封喜雷，鄧元龍

（北京誠益通科技有限公司，北京 100176）

人工解包站需要人工解包、人工投料，勞動強度大，現(xiàn)場飛塵嚴(yán)重，工作環(huán)境差。半自動解包機可在一定程度上解決人工上料，人工開袋解包等問題，但解包后需要人工進(jìn)行料袋分離，對空袋進(jìn)行收集，工作過程中難免接觸到粉料和飛塵，影響勞動者健康，為此有必要研發(fā)和應(yīng)用一種能進(jìn)行料袋全自動分離的專用設(shè)備，實施新的技術(shù)方案是當(dāng)前粉體解包的迫切需求。生產(chǎn)設(shè)備自動化作業(yè)，既可減少人工，避免某些工作對人身體的傷害，也可提高效率，所以自動化也成為目前發(fā)展的必然趨勢。全自動解包站的開發(fā)研究，對公司新產(chǎn)品的開發(fā)，提升市場戰(zhàn)略的多元化非常重要。開發(fā)成功可增加公司產(chǎn)品組合，可作為主要產(chǎn)品為公司創(chuàng)造效益。提高公司綜合競爭力，提高公司主要設(shè)備的配套能力，降低成本，提高產(chǎn)品市場競爭力，擴大市場份額占比，可搶先占領(lǐng)市場。

1 總體方案設(shè)計

針對國內(nèi)其他行業(yè)對粉料自動解包投料裝置有相關(guān)研究與應(yīng)用報道。袁為新、唐建新的袋裝水泥自動拆包機的研究[1]，羅會介炭黑解包機的研制與實驗報告[2]，參照借鑒其成功設(shè)計經(jīng)驗，融合貫通，結(jié)合實際需求與功能分析對該解包機提出相應(yīng)的設(shè)計要求，根據(jù)設(shè)計要求先從開包方案入手展開研究，通過比較評價確定開包方案，并完成相應(yīng)破袋機構(gòu)設(shè)計，再根據(jù)整機設(shè)計要求及破袋機構(gòu)的應(yīng)用，確定整機的總體設(shè)計方案[3]。如圖1 所示。該總體設(shè)計方案主要包括拆包機、解包倉及其除塵過濾和在線清洗系統(tǒng)、空袋抓取裝置、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。

圖1 總體方案設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall design structure

1.1 拆包機的方案設(shè)計

拆包機主要通過機械方式將粉料包裝袋切割開，實現(xiàn)袋料分離[4]。該機基本結(jié)構(gòu)應(yīng)具備存放物料的落料平臺、由減速機驅(qū)動軸帶動圓盤刀進(jìn)行開袋裝置、驅(qū)動落料平臺能夠翻轉(zhuǎn)45°的氣缸，這樣物料靠重力就能滑到解包倉里的振動篩上，滑動的過程中，圓盤刀從落料平臺開口處伸出，從底部把料袋劃開。平臺下面應(yīng)設(shè)有順料斗，可收集開袋過程中從平臺開口處落下的粉料，還應(yīng)具有起到支撐以上零部件的不銹鋼框架。

1.2 解包倉的方案設(shè)計

解包倉應(yīng)設(shè)有進(jìn)料門和出袋門，安裝兩個門的門框都放在倉內(nèi)，這樣設(shè)計清洗時，不易發(fā)生倉外漏水。具有料袋分離裝置，目前分離即卸料的方式有多種，其中主要有人工傾倒法、滾筒卸料法和振動卸料法，人工傾倒法不僅產(chǎn)塵量大，造成工人直接接觸高濃度粉塵，威脅工人的身心健康，還造成生產(chǎn)效率低下，影響勞動效率；滾筒卸料法會造成卸料不徹底，造成物料的浪費[4]。相比之下振動卸料法可克服以上劣勢，采用振動篩分離，根據(jù)篩分機理對料袋進(jìn)行首次分離。篩分就是不同大小的固體顆?；旌衔锪鹘?jīng)篩面，部分小于篩孔的顆粒通過篩孔而下落，其余的顆粒留在篩面上然后排出的過程。倉頂應(yīng)設(shè)有金屬燒結(jié)網(wǎng)濾芯靠軸流風(fēng)機吸走倉內(nèi)振動揚起的粉塵，選用金屬網(wǎng)濾芯比布袋濾芯容易清洗，還應(yīng)設(shè)有清洗球，能夠?qū)崿F(xiàn)自動在線清洗，清洗解包倉內(nèi)部和濾芯，保證清洗無死角。倉側(cè)壁設(shè)有小料投料門，平時也可作為檢修口。

