（机械电子工程专业论文）全自动气动贴标机的研究与开发.pdf

顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 y 5 7 1 4 73 摘要 随着我国包装工业的快速发展，贴标机的使用越来越广泛。但在大部 分贴标机中使用步进电机或伺服电机作为驱动元件，其结构和控制复杂， 制造成本高。因此，研究和开发一种成本低、结构紧凑、操作简单、精度 高的全自动气动贴标机具有重要的实际价值。 论文中介绍了在这方面的研究，完成的工作主要有：( 1 ) 根据实际的 贴标工艺，设计了贴标机总体结构；( 2 ) 对贴标工艺中的关键技术进行了 深入研究，设计了一种新颖的机一电一气一体化机构，该机构能实现准确 送标、自动剥离、可靠贴标和柔顺抚压等复杂动作；( 3 ) 设计了具有夹持 和吸持双重功能，并可按复合运动路径取出成品的气动机械手，该机械手 工作可靠，运动灵活；( 4 ) 利用三维c a d 软件完成了对贴标机的实体造型 和虚拟装配，缩短了研制周期，提高了贴标机的设计质量；( 5 ) 采用电一 气控制及阀岛技术实现系统控制，目前贴标机运行状态良好。 论文为气动技术在自动贴标机中的应用提供了一个较好的实例。 关键词：自动贴标机，气动技术，机械手，虚拟装配，p l c 顾士论立 ：自动气动贴标机的研究与开发 a b s t r a c t w i t hth er a p i dd e v e l o p m e n to fp a c k a g i n gi n d u s t r y , t h eu s e so f l a b e l i n g m a c h i n e sa r em o r ee x t e n s i v e i nt h em o s to f l a b e l i n gm a c h i n e ss t e p p i n gm o t o r o rs e r v o m o t o ri su s e da sa c t u a t o r ，a n dt h e i rc o n s t r u c t i o na n dc o n t r o la r e c o m p l i c a t e d t h e r e f o r e ，i t h a s p r a c t i c a l v a l u et or e s e a r c ha n d d e v e l o p a a u t o m a t e d p n e u m a t i c s l a b c l i n g m a c h i n ew i t h l o w c o s t ，c o m p a c t s t r u c t u r e ， e a s y - o p e r a t i o na n dh i g hp r e c i s i o n t h er e s e a r c hw o r ki nt h e s ea s p e c t sh a sb e e ni n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nc o n t e n t si nt h i sd i s s e r t a t i o na l es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：( 1 ) a c c o r d i n g t ot h el a b e l i n gp r o c e s s ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h em a c h i n ei sd e v e l o p e d ( 2 ) a n e w t y p eo f m e c h a n i s m i sd e v e l o p e dw i t ht h ei n t e g r a t e d t e c h n i q u eo f m e c h a n i c s ， e l e c t r i c sa n dp n e u m a t i c s i tc a n a c c o m p l i s hc o m p l i c a t e dm o t i o n si n c l u d i n g a c c u r a t el a b e lf e e d i n g ，a u t o m a t i cl a b e l p e e l i n g , r e l i a b l e l a b e l s t i c k i n g a n d y i e l d i n gl a b e lp r e s s ( 3 ) ap n e u m a t i c sm a n i p u l a t o r i sd e s i g n e dt ot a k ef i n i s h e d p r o d u c t o u tw i m t h ed o u b l e - a b i l i t yo f d a m p i n g a n d s u c k i n g i tc a n m o v e a l o n g t h em u l t i - p a t h r e l i a b