-
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta strojní Ústav výrobních strojů a zařízení Horská 3, 128 00 Praha
Prezentace diplomové práce: Nové nekonvenční struktury a konstrukce zařízení nové generace pro plnění a balení drobně kusového zboží - rám stroje Student: Školitel: Zadavatel: Klíčová slova: Anotace: Cíle práce:
David Sýkora Doc. Ing. Vladimír Andrlík, CSc. MAŠEK a.s. Zpracovatelské, kartonovací, balící stroje, konstrukce, rámy Diplomová práce řeší návrh a konstrukci rámu stroje. Součástí diplomové práce je výkresová dokumentace, statický výpočet namáhání vedení (MKP). Návrh a konstrukce stroje pro vkládání sáčků do kartonové krabice nebo traye.
New unconventional structures and machine design of new generation for filling and packaging piece goods - frame of machine Keyword: Annotation:
Target of work:
Processing, cartoners, packaging machines, construction, design, frames Diploma work solve design and construction of frame machine. Part of work is drawing documentation, statical stress analysis of guiding beam (FEM). Design and construction of machine for bags insertion into the cardboard cover or tray.
Úvod Zadavatelem této diplomové práce je firma MAŠEK a. s., která se zabývá vývojem, konstrukcí a výrobou balících strojů a kompletních automatických balících linek. Spoluřešitelem je Ú12108 – Ústav výrobních strojů a mechanismů Fakulty strojní ČVUT v Praze, který v rámci projektu Ministerstva průmyslu a obchodu České Republiky ev. č. 2A-1TP1/066 pod názvem „Výzkum a vývoj nekonvenční struktury zařízení nové generace pro balení sypkých materiálů“ řeší návrh stroje pro plnění a balení drobně kusového zboží do kartónové krabice nebo traye s využitím nové nekonvenční struktury a konstrukce zařízení nové generace. Tyto stroje lze zařadit do kategorie kartonovacích strojů. Tento projekt byl realizován, jelikož vývoj a realizace takové univerzální kartonovací linky je velmi nákladný a zabere mnoho pracovních sil na dlouhou dobu, což si z finančních důvodů nemůže dovolit žádný malý či střední český podnik zabývající se obalovou technikou. Typický představitel kartonovacího stroje pracuje jako vkladač zboží do krabice, kterou před tím složí z přířezu a po naplnění krabice zbožím ji uzavře. Některé druhy kartonovacích linek nemusí krabici skládat, ale složené krabice vstupují do linky po dopravníku. U takových linek je krabice skládána mimo samotný stroj. Jedná se o kartonovací stroje, které jsou určeny pro spotřebitelské i skupinové balení různých produktů (potravinářských, kosmetických, chemických, farmaceutických a dalších). Produkty vstupující do stroje po dopravníku jsou automaticky vkládány do kartonových krabic nebo trayů, které jsou uzavřeny založením chlopní, pomocí hot melt lepidla, nebo jsou v případě kartonů -1-
-
ČESKÉ VYSOKÉ UČNEÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta strojní Ústav výrobních strojů a zařízení Horská 3, 128 00 Praha
uzavřeny pomocí samolepící pásky. Přitom konvenční způsoby vládání zboží do krabice můžou být různé (viz příloha č. 1). Úkolem bylo navrhnout různé varianty systému vkládání, zvolit optimální variantu a tu zpracovat do jednotlivých konstrukčních uzlů s přihlédnutím na univerzálnost stroje co se týče rozměrů krabic a sáčků a počtu řad sáčků v krabici.
Koncepční návrhy Rozřazování do dvou řad výsuvnými lopatkami Sáčky jsou přívodním rukávem volně vypouštěny na přívodní dopravník (pozice 1, obr. 1). Díky skládanému dnu, předpokládáme, že sáčky zůstanou stát a nepřeklopí se. Dále na pásu je umístěn rozřazovací systém, který přesouvá sáčky z původní polohy středu pásu do krajních poloh tvořících dvě řady v krabici (pozice 2, obr. 1). Tyto pohyby jsou řešeny pomocí servopohonů, které jsou řízeny pomocí čidel. Čidla jsou umístěna před oběma rozřazovacími lopatkami. Lopatky se posouvají vždy proti sobě a to s časovou prodlevou, než sáček dojede k druhé lopatce. V prvním taktu první lopatka přesouvá sáček ze středu do polohy první řady (pozice 4, obr. 1). Druhá lopatka ve stejný takt přesouvá následující sáček ze středu do polohy druhé řady (pozice 5, obr. 1). V druhém taktu lopatky přesouvají sáčky v opačném směru. Po rozřazení do řad jednou sáčky dále po pásu, až se zastaví o zarážku. Tímto dochází ke kumulaci sáčků pro jednorázové naplnění celé krabice. V tomto okamžiku dochází k prokluzu sáčků po páse. Jakmile je nakumulováno dané množství sáčků, je zarážka pomocí servopohonu uvolněna a po vysunutí všech sáčků zaměněna za druhou (pozice 2, obr. 2). Sáčky jsou tímto přesunuty na dno rozložené krabice (pozice 1,obr. 2).
