基于视觉寻口的钢桶旋盖压盖一体机设计

文/徐国宝

摘要：目的 解决闭口钢桶封口设备存在的寻口速度慢、封口效率低和设备可靠性差的问题。方法 设计了一种封口设备，采用视觉寻口技术实现寻口操作，同时将旋盖和压盖等2道工序设计在同一工位完成。结果 寻口快速准确，并且只需对桶口定位1 次，即可完成旋盖和压盖等2道工序。结论 该设备经实际应用，工作可靠，封口效率高。

关键词：闭口铁桶；视觉寻口；旋盖；压盖

闭口钢桶是包装领域广泛使用包装物，一般用来盛放润滑油、油漆和涂料等液体或半固体产品。对包装物封口是包装过程中非常关键的一道工序，目前国内封口机大致分为直列式和回转式等2种。回转式封口机速度快、效率高，一般适用于圆柱或圆锥形的小型瓶类封口，如白酒、啤酒等酒类玻璃瓶，饮料的PET瓶，罐头、果酱等食品所用的广口玻璃瓶。这类包装物的特点是桶（瓶）口位于其正上方的中心，固定桶（瓶）身即可确定桶（瓶）口位置，因而不需要寻口操作。闭口钢桶的常见规格有20L，25L，50L，80L，100L，200 L等，尺寸均较大。此外，绝大多数闭口钢桶的桶口都不在中心，而是在边缘位置，在进行封口工作前要进行必要的寻口，因此采用回转式封口机实现对闭口钢桶的封口并不现实。闭口钢桶的另一个特别之处在于，其封口一般包括旋紧内部桶盖和压紧外部防盗盖等2道工序，这增加了此类包装物的封口难度。目前，针对闭口钢桶的封口机大多采用直列式，空间利用率低，并且有的与灌装主机设计为一体，寻口速度慢，封口效率低，设备总体可靠性差。在此，介绍了一种用于闭口钢桶的旋盖压盖一体机，采用视觉寻口技术实现寻口操作，同时将旋盖和压盖等2道工序设计在同一工位，结构简单小巧、工作可靠、封口效率高。

1 结构组成

旋盖压盖一体机包括机架、输送系统、定位机构、寻口及旋压盖机构等部分，见图1。

1-机架；2-输送系统；3-定位机构；4-寻口及旋压盖机构；5-闭口铁桶；
6-侧板；7-辊筒；8-链轮护板；9-支腿；10-驱动电机；11-链条；
12-连接架；13-定位气缸；14-滚轮支架；15-滚轮；16-十字滑台；
17-方形架；18-视觉传感器；19-夹板；20-封口组；21-调整螺栓

图1 旋盖压盖一体机结构

输送系统由侧板、辊筒、链轮护板、支腿、驱动电机和链条等组成。系统下端的驱动电机通过链条带动辊筒转动，从而实现对闭口钢桶的输送。输送系统下端共有4条支腿，连接在机架下端的梁上。

定位机构由连接架、定位气缸、滚轮支架和滚轮等组成。连接架固定在输送系统的侧面，上端安装定位气缸，气缸杆上安装滚轮支架和滚轮。2套定位机构的气缸杆同时伸出，滚轮压紧闭口铁桶，从而对其进行定位。

寻口及旋压盖机构由十字滑台、方形架、视觉传感器和封口组等几个部分组成。整套机构安装在机架上端，通过夹板固定在机架的立柱上。方形架4个角的下端均有调节螺栓，可调节机构的高度。视觉传感器位于方形架下方，用于检测桶口位置。十字滑台位于方形架上方，滑台上端安装封口组。

十字滑台由x向和y向等2套垂直布置的丝杠驱动机构组成，每套机构的端头安装有伺服电机，伺服电机通过联轴器连接丝杠，丝杠中间穿过螺帽连接件。x向机构上的螺帽连接件上端安装y向机构，y向机构上的螺帽连接件上端安装封口组。十字滑台上的伺服电机驱动丝杠转动，实现封口组沿x向和y向的移动。十字滑台结构见图2。

1-伺服电机；2-端盖；3-封口组（部分）；4-联轴器；5-丝杠；6-螺帽连接件

图2 十字滑台结构

封口组的结构见图3。C形架安装在十字滑台中y向机构的螺帽连接件上，两端安装升降气缸。升降气缸的气缸杆连接在凹槽架的两端，凹槽架中间安装旋转电机。旋转电机的电机轴连接在转动板的中间，可驱动转动板沿旋转电机转动。转动板两端分别安装旋盖电机和压盖支架，其中，旋盖电机通过过载离合器连接旋盖轴；压盖支架中间连接真空发生器和吸盘，下端连接压盖头。旋盖轴中间穿过旋盖缓冲弹簧，下端插入旋盖头，旋盖头可沿旋盖轴上下移动。旋盖头下方为一段矩形条，矩形条下方中心处设计有一定深度的圆孔，圆孔内嵌入永磁体。压盖头包括外部固定圆筒和内部压盖体，外部固定圆筒安装在压盖支架上，内部压盖体在外部固定圆筒中间，可沿外部固定圆筒上下移动。内部压盖体与压盖支架之间连接压盖缓冲弹簧。旋盖头与压盖头下端处于同一水平面，且二者中心与旋转电机的轴心距离相同。

