由于粮食产地与成品消费地的分离，为更好的实现粮食的运输和保鲜，真空包装及装箱是一个很好的选择；目前粮食行业装箱环节大多采用人工装箱或机器人装箱，成本较高。随着国内大米自动化生产线的普及，在产业规模化、一体化、集体化的粮食加工企业中[1]，为适应其规模化生产要求，并进一步降低企业成本，提高经济效益[2-3]，需要把装箱机成本控制在合理范围内，使之与人工装箱、机器人装箱相比有明显优势。因此，研发真空包装的全自动装箱机是企业发展的趋势。通过对包装物定位技术、纸箱定位机构、纸张定位机构和装箱垫纸机构等多项专利技术的研发，笔者开发出了具有装箱效率高、稳定性好、操作简单的真空包装全自动装箱机。
1 真空包装全自动装箱机方案
真空包装全自动装箱机采用整机设计，布局如图1所示。使用简单的机械结构，满足功能需求，机电结合，实现自动化生产。
图1 装箱机整机布局图
通过智能仪表采集传感器信号， PLC处理信号，配合控制系统完成既定动作，每个动作既相互独立又互为协调。工作过程主要由纸箱定位工序、取包工序、取纸工序和成品输送工序组成，具体工作流程见图2。
图2 工作流程图
2 真空包装全自动装箱机关键技术
包装物定位技术、纸箱定位机构、纸张定位机构、装箱垫纸机构等在设备运行中起着至关重要的作用，直接影响到包装效率、包装成品率、包装效果及封箱的可靠性。为实现机电一体化，运用过程控制原理，将机械、电子与信息等有关技术进行有机集成，实现整体性能最优化和全自动化。
2.1 包装物定位技术
对于全自动装箱机，核心品质是生产效率、工作的稳定性和产品的合格率，因此包装物状态是一个关键。
包装物定位技术的结构如图3所示。当包装物在输送过程中，呈现如图3所示不规整的状态时，到指定的检测位置，输送带延时停止；与此同时，包装物前端触及前挡板机构，被前挡板机构摆正；输送机构停止后，米包对中机构对包装物进行对中定位。米包对中机构如图4所示，对中板a、对中板b分别固定于直线导轨上的滑块上，气缸前端固定于机构安装板上，气缸尾端则固定于对中板b。对中板a与对中板b通过钢丝绳按图示连接方式连接。当气缸复位时，气缸尾部带动对中板b向中间移动，此时由于钢丝绳a和b的作用，对中板a也向中间移动；当气缸动作时，对中板a、b同时向外张开。该机构实现对中板a与对中板b同步向中间动作或同时向两边张开，对米包进行对中定位[4-5]。
图3 包装物定位结构示意图
图4 米包对中机构示意图
2.2 纸箱定位机构
纸箱定位机构由顶部折片摆正导向机构、纸箱高度定位机构、纸箱对中定位机构组成，如图5所示。
输送辊筒将纸箱输送至定位位置，纸箱挡板机构限位并导正纸箱。输送辊筒停止，纸箱对中定位机构(结构与图3类似)动作，对中板对中运动，将纸箱对中。纸箱下定位完成后，顶部折片摆正导向机构见6。
靠自重缓慢下降，机构上的定位检测点检测到纸箱，机构下降停止，折板机构如图7所示自上向下运动，将倾斜的纸箱顶部折片摆正。装箱完成后，纸箱对中机构复位，纸箱挡板机构下降，顶部折片摆正导向机构复位，输送辊筒启动，将纸箱送出装箱机。
纸箱的长度可通过推动前后调节杆移动后折片来适应。纸箱的宽度，可通过转动手轮，带动调整螺杆驱动相应螺母开合来调节适应，螺杆与导轨配套使用以保证左右折片摆正部分直线运动。
图5 纸箱定位机构示意图
图6 顶部折片摆正导向机构示意图
图7 折板机构动作示意图
2.3 纸张定位机构
纸张定位机构如图8所示，将纸片放置于纸片托盘上，旋转手轮带动调整螺杆即可带动调整左右螺母同时向内或者向外移动。调整左螺母与纸片左挡板同固定在同一根导轨的滑块上，调整右螺母与纸片右挡板同固定在该根导轨的对侧滑块上[5]。当旋转手轮时，纸片左右挡板也同时向内或向外同步移动以便保证纸片的对中，且适应不同大小的纸张。
图8 纸张定位机构示意图
2.4 装箱垫纸机构
装箱垫纸机构由取纸机构、取包机构、移动机构组成，如图9所示。
图9 装箱垫纸机构示意图
2.4.1 取纸机构
取纸机构见图10。
图10 取纸机构示意图
如图10所示，取纸时，先由测距开关测出开关距离纸张上表面的高度H，再根据结构得出测距开关与真空吸盘下端面的距离h,执行元件取纸时所需走的行程=H-h。执行元件走完所需行程后，吸盘打开真空回路，将纸片吸起，然后回原点即完成一张纸片的吸取。
2.4.2 取包机构
如图11所示，包装物定位后，测距检测开关测出开关到包装物表面的高度H,吸盘被压缩下平面与测检测开关下平面距离为h,此时吸盘需下降抓取包装物的距离=H+h。执行元件取包时所需走的行程=H-h，执行元件走完所需行程后，吸盘打开真空回路，将包装物吸起，然后回原点即完成一件包装物的吸取。
图11 取包机构示意图
2.4.3 移动机构
图12 移动机构示意图
