（机械设计及理论专业论文）瓷砖自动包装线裹包系统的设计与开发.pdf

摘要 摘要 瓷砖自动包装线在国内是近几年才开发出来的代替人工对陶瓷墙地砖 包装的自动化机械设备。裹包系统作为该设备的核心部分，主要功能是完 成瓷砖的打包工作。但是，随着我国陶瓷墙地砖产量的高速增长，陶瓷的 包装机械的研究和开发却比较落后，瓷砖的机械化包装使用率还不到4 0 ， 远远跟不上陶瓷产量增长的需求。另外，瓷砖脆硬、表面光滑、质量大， 对系统长期运行的稳定性和可靠性提出了非常高的要求。由于受到该类型 产品设计经验的积累不足、设计手段的局限性等多方面因素的限制，瓷砖 裹包系统工作的效率和稳定性难以兼而得之是瓷砖包装机械行业内的一个 比较普遍的问题。针对这些问题，论文以瓷砖裹包系统的设计开发为例对 瓷砖自动包装线的开发进行研究。 论文首先对国内外瓷砖裹包系统的原理方式及工作特点进行充分对比 及分析，创新性的提出了裹包系统快速上砖防掉砖原理方式以及连续式快 速折箱原理方式；并独立完成了裹包系统的设计( 共有翻抬式快速上砖防 掉砖机构、降垛式分砖机构及对中机构、双侧卧式底部取纸纸箱仓、双向 气动取纸机构、顶升式连续快速折箱机构、双带导轨推包机构五个部分) 。 然后，利用s o l i d w o r k s 软件对瓷砖裹包系统进行了三维实体建模和虚 拟装配，并建立了系统的仿真分析模型。 最后，利用a d a m s 软件对该系统的关键机构上砖机构和折箱机 构进行了仿真。通过结果分析确定了机构的最佳设计方案和重要部件的最 佳结构及尺寸，也验证了设计的合理性和可行性。 本文对瓷砖裹包系统的开发提供了一种高效、可行及低成本的设计方 法，并且用此方法在一鼎公司开发出了实物样机，经过实验测试，该裹包 包装速度达到15 包分钟，领先当前行业内最快8 包分钟的包装速度，并 且也验证了系统的效率和可靠性达到了设计要求。 关键词j 瓷砖；裹包系统；运动学仿真；设计与开发 广东工业大学工学硕士学住论文 a b s t r ac t c e r a m i ct i l e sa u t o m a t i cp a c k a g i n gl i n ew a sd e v e l o p e df o rs u b s t i t u t ef o r a r t i f i c i a lc e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gi nr e c e n ty e a r si nt h ed o m e s t i c p a c k a g i n g s y s t e ma sa c o r ep a r to ft h i sd e v i c e ，i t sm a i nf u n c t i o ni st oc o m p l e t et h e c e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gw o r k h o w e v e r ，w i t ht h e r a p i dg r o w t ho fc h i n a s c e r a m i ct i l ep r o d u c t i o n ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc e r a m i ct i l e sp a c k a g i n g m a c h i n e r yi sr e l a t i v e l yb a c k w a r d ，u s a g el e s st h a n4 0 ，f a rb e h i n dt h eg r o w i n g d e m a n do fc e r a m i cp r o d u c t i o n b u tt h ec e r a m i ct i l e sw e r ev e r ys m o o t h ，b r i t t l e a n dv e r yh e a v y ，h a v eah i g hd e m a n d so nt h es y s t e m i ss t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y o ft h el o n g - r u n n i n g d u et ot h er e s t r i c t i o n so fd e s i g ne x p e r i e n c ea c c u m u l a t e d d e f i c i e n c i e sa sw e l la st h el i m i t a t i o n so ft h e d e s i g nm e a n s ，t h es y s t e m s e f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t yh a sb e e na nu r g e n tp r o b l e mw i t h i nt h ec e r a m i ct i l e s p a c k a g i n gm a c h i n e r yi n d u s t r y t os o l v e t h e s