摆臂式水泥包装自动插袋系统设计.pdf

2023年第3期中图分类号：TQ172.6文献标志码：B文章编号：1007-0389（2023）03-41-03【DOI】10.13697/ki.32-1449/tu.2023.03.015摆臂式水泥包装自动插袋系统设计汪洋1,2,朱正忠2,戴军康1,2,方铖2（1.合肥水泥研究设计院有限公司，安徽 合肥 230051；2.合肥固泰自动化有限公司，安徽 合肥 230051）摘要：针对目前水泥厂包装车间水泥灌装工序中采用人工插袋的弊端，设计开发了一种摆臂式水泥包装自动插袋系统。详细阐述了系统组成结构及工作原理，分析了系统插袋过程控制原理和运行逻辑，列举了系统关键技术参数。整套设备结构可靠、控制逻辑合理、运行稳定、自动化程度高，市场应用前景广。关键词：水泥包装；机械手臂；整形开袋平台；自动插袋系统Design of Automatic Bag Insertion System for Swing Arm Cement PackagingWang Yang1,2,Zhu Zhengzhong2,Dai Junkang1,2,Fang Cheng2(1.Hefei Cement Research Design Institute,Hefei,230051,China)Abstract:In view of the disadvantages of manual bag fixing in the cement filling process of cement packing workshop at present,a kindof automatic bag fixing system for cement packing with swing arm was designed and developed.The structure and working principle ofthe system are described in detail,the control principle and running logic of the bag inserting process are analyzed,and the key technicalparameters of the system are listed.The whole set of equipment has reliable structure,reasonable control logic,stable operation,high automaticity,and broad prospects of market application.Key words：cement packing;mechanical arm;bag opening and shapping platform；automatic bag fixing system0背景一直以来，水泥厂包装车间均采用人工插袋方式配合旋转包装机来灌装水泥，并用缝底水泥袋包装水泥，但缝底水泥包装袋表面无覆膜，使用和运输过程中易破损漏灰，不利于环保。水泥灌装过程中包装机连续旋转，人站立于包装机旁手动将包装袋插至出灰嘴上，随后包装机内闸板打开，水泥灌入袋内。该过程会产生扬尘且易对工作人员产生机械伤害，因此人工插袋方式劳动强度高、存在安全隐患，对从业者健康产生不良影响。针对以上问题，我们深入研究了水泥包装工艺流程，根据最新水泥包装袋标准（GB/T 97742020），自主设计研发了一套摆臂式水泥包装自动插袋系统，该套智能化装备可替代人工，配合回转式水泥包装机自动完成输袋、插袋、灌装功能。通过PLC和触摸屏界面实现控制和人机交互，方便现场调试和操作。在回转式水泥包装机旋转过程中，现场操作人员只需将水泥包装袋放置在输送机上，该套设备即可自动输袋、整形并将阀口袋套至包装机出灰嘴上，由包装机完成水泥灌装。该系统的应用可有效改善劳动环境，提高工作效率，提供安全保障，降低生产成本。1系统组成与工作流程根据所要完成的任务，设计总体方案见图1。系统总体组成与工作流程如下：吸袋开袋机构在伺服电机的驱动下动作，吸起一个包装袋，前吸盘使其上半部分呈竖直状态；在压袋杆和尾端吸盘作用下将包装袋阀口拉开呈圆筒状；转运机械臂带动包装袋转移，同时吸袋开袋机构在伺服电机驱动下下摆，摆臂在驱动伺服电机的作用下复位并吸取下一个包装袋；在转运机械臂的推动下，机械手将包装袋套入水泥喷嘴；机械手驱动气缸复位，机械手张开，转运机械臂复位，进行下一个循环。图1摆臂式水泥包装自动插袋系统组成1.1储袋输送机工艺装备汪 洋，等：摆臂式水泥包装自动插袋系统设计-412023年第3期储袋输送机的目的是实现水泥袋的存储与输送。主要由变频电机、减速机、机架、链条、托袋架等组成。结合当前大部分水泥厂改造场地水平空间较大，高度相对有限的现状，包装袋输送机采用卧放形式，卧式输送机高度低，方便工人放袋。如图 2所示，水泥袋被放置于托袋架上，每层托袋架可存放1520条包装袋，输袋机有共计14层可存袋托袋架，输送机长度为3.8m，输袋机一个工作周期共计可输袋 210280条，可包装水泥约 10.514t。