瓦楞纸箱板自动码垛机机械手设计初探

瓦楞纸箱板自动码垛机机械手设计初探

扬州锻压机床有限公司
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瓦楞纸箱板自动码垛机机械手设计初探

2021-05-28

摘要:目的研究高效的、可集成于瓦楞纸箱生产线终端的瓦楞纸箱板自动码垛装置。方法通过对六自由度码垛机器人和机械式码垛装置进行研究,在分析其优缺点的基础上,结合企业的技术要求设计瓦楞纸箱板自动码垛装置。

在设计方案中采用AHP法,结合企业的要求和生产现场的状况,选择机械式码垛设计方案。结果确定了新型瓦楞纸板箱码垛成套装置设计方案,论述了其工作原理并讨论了关键装置的设计要点,对抓取机械手的结构和运动轨迹进行了分析与优化。

结论该设计方案采用2 个机械手分别完成单层码垛和整层抓取操作,设计合理,满足企业的使用要求。

自动码垛机是将生产线上的产品按照一定的排列方式码放在托盘上,形成货运单元,便于适应机械化、大型化和高速化的现代物流操作。自动码垛机以其高速性、智能性、稳定性、可集成性等性能广泛应用于各种产品的生产线上,如食品饮料行业码垛、水泥自动装车码垛、工业品码垛等。

自动码垛机按智能化水平分为机器人码垛机和机械式码垛机。瓦楞纸箱板自动码垛机是将完成纸板成形印刷、模切、打捆后的瓦楞纸箱板码放到托盘上,以解决人工码垛劳动强度大等问题,并提高工作效率。

1 瓦楞纸箱板自动码垛机设计技术要求

1.1 设计参数要求

参数要求:纸箱板的最小切长为488 mm,最大切长为 584 mm;最小切宽为 766 mm,最大切宽为 1114 mm;纸箱板的最小面积为0.182 m2,最大面积为0.321 m2;每平方米质量最小值为0.43 kg/m2,最大值为0.56 kg/m2);每捆个数最少 20 个,最多 50 个;托盘尺寸的长×宽×高=1500 mm×1500 mm×250 mm;码放速度为15~17捆/分;码放高度应≤1900 mm。

1.2 纸箱板码垛机设计特点

分析设计参数可以看出,待设计的纸箱板自动码垛装置应具有的特点:码垛速度高,码垛一捆纸箱板的时间为3.5~4 s;最大码放质量大,依据纸箱面积、定量和每捆的个数,单捆最大码放质量为18 kg,考虑工作系数,设计最大码放质量为20 kg,即机械手的公称抓取质量为20 kg;一层四捆的码放质量为80 kg;最大码放高度约为1900 mm;设备可靠性好,纸箱板在码放过程中不能变形、破损;全自动码放、安全、经济、效率高。

1 瓦楞纸箱板自动码垛机总体设计方案

2.1 堆码方式的选择

产品在托盘上堆码的方式有 4 种:重叠式、交错式、纵横式和旋转式,各种堆码方式见图1,要求托盘表面的利用率不低于80%。在选择瓦楞纸箱板码垛方式时,要结合纸箱板自动码垛机的特点、托盘与产品的尺寸关系及不同码垛方式的特点。该机因码垛高度高、质量大,因此每层选择稳定性较好的旋转式,奇数层和偶数层选择交错跺的码垛方式。

2.2 瓦楞纸箱板自动码垛机设计方案

2.2.1 设计方案的选择

自动码跺装置方案设计可以采用机器人码垛和机械式码垛(直角坐标机器人码垛)2种方案,设计方案采用AHP法,从设备功能、工作性能、经济性、可靠性等方面进行具体分析,并建立相应数学模型,结合企业的要求和生产现场的条件,选择机械式码垛设计方案(直角坐标机器人)。瓦楞纸箱板自动码垛机工作原理见图2。