3 2
1
4
5
Obr. 1 Návrh se dvěma lopatkami
-2-
-
ČESKÉ VYSOKÉ UČNEÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta strojní Ústav výrobních strojů a zařízení Horská 3, 128 00 Praha
2
1
Obr. 2 Modifikace návrhu se dvěma lopatkami
Vertikální plnění speciálním pružným rukávem Návrh číslo dvě je pojat odlišným způsobem, který se snaží řešit minimální časovou prodlevu mezi přísunem jednotlivých sáčků. Návrh spočívá ve vertikálním řešení. Rozřazovací systém přímo navazuje balící stroj. Sáčky jsou z balícího stroje dopravovány přívodním rukávem, ve kterém se posouvají volným pádem (pozice 1, obr. 3). Rukávem je manipulováno pomocí servopohonů, které umožňují pohyb do dvou směrů na sebe kolmých (pozice 2, obr. 3). Pohyb rukávu je naznačen ve spodní části obrázku 3, pozice 3. Při naplnění jedné krabice dojde k pozastaveni sáčku v přívodním rukávu. V této době se první plná krabice zamění za prázdnou. Případně je možno tento systém uzpůsobit tak, aby plněná krabice byla na dopravníku, na kterém jsou krabice v řadě za sebou. Servopohon v podélném směru by se pak posunoval ve směru s dopravníkem a po naplnění krabice by se rychle přesunul zpět na začátek následující prázdné krabice.
1
2
3
Obr. 3 Návrh využití speciálního rukávu
-3-
-
ČESKÉ VYSOKÉ UČNEÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta strojní Ústav výrobních strojů a zařízení Horská 3, 128 00 Praha
Rozřazovací přepážkový systém Tento návrh řeší problém oddělování sáčků z nekonečné řady v případě, že mezi sáčky vzniká jen minimální rozestup. V tomto případě se sáčky seskupují do řad po osmi nebo deseti sáčků, které jsou následně zpracovávány a ukládány do krabic. V případě dodání řady sáčků po osmi nebo deseti kusech, vzniká tímto dostatek času pro následnou manipulaci a vkládání do krabic. Tento třídící segment je opět založen na vertikálním řešení, které přímo navazuje na přívodní rukáv balícího stroje (pozice 1, obr. 4). Rukáv je napojen servopohon, který rozřazuje přerušovaným pohybem jednotlivé sáčky (pozice 2, obr. 4). Sáčky pak padají do následných vedení. Z časových důvodů přesunu servopohonu je navrženo, aby servopohon neumisťoval rukáv do osmi poloh (požadovaný počet sáčků v řadě), ale jen do poloviny z nich (pozice 1, obr. 5). Další dělení je řešeno pomocí speciálních vahadel, které sáček navedou do správné polohy a přitom samotným pádem je přestavěno do druhé polohy pro navedení následujícího sáčku (pozice 2, obr. 5). Sáčky pak padají na výsuvné dvojité dno (pozice 3, obr. 5). V momentě naplnění jedné řady se vysune druhé dno, které je o výšku sáčku nad spodním dnem. Toto horní dno zachytává druhou řadu. Mezi tím je první řada sáčků odsunuta k dalšímu zpracování. Po odsunutí jsou sáčky zasunutím horního dna přesunuty opět do polohy spodního dna. 1
2
Obr. 4 Návrh přepážkového systému
-4-
ČESKÉ VYSOKÉ UČNEÍ TECHNICKÉ V PRAZE
-
Fakulta strojní Ústav výrobních strojů a zařízení Horská 3, 128 00 Praha
1
2
3
Obr. 5 Návrh přepážkového systému
Výsledná varianta stroje VSK 10 Požadavky na stroj VSK 10 Rám stroje by měl být navržen tak, aby byl maximálně univerzální s přihlédnutím na možnost přestavitelnosti jednotlivých uzlů stroje a mohl být připojen na většinu strojů vyráběných firmou Mašek. To vše při zachování zadaných výkonových parametrů stroje a rozměrů sáčků a krabic. Sáčky mají být vkládány do krabice či traye v jedné, dvou, maximálně však ve třech řadách vedle sebe. Požadované parametry stroje: rozměr plněné krabice: minimálně – 200 x 200 x 80 mm maximálně – 300 x 400 x 350 mm maximální rychlost plnění sáčky – 160 ks/minutu (pro ploché sáčky) možnost vkládání sáčků – plochý, se skládaným dnem se svařovanými hranami až ve třech radách
Popis funkce stroje Stroj slouží pro vkládání jednotlivých sáčků přiváděných od hadicového balícího stroje po soustavě pasových dopravníků do kartónového traye nebo kartónové krabice. Tray nebo krabice jsou zhotoveny -5-
-
ČESKÉ VYSOKÉ UČNEÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta strojní Ústav výrobních strojů a zařízení Horská 3, 128 00 Praha
