铝型材自动折纸包装工艺方法的研究

郗志刚，艾 文，何 杰，刘银庭，刘允棠

（1. 佛山科学技术学院机电工程与自动化学院，广东佛山528225；2. 佛山市嘉荣智能机械有限公司，广东 佛山528137；3. 广东兴发铝业有限公司，广东 佛山528137）

中国是全世界的铝型材生产大国［1-2］，为了保护铝型材表面，使其在仓储、运输等环节不被损坏，90%以上的铝型材在加工完成后都必须进行包装，铝型材包装还具有防潮、防尘、防氧化等功能。因此，包装是铝型材储存和运输的重要保护措施，直接影响产品使用和市场信誉［3-4］。基于绿色制造理念［5］，目前铝型材的包装材料一般使用卷筒纸，属于绿色可回收材料，但由于铝型材制品规格繁多，而且纵向尺寸长（一般都达到6 m，特殊规格更长），重量大，国内外还没有成熟的铝型材全自动包装设备。目前生产企业一般使用人工折纸包装或半自动缠绕包装机包装，存在生产效率低、用工量大、劳动强度大、成本高以及质量不稳定等问题，急需使用自动化包装设备替代传统手工操作。

为了解决目前铝型材包装中存在的问题，研发铝型材全自动包装的相关装备并实现产业化，笔者走访了珠三角多家大型铝型材生产企业，与企业的技术人员和生产人员进行了深入的交流和探讨，应用TRIZ［6-8］理论，确定一种全自动折纸包装的工艺方法，并通过制造样机进行了试验验证。

1 全自动折纸包装线的总体布局

TRIZ 理论是一套具有完整体系的发明问题解决理论和方法，已经成为解决技术问题和发明问题的强有力的方法。实践证明，运用TRIZ 理论，可大大加快人们创造发明的进程且能得到高质量的创新产品，在包装机械设备中也是如此。在包装线确定方案和总体布局时，基于TRIZ 理论和模块化设计方法［9-10］，设计出最终的自动折纸包装线的总体布局如图1 所示。

图1 全自动折纸包装线布局示意

图1 中，1 为机架，2 为卷筒纸，3 为送纸模块，4 为点胶模块，5 为引纸模块，6 为待包装铝型材输入传送模块，7 为包装工位上、下料模块，8 为折纸模块，9 为已包装铝型材输出传送模块。包装过程步骤为：1）铺包装纸。由引纸模块5 上的夹持机构夹紧卷筒纸的端部，沿机架1 上的导轨移动，到达需求位置，裁断包装纸，并将包装纸平铺在包装工位上（在拉纸过程中，点胶模块4 将热熔胶沿纵向喷涂在包装纸的一个侧边）。2）上料。模块7 将待包装的铝型材从输入传送模块6 的抓取位置夹起工件，移动到包装工位，并将工件放置在已铺设好的包装纸上。3）折纸包装：通过折纸模块8 将包装纸折叠包裹在铝型材外表面，并利用热熔胶封边。4）下料。模块7 将已包装的铝型材从包装工位抓起，移送到输出传送模块9 上。5）在输出传送模块上，完成称重、封头、码框等后序工作。

2 折纸包装模块的基本组成

自动折纸包装部分主要由升降装置和左、右折纸装置等组成，其组成示意如图2 所示。

图2 自动折纸包装部分组成示意

图2 中，1 为待包装的铝型材（横断面），3 为包装纸。1）左折纸装置主要包括折纸辊筒4、折纸板5、步进电机6、螺母7、滚珠丝杠8 等零部件。步进电机可通过滚珠丝杠副驱动折纸板和折纸辊筒做左右直线往复运动，其移动距离根据待包装的铝型材横断面宽度确定，由电气系统控制。2）右折纸装置的组成和运动形式与左折纸装置基本相同。3）升降装置主要包括升降平台2、升降齿条9、定位导向轮10、升降齿轮11 等零部件，升降平台2 与升降齿条9 固连。升降齿轮11 由伺服电机驱动（图2 中未示出），通过齿轮齿条副使升降平台做上下直线往复运动，其升降高度由铝型材横断面高度确定。

3 自动折纸包装的方法和步骤

3.1 自动折纸包装的方法

折纸包装前，步进电机驱动升降平台左右两侧折纸板，使折纸辊筒之间的距离略大于铝型材宽度；引纸模块夹持卷筒纸的端部，沿机架上的导轨直线移动，达到所需长度时，裁断包装纸，松开夹持的端部，将包装纸平铺在升降平台上；在引纸过程中，点胶模块将热熔胶喷涂在包装纸上表面的一个纵向侧边上；上料模块将待包装的铝型材放置在已铺设好的包装纸上。至此，折纸的前序工作完成，此时折纸包装各组成部分的相对位置如图2 所示。

