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回轉(zhuǎn)式水泥包裝機已成為水泥包裝的主流產(chǎn)品，具有高效、可靠、穩(wěn)定性好等特點，但是普遍面臨的問題在于操作過程中需要人工套袋才能完成水泥灌裝，不僅勞動強度大，而且在粉塵污染環(huán)境下作業(yè)危險，容易造成生產(chǎn)事故，降低生產(chǎn)效率[1—5]。為此，以回轉(zhuǎn)式水泥包裝機為研究對象，開發(fā)與其配套的自動套袋裝置，以實現(xiàn)水泥包裝過程的全自動化。
1總體設(shè)計
回轉(zhuǎn)式水泥包裝機在操作過程中，除人工套袋外，其他如灌裝、計量、掉袋等均可自動完成。在包裝機四周均勻分布有多個出料噴嘴，研究的自動套袋裝置主要功能是將閥口袋穩(wěn)定地套至出料噴嘴上，實現(xiàn)與回轉(zhuǎn)式水泥包裝機同步對接，以代替人工進行自動套袋。自動套袋裝置主要適用于尺寸為500mm×650mm的閥口袋包裝，設(shè)計套袋速度為1200袋/h，套袋成功率不低于99.9%，依據(jù)人工套袋工作流程，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計[6—7]。自動套袋裝置可實現(xiàn)供袋、取袋和套袋等功能，對應(yīng)的3個模塊功能為：供袋機構(gòu)，從供袋盤連續(xù)輸送閥口袋；取袋機構(gòu)，吸取閥口袋并將袋口張開至可套入水泥包裝機出料噴嘴的尺寸；套袋機構(gòu)，機械手爪抓取張開狀態(tài)的閥口袋，將閥口袋套入運動中的出料噴嘴，與包裝機對接完成灌裝流程。
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1，左邊為回轉(zhuǎn)式水泥包裝機，右邊為與其配合的自動套袋裝置。在包裝機四周均勻分布多個出料噴嘴，繞包裝機中心軸回轉(zhuǎn)，當(dāng)每個出料噴嘴旋轉(zhuǎn)至套袋工位時，自動套袋裝置迅速將閥口袋套至出料噴嘴上。閥口袋精準(zhǔn)、平穩(wěn)地張開動作非常關(guān)鍵，可借鑒不同包裝機張袋方式進行綜合設(shè)計[8—9]。圖1中自動套袋裝置的吸盤1和吸盤2同時從供袋盤上吸取閥口袋，吸盤2垂直運動，吸盤1做逆時針弧線提升，由于提升高度不一致，且單邊吸取，吸盤1沿弧線逆時針提升后，閥口袋袋口因兩側(cè)面受力不均勻而自動張開，達到張袋目的。袋口張開后，機械手抓取閥口袋，套袋機械臂牽引與出料噴嘴對接。機械手抓取袋口已張開的閥口袋，套袋機械臂牽引完成套袋。

2供袋機構(gòu)
供袋機構(gòu)連續(xù)不間斷地提供袋源，同時具有自動檢測無袋信息和閥口袋位置的功能。采用SolidWorks軟件設(shè)計的供袋機構(gòu)三維結(jié)構(gòu)見圖2，由主袋庫盤和過渡袋庫盤組成，交替工作。設(shè)備初始運行時，閥口袋被送至主袋庫盤，主袋庫盤將閥口袋運至套袋工位，開始進行自動套袋。計數(shù)器記錄套袋數(shù)量，當(dāng)主袋庫盤上閥口袋的數(shù)量少于一定數(shù)量時，過渡袋庫盤接替主袋庫盤供袋，主袋庫盤回到初始位置，下一批閥口袋運送至主袋庫盤上，當(dāng)過渡袋庫盤上的閥口袋全部套完后，主袋庫盤繼續(xù)進行供袋，進入下一工作循環(huán)。該設(shè)計實現(xiàn)了袋庫盤的連續(xù)供袋，提高了自動套袋裝置的運行效率。

3取袋機構(gòu)
取袋機構(gòu)主要功能是吸取套袋工位的閥口袋，并張開袋口等待機械手爪抓取。吸取和張開袋口動作同時進行，利用閥口袋單邊受力后袋口自動變形而張開袋口，前后同時吸取。由于前后吸取高度差，加上壓袋裝置的作用使得袋口自然變形張開。取袋機構(gòu)工作原理見圖3，后吸盤與后吸袋氣缸直接連接，前吸盤與前吸袋氣缸之間由平行四桿機構(gòu)轉(zhuǎn)換運動方式，平行四桿機構(gòu)還具有行程放大的功能。工作時，前后吸盤同時吸取，前后吸袋氣缸縮回，帶動前后吸盤的提升，前吸盤在平行四桿機構(gòu)的帶動下，位移量比后吸盤大，壓袋桿對閥口袋的阻力導(dǎo)致袋口自然變形后張開。見圖3，設(shè)計的平行四桿機構(gòu)桿長度s=300mm，壓袋桿相對平行四桿機構(gòu)位置c=70mm，d=50mm，前吸盤相對高度b=100mm，伸出長度a=20mm。通過調(diào)節(jié)氣缸與平行四桿機構(gòu)的相對位置，可達到理想的袋口張開效果。

