金枪鱼罐头盒的叠罐装置设计

2022-06-21刘留留顾平灿

机械工程师 2022年6期

刘留留，顾平灿

（浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022）

0 引言

我国南海金枪鱼资源丰富，舟山每年都会捕捞大量的金枪鱼。舟山的金枪鱼加工方式主要有两种：1）将金枪鱼加工成半成品鱼柳罐头，每年占比约为60%～70%；2）将金枪鱼加工为成品金枪鱼罐头，这种加工方式占比较少，但是有着很广阔的未来。金枪鱼罐头不仅营养丰富、卫生安全，同时还具有方便携带等优点。

传统的金枪鱼加工方式中会使用大量的人力，例如在制罐、加工、包装等方面。其中制罐过程中的叠罐工作通常是人工辅助机械来完成，不具备完全的自动化。为此，设计了一套能够完成自动化叠罐的装置。这套装置对比此前的机械加人工辅助的传统模式可以极大地提高工作量，节约人力成本，满足中小型企业的批量生产的需求。

1 叠罐装置的基本机构和工作原理

1.1 基本机构

通过对实际罐头盒实际生产过程的观察和研究发现，罐头盒在叠罐时有诸多的不便，于是便设计出叠罐装置（如图1）来解决此问题。

图1 叠罐装置示意图

该装置主要由分离机构、推盒机构、整列机构、传送机构等组成，其三维图如图2所示。

图2 叠罐装置三维图

1.2 工作原理

罐头盒由入口进入，会暂时集中在罐头盒入口处，由分离机构上部分阻止罐头盒向下运动，分离机构的下半部分会控制罐头盒在适当的时间点下落；当光电传感器A感应到罐头盒的存在时，推盒机构上下2个气缸会交替地把罐头盒推进整列机构，罐头盒之间会形成交替相错的位置，如图3所示。

图3 罐头盒交替错开图

罐头盒会在整列机构里形成有序的队列，并不断地向左方向移动；当移动到光电传感器B的位置时，控制系统会控制机械手向右方向移动；机械手上的计数器会在机械手向右移动时记录盒子的数量；当数量达到50个时，机械手会停止水平移动，气缸收缩，机械手向下运动，抓住罐头盒；然后机械手带着罐头盒向左移动，并把罐头盒带到打包区域。流程图如图4所示。

图4 工作流程图

2 叠罐装置的设计

2.1 分离机构的设计

2.1.1 分离机构的工作原理

分离机构（如图5）主要由罐头盒通道、摇杆、气缸、M形阻断机构、支撑架和底座组成。

图5 分离机构三维图

有2个主要的作用：1）阻止罐头盒的下降，保持适量的罐头盒聚集在罐头盒入口处；2）分离2个罐头盒，使2个罐头盒的裙摆不会影响2个罐头盒的左右移动（如图6）。罐头盒的四周有裙摆，上下2个罐头盒之间要左右移动时，其中的一方可能影响到另一方的移动；想要2个罐头盒之间不相互影响，就必须先要在竖直方向上分离，才不会影响2个罐头盒的左右移动。

图6 罐头盒裙摆

首先罐头盒进入罐头盒通道后，M形机构的下半部分抵挡住罐头盒a的下落，如图7（a）所示。此时气缸的伸长，带动摇杆转动，最后带动M形机构的转动，使其发生顺时针旋转，罐头盒a就会因为没有阻挡而下落到底座上，罐头盒a与罐头盒b就能分离开来，如图7（b）所示。在罐头盒a下落后，气缸就会往回收缩，带动摇杆转动，最后带动M形机构的转动，使其发生逆时针旋转，回到原始位置。由于M形机构的旋转，M形机构的上半部分将不再控制罐头盒b的位置，罐头盒b就会下落。罐头盒b在下落的过程中，M形机构下半部分会阻止罐头盒b的下落，如图7（c）。最后分离机构完成一个工作周期，恢复到原始位置，如图7（d）所示。

图7 分离机构工作流程图

2.1.2 分离机构的主要设计

气缸的选择如表1所示。

表1 CJ2标准迷你气缸主要参数

摇杆长度和气缸位置的确定：设计要求M形机构的转动角度为29°～31°之间，当M形机构处在中间位置时，M形机构转动角度为14.5°～15.5°之间。摇杆末端到气缸末端的竖直距离为80 mm。气缸在没有伸长的情况下，总长度为167 mm（如图8）。