l ya n df l e x i b l y ( 4 ) t h es o l i dm o d e l i n g a n dv i r t u a la s s e m b l y o f l a b e l i n gm a c h i n e h a v eb e e nb u i l tw i t hat h r e ed i m e n s i o n a lc a d s o f t w a r e b y w h i c ht h em a k i n gc y c l eh a sb e e ns h o r t e n e da n dt h eq u a l i t yo fd e s i g nh a sb e e n i m p r o v e d ( 5 ) t h ee l e c t r o - p n e u m a t i cc o n t r o lt e c h n i q u ea n d t h ev a l v et e r m i n a l t e c h n o l o g yh a sb e e nu s e dt oe s t a b l i s ht h ec o n t r o ls y s t e m n o wt h el a b e l i n g m a c h i n ei sw o r k i n gw e l l a g o o de x a m p l eo fp n e u m a t i c sa p p l i c a t i o n i nt h ea u t o m a t e dl a b e l i n g m a c h i n ei sp r o v i d e di nt h i sd i s s e r t a t i o i l k e y w o r d s ：a u t o m a t e dl a b e l i n gm a c h i n e , p n e u m a t i c s ，m a n i p u l a t o r , v i r t u a l a s s e m b l y , p l c 儿 顾士论文 全自动气动贴标机的研究与开发 1 绪论 1 1 气动技术在包装机械中的应用 近半个多世纪以来，随着生产与流通日盏社会化、现代化，产品包装正以崭新的 面貌崛起，受到人们的普遍重视。电子计算机、智能机器人、各种高级自动化机械以 及智能型检测、控制、调节装置等技术已被引入产品包装中，形成了自动包装机械。 包装生产的机械化和自动化可以大大提高劳动生产率，提高包装产品质量，改善劳动 条件，降低工人劳动强度，减少占地面积，降低包装产品成本。 包装机按照其功能可分为以下几类：填充机械、灌装机械、裹包机械、封口机械、 贴标机械、清洗机械、于燥机械、杀菌机械、捆扎机械、集装机械和多功能包装机械 等。 气动技术是工业自动化的种重要技术手段，是一种低成本自动化技术，被称为 是“廉价的自动化技术”。在现代化的成套设备与自动线上，几乎都配有气动系统。 据统计：有5 0 的自动化流程，2 2 2 9 的机器人装有气动系统：有9 0 的包装机械， 7 0 的铸造、焊接设备，3 0 的采掘机械，2 0 的轻纺设备装有气动系统和元件。1 。 在包装机械中使用气动技术具有以下优点”“1 ： ( 1 ) 气动装置结构简单、轻便、安装维护简单，且在许多应用直线式执行元件 的场合，气动系统总是具有优势。气动执行元件主要用于完成选择、汇集、装入、夹 紧和卸出包装容器、所包装产品和整个包装物。设计制造复杂包装机时，特别是将几 个独立设备组装成包装线时，采用气动系统，可使整个机构大大简化，气动执行元件 和气动控制系统为整个包装自动化作业打下了基础。此外气动压力等级低，使用安全。 ( 2 ) 工作介质是空气，排气处理简单，不污染环境。在食品和饮料包装中，气 动装| 置作为一种清洁的动力源被应用于生产的各个环节，常采用真空吸盘，方便地实 现对工件的抓取动作。 ( 3 ) 输出力及工作速度的调节非常容易。气缸动作速度一般为5 0 - - 5 0 0 m m s ， 比液压和电气方式的动作速度快。在包装工艺中常需要多个动作协调，如贴标机的贴 标过程中标签和纸盒的运动线速度要求基本一致，使用气动元件，通过调节节流阀来 调节各执行元件的运动速度，以达到要求。 ( 4 ) 可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为数百万次，而一些 厂家的一般电磁阀的寿命大于3 0 0 0 0 万次，小型阀超过1 亿次。 ( 5 ) 全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。与液压方式相比，气动方式可 1 顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 在高温场合使用。例如在润滑脂等一些易燃易爆产品的包装计量灌装设备中大量使用 了气动技术。 ( 6 ) 可短时间释放能量以获得间歇运动中的高速响应，可实现缓冲，对冲击负 载和过负载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有自保持能力。因而在 动作执行中具有一定的柔性，以免损伤包装物品，气动夹具也广泛使用在自动包装线 中。 ( 7 ) 气动技术作为一种低成本自动化技术运用于包装机械，可以将许多人工操 作改为自动化操作，提高包装机的生产率，降低产品成本，提高包装质量。 由于气动技术在包装机械中应用的种种优点，使气动技术在包装机械中己得到广 泛应用，且应用范围不断扩大。 一方面，现在气动技术被用在化肥、化工、粮食、药品等许多行业，实现粉状、 粒状物料的自动计量包装；在对卫生要求较高的食品包装中，气动装置也被应用于生 产的各个环节：在烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序中，粘稠液体( 如油漆、 油墨、化妆品、牙膏等) 以及有毒气体( 如煤气等) 的自动计量灌装中也大量使用了 气动技术。 另一方面，气动技术的应用形式多样。如折叠箱的成型和安装、纸张和薄片或薄 膜的包装和折叠、从滚筒上将包装材料切断、将包装物品压紧以及包密封塑料薄膜等。 在包装线上，气动机械手取代人手完成包装材料上料、箱体成型、物件推( 放) 入箱及 封箱打包工作等等。 为保持整个生产过程和设备中工作介质完全一致，在包装工业中已广泛应用气动 传感器，以便在产品进给期间完成监测和检验功能，并检测包装产品的有无等。这也 是气动技术在包装业中应用的一个重要方面。 随着科技的发展和工业的需要，气动元件本身的性能不断提高，气动技术正向高 速化、高精度化、高输出力、高寿命方向发展，同时发展机电一体化、集成化的元件 和系统是今后气动技术发展的重要方向，这些都将使得气动技术的在包装机械中的应 用更加深入，从而进一步提高我国包装机械的设计和制造。 1 2 贴标机的应用现状及发展趋势 贴标机就是在包装件或产品上加上标签的机器。标签上的商标、主要参数、使用 说明和产品介绍，是现代包装不可缺少的，而且设计精美的标签还有助于提升公司形 象，促进产品的销售“4 ”1 。 十八世纪出现了简单的手动贴标工具，到现在已有二百年的历史。工业革命推动 了工业技术的进步，各行各业的竞争使人们对商品的包装、装潢提出了更高的要求。 2 顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 从早期的贴单一标发展到贴双标、环身标、肩标、颈标，挂标，以及其它能够增加商 品美感的装漠形式，原来简单手动贴标形式已远不能满足生产的需要，一些功能齐全、 产量高、自动化程度高的贴标机便问世了，并且飞速发展 “1 “。 自动贴标机具有以下特点： ( 1 ) 一般结构复杂，运动速度快，动作精度高。为满足性能要求，对零件的刚 度要求和表面质量等都有较高的要求。 ( 2 ) 用于食品和药品的包装机要便于清洗，与食品和药品接触的部位要用不锈 钢或经化学处理的无毒材料制成。 ( 3 ) 进行包装作业时的工艺力一般都较小。 ( 4 ) 一般都采用无级变速装置，以便灵活调整速度、调节生产能力。 ( 5 ) 特殊类型的专业机械，种类多，生产数量有限。 贴标机的分类方法多样。按自动化程度，贴标机可分为半自动贴标机和全自动贴 标机；按容器的运行方向可分为立式贴标机和卧式贴标机；按标签的种类可分为片式 标签贴标机、卷筒状标签贴标机、热粘性标签贴标机和感压性标签贴标机，收缩简形 标签贴标机：按容器的运动形式可分为直通式贴标机和转盘式贴标机；按贴标机结构 可分为龙门式贴标机、真空转鼓式贴标机、多标盒转鼓贴标机、拨杆贴标机、旋转形 贴标机；按贴标工艺特征可分为压式贴标机、滚压式贴标机、搓滚式贴标机、刷抚式 贴标机等“”1 。 目前，主要的自动贴标技术有三种： ( 1 ) “吸贴法”( 或“气吸法”) 这是最普通的贴标技术。当标签纸离开传送带后，分布到真空垫上，真空垫连接 到一个机械装置的末端。当这个机械装置伸展到标签与包装件相接触后，就收缩回去， 此时就将标签贴附到包装件上。这种技术可靠地实现正确地贴标，且精度高，这种方 法对于产品包装件的高度有一定变化的顶部贴标，或对于难于搬动的包装件侧面贴标 是非常适用的，但是它的贴标速度较慢。 ( 2 ) “吹贴法”( 或“射流法”) 这种技术的某些运作方式是与上述吸贴法相似的，就是将标签放置到真空表面垫 上固定，直到贴附动作开始为止。但在本方法中真空表面是保持不动的，标签固定和 定位在一个“真空栅”上，“真空栅”为一个上面具有几百个小孔的平面，这些小孔 是用来维持形成“空气射流”的。由这些“空气射流”吹出一股压缩空气，压力很强， 使真空栅上标签移动，让它贴附到被包装物品上。这是一项稍具复杂性的技术，它具 有较高的精度和可靠性。 ( 3 ) “擦贴法”( 或“刷贴法”) 顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 第三种贴标方法称为同步贴标法，也可称作“擦贴法”、“刷贴法”或“接触粘贴 法”。在贴标时，当标签的前缘部分粘附到包装上后，产品就马上带走标签。在这一 种贴标机中，只有当包装件通过速度与标签分配速度一致时，这种方法才能成功。这 是一项需要维持连续作业的技术。此外，为使标签的贴附满足完整恰当的要求，像刷 子或滚筒那样的第二套装置也是不可缺少的。 随着各种贴标技术的深入发展，贴标机正向着以下几个发展方向： ( 1 ) 高生产率、高可靠性、高精度、好的柔性和灵活性，注重成套性和配套性； ( 2 ) 自动化程度不断提高，过去的手工半手工的复杂作业，已被半自动或自动 的贴标机所取代，且逐渐向控制智能化的方向发展； ( 3 ) 先进的机电技术和新元件被综合应用于贴标机中，并通过采用先进的设计 方法提高产品设计质量，缩短制造周期。 