自动贴标机的设计与分析

□ 陈金鑫

黑龙江科技大学 机械工程学院 150028

1 设计背景

20世纪80年代,包装机械在烟草加工、制糖、盐业行业发展缓慢。20世纪90年代后期,经济迅猛发展,市场对包装机械的需求不断增加,包装机械发展迅速。目前,我国包装机械的开发目前仍存在不少问题。一是缺乏宏观调控,在产品生产和开发上出现低水平无序竞争。二是缺乏资金投入,设备更新迭代速度缓慢,难以进行大量高新技术的开发。三是缺乏专业技术人员,导致自主开发产品和创新能力不足。可见,实现包装机械的自动化或半自动化开发,具有重要意义。笔者设计了自动贴标机,具有良好的应用价值。

2 技术路线

贴标机是包装机械的一种,通常在包装结束时用粘合剂将标签粘贴到指定的容器上。市场上贴标机的种类很多,功能各异,但基本原理都相似。市面上常用的贴标机一般可完成平面粘贴、单面或多面粘贴、柱面粘贴、局部或全部粘贴、凹陷及边角部位粘贴等各种作业功能。笔者基于贴标机的技术要求和贴标工艺要求,给出自动贴标机的技术路线,如图1所示。

笔者设计的自动贴标机主要具有三方面功能。自动贴标机的贴标头可以精确地将标签粘贴到容器表面。自动贴标机的贴标头有一定的运动范围,贴标头可以上下移动,适应不同的贴标高度。维修和安装方便,成本不过于昂贵。所设计的自动贴标机整体结构如图2所示。

▲图1 自动贴标机技术路线

▲图2 自动贴标机整体结构

3 设计

自动贴标机主要由可编程序控制器、输送机构、贴标头三大部分组成。

3.1 可编程序控制器

可编程序控制器具有高实时性和可靠性、系统配件选择较为灵活等优点,采用模块化结构。选择西门子 S7-300 系列可编程序控制器。S7-300系列可编程序控制器属于模块化小型控制系统,能够满足中等性能要求的应用,具备高速指令运算速度,用浮点数运算,可以实现复杂的算术运算。S7-300系列可编程序控制器设置有操作方式选择开关,操作方式选择开关拔出后,不能改变操作方式,可以防止应用程序被非法删除或改写。

3.2 输送机构

输送机构结构如图3所示,由链板、伺服电机、置物平台、导向板等部分组成。可编程序控制器设置速度参数,以达到控制传送速度的目的。伺服电机通过弹性联轴器与传动机构连接,弹性联轴器主要起传递扭矩、补偿轴间安装偏差、吸收设备振动、缓冲载荷冲击等作用。

▲图3 输送机构结构

自动贴标机工作时,伺服电机带动传送链运动,机械手将需要贴标签的容器抓取到传送带的起始位置。导向板上安装有传感器,根据不同容器的外形,使容器沿预定路线传送。容器贴标完成后,传送链持续传动。在传送带末端设置有导向板,能改变已贴标签容器的前行方向,到达置物平台。最后由人工或者机械手进行整理、打包。

3.3 贴标头

贴标头结构如图4所示。贴标头是自动贴标机的关键机构。贴标卷纸安装在料盘轴上,伺服电机通过带轮驱动放料装置中的主动轴转动,在摩擦力的作用下,牵引贴标卷纸运动。在贴标过程中,贴标卷纸始终保持一定的张力,避免出现松弛现象。贴标卷纸带经过剥标板后,贴标卷纸上的标签与底板分离,标签在惯性作用下继续向前运动。由于贴标容器与标签之间挤压,使标签牢固地粘在贴标容器表面。底板卷纸由伺服电机带动收料轴进行回收,等待贴标工作完成后,人工取下收料轴上的底板卷纸废料,进行下一轮工作。

▲图4 贴标头结构

4 静力学分析

笔者以标头底板为研究对象,应用SolidWorks软件建立三维模型。在保证分析精度的前提下,为便于模型处理和分析,对倒角、螺纹、装配孔等结构进行简化。应用ANSYS Workbench软件建立标头底板静力学模型,得到整体变形云图,如图5所示。

▲图5 标头底板变形云图

标头底板材料选用Q235钢,密度为7 850 kg/m3,弹性模量为200 GPa,泊松比为0.3,屈服强度为235 MPa。Q235钢含碳量较低,综合性能较好,强度、塑性和焊接性能具佳,大量应用于对机械性能要求不高的机械零件。

网格划分是建立有限元模型的重要环节。模型采用自由网格划分,各部件采用ANSYS Workbench 软件中的Bonded接触单元进行连接。在进行网格划分时,将单元尺寸控制在4 mm以内,划分速度选取慢速、平滑过渡,网格相关度为100,转换比例为0.272,得到有限元分析模型包含29 460个单元、16 415个节点。

由图5可以看出,在静态载荷作用下,变形最大的位置出现在标头底板边缘部位,值为9.83×10-7mm,能够满足设备的使用性能要求。标头底板在静载荷作用下受到影响的部位为中心及边缘,连接孔在载荷作用下的变形范围为0～2.19×10-7mm,未发生较大变形,结构趋于稳定。

由以上分析可见,标头底板在正常工作状态下的最大变形在可承受范围内,标头底板能够满足设计要求和正常的工作需要。

5 结束语

笔者针对市场上常见的贴标机进行分析与改进,设计了自动贴标机。自动贴标机以可编程序控制器为核心,采用机电一体化系统性设备,既可以在单机小作坊使用,也具备大中型生产车间柔性自动化对接使用的优点。自动贴标机的开发减轻了工人劳动强度,被贴标的容器具有广泛性,适用于形状规则或者贴标区域面积较大的容器,符合现代包装机械的设计要求和理念。

自动贴标机满足客户产品多样化和贴标准确化的需求,具有一定的实用和推广价值。