机械式码垛机的核心部件是直线运动单元即直线导轨,由精制铝型材、齿形带、直线运动滑轨和伺服电机等组成。整个系统的承载都集中到了安放导轨的型材上,导轨必须有足够的强度和刚度,以保证所需的机械强度和直线度。滑块导轨系统由滑动导轨和运动滑块组成,传动装置可根据不同任务要求采用齿形带、齿条与齿轮啮合或滚珠丝杠。该机特点是负载范围大,从几公斤到几吨;运行速度快,且速度可调整;动作灵活,可以完成复杂的码垛任务;可靠性高,维护简单。

2.2.2 工作原理与工作过程

整机主要组成部分包括瓦楞纸箱板输送缓冲装置、托盘输送装置、直线导轨、机械手1、机械手2、伸缩架、机架、电机和控制系统等。为适应高速和奇数、偶数层摆放方式,本机使用2个机械手。

工作过程为:码放机械手1将在缓冲输送装置上待码垛的单捆纸箱板抓起并上升,而后移动到单层码放工位,在此工位位置下降,并按照预定的堆码方式将纸箱板放到跺盘上,循环4次,完成一层纸箱板的码垛。

机械手2按照旋转跺奇数层和偶数层的码垛规律,将机械手1码放好的整层纸箱板码放在托盘上,直到规定的层数,完成1次工作循环。该机如果只使用1个机械手,在技术上有2个难点:奇数层和偶数层纸板的码放形式不同,机械手完成奇数层和偶数层码放运动轨迹不同;随着托盘上被码放纸板的层数增加,机械手在z轴方向的向下运动(完成将纸板放在托盘上)的距离减小。

如果使用1个机械手,其运动复杂,将增加机械手运动控制的难度。使用2个机械手可将复杂的运动简单化,机械手1只完成将4捆纸箱板码放在跺盘上,每次工作循环的运动轨迹相同;机械手2的运动满足奇数层和偶数层的码放要求,以及改变机械手z轴方向的运动距离以适应码放高度的变化。

文中码垛机码垛一捆纸板的时间约为 3.5~4 s,机械手1完成一个工艺循环所需的时间为14~16 s,机械手2完成一个工艺循环的时间约为4 s。依据企业车间预留的空间尺寸4 m×3 m×2 m,可选择直线导轨的最大速度为 3~5 m/s,最大加速度为 50~100 m/s2,来满足生产节拍的要求。

2.3 瓦楞纸箱板自动码垛机设计要点

2.3.1 码垛机械手类型选择和运动轨迹分析

常用的码垛机械手的类型分为夹托式、夹板式、真空吸盘和混合抓取等 4 种形式。夹托式机械手主要用于高速码垛,夹板式机械手用于箱盒的码垛,真空吸取式机械手利用真空吸盘码放,混合抓取机械手适合几个工位的协作码放。


机械手的驱动方式有液压、气动和电动等3种方式。文中为防止纸箱板在码放过程中被划破或变形,采用夹托式手指形机械手,抓取时手指的位置应避开纸箱的切口位置。依据负载要求,该机的驱动装置采用电动和气动相结合的方式。机械手1和机械手2均可采用类似的结构。。

机械手在工作过程中受静应力和变应力的作用,因此设计时应对机械手进行静力和动态力的有限元分析,以检验机械手在结构强度、刚度上是否满足工作要求。机械手2的公称码放质量为80 kg,应以轻量化为目标进行结构优化。

2.3.2 其他装置设计与选择电机、直线导轨、气缸、减速器等装置为标准件,在设计时依据参数计算选择相应的型号。文中伺服电机采用交流伺服电机,其结构简单、运行可靠,使用维修方便,也可以采用减速器和电机集成一体机。直线导轨选用铝合金材质,要求具有耐蚀性、组装容易、互换容易、运转平稳、低噪音等特点。控制装置应实现PC化、网络化设计,并采用多传感器融合技术

3、结语

纸箱板自动码垛装置采用框架结构,4根立柱受力、结构合理。使用双机械手分别完成单层码放、整层抓取码垛工艺,动作协调平稳,满足码垛生产能力的需求。该设备适用高速、重载纸箱板码垛,设计尽量采用标准化的元件,便于互换、减低设备成本。

来源:爱学术 侵删

作者:徐雪萌,张永宇,张映霞,徐云(河南工业大学,郑州 450007

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