1.3 空袋抓取裝置方案設(shè)計

空袋抓取裝置主要功能是進(jìn)行料袋二次分離，靠底部氣缸驅(qū)動實現(xiàn)前進(jìn)后退動作，靠頂部氣缸實現(xiàn)上下運動動作，靠手臂氣缸控制可模仿人的動作進(jìn)行左右晃動，靠雙軸氣缸伸縮模擬人工上下抖動，該裝置外部設(shè)有保護(hù)罩子。

1.4 電氣控制系統(tǒng)方案設(shè)計

主要由觸摸屏箱及其支撐懸臂、PLC 控制系統(tǒng)、電氣柜和氣控柜等部分組成，具備手動和自動兩種控制模式，觸摸屏箱設(shè)有急停開關(guān)，如圖2 所示。

圖2 手動和自動兩種控制模式面板Fig.2 Panels for manual and automatic control modes

2 搭建試驗平臺，對總體設(shè)計方案部分功能進(jìn)行驗證

殘料量是衡量自動解包站一個重要經(jīng)濟指標(biāo)，也是困擾自動解包站工作性能的一個難題，假設(shè)每袋殘料量是8%，約200 克，價值2 元錢，有些物料價值更高，之前處理過的價值最高的物料每千克達(dá)到上百元。按整機工作效率每小時40 袋計算，直接經(jīng)濟損失就是80 元/小時，常年累計，經(jīng)濟損失驚人。目前公司某項目外購自動解包站殘料量為250 克/袋，占總重10%，殘留物料隨著包裝袋一起按廢品處理，不但浪費大，而且污染了環(huán)境。所以本次研發(fā)自動解包站重點圍繞怎樣減小殘料量展開，設(shè)定的目標(biāo)是經(jīng)首次和二次料袋分離后最終殘料量合格標(biāo)準(zhǔn)小于總重的2%，也就是說對于25 公斤的料袋殘料量應(yīng)小于50 克，此殘留量遠(yuǎn)低于國內(nèi)同類產(chǎn)品，處于領(lǐng)先地位。

2.1 測試首次料袋分離后殘料量

2.1.1 第一次試驗

對物料為PE 包裝袋裝的25 公斤淀粉進(jìn)行試驗，連續(xù)做三次試驗，試驗平臺結(jié)構(gòu)如圖3 所示，結(jié)構(gòu)主要包括投放物料的角度可調(diào)的傾斜平臺、開袋用的圓盤刀、進(jìn)行首次分離的振動篩和不銹鋼支撐框架，試驗結(jié)果：物料殘料量分別為261 克、452 克和565克。

圖3 試驗平臺Fig.3 Experimental platform

2.1.2 第二次試驗

通過第一次實驗發(fā)現(xiàn)殘料量太高，所以對實驗平臺進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，把開袋圓盤刀數(shù)量由3 把增加到7 把，切刀間距由150 mm 調(diào)整為75 mm，結(jié)構(gòu)如圖4 所示，采用同樣規(guī)格物料進(jìn)行第二次測試。試驗結(jié)果：物料殘料量分別為141 克、244 克和337克。殘料量明顯減少。

圖4 增加刀數(shù)試驗平臺Fig.4 Experimental platform with increased number of blades

2.1.3 第三次試驗

綜合兩次試驗結(jié)果分析，殘料都集中在料袋4個袋角處，為解決殘料量大的問題對實驗平臺進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計，把振動篩格柵改成勾型設(shè)計，解決頂部兩角存料，增加擋袋裝置，該裝置底部帶有切刀，由氣缸驅(qū)動從料袋底部把料袋劃開，解決料袋底部兩角存料問題。結(jié)構(gòu)如圖5 所示。試驗結(jié)果：物料殘料量分別為101 克、98 克和106 克，殘料量顯著減少。

圖5 增加擋袋裝置試驗平臺Fig.5 Experimental platform with bag blocking device

三次試驗殘料量對比如圖6 所示。

圖6 殘料量對比圖Fig.6 Comparison chart of residual quantity

2.2 二次料袋分離測試

先通過振動篩進(jìn)行首次分離，再采用空袋抓取裝置把經(jīng)過首次分離還有殘料的料袋抓起，模擬人工進(jìn)行上下抖動和左右晃動，達(dá)到第二次減少殘料量的效果。

2.2.1 第一次試驗

物料為PE 包裝袋裝的25 公斤淀粉，連續(xù)做三次試驗，抓取手指采用L 型手指，結(jié)構(gòu)如圖7 所示，實驗結(jié)果因為PE 袋表面光滑，手指為304 不銹鋼材質(zhì)，兩者接觸摩檫力小導(dǎo)致抓取后在模擬人工上下抖動時分離，殘料量分別為103 克，98 克和87克。