3.2 自动折纸包装的步骤

折纸包装的过程主要分为以下4 个步骤，如图3 所示。

图3 自动折纸包装方法

（1）翻折两侧面包装纸。伺服电机通过齿轮齿条副，使升降平台下降，铝型材及包装纸随平台同步下降，直至两侧折纸辊筒均略高于铝型材上表面；在这个过程中，两侧折纸辊筒使包装纸向上翻折，并紧贴铝型材两侧面，完成铝型材两侧面的包装，如图3a 所示。

（2）翻折接口内层。一侧的步进电机通过滚珠丝杠副驱动折纸板和折纸辊筒朝向铝型材横向移动，推动包装纸向内翻折，覆盖在铝型材上表面并形成包装接口内层，如图3b 所示。

（3）翻折接口外层，粘接封口。另一侧的电机驱动折纸板和折纸辊筒朝向铝型材横向移动，推动带有热熔胶一侧的包装纸向内翻折，同时对面的折纸辊筒同步后退，使接口外层压在内层上，最终内、外层粘接在一起，完成铝型材上表面的包装，如图3c 所示。

（4）包装完成。另一侧折纸辊筒后退复位，升降平台上升复位，将已包装好的铝型材抬起，完成折叠包装过程，如图3d 所示。

在自动折纸过程中，可根据铝型材宽度尺寸来设置折纸横向驱动器的控制参数，改变折纸辊筒的初始位置和行程距离，以适应不同宽度的铝型材；还可根据铝型材高度尺寸来设置纵向驱动器的控制参数，改变升降平台的行程距离，以适应不同高度的铝型材。

最后，下料模块将已包装的铝型材从包装工位抓起，移送到输出传送模块上。在输出传送过程中，完成称重、封头，并码放到料框内。

4 其他模块的基本组成和工作原理

4.1 送纸模块

4.1.1 送纸模块组成

送纸模块主要由送纸机构和裁纸机构两部分组成，如图4 所示。

图4 送纸模块

图4 中，5 为包装纸，压纸气缸1、压纸辊筒2、驱动电机3、送纸辊筒4 等组成送纸机构，下裁纸刀6、上裁纸刀7 和裁纸气缸8 组成裁纸机构。

4.1.2 送纸模块工作原理

送纸时，压紧气缸1 活塞杆向下伸出，将包装纸5 压紧在压纸辊筒2 和送纸辊筒4 之间，电机3 驱动辊筒4 旋转，将包装纸向右侧送出；控制驱动辊筒4 的旋转圈数，可控制送纸长度。包装纸右端由引纸模块的夹持机构夹紧，并向包装工位牵引，到达位置后，裁纸气缸8 动作，使上裁纸刀7 向下摆动，将包装纸裁断。

4.2 引纸模块

4.2.1 引纸模块组成

引纸模块主要包括夹持机构和拉纸机构两部分组成，如图5 所示。

图5 引纸模块

4.3 上、下料模块

4.3.1 上、下料模块组成

上、下料模块主要包括移位机构、升降机构和夹取机构等三部分组成，如图6 所示。图中10 为铝型材，同步齿形带轮1、同步齿形带2、移位座3、升降滑块4、升降齿轮13 等组成移位机构，升降导轨5、夹取固定座6、升降齿条12 等组成升降机构，同步齿形带轮7、同步齿形带8、夹取爪9 和11 等组成夹取机构。

4.3.2 上、下料模块工作原理

上料时，电机驱动齿轮1，使同步带2 将移位机构运动至待包装铝型材输入传送装置上方；电机驱动齿轮13 旋转，升降机构下移，使夹取机构到上料工位；步进电机驱动齿轮7 逆时针旋转，使夹取爪9 和10 将工件夹紧；升降机构上移，使铝型材上升到一定高度；移位机构动作，将铝型材搬运到包装工位上方；升降机构下降，将铝型材放到包装纸上方；夹取机构动作，将铝型材松开；升降机构上升，将夹紧机构提升至一定高度，避免干涉下方包装工位的动作。下料时，工作原理和过程与上料相同，只不过是从包装工位夹取已包装的铝型材，输送至输出传送装置上。

图6 上、下料模块

5 工艺方法试验

铝型材自动折纸包装试验样机如图7 所示。该样机可包装的铝型材最大长、宽、高规格分别为7 500、250 和200 mm，包装误差在±3 mm 以内，包装纸外表面平整，平均最大包装速度可达到150 件/h。目前样机已在铝型材生产企业试用，能完全满足铝型材纸包装的质量要求和生产效率。

图7 试验样机

6 小结

应用该工艺方法研发的铝型材自动折纸包装线生产效率高，包装质量稳定，在实际生产中可大大减少用工量和劳动强度。该铝型材自动折纸包装机构已获得国家知识产权局发明专利的授权。