图8 摇杆工作与M形机构的位置关系

以摇杆末端为圆心，以摇杆的长度X为半径画圆，该圆的圆心角15°对应的弦长为a，则得出

2.2 推盒机构的设计

2.2.1 推盒机构的工作原理如图9所示，当罐头盒由分离机构下来时，光电传感器A开始工作，检测到有罐头盒下来，控制系统会控制气缸开始工作，两个气缸会交替工作，把罐头盒交错地送入整列机构中，罐头盒在整列机构中形成有序队列。

图9 推盒机构三维图

2.2.2 推盒机构的设计

1）气缸的选择。气缸的选择主要由行程和缸径两项决定，如果行程和缸径选择不合适，就无法满足工作要求。如果行程太小，就无法把罐头盒推进可调节通道里，但如果行程太大就会增加来回时间，降低工作效率；同样，如果缸径选择太小了，就推不动罐头盒，如果缸径选择太大，就会使得气缸的体积太大，造成不必要的浪费。

2）行程的选择。行程的大小主要由2个量决定的，罐头盒的厚度给气缸A留下一定的空间。依据这2个量得到气缸的行程不小于85 mm。

3）缸径的计算。负载的来源主要是罐头盒与可调节通道的底部摩擦。可调节通道的底部有2根具有磁性的圆柱型钕铁硼磁铁，会吸住罐头盒，罐头盒和圆柱型钕铁硼磁铁的摩擦力的大小无法直接由计算得出，于是设计以下实验用来计算摩擦力的大小。由推力计来测量不同数量的罐头盒与圆柱型钕铁硼磁铁的摩擦力。得出表2中的数据，画出罐头盒数量和所需要的推力大小的散点图，如图10所示。

图10 摩擦力与罐头盒数量关系散点图

表2 摩擦力与罐头盒数量的关系

由以上数据利用最小二乘法计算出摩擦力和罐头盒数量之间的关系为Y＝2.3902X。

以50个罐头盒为例，气缸的负载为2.3902× 50＝119.51 N。考虑到实际工作工况，还需要增加20%的大小。最终确定气缸的负载为143 N：

式中：F为摩擦力的大小；F0为气缸的最大负载能力；S为气缸横截面积；D为气缸直径；P为气缸压力，0.6 MPa。

由此可以得出D＝19.08 mm。

根据以上分析，选择的气缸型号为TN-20X90-S，缸径为20 mm，行程为90 mm。

4）选择双气缸的原因。单气缸只能在1个方向上向里推罐头盒，如果气缸对准罐头盒的中间位置，那么罐头盒就会一个一个地叠加在一起，会形成图11左图所示的效果，一个罐头盒完全陷入另一个罐头盒里，在使用时，需要很大力气才能取出来。选择双气缸，可以把2个气缸分别放置在罐头盒的上下2个位置，产生一个相互交错的位置，罐头盒不会陷进去，方便使用。

图11 罐头盒位置交错图

2.3 整列机构

整列机构三维图和细节如图12所示。当罐头盒到达整列机构时，会在整列机构里停留一会，并且和其他罐头盒形成相互交错的摆放。为保证罐头盒在整列机构里顺利通过，整列机构上下支撑柱的距离会比罐头盒的高度稍微高一些。而左右两边的侧边挡柱是为了罐头盒在位置上不发生偏差，所以要和罐头盒紧密地贴在一起，并使罐头盒处在中间位置。通过控制调节杆的伸长量就能调节两侧挡板的距离，从而调整通道的距离。最终合适的距离需要根据现场的调试才能确定。经过调试，最终确定2个挡板的距离为68.2 mm。

图12 可调节通道原理图

2.4 传送机构的设计

传送机构三维图如图13所示。传送机构的目的是将50个罐头盒为一组送到打包区域。机械手左右移动范围是1200 mm，上下移动范围是80 mm，当罐头盒累积到一定数量时，光电传感器会发出信号让机械手臂从左向右移动。机械手的末端有计数器，当计数器达到50时，机械手会停止水平移动，并向下运动抓取罐头盒。然后机械手会带着罐头盒向左运动，把罐头盒传送到打包区域。