mimo vkládací stroj a jsou automaticky přiváděny do vkládacího stroje nebo jsou obsluhou vkládány na přívodní dopravník krabic (poz. 2, obr. 6). Prázdné krabice nebo traye jsou pomocí dvouosého manipulátoru s vakuovou hlavou (poz. 3, obr. 6) přenášeny z přívodního dopravníku na podávací dopravník krabic (poz. 4, obr. 6), který je ve vhodném okamžiku dopraví na šikmý manipulátor krabic (poz. 5, obr. 6). Tento šikmý manipulátor krabic zajišťuje posun soustavy krabic tak, aby v návaznosti na rychlost přiváděných sáčků a jejich skladbu v krabici byla plněná krabice posouvána vzhledem k nastřelovacímu místu sáčků. Zároveň v koordinaci s podávacím dopravníkem krabic zajišťuje, že mezi posouvanými krabicemi nebude mezera. Systém plnění prázdných krabic předpokládá, že sáčky budou do krabic nastřelovány z dopravníku (poz. 9, obr. 6) v poloze, která je shodná s jejich polohou ve vodorovné řadě uvnitř krabice. Krabice která je právě plněna se posouvá směrem dolů dle rychlosti, která odpovídá rychlosti naplnění jednotlivých řad. Vzhledem k tomu, že mezi plněnými krabicemi není téměř žádná mezera (pouze tloušťka stěn dvou sousedních krabic) jsou prodlevy mezi plněním jednotlivých krabic minimalizovány. Přívod vkládaných sáčků od hadicového balícího stroje je proveden pomocí několika dopravníků. Na hadicový balící stroj navazuje odebírací dopravník (poz. 6, obr. 6), který zajišťuje pokud možno stálou mezeru mezi dopravovanými sáčky, tak jak jsou hadicovým strojem vyráběny. Na tento dopravník navazují spojovací dopravníky (poz. 7, obr. 6), které dopraví sáčky do odpovídající výšky, potřebné pro rozřazení a následné nastřelení sáčků do krabice. Rozřazení sáčků je provedeno pomocí rozřaďovacího dopravníku (poz. 8, obr. 6), který má vstupní část umístěnou otočně v ose vstupního válce a výstupní část je kývavým pohybem přestavitelná do stran pomocí ovládacího mechanizmu do dvou popřípadě tří pozic. Při plnění krabice pouze jednou řadou, bude dopravník v pozici souhlasné s osou plněné krabice. Na rozřazovací dopravník navazuje nastřelovací dopravník (poz. 9, obr. 6), jehož úkolem je rozřazené sáčky dopravit k plněné krabici a do této krabice je dopravit takovou rychlostí aby dopadly na boční stěnu prázdné krabice nebo na již uložené sáčky v krabici. Naplněné krabice nebo traye jsou po naplnění předány z šikmého manipulátoru na výstupní dopravník (poz. 10, obr. 6), který je vyveze ven ze stroje. Uzavření kartonové krabice nebo nasunutí krycího víka na tray bude prováděno mimo tento stroj.
Obr. 6 Výsledná varianta stroje VSK 10 -6-
-
ČESKÉ VYSOKÉ UČNEÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta strojní Ústav výrobních strojů a zařízení Horská 3, 128 00 Praha
Obr. 7 Celková sestava stroje VSK 10
Závěr Cílem diplomové práce bylo navrhnout konstrukční řešení rámu stroje na vkládání sáčků do krabic nebo traye s možností přestavitelnosti určitých uzlů stroje. Linka je modifikovatelná ve všech aspektech, které byly požadovány. Tj. přenastavitelnost výšky sáčků, změna rozměrů krabice, možnost řadit sáčky do několika řad a v neposlední řadě měnit úhel náběhu sáčku do krabice. Bylo dbáno na dodržení všech bezpečnostních, obslužných i přepravních parametrů. Nekonvenční způsob balení tkví v nastřelování sáčků do krabic, které je pak řízeno elektronicky. Při konstrukci bylo proto postupováno tak, aby následné elektronické řízení stroje bylo možné jednoduše seřídit. Diplomová práce obsahuje několik koncepčních návrhů, z nichž jeden přispěl k tvorbě finální podoby stroje VSK 10. Samotný vývoj stroje byl však v rámci projektu v mnohem delším časovém horizontu. Popis celého vývoje a realizace stroje je však nad rámec této diplomové práce. V průběhu vývoje stroje byla pak veškerá stěžejní rozhodnutí na hlavním konstruktérovi firmy Mašek a. s., proto po celou dobu realizace projektu docházelo k pravidelným odborným konzultacím. Jelikož vývoj tohoto stroje je součástí projektu MPO ČR, bude se jeho výroba realizovat. Předpokládaný termín výroby funkčního prototypu je březen 2008.
-7-