取袋機構(gòu)三維結(jié)構(gòu)見圖4，主要由前后吸盤、前后吸袋氣缸、壓袋桿、換向臂和平行四桿機構(gòu)等組成。前吸盤采用換向臂結(jié)構(gòu)布置，3個吸盤均勻布置，換向臂為空心管結(jié)構(gòu)，吸盤氣路布置在換向臂內(nèi)，這樣既降低了吸盤氣路受閥口袋粉塵的影響，又避免了氣管布置因反復(fù)運動造成的氣管老化和漏氣問題。同時，換向臂使得前吸袋氣缸可以布置在閥口袋的套袋工位以外，使得空間布局更加開闊，解決了與套袋機構(gòu)機械手爪運動產(chǎn)生運動干涉等問題。壓袋桿為圓桿，取袋時與閥口袋表面貼合度好，不至于造成袋子的損壞。

4套袋機構(gòu)
套袋機構(gòu)主要實現(xiàn)將閥口袋平穩(wěn)套至出料噴嘴上。由于出料噴嘴不是靜止?fàn)顟B(tài)，而是隨著包裝機作圓周回轉(zhuǎn)運動，增加了套袋機構(gòu)的設(shè)計難度。這里，采用機械手爪和機械臂來設(shè)計套袋機構(gòu)[10—13]。設(shè)計的套袋機構(gòu)三維結(jié)構(gòu)見圖5，由機械手爪抓取張口的閥口袋，在機械臂的驅(qū)動下，與回轉(zhuǎn)式包裝機的出料噴嘴對接，完成套袋動作。套袋機構(gòu)運行的軌跡與出料噴嘴軌跡嚙合時兩者對接穩(wěn)定性較高。機械臂結(jié)構(gòu)采用四桿機構(gòu)構(gòu)型，四桿機構(gòu)末端運動軌跡變化取決于各桿桿長的比例[14—16]。對機械臂四桿機構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)空間布局和套袋機構(gòu)運動軌跡，優(yōu)化設(shè)計出機械臂四桿機構(gòu)的最佳尺寸。

機械手爪采用氣缸驅(qū)動，通過中間連接桿聯(lián)接2個手爪關(guān)節(jié)，使2個手爪關(guān)節(jié)運動能夠同步，見圖6。機械手爪在抓取袋子時，需避開取袋機構(gòu)的換向臂，同時還要求能夠維持袋口張開狀態(tài)，因此，將手爪設(shè)計成對稱結(jié)構(gòu)，還能保證閥口袋與出料噴嘴的安全對接，避免手爪與回轉(zhuǎn)式包裝機出料噴嘴產(chǎn)生干涉。在手爪末端添加了緩沖墊設(shè)計，緩沖墊可以有效地降低在夾取袋子時由于速度過快和力量過大造成袋子破損的幾率。

在SolidWorks中給模型添加材料屬性，測得機械手爪質(zhì)量為5.2kg，四桿機械臂的質(zhì)量為13.22kg，距回轉(zhuǎn)中心的距離為826.6mm，四桿機械臂的轉(zhuǎn)動慣量為5.85kg·m2。根據(jù)四桿機械臂的參數(shù)，選用取袋機構(gòu)的伺服電機型號為YASKAWA的SGMGV-09A，額定輸出功率為0.85kW，額定轉(zhuǎn)矩為5.39N·m，瞬時最大轉(zhuǎn)矩為13.8N·m，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為13.9×10-4kg·m2。
5系統(tǒng)裝配
在完成供袋、取袋、套袋機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，在SolidWorks中對各個機構(gòu)進行虛擬裝配，系統(tǒng)裝配模型見圖7。經(jīng)虛擬裝配后，牽引各機構(gòu)運動，并未發(fā)現(xiàn)有運動干涉現(xiàn)象，各個模塊的機構(gòu)設(shè)計符合要求。

6結(jié)語
針對回轉(zhuǎn)式水泥包裝機需要人工套袋的難題，開發(fā)與其配套的自動套袋裝置，由供袋、取袋和套袋機構(gòu)等3個模塊組成。供袋機構(gòu)連續(xù)供應(yīng)閥口袋，取袋機構(gòu)吸取和張開閥口袋，套袋機構(gòu)將閥口袋套入運動中的出料噴嘴，與包裝機對接完成水泥灌裝流程。采用SolidWorks軟件進行自動套袋裝置的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，在參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，設(shè)計了各個模塊的三維機械結(jié)構(gòu)，并進行虛擬系統(tǒng)裝配，驗證了機構(gòu)設(shè)計符合設(shè)備要求。
 

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