移动机构如图12所示，机构安装板固定在两套导轨上，伺服电机通过联轴器与滚珠丝杆连接，丝杆螺母通过螺母固定座与机构安装板固连在一起。伺服电机驱动丝杆转动，从而带动机构安装板左右移动。利用伺服电机可频繁启动、响应快的特性，通过控制伺服电机正反转来实现机构安装板快速往复定距移动，配合取纸机构、取包机构动作，实现包装物与纸片交替放置。
2.4.4 丝杆强度的计算及选型
由于移动机构丝杆负载较大，且需频繁往复运行，需对丝杆强度进行计算及校核，以便选择合适的丝杆。移动机构简图如图13所示，丝杆采用一端固定一端支持的固定方式。
已知滑动工作台质量M=36 kg，工作物质量m=10 kg，速度v=60 m/min，最大行程L=940 mm，转动率60%，伺服电机额定转速2 000 r/min。
图13 移动机构简图
(1)运转条件设定
机械寿命时间t的推定：
t=每天的工作时间×每年的工作天数×假定工作年限×转动率=12×250×10×60% =18 000 h。
(2)滚珠丝杆导程l
(3)平均载荷Fm的计算
查《机械设计手册》[6]第2版第4卷34-23中的计算公式34.2-6得，
式中,F1、F2为轴向工作变载荷，N；q1、q2为相应载荷工作时间与总工作时间的比值，%。
计算可得Fm=407.68 N
(4)平均转速nm的计算
查《机械设计手册》[6]第2版第4卷34-23中的计算公式34.2-5得，
nm=n1q1+n2q2+…+nkqk，
式中n1、n2为各种工作转速，r/min；q1、q2为相应载荷工作时间与总工作时间的比值，%。
计算可得nm=1 200 r/min。
(5)基本额定动载荷Ca的计算
根据《TBI综合型录》 [7]C26中的计算公式：
Ca=Fm×fs，
式中，fs为安全系数，查TBI综合型录[7]C26中的表1.9.3可得，见表1。
表1 安全系数fs
取fs的值为5，
计算可得Ca=2 038.4 N
(6) 基本额定静载荷Coa的计算
根据《TBI综合型录》 [7]C26中的计算公式：
Coa=Pmax×fs,
式中, Pmax≈Fm/0.65。
计算可得Coa=3 136 N。
(7)螺帽型式的选定
根据型录表选定SFYR2550，
可得Ca=19 208 N，Coa=55 017.2 N。
(8)寿命时间Lt的计算
根据《TBI综合型录》 [7]C26中的计算公式：
式中，fw为负荷系数，查TBI综合型录[7]表1.9.2可得，见表2。
表2 负荷系数fw
取fw的值为2，
计算可得Lt=182 232 h>18 000 h
(9)容许回转数n及dm值的检验
根据《TBI综合型录》 [7]C15中的计算公式：
式中，α为安全系数，α=0.8；E为弹性系数，E=2.06×105,N/mm2；I为螺杆轴牙底直径，
为螺杆轴牙底直径，mm；g为重力加速度，g=9.8×103，mm/s2；γ为材料的密度，γ=7.644×10-5，N/mm3；A为螺杆轴断面积，为安装间距，L=870，mm；f、λ为依滚珠丝杆之安装方法而定的系数，
支持-支持f=9.7 (λ=π)，
固定-支持f=15.1 (λ=3.927)，
固定-固定f=21.9 (λ=4.730)，
固定-自由f=3.4 (λ=1.875)，
计算可得n=4 621 r/min>nmax，
dm×n=25×2 000=50 000≤50 000(一般产业用，精度等级C10)。
2.4.5 装箱垫纸机构成功率的测试及分析
设备运行环境温度32℃，分别对10组20 000个情况不同的米包进行试验。结果如表3所示。
表3 装箱垫纸机构成功率测试
通过分组试验，可以确定装箱垫纸机构的稳定性良好，能保证较高的成功率。
3 结语
真空包装生产线装箱机项目在研发过程中做出了较大突破，并获得多项国家发明专利和实用新型专利。自进入市场以来，其新颖的包装方式、精美的包装效果和包装效率获得粮油企业的认可和褒奖。其包装物与纸片交替放置的工作模式突破机器人装箱的功能局限，促进了相关产品的变革与技术进步，全面提升了企业的核心竞争力，为粮食机械的发展起到了积极的推动作用，创造了较好的社会经济效益。
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[2] 唐唤清, 吕建华. 我国包装机械的现状与发展趋势[J]. 中国包装工业, 2015(18)：81-82.
[3] 周 芳. 我国包装机械的现状与发展趋势[J].基层建设, 2017(3)：12.
[4] 王志强，等. 一种自动装箱机:中国, 201720942206.5 [P]. 2018-01-11.
[5] 王志强，等. 一种自动装箱机及其使用方法:中国，2010640857.3 [P]. 2017-11-15.
[6] 刘四麟. 粮食工程设计手册[M]. 郑州：郑州大学出版社, 2002.11:638-641.
[7] TBI综合型录.https://www.tbimotion.com.tw/zh-CN/page/e-catalog.
