武 濤

(江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造綜合實(shí)訓(xùn)中心，江蘇 淮安 223003)

0 引言

全自動(dòng)超聲波洗箱機(jī)填補(bǔ)了市場(chǎng)上回收瓶自動(dòng)清理設(shè)備的空白[1-3]，但在生產(chǎn)過(guò)程中仍出現(xiàn)了很多亟待解決的問(wèn)題。概括起來(lái)主要問(wèn)題如下：洗箱產(chǎn)能不足，現(xiàn)有的主流生產(chǎn)線產(chǎn)量為40 000 瓶/h；個(gè)別有頑固污漬的玻璃瓶瓶底清洗不凈；進(jìn)出箱氣缸壽命太短，更換頻繁；箱籠易變形，使用壽命短；箱籠進(jìn)箱數(shù)量出錯(cuò)或周轉(zhuǎn)箱定位不準(zhǔn)時(shí)壓蓋壓不下去，造成翻轉(zhuǎn)時(shí)漏瓶，在箱籠運(yùn)轉(zhuǎn)到超聲波發(fā)生器時(shí)壓蓋與發(fā)生器撞擊，造成設(shè)備損壞；箱籠螺絲易松動(dòng)，造成箱籠解體；漂浮排污管口氣動(dòng)蝶閥易堵塞。

根據(jù)在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，本文分析洗箱機(jī)各部分結(jié)構(gòu)[4-9]并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 輸送鏈裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)觀察和分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)瓶底污漬殘留的原因是由于瓶中容液量達(dá)不到100%，箱籠翻轉(zhuǎn)入水后，瓶底的位置并不能與清洗劑接觸，超聲波也因水介質(zhì)接觸不到瓶底而起不到清洗瓶底的作用。所以為了充分利用清洗液和超聲波，箱籠翻轉(zhuǎn)入清洗液面以下后瓶中的清洗液必須是充滿(mǎn)的。原輸送鏈裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，在進(jìn)箱位通過(guò)進(jìn)箱裝置將帶瓶周轉(zhuǎn)箱2送入安裝在輸送鏈1上的箱籠3中，輸送鏈1運(yùn)轉(zhuǎn)，在灌注位向瓶?jī)?nèi)充水，在清洗位超聲波清洗，在控水位倒出瓶中水，在出箱位通過(guò)出箱裝置將周轉(zhuǎn)箱推到輸送帶上。從解決清洗不凈問(wèn)題角度出發(fā)得出兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，分別如圖2和圖3所示。

優(yōu)化方案一和方案二均為鏈傳動(dòng)，適合潮濕環(huán)境；動(dòng)力為減速電機(jī)，方便調(diào)速和制動(dòng)，控制方便；方案一整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)尺寸更小一些，其換能器下的空間方便清理沉積物；安全防護(hù)方面，在電機(jī)與主動(dòng)軸之間加入扭矩限制裝置；在鏈條運(yùn)行軌跡方面，進(jìn)箱位與出箱位相同，灌注位同為沉入液面下的設(shè)計(jì)，可使玻璃瓶和周轉(zhuǎn)箱中的較輕臟物無(wú)障礙漂浮到液面，使清洗液自動(dòng)流入向上的瓶口，并在翻轉(zhuǎn)時(shí)保持滿(mǎn)瓶狀態(tài)；控水位都是一個(gè)工位的控水時(shí)間，滿(mǎn)足使用要求；方案二的清洗位更簡(jiǎn)便，安裝更簡(jiǎn)單；完成漂浮臟物收集的水波是運(yùn)轉(zhuǎn)的箱籠攪動(dòng)表層液面產(chǎn)生的。在方案二中，箱籠離液面太遠(yuǎn)，產(chǎn)生的水波不明顯，結(jié)果就是水箱內(nèi)漂浮物堆積，既影響清洗效果又使臟物無(wú)法及時(shí)排出。綜合對(duì)比后，可知方案一的效果更佳。

1-輸送鏈;2-帶瓶周轉(zhuǎn)箱;3-箱籠;4-超聲波換能器

1-輸送鏈;2-帶瓶周轉(zhuǎn)箱;3-箱籠;4-超聲波換能器

2 推箱裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在輸送鏈裝置側(cè)面設(shè)置有進(jìn)箱裝置(如圖4所示)和出箱裝置(如圖5所示)。進(jìn)箱裝置負(fù)責(zé)將周轉(zhuǎn)箱從輸送帶推入箱籠，其動(dòng)作過(guò)程為：推手4縮回，輸送帶輸送3只周轉(zhuǎn)箱到進(jìn)箱位置，無(wú)桿氣缸1退到尾部，推手4伸出，無(wú)桿氣缸1前進(jìn)到頭部，推手將周轉(zhuǎn)箱推入箱籠6。出箱裝置負(fù)責(zé)將箱籠推出到輸送帶上，箱籠3到位后氣缸1伸出，將箱籠3里的周轉(zhuǎn)箱4推到輸送帶5上，然后氣缸1縮回。這兩個(gè)裝置因動(dòng)作頻繁的原因，為其提供動(dòng)力的氣缸使用壽命低于半年，使檢查維修任務(wù)非常繁重；另外出箱裝置的推箱氣缸行程過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致氣缸推桿和導(dǎo)向桿在伸出較多時(shí)，因自身重力和較長(zhǎng)力臂的作用，推桿和導(dǎo)向桿根部所受力矩極大，所以此處易出現(xiàn)卡頓且磨損嚴(yán)重。