ep r o b l e m s ，t h ep a p e rc e r a m i c t i l e sp a c k a g i n gs y s t e md e s i g na n dd e v e l o p m e n t f i r s t ，a f t e raf u l lc o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo ft h e p a c k a g i n gs y s t e m a th o m ea n da b r o a d ，t h i sd i s s e r t a t i o n i n n o v a t i v l ya n d i n d e p e n d e n t l yp r e s e n tac o n t i n u i t yp a p e rf a s tf o l d i n gm e c h a n i s ma n da c e r a m i ct i l e sf a s tu p r i s i n gm e c h a n i s m ，c o m p l e t e dt h ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n g s y s t e m sd e s i g n ( i n c l u d i n gt h ec e r a m i ct i l e s f a s t u p r i s i n gm e c h a n i s m ，t h e c e r a m i ct i l e s s e p e r a t i o nm e c h a n i s m ，t h ec e r a m i ct i l e sa l i g n m e n ta o j u s t m e n t m e c h a n i s m ，t h ep a p e rc a b i n ，t h ep a p e rg e t t i n gm e c h a n i s m ，t h ep a p e rd e l i v e r y m e c h a n i s ma n dt h ep a p e rf a s tf o l d i n gm e c h a n i s m ) t h e n ，b u i l tt h e3 dm o d e lo ft h ec e r a m i ct i l e ss y s t e mw i t hs o l i d w o r k s s o f t w a r e ，a n de s t a b l i s h e m e n tas i m u l a t i o nm o d e lo fi t sk e ym e c h a n i s m a tl a s t ，m a d et h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h i ss y s t e mw i t h t h es o f t w a r eo fa d a m s b ya n a l y z et h er e s u l t so ft h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o n o ft h ep a c k a g i n gs y s t e m ，t h i sp a p e ro p t i m i z e dt h es y s t e m s d e s i g na n d a b s t a c t d e t e r m i n e dt h es y s t e m sb e s ts t r u c t u r e ，a l s ov e r i f i e d t h er a t i o n a l i t ya n d f e a s i b i l i t yo ft h i sd e s i g n i na l l ，t h i sp a p e rp r o v i d ea ne f f i c i e n t ，p r a c t i c a la n dl o w - c o s td e s i g n a p p r o a c hi nt h ed e v e l o p m e n to ft h ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gs y s t e m a n du s e t h i sm e t h o d ，d e v e l o p e dap h y s i c a lp r o t o t y p eo ft h es y s t e m ，b ye x p e r i m e n ti t h a sb e e nf o u n dt h a tt h ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gs y s t e m i s r e l i a b l e ，h i g h e f f i c i e n c y ，i t sp a c k a g i n gs p e e d su pt o 15p