2.2.2 第二次試驗

改變手指形狀，采用直手指，與料袋接觸的表面加工成鋸齒型，增大摩擦力，結(jié)構(gòu)如圖8 所示，實驗結(jié)果和第一次試驗相同，在模擬人工上下抖動和左右晃動時分離，分析原因為手指與料袋接觸面積小，料袋滑動導(dǎo)致。殘料量分別為104 克，95 克和110克。

2.2.3 第三次試驗

繼續(xù)采用直手指，手指與料袋接觸的表面加工成鋸齒型，并且加長手指長度，結(jié)構(gòu)如圖9 所示，手指這樣設(shè)計可以增大手指與料袋摩擦力，靠手指推力和格柵的阻力限制料袋滑動，一次抓取成功，殘料量分別為35 克，42 克和38 克，滿足使用功能要求，殘料量達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。

圖9 加長直手指Fig.9 Extended straight fingers

三種手指對比試驗結(jié)果對比如圖10 所示。

圖10 不同類型手指試驗殘料量對比圖Fig.10 Comparison chart of residual quantity with different finger types

3 樣機設(shè)計制造和測試，按試驗平臺測試結(jié)果對整體方案設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化

3.1 拆包機優(yōu)化設(shè)計

開袋圓盤刀數(shù)量設(shè)計為7 把，間距為72 mm，可實現(xiàn)最佳開袋效果。保證料袋升到最高位置開始滑動，這樣料袋具有較高滑動速度，保證能滑到振動篩中心位置，落料平臺設(shè)計擋袋裝置，該裝置底部設(shè)有切刀，可以沿料袋底部把料袋劃開，解決料袋頂部底角存料的問題，同時該裝置有利于料袋分離及后期的料袋抓取，結(jié)構(gòu)如圖11 所示。

圖11 拆包機結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structure diagram of bag opening machine

3.1.1 擋袋裝置驅(qū)動氣缸設(shè)計

圖12 為 擋袋裝置受力圖，摩擦力忽略不計。

圖12 擋袋裝置受力圖Fig.12 Bag retaining device force diagram

F=G×cos45°=25×9.8×0.71=1 739.5 N

M=F×L=1 739.5×0.35=608.8 N·m

氣缸受力：F1=608.8/0.76=801 N，查樣本在0.3 MPa 下，直徑φ63 氣缸推力為935 N。

3.2 解包倉的優(yōu)化設(shè)計

解包倉振動篩格柵采用勾型設(shè)計，該結(jié)構(gòu)可解決料袋底部兩個頂角存料問題；金屬濾芯數(shù)量為7 只，分成3 組，每組頂部設(shè)有噴嘴，靠脈沖閥控制噴嘴，保證2 組濾芯往外抽風(fēng)，1 組濾芯向內(nèi)反吹，防止濾芯短時間內(nèi)發(fā)生堵塞，延長濾芯使用壽命，結(jié)構(gòu)如圖13 所示。

圖13 解包倉結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Structure diagram of unpacking chamber

3.2.1 除塵系統(tǒng)設(shè)計計算

3.2.1.1 不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)濾芯面積的設(shè)計

投料門面積比出袋門要大，所以選投料門尺寸，長×高=665×490 mm 計算進(jìn)風(fēng)口，總面積為S總=0.665×0.49=0.33 m2；風(fēng)速取經(jīng)驗值為1 m/s。

進(jìn)風(fēng)量Q進(jìn)=60×1×0.33=19.8 m3/min。

不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)濾芯的透氣能力為45 m3/m2/min，開孔率為38%。

所以濾芯面積為S濾=（Q進(jìn)/45）/0.38=1.2 m2。

3.2.1.2 除塵風(fēng)機的選擇

根據(jù)濾芯面積確定采用9-19 系列高壓軸流風(fēng)機，風(fēng)量為1 116 m3/h；風(fēng)壓為3 647 Pa。

3.3 空袋抓取裝置的優(yōu)化設(shè)計

空袋抓取裝置抓取手指采用加長手指。

4 電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

自動控制系統(tǒng)位于配電箱內(nèi)，自動控制模塊的中央處理單元采用PLC 及觸摸屏；PLC 通過與觸摸屏連接既可實現(xiàn)面板控制系統(tǒng)開啟、停止、投料袋數(shù)設(shè)定、運行速度調(diào)節(jié)等功能，又可實時顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、報警原因等內(nèi)部數(shù)據(jù)[5]。能夠精確地自動控制該自動解包站投料、拆袋、物料振動分離、除塵清洗、空袋抓取和料袋二次分離，實現(xiàn)拆袋自動化。用手自動轉(zhuǎn)換按鈕，可實現(xiàn)手動控制單獨控制，滿足其他使用要求。

