軸牙底直徑，
為螺桿軸牙底直徑，mm；g為重力加速度，g=9.8×103，mm/s2；γ為材料的密度，γ=7.644×10-5，N/mm3；A為螺桿軸斷面積，為安裝間距，L=870，mm；f、λ為依滾珠絲桿之安裝方法而定的系數，
支持-支持f=9.7 (λ=π)，
固定-支持f=15.1 (λ=3.927)，
固定-固定f=21.9 (λ=4.730)，
固定-自由f=3.4 (λ=1.875)，
計算可得n=4 621 r/min>nmax，
dm×n=25×2 000=50 000≤50 000(一般產業用，精度等級C10)。
2.4.5 裝箱墊紙機構成功率的測試及分析
設備運行環境溫度32℃，分別對10組20 000個情況不同的米包進行試驗。結果如表3所示。
表3 裝箱墊紙機構成功率測試
通過分組試驗，可以確定裝箱墊紙機構的穩定性良好，能保證較高的成功率。
3 結語
真空包裝生產線裝箱機項目在研發過程中做出了較大突破，并獲得多項國家發明專利和實用新型專利。自進入市場以來，其新穎的包裝方式、精美的包裝效果和包裝效率獲得糧油企業的認可和褒獎。其包裝物與紙片交替放置的工作模式突破機器人裝箱的功能局限，促進了相關產品的變革與技術進步，全面提升了企業的核心競爭力，為糧食機械的發展起到了積極的推動作用，創造了較好的社會經濟效益。
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