a c k s m i n ，l e a d i n gt h ei n d u s t r y s f a s t e s t8p a c k s r a i np a c k i n gs p e e d k e yw o r d s ：c e r a m i ct i l e s ；p a c k a g i n gs y s t e m ；l o a d i n g m e c h a n i s m ；p a p e r f o l d i n gm e c h a n i s m ；k i n e m a t i c ss i m u l a t i o n ；d e s i g na n dd e v e l o p c o n t c n t s c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n g l i s h i i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h em e a n i n g sa n dt h ep u r p o s eo f t h et o p i c 1 1 2t h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g n r e s e a r c h 2 1 8t h em a i nc o n t e n to ft h es u b j e c tr e s e a r c h 2 c h a p t e r2 t h e p r i n c i p l ea n dt h e o v e r a l ld e s i g no ft h ec e r a m i cf i l e sp a c k a g i n gs y s t e m7 2 1t h e p r o f i l eo f t h e c e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gl i n ea n dt h ep a c k a g i n gs y s t e m 7 2 1 1t h ep r o f i l eo ft h ec e r a m i ct i l ea u t o m a t i cp a c k a g i n gl i n e 7 2 1 2t h ep r o f i l eo f t h ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gs y s t e m 8 2 2t h ek e yt e c h n o l o g yi n t r o d u c t i o na n dc o n t r a s to ft h ec e r a m i ct i l ep a c k a g i n gs y s t e m8 2 3r e q u i r e m e n tf o rd e s i g no ft h ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gs y s t e m 10 2 4s c h e m ed e s i g no f t h ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gs y s t e m 11 2 4 1p r i n c i p l eo ft h ec e r a m i cl o a d i n gm e c h a n i s m 11 2 4 2p r i n c i p l eo f t h ep a p e rc a b i na n dt h ep a p e rg e t t i n gm e c h a n i s m 1 3 2 4 3p r i n c i p l eo f t h ep a p e rf o l dm e c h a n i s m 16 2 5o v e r a l ld e s i g no f t h ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gs y s t e m 17 2 5 1t h ew o r k i n gp r o c e s sa n dt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n g s y s t e m 17 2 5 2g e n e r a lp a r a m e t e r so ft h ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gs y s t e m 19 2 6s u m m a r yo ft h i sc h p t e r 19 c h a p t e r3d e s i g no ft h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so ft h e c e r a m i cf i l e s p a c k a g i n gs y s t e m 2 0 ：1 1d e s i g no f t h ec e r a m i ct