贴标机作为包装生产线的一个重要组成部分，直接影响到包装质量，因此要努力 提高贴标质量，根据贴标要求从设计、制造、装配、调试等方面综合考虑，以较低的 成本满足贴标机的功能要求。 1 3 本课题研究内容 本课题要完成对一个气动贴标机的研究和开发。具体研究内容如下： ( 1 ) 气动贴标机的总体设计 根据贴标机功能，应用的范围和工艺方法，确定贴标机的类型，合理安排贴标机 的加工工序、工艺路线和工位数。分析贴标过程中的纸盒的输送，标签的输送，贴标 的执行和成品的取出各动作的运动规律，确定对各执行机构的运动要求，完成机构的 选型和初步设计。 ( 2 ) 深入分析贴标工艺中的关键技术，提出实现方案，进行结构设计 根据送标的动作的运动要求，设计成本低，结构简单的装置以实现标签的输送； 考虑影响送标精度的因素，设计可靠的定位机构，保证送标动作的准确性；确定剥离 装置的较优设计参数，设计具有一定的柔顺性的标签抚压装置。 ( 3 ) 设计气动机械手，对机械手的运动路径进行规划 针对纸盒夹持动作的柔性和可靠性要求，设计相应的机械手手部；根据机械手完 成纸盒顺利取出的运动要求，确定机械手的自由度，规划机械手的运动路线，使其运 动灵活。 ( 4 ) 使用三维c a d 软件进行贴标机的实体建模，完成虚拟装配，确定贴标机各 零件的准确尺寸 对贴标机系统中所有的零件和主要的气动元器件进行三维实体造型；通过虚拟装 4 顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 配，进行装配体的静干涉和动干涉分析，对设计进行检查和修改；确定各零件的加工 制造尺寸，生成二维工程图。 ( 5 ) 设计贴标机的控制系统 确定控制系统结构，设计气动回路，采用气动一电控技术和阀岛技术实现系统控 制。根据贴标机各机构的运动特点，安排驱动元件动作顺序，编写p l c 控制程序。 ( 6 ) 进行系统调试，实现系统的正常运行； 完成贴标机各零件的装配，气动回路的管路连接，电气接线。通过系统调试，检 验系统的可靠性，通过解决调试中出现的问题，实现系统的正常运行。 在开发设计此套气动贴标机的过程中，综合运用机一电一气技术，降低整个贴标 机的设计和制造成本，提高设计质量。 顾士论立 全自动气动贴标机的研究与开发 2 贴标机的功能分析和总体设计 2 1 系统功能需求分析 本贴标机的用途：使用不干胶标签对方形纸盒进行贴标。 纸盒与贴标材料规格：纸盒尺寸是6 2 x6 2 x1 8 ( r a m ) ，纸盒内装有一圆形( 巾6 0 x1 5 ( 栅) ) 的铝质工件；贴标材料是不干胶标签卷筒，每张标签的尺寸是5 0 4 5 ( m m ) 。 纸盒、标签卷和贴标后的成品外观图如下所示： 图2 1 纸盒、贴标材料和成品 a ) 纸盒”标签卷c ) 成品 设计的贴标机需满足以下功能要求： ( 1 ) 可将不干胶标签可靠地贴在纸盒的上表面 要完成这功能，系统必须实现以下操作：对被贴标件纸盒的运送和准确定位， 贴标材料不干胶标签的精确进给，标签从标签纸带上的剥离，标签被牢固地贴在纸盒 上，以及在贴标完成后，成品能被顺利取出。 ( 2 ) 全自动的连续贴标 贴标过程中的各项操作，均为自动执行，无需人工干预，并可通过控制系统完成 对各操作动作的协调控制和连续执行。 ( 3 ) 较低的设计和制造成本 综合运用机一电一气技术，降低整个贴标机的设计和制造成本，使其具有较好的 推广性。 ( 4 ) 具有紧凑的机械结构 根据气动元件的运动规律，简化贴标机传动装置，合理安排贴标机各机构的布局， 顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 使所设计的贴标机结构紧凑，所占空间位置小，使用方便。 2 2 系统总体方案设计 2 2 i 工艺分析 选择和拟定工艺过程是贴标机设计第一阶段的任务，是贴标机设计的基础。工艺 过程方案是否合理和先进，将直接影响所研制的贴标机结构、外形尺寸、机构的运动 方式和贴标质量。 下面对所研制的贴标机的具体工艺进行分析。 本贴标机为多工位贴标机，其贴标运动是间歇运动，工艺路线为阶梯型，即在贴 标过程中兼有竖直和水平两个方向的运动，采用“刷贴法”完成贴标动作。 根据系统功能需求可将整个贴标过程分为以下五道工序，如图2 2 所示： 一一i r r 一一 r _ r i1 纸盒定位 一一2 送标 叫3 贴标签r - 14 抚压标签r 叫5 成品取出l l 一一一一j l 一一一j l j l 一_ j l _ j 图2 2 贴标工序图 在确定了贴标工序后，制定了该贴标机的工艺路线如图2 3 所示，确定工位数a 在贴标工位设置时，主要考虑如何减少工作行程和空程时间，提高生产率，简化传动 装置，使得贴标机的整体结构紧凑。 一“f 二 二 i m i 匕= = 图2 3 工艺路线图 r j l 广 从贴标工序图2 2 和工艺路线图2 3 分析可得： 工序l 盒子的定位在工位i 完成，工序2 送标和工序3 贴标签操作在工位完成， 工位i i 到工位i 之间进行工序4 标签的抚压，在工位完成工序5 成品取出，整个贴 顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 标过程一共需要凹个1 位。 