控制系統(tǒng)工作流程如下：

物料放在落料平臺上，有信號輸出，控制旋轉(zhuǎn)刀電機和除塵風(fēng)機啟動；此時進(jìn)料門為全開狀態(tài)，出袋門為全閉狀態(tài)，平臺氣缸啟動完全伸出，物料靠重力滑落到投料倉里的振動篩上，進(jìn)料門關(guān)閉，振動篩振動電機啟動和平臺復(fù)位，當(dāng)平臺完全復(fù)位，控制供料裝置給平臺供料。振動篩振動電機收到進(jìn)料門完全關(guān)閉信號后啟動，用振動篩振動代替人工抖動實現(xiàn)料袋首次分離，除塵組件保證開袋和振動篩工作時粉塵不逸出，保護(hù)操作環(huán)境。振動電機振動停止，投料倉出袋門開啟，此時空袋抓取機構(gòu)啟動和進(jìn)料門開啟?？沾トC構(gòu)啟動，通過手臂氣缸驅(qū)動將機械手臂伸入投料倉內(nèi)，完全到位后控制前后驅(qū)動氣缸活塞桿伸出，保證手指氣缸到達(dá)投料倉中心位置，氣缸活塞桿完全伸出，控制上下驅(qū)動氣缸活塞桿開始伸出，保證加長手指處于最佳抓取位置，伸出到位后控制手指氣缸供氣，氣缸閉合，帶動加長手指抓取空袋，手指氣缸完全閉合后，控制上下驅(qū)動氣缸縮回，此時雙桿氣缸伸出，雙桿氣缸隨后縮回，反復(fù)伸出縮回3次實現(xiàn)抖袋功能，抖動完成后氣缸活塞桿處于完全縮回狀態(tài)，控制手臂氣缸啟動，延時改變氣缸供氣電磁閥方向，使氣缸縮回，重復(fù)來回3 次，實現(xiàn)晃動功能，晃動停止，手臂氣缸完全歸位，控制前后驅(qū)動氣缸縮回，控制啟動手臂氣缸，帶動機械手臂回到起始位置，控制手指氣缸供氣電磁閥換向供氣，氣缸張開，帶動加長手指松開，空袋靠重力自由落體掉進(jìn)空袋收集裝置里，手指氣缸完全張開后，控制出袋門氣缸啟動，活塞塊向下運動關(guān)閉出袋門。落料平臺檢測到物料后，此時出袋門完全關(guān)閉和進(jìn)料門完全開啟，設(shè)備進(jìn)入新的工作周期。

5 自動解包站外觀優(yōu)化設(shè)計

增加裝飾面板，美化設(shè)備外觀；增加空袋抓取罩子，美化外觀同時防止廢袋收集時少量粉塵外溢，保護(hù)環(huán)境。自動解包站各部分優(yōu)化設(shè)計后，整體結(jié)構(gòu)如圖14 所示。

圖14 自動解包站結(jié)構(gòu)圖Fig.14 Structure diagram of automatic unpacking station

6 樣機制造和帶料測試

樣機加工制造完成后，進(jìn)行帶料測試，測試地點為北京市大興區(qū)北京誠益通科技有限公司生產(chǎn)制造車間，對測試物料為PE 袋裝的25 公斤淀粉進(jìn)行試驗，每次連續(xù)投料三次，總共三次試驗，試驗結(jié)果令人振奮，工作效率為40 袋/小時，三次試驗殘料量見表 1。

表1 三次試驗殘料量數(shù)據(jù)表Tab.1 Data table of residue in three tests

7 結(jié)論

開發(fā)的全自動解包站可對10～ 25 kg 的粉粒體物料進(jìn)行拆包投料，是將PE 袋裝粉料進(jìn)行料包分離的專用設(shè)備，設(shè)備運行消耗功率小，簡單、可靠，卸凈率高、故障率低，減少了維護(hù)工作量，維護(hù)及維修成本低。開袋解包徹底，自動化程度高，投料解包過程中沒有人員參與，從而杜絕了粉塵對勞動者的健康影響，減少勞動力成本，由機械拆包代替手工拆包，減輕了勞動強度，改善了作業(yè)環(huán)境，提高了生產(chǎn)效率[6]。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，安全便利，在制藥、獸藥、食品等行業(yè)的袋裝物料的拆包應(yīng)用前景廣闊。