1-輸送鏈;2-帶瓶周轉(zhuǎn)箱;3-箱籠;4-超聲波換能器

1-無(wú)桿氣缸;2-導(dǎo)軌;3-輸送帶;4-推手;5-周轉(zhuǎn)箱;6-箱籠

1-氣缸;2-導(dǎo)向桿;3-箱籠;4-周轉(zhuǎn)箱;5-輸送帶

為解決上述問(wèn)題，分析推箱裝置的傳動(dòng)特點(diǎn)如下：①行程較長(zhǎng)，至少需要1.4 m；②阻力較小，推動(dòng)4只周轉(zhuǎn)箱在圓鋼軌道上滑行；③潮濕環(huán)境，因?yàn)樵O(shè)備功能是清洗，濕度大；④不需要很精確的位移，但行程的往返點(diǎn)需要方便調(diào)整；⑤受周轉(zhuǎn)箱輸送時(shí)間影響，往復(fù)運(yùn)動(dòng)間隔時(shí)間不是規(guī)律恒定的，所以需要控制方便；⑥需適應(yīng)頻繁動(dòng)作，或者降低維護(hù)成本。

因進(jìn)箱和出箱的推箱裝置為相近行程的直線運(yùn)動(dòng)，可以對(duì)進(jìn)箱和出箱兩部分的推箱動(dòng)力機(jī)構(gòu)統(tǒng)一設(shè)計(jì)。將動(dòng)力源改為減速電機(jī)，電動(dòng)機(jī)的控制更加成熟，方便調(diào)速和制動(dòng)?？蓪㈦妱?dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的方式有很多，經(jīng)過(guò)對(duì)比選擇同步帶傳動(dòng)。

同步帶結(jié)合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化設(shè)備中應(yīng)用廣泛。同步帶抗拉層變形小，能保持同步帶周節(jié)不變，故皮帶與帶輪之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，從而保證同步傳動(dòng)。同步帶傳動(dòng)平穩(wěn)，效率高，具有緩沖、減振能力，噪聲很低；可適應(yīng)惡劣環(huán)境并且維護(hù)保養(yǎng)方便，不需潤(rùn)滑，維護(hù)費(fèi)用低。此外，同步帶可用于長(zhǎng)距離傳動(dòng)，速比范圍大，一般可達(dá)10，線速度可達(dá)50 m/s；相對(duì)于V型帶傳送，預(yù)緊力較小，軸和軸承上所受載荷小。

結(jié)合如上所述給出兩種同步帶傳動(dòng)方案，分別如圖6和圖7所示。對(duì)比使用性能，方案一的結(jié)構(gòu)受力更均衡，但由于整體行程過(guò)長(zhǎng)，為使方案一的兩根導(dǎo)軌1保持平行加工難度和裝配難度較大，運(yùn)行過(guò)程易產(chǎn)生卡頓現(xiàn)象，造成電機(jī)功率額外消耗、降低生產(chǎn)效率和損壞零件。因此選擇方案二。

1-導(dǎo)軌;2-滑塊;3-夾塊;4-同步帶;5-主動(dòng)輪;6-被動(dòng)輪

1-導(dǎo)軌;2-滑塊;3-夾塊;4-同步帶;5-主動(dòng)輪;6-被動(dòng)輪

氣缸推桿和導(dǎo)向桿在伸出較多時(shí)，因自身重力和較長(zhǎng)力臂的作用，推桿和導(dǎo)向桿根部磨損嚴(yán)重。針對(duì)這一問(wèn)題，考慮到推桿受力較小，可將出箱推桿改為輕質(zhì)空心管。

3 箱籠的優(yōu)化設(shè)計(jì)

箱籠部件如圖8所示，在進(jìn)箱工位時(shí)，通過(guò)箱籠定位滾輪和定位軌道以及鏈軌道的作用將箱籠夾持在進(jìn)箱口水平位置上，頂蓋軌道上的頂蓋滾輪通過(guò)導(dǎo)向框架和導(dǎo)向軸將壓蓋頂起，此時(shí)3個(gè)周轉(zhuǎn)箱從箱籠側(cè)口進(jìn)入，同時(shí)另一側(cè)定位裝置氣缸伸出，將3個(gè)周轉(zhuǎn)箱推到箱籠中間位置。此時(shí)輸送鏈運(yùn)行一個(gè)工位，箱籠脫離頂蓋軌道位置，壓蓋因彈簧壓力回落壓緊周轉(zhuǎn)箱，壓蓋的形狀恰好可以伸入周轉(zhuǎn)箱卡住玻璃瓶和周轉(zhuǎn)箱。箱籠到出箱位時(shí)，頂蓋滾輪沿斜坡滾到頂蓋軌道上，將壓蓋再次頂起，此時(shí)就可以推出周轉(zhuǎn)箱了。