贴标机的一次工作过程为： 1 ) 纸盒先沿水平方向运动到工位i ，再沿竖直方向向工位i i 运动； 2 ) 到工位i i 后，标签进给，标签前端剥离出一段，由贴标装置将其前端固定在 纸盒上： 3 ) 贴标机构完成贴标后，标签继续进给，纸盒和标签以基本相同的线速度运动 到工位i i i ，同时途中抚压装置将标签抚平、压实； 4 ) 纸盒和标签运动到工位后，由机械手取出成品，至此完成一次贴标工作。 2 2 2 贴标机总体结构设计 根据上节分析的贴标机的功能、工序以及贴标的工艺流程，可以确定贴标机的结 构。将贴标机分为6 个子部分，各子部分分别完成各自的功能，并协调工作，实现贴 标机功能。 ( 1 ) 总体结构概述 贴标机作为自动工作机中的一个特定的类型，它具有一般自动工作机的基本共 性，在结构上包括驱动元件、工作机构、传动机构和自动控制装置系统四大部分a 同 时贴标机也具有其自身的一些特点，根据本贴标机的工艺，可将贴标机的结构划分为 以下六个部分，如图2 4 所示： 图2 4 贴标机的结构组成方块图 如图2 4 所示，纸盒输送装置、标签输送装置、贴标机构、抚压机构以及成品取 出机构都是工作机构，工作机构是直接地或是借助工具对加工对象实施作用，以改变 顾士论立 ：自动气动贴标机的研究与开发 加工对象的位置、状态、性质、尺寸和形状的专门机构。按自动工作机中工作机构所 完成的工作职能的性质区分，工作机构又可划分为工艺操作机构和辅助操作机构 i 9 叫口 图2 4 中所示的5 个工作机构都是要完成对纸盒贴标而使用的专门机构，其中辅 助操作机构包括纸盒输送装置、贴标材料输送装置和成品取出机构，工艺操作机构包 括贴标机构和抚压机构。 本贴标机中选用的驱动元件是气动元件，包括直线气缸，摆动气缸以及真空元件。 驱动元件是为工作机提供加工及各种运动的动力的，包装机中常用的驱动元件有电动 机，液压元件和气动元件。 传动机构是用于将动力和运动从驱动元件传递给工作机构。传动机构的功能是调 节运动速度或变换运动形式( 旋转运动变为摆动或移动，连续运动变为周期脉动等) 。 由于本贴标机使用的是气动元件，气缸的直线运动特性使得在贴标机的机械结构中省 去了许多传动机构，因而把传动装置归入到各工作机构中。 本贴标机中的控制装置采用了气动一电控系统。自动工作机的自动控制装置可以 是机械式、液压式、气动式、电气式或综合式。机械式自动工作机是应用最早的，具 有工作可靠和易于实现的优点，但结构较复杂。后几种形式的自动工作机较机械式更 便于实现自动控制，因此它们在现代自动工作机中受到重视，尤其是具有较高自动化 程度的自动机( 如电子程序控制的自动工作机) 已成为现代自动工作机的主要发展方 向。 工作机构中的工艺操作和辅助操作可以由机器自动完成、也可以在操作者参与下 由机器来完成。在过去，贴标工艺常常就需要操作者的参与，因而工作效率较低，本 贴标机则是一种完全自动工作的工作机。 因而本贴标机具有以下特征：工艺操作和辅助操作，即纸盒的输送、标签的输送、 贴标、标签的抚压以及成品的取出，全由贴标机各组成装置自动完成；贴标机按设定 的工艺过程顺序自动地进行工作，其控制装置可进行贴标机自动工作的循环控制“蚓。 ( 2 ) 贴标机各组成部分的功能分析和基本方案 纸盒输送装置 纸盒输送装置是将单个纸盒按图2 3 中所示的纸盒的运动路线进行输送，即将纸 盒经工位i 送到工位i i ，贴标后，再将纸盒送到工位i ，最后纸盒到工位等待取出， 纸盒输送装置要完成水平和竖直两个方向对纸盒的输送。 基本方案：采用两个直线气缸通过相应的连接件叠加，组成输送装置的运动执行 顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 机构，这两个气缸分别完成水平和竖直两个方向的动作，使用纸盒的成型模子对纸盒 进行限位。 标签输送装置 标签输送装置用于完成对卷筒标签的输送，它通过牵引标签纸带，使标签被输送 至指定位置，标签在移动中能自动从标签纸带上剥离，而贴标后的标签纸带则要求被 回收。 基本方案：通过标签卷的支承轴、纸带牵引轮、标签输送的定位机构、标签的自 动剥离杆以及标签纸带的回收轮来完成整个送标动作，必要时添加导向辊。 贴标机构 贴标机构是贴标机的工艺操作机构，它的主要功能是：在工位i i ( 见图2 3 ) 将 标签的剥离出的前缘固定在纸盒上。贴标完成后，贴标头自动收回。贴标机构的末端 要求具有一定的弹性，贴标动作具有一定的力度，使得标签剥离段可以充分与纸盒接 触，牢固地粘在纸盒上，同时不能损坏标签和纸盒。 基本方案：采用直线气缸作为驱动元件，安装在工位i i 的上方，在标签前段剥离 后，竖直方向往复运动完成贴标。 抚压机构 抚压机构也是贴标机的工艺操作机构，由于本贴标机中采用的是“刷贴法”进行 贴标，因而标签剥离出的前缘被粘在纸盒上后，还需使用滚筒或是刷子，在标签和纸 盒同时从工位l i 运动到工位i 的过程中，将标签的剩余部分在纸盒上抚平压实。 基本方案：采用滚筒进行刷标。 成品取放机械手 成品的取出机械手是用于将贴标完成后的纸盒取出到机外。 基本方案：采用两个直线气缸，和一个摆动气缸实现机械手运动，使用气动手指 和吸盘实现手部功能。 控制装置 系统中各执行元件的运动均是顺序动作，要求控制装置可完成对电磁阀的顺序控 制，同时电气线路和气动管路要求接线方便，可靠性高，故障率低。 基本方案：采用p l c 控制技术与阀岛技术相结合。 