i l e sl o a d i n gm e c h a n i s m 2 0 3 1 1t h ew o r k i n gp r o c e s sa n dt h eo v e r a l ls t r u c r u r eo ft h ec e r a m i ct i l e sl o a d i n g m e c h a n i s m 2 0 v n 广东工业大学工学硕士学位论文 3 1 2t h ec a l c u l a t i o no f t h ep a r a m e t e r so f g r i pm e c h a n i s m 2 2 3 1 3c o n s t r u c t i o n a ld e s i g no f t h e 面pm e c h a n i s m 2 5 3 1 4d e s i g no ft h ec o n v e y o rb e l to ft h ec e r a m i ct i l e sl o a d i n gm e c h a n i s m 2 7 3 1 5d e s i g no f t h ea l i g n m e n ta d j u s t m e n tm e c h a n i s m 2 8 3 2d e s i g no f t h ec e r a m i ct i l e su p r i s i n gm e c h a n i s ma n dt h ep a c k a g i n gm e c h a n i s m 2 8 3 2 1w o r k f l o wa n a l y s i so ft h ec o n t i n u i t yp a p e rf a s tf o l d i n gm e c h a n i s m 2 9 3 2 2c o n s t r u c t i o n a ld e s i g no ft h ec o n t i n u i t yp a p e rf a s tf o l d i n gm e c h a n i s m 3 1 3 2 3d e s i g no f t h ep a p e rf o l d i n gm e c h a n i s m 3 2 3 2 4c a l c u l a t ea n da n l y s i so f t h eb e n g d i n ga n g l e so f t h ep a p e r 3 3 3 2 5c o n s t r u c t i o n a ld e s i g no f t h ec e r a m i ct i l e su p r i s i n gm e c h a n i s m 3 6 3 2 6c a l c u l a t i o na n ds e l e c t i o no f t h ec e r a m i ct i l e su p r i s i n gp o w e rs o u r c e 3 7 3 3d e s i g no f t h ep a p e rc a b i na n dt h ep a p e rg e t t i n gm e c h a n i s m 3 8 3 3 1o v e r a l ll a y o u to f t h ep a p e rc a b i n 3 8 3 3 2c o m p a t i b i l i t yd e s i g no f t h ep a p e rc a b i n 3 9 3 3 3s t r u c t u r ec o n c r e t ed e s i g no f t h ep a p e rc a b i n 4 0 3 3 4c o m p a t i b i l i t yd e s i g no f t h ep a p e rg e t t i n gm e c h a n i s m 4 1 3 3 5c a l c u l a t i o no ft h ed r a i nf o r c ea n dt h et o t a lg a sc o n s u m p t i o no ft h ep a p e r g e t t i n gm e c h a n i s m 4 3 3 3 6c o n s t r u c t i o n a ld e s i g no f t h ep a p e rg e t t i n gm e c h a n i s m 4 5 3 3 7c a c u l a t i o no ft h ep o w e rs o u l eo fp a p e rd e l i v e r ym e c h a n i s m 一4 6 3 3 8c o n s t r u c t i o n a ld e s i g no fp a p e rd e l i v e r ym e c h a n i s m 4 8 3 4d e s i g no ft h ec e r a m i ct i l e ss e p e r a t i o nm e c h a n i s m 4 9 3 5d e s i g no ft h 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足，可参考的经验少；而在国外，由于货运系统比较完善，包装工艺与国 内差别很大，可以供借鉴的地方少；再加上瓷砖包装线的包装对象瓷 砖，具有尺寸大、质量大、表面光滑、硬度高且易碎等多方面原因，国内 自主开发的瓷砖自动包装线普遍存在着效率低下、可靠性差等问题。