棉包自动拆袋机的创新设计

裴泽光 刘 琰 张金中 李 智 朱江阳 陈俊鹏

（东华大学，上海，201620）

直行往复式自动抓棉机是纺纱流程中的第一台加工设备，用于从棉包中抓取棉块，并将其输送至前方机台进行进一步加工［1］。在加工前，棉包外部包有包装袋，并由若干条打包带垂直于棉包长度方向在外部进行捆扎。在抓包前，棉包的输送、剪带、除带、割袋、除袋、排放等工序均由人工完成，劳动强度大、用时长，在当前劳动力成本上升、纺织企业用工短缺的背景下，亟需采用自动化的机械装置来完成棉包外包装袋的拆除等工序［2］。目前，针对其他领域的自动化剪带［3-5］与割袋［6-7］等工序和装置已有一些报道，但对于纺纱工序中所涉及的棉包自动拆袋装置还并不多见。针对这一需求，本研究提出了一种面向直行往复式自动抓棉机的棉包自动拆袋机的创新设计方案。

1 棉包自动拆袋机的总体构成

本研究设计的棉包自动拆袋机总体构成示意图如图1所示，由棉包输送机、钩带装置、剪带装置、废带收集装置、夹袋装置、割袋装置（包括侧面割袋装置、割包台和底部割袋装置）、废袋收集装置、第一抱夹车及第二抱夹车构成。其中，棉包输送机位于割袋装置上游，钩带装置与剪带装置分别位于棉包输送机的两侧，废带收集装置位于钩带装置下方，夹袋装置和侧面割袋装置分别位于割包台的两侧，在夹袋装置的下方设有废袋收集装置。棉包自动拆袋机的主要工位包括除带工位、钩带工位、剪带工位、废带收集工位、除袋工位、底面割袋工位、侧面割袋工位、夹袋工位、废袋收集工位及待搬运工位［8］。

图1 棉包自动拆袋机的总体构成示意图

1.1 棉包输送机

棉包输送机为链板式输送机结构，用于将打包带及包装袋未去除的棉包先后输送至除带工位和除袋工位，由输送机机架、驱动机构、侧挡板、侧筋板、棉包支撑板等组成。棉包支撑板在驱动机构的驱动下将其上的棉包输送至除带工位和除袋工位。

1.2 钩带装置

钩带装置用于依次钩取棉包上的各根打包带，由钩带机构、钩带机构运载机构、钩带箱体、钩带箱体运载机构等组成，如图2所示。其中，钩带机构用于在剪带前对打包带进行钩取，由钩带压板、钩带连接轴、滑台气缸、气缸连接件、勾玉状扳机开关、卷簧、拨叉等组成；钩带机构运载机构由钩带机构运载电机、钩带机构运载齿轮、钩带机构运载齿条、钩带机构运载电机座、导轨等组成，钩带机构运载电机的输出轴上穿设有与钩带机构运载齿条相啮合的钩带机构运载齿轮，由钩带机构运载电机驱动钩带机构运载电机座及与其连接的钩带机构上下移动。钩带箱体运载机构由箱体运载电机、箱体运载齿轮、箱体运载齿条、箱体运载电机座、导轨等组成，由箱体运载电机驱动钩带箱体在导轨上沿左右方向移动。

1.3 剪带装置

剪带装置用于将被钩带装置钩取的打包带剪断，由剪带机构、剪带机构运载机构、剪带箱体、剪带箱体运载机构等组成，如图2所示。剪带机构由剪带压板、剪带连接轴、回转气缸、固定刀片和旋转刀片组成。剪带机构运载机构与钩带机构运载机构的结构和组成相类似，其带动剪带机构在剪带箱体上沿上下方向移动。剪带箱体运载机构可带动剪带箱体在剪带机架上沿左右方向移动。

图2 钩带装置与剪带装置工作示意图

1.4 废带收集装置

废带收集装置为一种皮带式输送机结构，用于收集所有被剪断的打包带，由废带收集机架、废带收集皮带、废带收集电机、废带收集传动组件、废带收集箱和侧挡板组成。废带收集电机通过废带收集传动组件驱动废带收集皮带转动，废带收集皮带带动其上被剪断的打包带，使所有被剪断的打包带落入废带收集箱内。

