基于仿生技术的真空吸盘取袋开袋机构设计

全自动包装机是自动完成供袋开袋、计量灌装、封口输送的自动化包装设备，具有自动化程度高、节省人工、产量效率高等特点，在粮食、饲料、食品等行业有广泛的应用[1]。目前，市场上成熟应用的全自动包装机大多数都是适用于双面/单面覆膜编织袋、塑料袋等非透气性袋的自动化包装，它是根据包装袋不透气特点、利用真空吸盘吸附技术[2]吸住袋壁进行取袋和开袋操作的，但透气编织袋(俗称“蛇皮袋”)、无纺布袋都具有材质软、全透气性的特点，真空吸盘一吸就会出现袋壁变形漏气真空被破坏而脱落，无法自动开袋。因此，根据透气编织袋、无纺布袋等透气性袋材质的特性，研究设计适合透气性袋的、基于仿生技术[3]的连续取袋、开袋机构(以下简称“取袋、开袋机构”)在生产实践方面具有重要的实用价值和意义。

1 取袋、开袋机构工艺路线

鉴于现有包装袋平行式供袋送袋方式，包装袋的取袋、开袋动作过程为：(1)将包装袋叠放整齐，平放在袋库托盘上；(2)取袋机构将包装袋逐个从袋库中取出并转移，实现取袋；(3)开袋机构将包装袋从取袋机构中接过，由上下开袋抓手完成开袋动作。

基于仿生技术的取袋、开袋机构的工艺方法，要完成透气性袋的连续自动取袋、开袋动作，需要重点考虑以下几个要素。

1.1 取袋、开袋形式

取袋、开袋形式是包装袋自动包装过程中，用一种机构装置类似于人手抓、拿的形式完成包装袋的抓取、拉开动作，实现包装袋的取袋、开袋作业。进行抓袋形式机械设计时，需要根据包装袋的透气性、壁厚等特性来确定抓袋结构及动作设计。不合适的抓袋形式会影响到透气性袋自动抓、拿动作的成功率及稳定性，也会影响到机器开袋取袋等自动化包装作业；不合适结构的抓袋机构会造成机器结构复杂，或者整体机器尺寸过大而不便于使用。

取袋、开袋两个动作需要解决从静态到动态的矛盾，实现抓袋和开袋操作，两个机构自身的结构设计及配合显得非常重要。若采用的取袋形式不能配合开袋形式，透气性袋就不能进入到充填工位。因此，确定合适且相互配合的取袋、开袋形式是机械设计的非常重要环节。

1.2 取袋、开袋作业的连续式形式

取袋、开袋作业的连续式形式指包装机工作过程中包装袋从袋库转送到填充工位所经过取袋、开袋等动作的连续式工作形式，是实现取袋、供袋等作业的连续性的重要支撑。这种连续式供袋输送涉及到包装袋的取袋、开袋两个动作。不合适的连续式供袋输送形式会影响到透气性袋的取袋、开袋等动作的连续性，造成自动作业的中断或速度不稳定。因此，根据透气性袋的特性和交接配合的形式确定合适的连续式输送结构。

2 取袋、开袋机构技术方案

通过分析透气性袋连续取袋、开袋所需要的动作和顺序，确定透气性袋连续性取袋供袋动作。为了方便分析和设计，现在以透气性袋的放袋位置为起点，对其整体取袋、开袋机构做出预想性设计。选用连续式输送供袋机构来实现连续式取袋供袋作业。

3 取袋、开袋机构设计

3.1 仿生抓手开袋装置机构

我们对气密性差的物料包装袋进行了深入的研究，发现编织袋这类物料包装袋都是采用定量宽度的PP撕裂带经纬编织而成，在经纬线重叠部位产生间隙造成气密性差、透气性好的特点。我们人在取袋时用手指将袋子捏住，开袋时用手指搓开再用指甲钳住袋壁的撕裂带将袋子打开，这些动作如何在机器上实现呢？

仿生技术是融合了各类学科和生物科学的交叉学科。仿生抓手属于仿生机器人技术的一种体现。根据人类在抓取和开袋时手指所做出的运动轨迹和紧固原理并结合猫科动物在捕捉猎物时爪尖的运动轨迹研发而成的摒弃了真空原理的取袋、开袋机构。

仿生抓手打开状态见图1，关闭状态见图2。

图1 仿生抓手打开状态

图2 仿生抓手关闭状态

其工作原理如下：开始工作时，驱动气缸导杆伸出使抓夹围绕旋转轴分别向下和向上转动，直至爪尖收缩到面板里(参考图1 仿生抓手打开状态图)。当需要取袋(或开袋)时，仿生抓手贴近物料袋，此时驱动气缸导杆收缩带动上下爪尖围绕旋转轴向上和向下转动，使其爪尖伸出面板外同时钳住物料袋的袋壁并将物料袋抓取(或打开)送到下一道工序。为了保证抓手弃袋时对物料袋不造成损坏，在弃袋时气缸导杆伸出使抓夹围绕旋转轴分别向下和向上转动直至爪尖收缩到面板里，在爪尖收缩移动时面板将物料袋壁平稳挡住使爪尖脱离编织袋壁。

仿生抓手的设计基本参数：研究中发现编织袋的编织经纬线宽度基本在3～5 mm，厚度在0.02～0.10 mm，那么两抓手齿尖打开的宽度应该等于或略大于经纬线的宽度，因为此时至少有两根经纬线被夹住，保证了其牢固性。并且在两爪尖夹紧时保证经纬线不脱离上下两爪尖，夹紧后两爪尖之间宽度h<0，取负值最为适宜。爪尖伸出面板尺寸控制在0.75 mm最为适宜。

爪尖材质的选用：材质的选用主要是根据使用场合的不同进行选择，如果灌装食品类的物料时选用食品级不锈钢，其它物料可以选用普通不锈钢或碳钢。

3.2 连续式输送供袋机构

连续式输送供袋机构见图3。

图3 连续式输送供袋机构

包装袋通过输送链进入到上下仿生开袋器之间，并平躺在下仿生开袋器的上端，此时上仿生开袋器向下运动直至与物料带接触，然后两开袋器开始工作，分别将物料袋的上下两袋壁夹住，上仿生开袋器向上移动将袋子拉开完成开袋动作。

4 结束语

(1)根据不覆膜编织袋、无纺布袋等包装袋的透气性特点，利用仿昆虫触角(人手指甲)钳住包装袋的原理，研发一种抓手开袋装置完成透气性袋的抓、拿动作，解决了透气性袋的自动化供袋开袋的技术难题。

(2)分析透气性袋连续式取袋、开袋的动作要求及技术方案，确定了实现透气性袋自动化取袋、开袋作业方式，设计了实现透气性袋连续式取袋、开袋动作的机构，保证了透气性袋按照预设要求完成自动化取袋、开袋动作。

(3)在本方案技术基础上，配合自动灌装、自动封口、自动输送等包装技术，实现全自动包装设备技术在透气性袋包装上的应用，为此类粮食、饲料等加工企业节省了生产成本，提高了生产效率。