当前水泥厂的袋装水泥运输车吨位集中在514t，该输袋机一个工作周期可满足最大14t装车量的输袋需求。图2卧式储袋输送机1.2整形开袋平台整形开袋平台主要由机架、刮袋整形机构、升降平台、开袋四连杆机构、压袋杆等组成，该平台的主要功能是接收储袋输送机上运来的水泥包装袋，同时将其整形到位，由开袋四连杆机构配合真空吸盘将水泥包装袋吸起，使其上半部分呈竖直状态，同时包装阀口被拉开。该平台根据水泥袋的结构特征，模拟当前人工插袋方式，采用了一种开口机构，用吸盘取代工人双手，完成水泥包装袋开口动作。如图3所示，吸盘安装在开袋杆上，开袋杆先向下运动，使吸盘覆盖水泥袋袋口，同时尾端抬袋吸盘气缸向下运动，压住水泥袋后端，继而开袋杆向上运动，尾端吸盘吸住袋尾并同时向上运动，水泥包装袋阀口在吸盘和压袋杆作用下，即被拉开呈圆筒状，此时水泥袋整形成L型,为下一步机械夹爪夹取转运包装袋做准备。图3整形开袋平台1.3转运机械臂转运机械臂功能是推动插袋机械手将水泥包装袋转运至水泥喷嘴上。该机械臂在平面内沿圆弧路径做往复运动，如图4所示，主要由伺服电机、RV减速机、机械手换向四连杆机构、机械手安装板、电机座、立柱等组成，机械臂由电机减速机单元驱动作往复摆动。该机械臂机构具有结构简单紧凑、插袋速度快、各机构间连接可靠且运行稳定等优点。图4换向四连杆连杆机构1.4插袋机械手插袋机械手所要实现的功能是准确抓取被开袋四连杆机构将阀口打开呈圆筒状的水泥包装袋，并在机械臂带动下将包装袋套至包装机灰嘴上。如图5所示，该插袋机械手主要由缓冲垫、整形夹板、夹爪摆臂、驱动气缸、安装架及位置调节座等组成。插袋机械手通过机械手安装板安装于机械臂前端，由于回转式水泥包装机处于匀速转动的状态，这就要求机械手在套袋时的朝向须始终保持与灰嘴运动轨迹的半径共线，即机械手相对于喷嘴在切向上相对静止，只有一个径向的运动，这样就可以避免机械手与运动着的喷嘴发生碰撞，并在保证插袋深度的前提下，将包装袋平稳套至包机灰嘴上。图5糊底袋插袋机械手2系统工作原理2.1系统工作流程（1）包装袋运输装置将待插包装袋输送到预定位置。（2）真空发生器工作使吸嘴处形成负压并吸住工艺装备汪 洋，等：摆臂式水泥包装自动插袋系统设计-422023年第3期包装袋，伺服电机和气缸驱动吸袋开袋机构、尾端抬袋机构动作将包装袋竖立，并将袋口拉开。（3）取袋装置进行取袋，并将袋口撑开增大，电机转动将袋输送到出灰管口处。（4）调节速度使包装系统与插袋系统相协调，当包装系统带动出灰管到达某一个地点（一直位于该地点插袋）时，插袋系统恰好将包装袋输送到此地点，并进行插袋过程。（5）此过程结束，重复步骤（与可同时进行）。图6系统工作流程图2.2系统插袋控制原理回转灌装系统和自动插袋系统相对独立，在插袋过程中，为使机械手能将包装袋准确插至出灰嘴上，应控制机械臂插袋速度与回转灌装系统转速匹配，原理见图7。图7插袋过程控制原理图回转灌装系统在开始运转阶段有一个加速过程，灰嘴在加速阶段与系统达到稳定速度阶段从触发插袋起始点到终止点用时不同，故需在回转灌装系统转速稳定后开始插袋。在系统开始工作之前，首先将自动插袋系统与回转灌装系统复位至原点，慢速转动插袋系统和包装系统，直到碰到各自的原点接近开关并停住。随后启动系统开始包装，在初始阶段，回转灌装系统加速直至达到稳定运行速度，当回转灌装系统达到稳态速度V1之后，自动插袋系统的转运机械臂有与之对应的稳定插袋速度U1，U1由V1确定。取袋阶段，插袋机械手到达包装袋上方时机械手动作，将袋夹住，当回转包装机一灰嘴到达位置时触发转运机械臂转运包装袋至插袋起始点位置；由位置触发插袋阶段，机械臂以插袋速度U1运行直至插袋终止点，随之机械手打开，电机反转带动插袋机械手返回取袋，此为一个周期，该过程出灰管口与插袋机械手切向保持相对静止。该装备系统主要技术参数见表1。表1系统主要技术参数序号12345678910技术参数名称包机灰嘴个数回转料仓外径出灰嘴外缘距离出灰嘴距地面高度插袋成功率插袋能力适配回转包装机最大转速灌装用水泥袋*工作压力耗气量单位个mmmmmm袋/hr/minMPam/h数值81 5602 3501 31095%2 0004.5符合GB/T 977420200.680*糊底袋3总结该系统主要功能特点有：（1）以自动插袋机替代人工插袋，省时省力，效率高，可为企业节约可观的成本；（2）自动插袋机产量高，最高可达到100 t/h；（3）操作简单安全，工人只需放好水泥包装袋，经触摸屏面板即可操作设备；（4）2022年4月1日正式实施了水泥包装袋最新标准（GB/T 97742020），目前水泥制备、运输、销售行业正在推行使用符合新标准的糊底覆膜阀口式水泥包装袋，该系统基于新标准开发，市场广阔；（5）该系统工作原理与运行方式具有一定的普适性，可跨行业根据包装工序中储袋输袋、整形开袋、插袋灌装流程特点对系统做适应性改进以拓展其应用领域，市场潜力大。（收稿日期：2023-02-27）工艺装备汪 洋，等：摆臂式水泥包装自动插袋系统设计-43