1.5 割袋装置

割袋装置由底部割袋装置、侧面割袋装置和割包台组成，如图3所示。

图3 割袋装置示意图

其中，底部割袋装置位于割包台的正下方，由转动盘、顶包架、液压缸体、割袋刀具、电机及传动组件组成，用于将已除去打包带的棉包外部包装袋沿底部对角线割开。电机可通过齿轮传动转动盘转动；顶包架由4个相同的异形叶片按照一定角度相交叉构成；顶包架下部安装在一作为推杆的轴状部上，其与液压缸体形成液压驱动连接；割袋刀具由支撑杆、电机、同步带、传动组件、带轮组成；同步带整周上设有割袋刀片；传动组件由两个带轮与传动带组成。

割包台包括传送带、辊筒以及置包平台。传送带分为前后两段，两段传送带之间留有间隙，两个辊筒则布置于间隙处的左右两侧。在间隙区域设有由两个宽度略大于割袋刀片宽度、长度略大于割袋刀片长度的长方形孔按照一定角度相交叉形成的“X”状异形孔，其中交叉角度等于棉包矩形底面两条对角线的夹角。当棉包位于底面割袋工位时，异形孔的中心线位置与棉包矩形底面两条对角线的位置相对应［9］。当辊筒不动作时，位于间隙处的棉包静止不动，此时，由底部割袋装置、侧面割袋装置及夹袋装置配合完成对棉包的包装袋的切割以及夹取。辊筒动作时，将未除去包装袋的棉包从前段的传送带上送至间隙处，或者将已除去包装袋的棉包送至位于后段的传送带上，进而由该传送带将棉包向待搬运工位输送。

侧面割袋装置位于割包台的侧方，用于将已除去打包带的棉包外部包装袋的左侧面或右侧面割开，其包括侧面割袋机架、侧面割袋滑动机构、侧面割袋机架、丝杠模组、刀具。侧面割袋机架位于侧面割袋滑动机构上，侧面割袋滑动机构用于驱动侧面割袋机架在平面内的前后左右运动。丝杠模组位于侧面割袋机架上，用于驱动刀具上下移动，从而将包装袋左侧或右侧竖直方向上的边线割开。

1.6 夹袋装置

夹袋装置用于取下已被割开的包装袋。夹袋装置对包装袋产生夹持力，由夹袋装置机架、滑台气缸、滑动板、手指气缸、夹板组成。

1.7 废袋收集装置

废袋收集装置与废带收集装置结构相似，用于输送并收集废弃的包装袋，包括废袋收集机架、废袋收集皮带、废袋收集电机、废袋收集传动组件、废袋收集侧挡板、废袋收集箱。废袋收集电机经由废袋收集传动组件驱动废袋收集皮带运转，从而将废弃的包装袋送入废袋收集箱。

1.8 抱夹车

第一抱夹车与第二抱夹车结构相同。第一抱夹车用于将未去除打包带及包装袋的棉包放入棉包输送机，第二抱夹车用于将位于待搬运工位的已去除包装袋的棉包取出并搬运至棉包排放位置。

2 棉包自动拆袋机的工作步骤

（1）第一抱夹车将未去除打包带及包装袋的棉包放置在棉包输送机的棉包支撑板上。棉包支撑板运动，将棉包输送至除带工位处，随后棉包支撑板停止运动。

（2）箱体运载机构驱动钩带装置的钩带箱体运动到钩带工位，钩带机构位于行程的最高处；箱体运载机构驱动剪带装置的剪带箱体运动到剪带工位，剪带机构位于行程的最高处，完成剪带前的准备工作。

（3）滑台气缸位于最大行程处，此时钩带机构的勾玉状扳机开关最靠近钩带压板。钩带机构在钩带机构运载机构的带动下向下运动，在勾玉状扳机开关接触到棉包对应位置的打包带后，钩带机构再继续向下运动一定距离停止。由于卷簧的作用，勾玉状扳机开关只能在一定角度内旋转。钩带机构利用拨叉及钩带压板将棉包该位置处的打包带握住，随后钩带机构运载机构停止运作，如图4所示。