而瓷 砖自动包装线的这些问题又跟裹包系统的打包效率低、结构复杂、稳定行 和可靠性差有关。因此，寻求一种突破传统的快速、高效、低成本的开发 方式且开发出结构简单、高效率和高可靠性的瓷砖裹包系统对瓷砖自动包 装线整线稳定性和包装效率的提高具有非常重要的意义。 本文的研究目的就是针对瓷砖自动包装线裹包系统进行开发设计，通 过对裹包系统关键机构进行真实工况下的仿真，研究其包装性能，及时发 广东工业大学工学硕士学位论文 现缺点和不足之处，改进设计并优化其结构。一方面，为瓷砖自动包装线 的设计开发提供一套高效、可行、直观的设计思路。另一方面，开发出结 构简单、高效率和高可靠性的瓷砖裹包系统。 1 2 国内外研究的现状和存在的问题 瓷砖裹包系统的国内研究现状跟瓷砖自动包装线的国内外研究现状是 一致的，故下面将从瓷砖自动包装线的宏观角度上对此进行介绍。 目前，国外瓷砖包装线处于领先地位，并随着世界各国对新产品的研 制投入大量的资源，高效化、智能化、自动化、产品节能、资源高利用率 集机、电、气、光、磁为一体的瓷砖包装线不断涌现。其中水平较高的国 家有德国、意大利、美国、英国和日本【5 】。著名公司有德国林格( l i n g l ) 公司、凯乐( k e l l r h ，c ，w ，) 公司、利哈德( r e h a r t ) 公司、美国斯蒂 尔( j c s t e e l e ) 公司和德国翰德乐( h a n d l e ) 公司、意大利柏岱斯蒂 ( b e d e s c h l ) 公司、考斯迈克( c o s m e c ) 公司、宝交谊( b o n g i o a n n i ) 公司、荷兰德宝( d e b o e r ) 公司、比利时c e r a t e c 公司、西班牙维德斯 ( v e r d e s ) 公司等等。这些公司的产品的特点是节能、智能、环保、设计 合理、运转灵活、兼容性强1 6 】。但由于在包装工艺方面，国外货运系统比 较发达，瓷砖运输破损率低，工艺相对简单，国外瓷砖包装机没有加包角， 加纸张做隔层或点胶等工序功能。所以，国内对外国瓷砖自动包装线引进 非常少，同时在开发同类设备上时借鉴也不多。故本文不再对国外设备的 具体性能及特点进行详细的对比及介绍了。 国内在第2 2 届陶瓷工业展上，全自动瓷砖包装设备就已向业界展示。 与此同时国内一批强势陶机装备企业新景泰、美嘉、科达、摩德娜、一鼎、 科信达、鼎吉等知名品牌也进入全自动包装设备研发阶段。由于该产品动 作多，结构复杂，在最初的一、二年内，几乎没有一款能达到应用的包装 线。直到2 0 0 8 年，国内才有极少企业推出可应用的包装线，如科达公司的 大规格陶瓷砖包装线( 如图l 1 ) ，一鼎公司的包装线y d b 8 0 0 ( 如图1 2 ) 、 鼎吉公司的包装线( 如图l 一3 ) 。 2 _ 厢 爹 图1 1 科达公司瓷砖自动包装线 f i g l - 1 。t h ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gl i n eo ft h ek e d ac o l t d 氲一 f 暖、 两岛罾嗣盎叠 羁 图1 2 一鼎公司瓷砖自动包装线 f i g l - 2 t h ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gl i n eo ft h ee d i n gc o l t d 图1 3 鼎吉公司瓷砖自动包装线 f i gl 3 t h ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gl i n eo fd i n o v o rc o l t d 这三家公司的包装线性能及参数对比t t - 10 如表1 1 ： 广东工业大学工学硕士学位论文 表1 1 三家公司包装机对比情况 t a b l e1 - 1 p r o d u c tc o n t r a s to ft h ec o m p a n y 公司科达机电一鼎科技鼎吉包装机械 型号8 0 0 系列y d b 8 0 08 0 0 系列 包装效率8 9 包分钟9 包分钟8 包分钟 装机功率( k w ) 3 0 45 5lo 耗气量( l m i n ) 1 4 2 1 8 6 8 4 12 0 长度( m m ) 2 5 3 02 3 0 021o o 6 0 0 x 6 0 0 m m 或6 0 0 x 6 0 0 m m 或 适用瓷砖规格8 0 0 x 8 0 0 m m 8 0 0 x 8 0 0 m m8 0 0 x 8 0 0 m m 工作稳定性一般较好一般 只兼容两种规格只兼容两种规格 兼容性及灵活性无兼容 瓷砖瓷砖 自动上砖、切龙门夹持机二次接力式 砖，自动取放包构两侧加砖，翻小角度翻转上 角，自动包装折转式上砖，网链砖；倾斜式纸箱 纸、捆扎，自动纸箱仓，纸箱立仓，吸盘背吸式 下砖；双工位交式堆叠，吸盘取取纸箱：自动上 替下砖，可旋转纸；能自动完成砖上砖、整形、 特点9 0 0 码放，以便节瓷砖包装过程中送纸、折箱、打 省间；包装机采的上砖、整形、带、码垛。