以上的各装置除了各自的功能需求以外，都要求结构简单，紧凑，成本低。 2 3 工作机构的结构设计 现对其中结构较为简单的纸盒输送装置和贴标机构进行设计，而对于属于贴标机 关键技术的标签输送装置、抚压机构以及成品取出机械手将在第三章中重点论述a 1 0 顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 2 3 1 纸盒输送装置的结构设计 ( 1 ) 纸盒输送装置运动分析 纸盒输送装置要求可完成对纸盒的输送和多工位停位，并能和贴标机的其他机构 协调动作完成贴标功能。因此它必须满足以下功能和运动要求： a 可进行单个纸盒的输送 b 按工艺路线图2 3 中所示的运动路线输送纸盒，纸盒可完成水平方向行程约为 5 0 0 r a m 的运动，竖直方向行程约为3 0 m m 运动，要求在工位i 、i i 、i 、 可以停位 c 要求纸盒输送装置运动平稳，具有一定的定位精度和较高的位置重复精度，若 定位误差较大，则会使标签不能贴在纸盒上或是不能贴在指定位置，影响贴标 质量，而定位重复精度低，则会导致贴标质量的不稳定 d 纸盒输送装置的速度要求调节方便，由于在本贴标机中使用的是刷贴法，在标 签前缘固定在纸盒上后，纸盒与标签的要以相同的线速度运动，因而要求可以 方便地调节纸盒输送装置的运动速度，使之可以和标签输送装置协调动作 通过以上分析，在纸盒输送装置设计时需要解决的主要有三个问题： 1 ) 设计一种结构简单，成本低的输送装置，完成对纸盒的运送 2 ) 设计纸盒的限位机构，确保纸盒的输送精度 3 ) 实现输送装置在贴标过程中的多工位停位控制 ( 2 ) 纸盒输送装置结构设计 系统中的纸盒为块状，常用的块状物品的运送方式有用链带式传送或推板式传 送。这两种方式在本系统中应用时，一般都要使用步迸电机进行驱动，配以专门的托 盘，中途还需要加设抬升机构，因而机械结构和控制都较为复杂，成本较高。 在系统中则利用气缸直线运动的特点，使用无杆接触型气缸和薄型气缸相叠加的 形式，实现水平和竖直两个方向运动的模块化，加上简单的连接件和对纸盒进行限位 的模具，就可以完成单个纸盒的输送功能，这种装置结构紧凑，安装方便，控制也非 常简单，完全可以获得所需要的运动形式，并满足行程要求。 顾士论立 ：自动气动贴标机的研究与开发 图2 5 纸盒运送执行机构结构图 如图2 5 所示，水平方向的驱动元件是高精度机械接触式无杆气缸( m y l h 系列) ， 此系列气缸具有重量轻、结构简单、占用空间小，无外泄漏的特点，同时它还具有优 良的行走精度和抗力矩性能，导向精度小于o 0 5 r a m ，位置重复精度高，配以磁性 开关和合适的电磁阀可在多点停位，符合纸盒的运送要求。此类气缸经常用于重物的 提升，多功能坐标移动机械手的位移，生产流水线上工件的传送等0 2 ”1 。 竖直方向的驱动元件是薄型气缸( c q 2 系列) ，它具有结构紧凑、重量轻、占用 空间小、安装方式多的优点，常用于固定夹具和搬运中固定工件等。 ( 3 ) 纸盒输送精度的保证 1 ) 影响纸盒输送精度的因素分析 在整个贴标过程中，贴标的位置精度主要由两个因素决定：一个是标签的输送精 度，另一个是纸盒的定位精度。只有将这两个因素都控制好，才能保证系统的贴标精 度。 输送装置水平运动的定位误差，纸盒与输送装置的相对位置的变化，都会影响纸 盒的定位精度，决定标签能否被贴在纸盒上的指定贴标位置。其中输送装置的水平运 动定位误差是由无杆气缸的运动性能决定的，在系统中较为稳定，且不易减小；而纸 盒与输送装置的位置变化则是在纸盒在输送过程中，由于惯性或是薄型伸降缸活塞杆 的旋转造成的，可通过一些具体措施消除该相对运动，或减小相对位移量。 2 ) 解决方案 通过以上分析可知：在本贴标机中要提高纸盒的定位精度，主要是通过限制纸盒 和无杆气缸之间的相对运动。具体措施是：一是通过对纸盒的限位，消除惯性力对纸 盒的影响；二是防止薄型伸降缸活塞秆的旋转。 顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 为此设计了纸盒成型模子与导向杆来达到目的，如图2 6 所示 纸盒成型 图2 6 纸盒运送装置结构图 导向杆 在纸盒输送装置中，用与纸盒形状相符的纸盒成型模子来固定纸盒的位置，阻止 其与输送装置的相对运动，并注意在侧面留出了纸盒被取出时的夹持位置；另外专门 设计了四根导向杆，防止薄型伸降缸在伸降时活塞旋转，保证纸盒成型模子在输送过 程中没有转动。 通过以上的两个机构，就可以较好地控制纸盒的输送精度，这在系统的实际运行 中也得到了验证。 ( 4 ) 纸盒输送装置多工位停位的实现 在纸盒的贴标过程中，要求其在水平方向多工位准确停位，即要求输送装置中实 现水平运动的无秆气缸的滑台可多点中停。本贴标机中选用有触点式磁性开关( d - z 系列) 来检测气缸的运动位置，和三位五通中间加压式电磁阀( v q 系列) 控制无杆气 缸的进气和排气，结合p l c 的顺序控制，实现无杆气缸滑台的多点中停。 使用有接触点式磁性开关检测活塞杆运动位置时，从设计、加工、安装、调试等 方面，都比使用其它限位开关方式简单和省时，并有动作指示灯的显示，响应快，动 作时间为1 2 m s ，耐冲击，冲击加速度可达3 0 0 m s 2 ，无漏电流存在。在气缸活塞运动 到磁性开关所在位置后，它会发出到位信号，可作为电磁阀的换向信号。 