图4 钩带机构工作原理示意图

（4）剪带机构在剪带机构运载机构的带动下向下运动，直至棉包对应位置的打包带在固定刀片和旋转刀片之间，剪带机构停止运动；回转气缸驱动旋转刀片转动，与固定刀片闭合而将棉包该位置的打包带剪断，如图5所示。

图5 剪带机构工作原理示意图

（5）步骤3至步骤4重复执行，以将棉包上的打包带全部剪断。钩带机构抓握住所有已被剪断的包装带并运动至行程的最低处；钩带装置在钩带箱体运载机构的驱动下向远离棉包的方向运动到废带收集工位，从而将被剪断的所有打包带拖出；滑台气缸动作，带动勾玉状扳机开关远离钩带压板，随后拨叉将所有打包带拨落到废带收集皮带上，废带收集皮带将废弃的打包带输送到废带收集箱中。

（6）钩带装置及剪带装置完成复位动作。

（7）棉包输送机的棉包支撑板与割袋装置的传送带和辊筒共同作用，将已被除去打包带的棉包输送到除袋工位。

（8）底部割袋机构将已除去打包带的棉包外部包装袋沿底部对角线割开，随后将棉包顶起一定的高度，使棉包位于侧面割袋工位。

（9）侧面割袋滑动机构驱动侧面割袋机架移动到刀具正好位于棉包顶面两个角正上方的位置，如图3（c）所示，随后丝杠模组驱动刀具将包装袋靠近侧面割袋装置一侧竖直方向上的两条边线割开。

（10）滑台气缸驱动夹袋装置运动到夹袋工位，随即两个手指气缸驱动夹板闭合而夹住包装袋。

（11）滑台气缸驱动夹袋装置及废弃包装袋运动到废袋收集工位，将废弃包装袋丢弃到废袋收集装置；废袋收集装置将废弃包装袋输送到废袋收集箱中；随后侧面割袋机架、刀具及顶包架复位。

（12）割袋装置的传送带与辊筒将棉包输送到待搬运工位。

（13）第二抱夹车将棉包搬运至排放位置。

以上步骤1～步骤13重复执行，直至棉包排放位置自动排满。

3 棉包自动拆袋机的优势和创新点

（1）采用两侧设有挡板的板链式输送机对棉包进行输送，不仅可提高棉包输送的自动化水平及工作效率，降低劳动强度，节省人工，而且可限制棉包在传输过程中的侧向移动，有利于棉包的稳定输送。

（2）钩带机构方便钩取打包带，并在剪带完成后可对打包带施加稳定有效的握持，在丢落打包带的过程中不易造成打包带散乱，有利于打包带的集中收集。

（3）采用双刃剪切的方式对打包带进行切割，切割打包带的效率高。

（4）可实现废弃打包带的高效、快速和可靠收集，节约了人工，提高了操作的安全性。

（5）采用对棉包包装袋底面对角线及侧面进行切割的方法，确保了棉包包装袋去除过程的可靠性和工作效率。

（6）采用侧面取下棉包包装袋的方法，可有效降低装置整体工作空间的高度要求。

（7）采用AGV［10］抱夹车实现棉包的搬运与排放，劳动强度低且无需轨道，占地小，成本低。

4 结束语

本研究创新设计了一种面向直行往复式自动抓棉机的棉包拆袋机，该机主要包括棉包输送机、钩带装置、剪带装置、废带收集装置、割袋装置、夹袋装置和棉包抱夹车，其设有除带工位、钩带工位、剪带工位、废带收集工位、除袋工位、底面割袋工位、侧面割袋工位、夹袋工位、待搬运工位和废袋收集工位。该设计采用自动化的机械装置完成棉包的输送、除带、拆袋、搬运及废带和废袋的收集工作，为有效替代传统的人工除带和拆袋工作提供了解决方案。