整线 用夹持瓷砖行走送纸、折箱、打由单机部分构 和落差式包装结带、码垛所有工成，客户可以根 构，可有效地防序，整个过程采据自己的要求灵 止砖层间的动，用全自动化控制活组合单机连成 提高包装速度技术，无需手动独立自动包装线 控制即可完成 目前国内产品与国外品牌间的差距主要以下几方面i 】： 一是生产效率低、能耗高，稳定性和可靠性差，产品造型落后，外观 粗糙，基础件和配套件寿命低，国产的气动件和电器元件质量差。 二是控制技术应用得少。比如远距离遥控技术、步进电机技术、信息 处理技术等。 三是国内制造精度达不到设计要求，工人装配调试水平低。 从陶瓷机械行业发展来看，未来的瓷砖包装线将朝着高效率、节能、 高稳定性、自动化、智能化以及柔性化方向发展。 4 第一章绪论 1 8 课题研究的主要内容 本课题按照图1 4 所示的步骤对瓷砖裹包系统开发设计。 市场调研 上 瓷砖裹包系统设计 方案的制定 上 上砖模块分砖模块折箱模块 纸箱仓及 推包模块 纸箱取送 的设计的设计的设计的设计 模块设计 王 建立瓷砖裹包系统关键机构的 仿真模型 优化设计 l 瓷砖裹包系统的产品试制 图1 4 瓷砖裹包系统的开发步骤 f i g l - 4 t h es t e p so fd e v e l o p m e n to ft h ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gs y s t e m 主要进行了以下研究工作： 对国内外瓷砖自动包装线裹包系统原理方式进行对比分析，确立 5 广东工业大学工学硕士学位论文 了瓷砖裹包系统各个模块的原理方式。 对瓷砖裹包系统上砖模块、分砖模块、纸箱取送模块、折箱模块 和推包模块进行了设计。 建立瓷砖裹包系统各个模块三维实体模型和运动学仿真模型。 对瓷砖裹包系统的关键部分上砖模块和折箱模块进行了运动 学仿真和分析，并通过分析确立了最佳设计方案，改进了设计。 6 第二章瓷砖襄包系统的工作原理与总体设计 第二章瓷砖裹包系统的工作原理与总体设计 2 1 瓷砖自动包装线及裹包系统简介 2 1 1 瓷砖自动包装线简介 瓷砖自动包装线是包装机械领域面向陶瓷墙地砖包装的自动化机械。 在国内是近两年才开发出来的产品。该设备线能完成陶瓷墙地砖的自动上 砖、自动包角、自动加纸箱、自动折箱、自动打带、自动码垛等工序。整 个系统采用p l c 控制及触摸屏人机界面，实时监控每个工序的运行动作 【1 2 】。根据工况不同，可以分为连线式和离线式两种类型。连线式瓷砖自动 包装线主要面向陶瓷砖生产、加工，包装流水化作业需求的。因为目前陶 瓷墙地砖的生产从毛胚砖到窑炉烧结以及抛光、滚花，磨边等后续加工过 程都是以流水线方式【1 3 】，但是陶瓷砖的包装很多还是人工完成，不利于大 规模流水化作业。连线式包装线裹包系统直接与陶瓷砖磨边线相连接，它 由翻砖模块、叠砖模块、储包模块、加纸箱模块、加包角模块、打带模块 和码垛模块组成。其工作流程如图2 1 所示。图中的储砖和下砖主要是为 发生故障时应急处理留出缓冲时间。 回嘭圈奇圆日圆吟圆 圆仁圆 圈仁圃仁圈臼圆钽回 图2 1 连线式瓷砖自动包装线工作流程 f i 9 2 一1 t h ep r o c e s so ft h eo n l i n ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gl i n e 离线式包装线不与瓷砖生产线相连，瓷砖从生产线出来后首先是堆叠 在砖托上，然后用人力小车或叉车运送至包装线旁边，再通过上砖机构翻 抬到包装线上。这种包装线的工作效率不受瓷砖生产线生产效率的制约， 主要是用于陶瓷砖产量较小或生产场地受限制等场合。它比连线式包装线 7 广东工业大学工学硕士学位论文 少了翻砖p j 、叠砖和储砖模块，多了上砖模块。其工作流程如图2 - 2 所 示。 圜d 匝圃d 回商圆 8 圈仁一圃仁一圈 图2 2 离绋式瓷砖白动旬奘绋t 作流； 旱 f i 9 2 2 t h ep r o c e s so ft h eo f f l i n ec e r a m i ct i l e sp a c k a g i n gl i n e 2 1 2 瓷砖裹包系统简介 裹包系统是瓷砖自动包装线的核心系统，它的主要功能是完成瓷砖裹 包的任务，可分为基本功能和扩展功能。如图2 3 所示，基本功能为取纸 箱，送纸箱，折箱及推包；扩展功能有取包角( 或泡沫塑料) 、送包角( 或 泡沫塑料) 、上砖，对中及分砖，其中上砖、对中及分砖是为了提高集成 度，减少占地面积以及提高效率从包装线其它模块划分过来的，其余扩展 功能随包装线连线方式的不同( 连线或离线) 、瓷砖类别的不同( 墙砖或 地砖) 、瓷砖规格尺寸的不同( 大砖或小砖) 以及客户定制要求的不同而 有一些差异。根据所用纸箱不同，可分为露背式和全包式；根据裹包系统 外型的不同，又可分为笼式裹包系统和坛式裹包系统系统。整个系统采用 异步电机和气动元件驱动，p l c 控制，各部分协调工作。 圈b 圈 il 弋夕 回匕咂互塑习匕圈匕阒 介 圃b 圈 二剖 图2 3 裹包系统工作流程 f i 9 2 - 3 t h ep r o c e s so ft h ep a c k a g i n gs y s t