1-C形架；2-升降气缸；3-凹槽架；4-旋盖电机；5-过载离合器；6-旋盖轴；
7-旋盖缓冲弹簧；8.旋盖头；9-永磁体；10-旋转电机；11-转动板；
12-压盖支架；13-真空发生器；14-压盖头；15-压盖缓冲弹簧；16-吸盘

图3 封口组结构

2 工作原理

旋盖压盖一体机的工作过程包括取盖、寻口、旋内盖和压外盖等几个步骤，其工作过程见图4，其中省略机架、寻口及旋压盖机构中的方形架等部分。

2.1 取盖

旋盖压盖一体机首先完成取盖工作。十字滑台带动封口组到达内盖和外盖存储位上方，升降气缸伸出，旋盖头上的永磁体将内盖吸起，同时真空发生器控制吸盘将外盖吸起，然后升降气缸缩回，十字滑台带动封口组回到初始位置（即输送系统上方），取盖完成。需要说明的是，内、外盖由理盖设备理盖后，经相应输送滑道输送至内、外盖存储位。2个存储位的间距等于旋盖头和压盖头的中心距，高度调整到恰好满足封口组取盖的高度。在此仅显示内、外盖输送滑道及其存储位示意，具体结构不在讨论之内。

1-内盖滑道；2-内盖；3-内盖存储位；4-定位机构；5-闭口钢桶；
6-输送系统；7-机架；8-外盖滑道；9-外盖；10-外盖存储位；
11-升降气缸；12-十字滑台；13-视觉传感器；14-压盖头；15-旋盖头

图4 旋盖压盖一体机工作原理

2.2 寻口

闭口钢桶到达封口位置时定位气缸伸出，滚轮将铁桶抱紧，视觉传感器对桶口拍照，同时将桶口位置的像素点转化为二维坐标。十字滑台根据桶口的位置移动，使旋盖头到达桶口正上方，为旋内盖做好准备。寻口示意见图5。

设视觉传感器所在位置为坐标原点，十字滑台在初始位置时封口组中的转动电机中心坐标为（x0，y0），旋盖头和压盖头与转动电机的中心距均为L，桶口中心位置为（x，y），则十字滑台位移（δx，δy）存在以下关系式：

1-视觉传感器；2-定位机构；3-封口组；4-闭口钢桶；
5-压盖头；6-转动电机；7-旋盖头

图5 寻口示意

2.3 旋内盖

当旋盖头到达桶口正上方时，旋盖电机带动旋盖头转动，同时升降气缸下降进行旋盖。旋盖缓冲弹簧在旋盖过程中提供向下压力，同时避免旋盖头与桶口刚性接触，起到保护旋盖头的作用。当内盖旋到底时，过载离合器开始打滑，从而达到定扭矩封口效果。旋盖结束后升降气缸升起，进行压外盖的工作。

2.4 压外盖

由于旋盖头和压盖头与转动电机的中心距相同，转动电机带动转动板旋转180°后，压盖头处于桶口正上方。升降气缸下降，压盖头将外盖沿桶口外沿压入，同时真空发生器控制吸盘断气，压盖完成。压盖缓冲弹簧与旋盖缓冲弹簧一样，起到保护和缓冲作用。
压盖完成后，升降气缸升起，十字滑台带动封口组取盖并等待下一个铁桶的到来。

3 结语

旋盖压盖一体机具有如下特点。

1）结构简单小巧，封口效率高。该设备只在封口位置占用1个桶位，并且视觉传感器、十字滑台、封口组等关键部件均在桶的上方，与铁桶输送互不干扰，可以充分利用铁桶输送时间进行取盖、寻口等工作，无需等待和缓存。

2）采用视觉传感器进行寻口，寻口快速准确。

3）将旋盖头和压盖头下端面设计在同一水平面，并且二者中心与旋转电机的轴向距离相同，只需对桶口定位1次即可完成旋盖和压盖等2道工序，提高了封口速度。

4）旋盖头和压盖头都设计有缓冲弹簧，起到保护和缓冲作用。

5）旋盖头上设计有过载离合器，从而达到定扭矩封口效果。

该设备已申请发明专利，并应用在科特迪瓦某公司200L棕榈油灌装生产线上，以及国内某企业10L，20L涂料灌装生产线等项目中。经实践检验，该设备运转良好，满足了客户要求，具有较好的推广价值。