双作用，且需要中停的气缸一般采用三位五通阀构成换向回路，因而系统中采用 了中压式三位五通阀进行换向，在两控制1 5 1 都无信号时，入口同时与两出口相通，实 现中停，即是有少量泄漏，仍能维持中停。这种回路适用于中小型气缸的换向，定位 速度较快，定位精度较高。实现无杆气缸多点中停的气动回路图如下： 1 3 顾士论立 ：自动气动贴标机的研究与开发 图2 7 纸盒运送气动控制回路 缸 在图2 7 中，三位五通中压电磁阀在得到p l c 的主令信号后，换到左侧右侧， 气缸滑台向右，左运动；当气缸运动到磁性开关所在位置时，指定位置的磁性开关就 会发出信号到p l c ，p l c 检测到该到位信号后，就终止电磁阀左侧右侧通电信号， 这时电磁阀两端都没有信号，电磁阀回到中位，由于使用的是中位保压式电磁阀，气 源向气缸的两个腔同时供气，使得气缸保持在该位置的停止；当p l c 再次给三位五 通阀换向信号后，电磁阀换到左侧右侧，则无杆气缸继续向右左运动。这样利用多 个磁性开关的检测信号加上p l c 的主令信号，进行顺序控制，即可实现无杆气缸滑 台在多个工位的停止。此外再配以节流阀，就可实现输送装置的无级调速，达到与标 签输送机构的速度匹配。 在设计中确定了气缸需要两个中停的位置后，通过试验可以得到无秆气缸的滑台 停在指定位置时，磁性开关所对应的准确安装位置。由于纸盒输送装置中所使用的高 精度机械接触式无杆气缸( m y l h 系列) 具有较高的位置重复精度，将磁性开关安装 在试验测得的确切安装位鼍，就可以使得气缸在要求的位置多次的准确停位。 通过以上设计，纸盒的输送装置可实现系统所要求的功能，完成气缸行程内的多 个工位的停止，具有较高的运动精度和定位精度，调速方便。 2 3 2 贴标机构设计 贴标机构是在工位i i ( 见图2 3 ) 将标签的剥离出的前缘贴在纸盒上，它的结构 比较简单。主要考虑的是贴标头要具有一定的弹性，贴标动作具有一定的力度。具体 结构如图2 8 所示： 顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 a ) 贴标机构 b ) 贴标头 图2 1 0 贴标机构和其贴标头 1 椭圆形活塞气缸2 支架3 橡皮刷4 连接件 4 3 贴标机构的驱动元件是一个椭圆形活塞气缸1 ( 杆不回转) ，它通过支架2 被安 装在工位i i 的上方；贴标头是一块形状类似刷子的橡皮3 ，该橡皮刷3 通过连接件4 与气缸1 的活塞相连。进行贴标工序时，气缸1 的活塞伸出，橡皮刷3 向下运动，将 标签已从标签纸带上剥离出的前缘压在纸盒上，保持定时间后，气缸1 的活塞收回， 贴标头上升，完成贴标工序。 由于连接件4 与气缸1 的活塞是螺纹联接，因此可通过旋转连接件4 ，改变其在 活塞上的安装位置，调节贴标头到纸盒上表面的距离，控制贴标时力的大小，而橡皮 刷3 由具有一定的弹性，这样就保证了标签可以牢固的贴在纸盒上，且使得纸盒和标 签不受到损伤。 顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 3 气动贴标机的关键技术研究 3 1 卷筒标签送标技术的研究 卷筒标签的输送是贴标机工作中的重要工序，其输送精度是影响贴标的精度的一 个主要因素，决定了贴标的质量。因而卷筒标签的送标技术是本贴标机设计的关键技 术之一。 3 1 1 标签输送装置的基本结构n 1 4 。1 6 1 送标动作是通过标签输送装置的工作实现的，因此标签输送装置要满足以下的基 本功能和运动要求： a 对卷筒标签材料进行支撑，使得标签卷在送标过程中可退卷 b 对标签纸带进行牵引，使标签移动指定距离 c 要求标签牵引装置的速度调节方便 d 有较高的送标精度，以确保贴标精度 剥离装置可使标签在没有人工干预的情况下，自动剥离，这是实现自动贴标的 关键之一 e 对标签剥离后剩下的纸带进行回收 由此可确定标签输送装置是由以下5 个装置组成的，如图3 1 所示： 图3 1 标签输送装置的组成 1 标签卷支撑装轴2 牵引轮3 导辊组4 标签剥离杆5 标签纸回收轮 顾士论立 全自动气动贴标机的研究与开发 图3 1 中的所示的标签卷支撑轴1 用于支撑标签卷，使标签卷保持在一定的牵引 力的作用范围内可以松展成带( 又称退卷) 。随着标签带松展，卷简直径逐渐减小， 卷筒转动的运动趋势总是不断加快的。为了简化传动装置结构，采用了将标签卷套在 可以自由回转的支撑轴1 上，从侧面加橡胶垫片作为挡片，通过螺栓施加预紧力，以 避免标签纸带的过度松展，同时实现标签纸带的快松、快卸，快装和快固定。 牵引轮2 是用来牵引标签纸带，将标签移动指定的距离。 导辊组3 对标签带起着承托、引导、转向及校正的作用。 剥离杆4 的作用是使标签在输送过程中，克服不干胶标签和标签纸带之间的粘附 力，完成标签自动剥离。 标签回收轮5 在牵引轮2 送标的同时，将标签纸带以卷筒的形式回收起来。随着 标签纸带的输送，标签带回收卷的直径越来越大，这是和标签送料卷相反的。若与牵 引轮保持相同的角速度，其纸带的线速度则越来越大，造成标签纸带的张力越来越大， 可能会导致纸带被拉断，因此回收轮5 的角速度必须小于标签卷的角速度。所以利用 摩擦轮传动时具有相对滑动的特点，采用两个摩擦轮完成牵引轮2 到标签回收轮5 的运动传递，使标签回收轮5 的角速度小于标签卷的角速度。 