經(jīng)觀察和分析，箱籠結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問(wèn)題的主要原因如下：①箱籠進(jìn)入出箱位時(shí)，頂蓋滾輪與頂蓋軌道的相互作用力使箱籠受力不均衡，導(dǎo)向軸側(cè)向擠壓導(dǎo)向塊，壓蓋頂起困難，籠體受橫向拉扯；②盛裝回收玻璃瓶的周轉(zhuǎn)箱狀況較復(fù)雜，會(huì)有額外玻璃瓶或其他物件放置在周轉(zhuǎn)箱內(nèi)，導(dǎo)致壓蓋不到位；③超聲波產(chǎn)生的震動(dòng)同時(shí)影響到箱籠，使螺絲易松動(dòng)；④焊接籠體的折彎板剛性不足。此外，現(xiàn)有玻璃瓶飲料生產(chǎn)線產(chǎn)量為40 000 瓶/h，因此超聲波洗箱機(jī)的產(chǎn)能滿(mǎn)足不了市場(chǎng)要求。針對(duì)這一問(wèn)題，可在制造工藝滿(mǎn)足的情況下，通過(guò)增加每道工序清洗周轉(zhuǎn)箱的數(shù)量來(lái)提高產(chǎn)能。解決問(wèn)題可從以下方面進(jìn)行優(yōu)化：①鑒于輸送鏈灌注位的改變，箱籠在清洗之前的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作是在液體中完成的，所以玻璃瓶在周轉(zhuǎn)箱中滑動(dòng)時(shí)與壓蓋的碰撞可忽略不記，而箱籠在清洗之后的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作中，瓶底落回原位時(shí)玻璃瓶與箱籠的沖擊被周轉(zhuǎn)箱的塑料底面緩沖，所以壓蓋的結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為略高于周轉(zhuǎn)箱的平面；②對(duì)于周轉(zhuǎn)箱在箱籠側(cè)向的定位，可以通過(guò)沿周轉(zhuǎn)箱在水箱的運(yùn)動(dòng)軌跡安裝圓鋼導(dǎo)軌來(lái)實(shí)現(xiàn)；③籠體采用方管等剛性較大的型材焊接；④不用螺栓連接，而采用焊接、鉚接、銷(xiāo)連接等對(duì)于震動(dòng)不敏感的連接方式組裝箱籠；⑤將箱籠容量從3件周轉(zhuǎn)箱改為4件來(lái)提高產(chǎn)能。

1-籠體;2-壓蓋;3-導(dǎo)向座;4-導(dǎo)向軸;5-彈簧;6-導(dǎo)向框架;7-頂蓋滾輪;8-定位滾輪

優(yōu)化后箱籠結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1-箱籠;2-壓蓋;3-定位滾輪;4-定位軌道;5-圓鋼導(dǎo)軌

4 排污斗的優(yōu)化設(shè)計(jì)

漂浮物排污斗的原理是：箱籠隨鏈輸送運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，水面下的箱籠引發(fā)與箱籠運(yùn)轉(zhuǎn)相同方向的水波，將從玻璃瓶和周轉(zhuǎn)箱內(nèi)漂浮而出的臟物一步步推入排污斗，當(dāng)排污斗液面與水箱液面接近時(shí)，排污管的氣動(dòng)蝶閥打開(kāi)，漂浮物順?biāo)魅霝V筐，水經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單過(guò)濾后進(jìn)入排水系統(tǒng)，而漂浮物被濾筐收集，定期處理。排污斗結(jié)構(gòu)如圖10所示。氣動(dòng)蝶閥易堵塞的原因就是漂浮物中有線頭、吸管等細(xì)長(zhǎng)柔軟的物體，容易纏上閥芯，所以將過(guò)濾工序提前到進(jìn)入排水管之前，排水管不必安裝蝶閥，污水隨時(shí)排放，如此沒(méi)有雜物流經(jīng)排水管，即可解決堵塞問(wèn)題。排污斗優(yōu)化方案如圖11所示。

1-排污斗;2-氣動(dòng)蝶閥;3-排污管;4-濾筐

1-濾筐;2-排污斗;3-排污管

5 結(jié)論

針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中洗箱機(jī)出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)全自動(dòng)超聲波洗箱機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的洗箱機(jī)能夠提高產(chǎn)量、提高潔凈度、增加壽命。