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。

2.2.2 工作原理与工作过程

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

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。。

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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