如图3 1 所示，标签纸带一端由套在支撑轴1 上的标签卷引出，另一端和纸带回 收轮5 相连。在一次贴标过程中，标签输送装置工作过程为： 牵引轮2 带动标签纸带，使标签纸带从标签卷筒上拉出，经导辊组3 引导，绕过 剥离杆4 ，标签前端自动剥离；由贴标装置将标签贴在纸金上后，标签牵引轮2 继续 牵引标签纸带，使标签与纸盒以基本相同的线速度水平运动，在纸盒到指达定位置时， 标签已整张贴在纸盒上，牵引轮2 也停止动作，与此同时通过摩擦轮传动，标签回收 轮5 将贴标后的标签纸带回收好。至此标签的一次输送工作完成。 为较好的完成送标工序，需要对以下三个方面深入地进行研究，各个装置的具体 设计也是围绕这三个方面展开的。 送标运动的三个关键技术： 1 ) 送标运动的实现 2 ) 送标精度的提高 3 ) 标签的自动剥离技术 顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 3 1 2 送标动作的实现 ( 1 ) 送标运动分析 通过送标过程分析可知，送标运动规律如图3 2 所示 图3 2 送标运动规律图 时间 a 标签输送装置的第一次进给，如图3 2 中所示的线段，是在纸盒到达贴标工 位( 即工艺路线图2 3 中的工位i i ) 后，牵引轮带动纸带进给，直至标签纸运动到纸 盒上部，标签前缘剥离： b 输送装置在第一次进给结束后保持静止( 线段) ，等待贴标机构完成贴标动 作，将己剥离的标签段贴到纸盒上； c 标签输送装置的第二次进给( 线段) ，是在贴标动作完成后进行，标签牵引 装置再次带动纸带，使标签与纸盒保持近似相同的线速度向前移动，直到纸盒运动到 成品取出工位的上方( 即工艺路线图2 3 中的工位i i i ) ； d 一次送标全过程结束后，输送装置保持停止( 线段) ，直到下一个纸盒到达 贴标工位( 即工艺路线图2 3 中的工位i i ) 。 贴标机运行时，牵引装置依照a 一) b 一) c 一) d 顺序循环运动。 通过上述分析，可知贴标机的送标运动有如下特点： 1 ) 送标动作是一个单方向，时走时停的间歇运动 在纸盒到位和贴标动作结束后，进行标签的单方向进给，如图3 2 中的线段和 所示，在纸盒未到位和贴标动作过程中保持静止，如图3 2 中的线段和所示。 2 ) 一次贴标中两次进给的距离相同 标签是等距分布在长条标签纸上的，为简化输送装置的传动结构和控制，所以使 每次送标为等距进给，即图3 2 中线段和的动程是相同的。 顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 3 ) 送标速度必须可调 在标签的第二次进给中，标签的运动必须与纸盒的线速度基本相同。如果标签的 进给速度比纸盒的输送快，标签就会在纸盒上产生褶皱；相反的，如果纸盒的输送速 度较快，则会使已粘在纸盒上的标签前缘从纸盒上被扯下来，这些都会导致贴标的失 败。 ( 2 ) 送标运动实现机构的方案设计 在分析完送标运动的运动特点后，拟定相应的方案实现该运动，其中包括驱动元 件的选择，采用何种传动方式，送标运动执行元件的设计( 主要是指牵引轮的设计) 。 驱动元件的选择 送标运动是一个单向时走时停的间歇运动，在贴标机中是利用一对牵引轮的转动 来带动标签纸带，因而驱动元件的工作条件为轻载，要求其运动形式尽量符合牵引轮 的运动要求，以简化传动装置，并在低成本的前提下，能对驱动元件的速度和位置有 较好的控制。 现代自动包装机中常用的驱动元件是步进电机或伺服电机，它们具有响应快，信 号检测、传递、处理方便的特点。其中步进电机的步距值不受各种干扰因素的影响， 误差不连续累计，控制性能好；直流伺服电机和交流伺服电机采用位置闭环控制，可 以得到很高的精度o “。 系统对送标运动速率要求不高，若使用电动机，其转速高，必须采用减速机构， 传动机构复杂；为保证送标精度，使用时还必须配以光电位置检测元件，构成位置闭 环控制系统，控制复杂，这些都使贴标机的制造控制成本较高。 气动元件与电机相比，具有元件结构简单，速度可调性好，体积小，控制简单， 成本低的特点。综合考虑技术一经济合理性，系统中选用气动元件作为驱动元件。 气动执行元件按运动方式可分为三类：产生直线往复运动的气缸，在一定角度范 围内往复摆动的摆动气缸，以及产生连续转动的气动马达。 系统中送标执行机构牵引轮的运动为转动，为简化传动，拟采用可产生转动的气 动元件。运动方式为转动的气动元件有气动马达和摆动气缸，其中气动马达启动后高 速连续旋转，其停位角度的控制困难，而摆动气缸结构紧凑、工作效率高，可使用制 动器进行角度控制。因此在系统中最终选用摆动气缸作为标签输送装置的驱动元件。 所选用元件为s m c 的c d r b l b w 5 0 2 7 0 s 的摆动气缸，它是大型叶片式回转摆 动气缸，最大转角为2 7 0 。，缸径为5 0 m m ，内置磁环，单叶片驱动，它常用于工件 顾士论文 ：自动气动贴标机的研究与开发 的翻转、分类、夹紧等作业。 使用摆动气缸可以简化标签输送装置的传动结构，通过调节其节流阀可方便地对 运动速度进行调节，使用制动装置，可对其运动角度进行控制，制造和控制成本低。 传动机构的方案选择 在选定了摆动气缸作为送标运动的驱动元件后，就可确定采用何种传动机构将气 缸的往复摆动转换为牵引轮的单向间歇运动。 间歇传动具体实现装置是多种多样的。常用的有棘轮式转位机构、槽轮转位机构、 凸轮式转位机构，不完整齿轮及行星轮转位机构等。