摘要：目的研究高效的、可集成于瓦楞紙箱生產(chǎn)線終端的瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛裝置。方法通過對(duì)六自由度碼垛機(jī)器人和機(jī)械式碼垛裝置進(jìn)行研究，在分析其優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)的技術(shù)要求設(shè)計(jì)瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛裝置。

在設(shè)計(jì)方案中采用AHP法，結(jié)合企業(yè)的要求和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的狀況，選擇機(jī)械式碼垛設(shè)計(jì)方案。結(jié)果確定了新型瓦楞紙板箱碼垛成套裝置設(shè)計(jì)方案，論述了其工作原理并討論了關(guān)鍵裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)抓取機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析與優(yōu)化。

結(jié)論該設(shè)計(jì)方案采用2 個(gè)機(jī)械手分別完成單層碼垛和整層抓取操作，設(shè)計(jì)合理，滿足企業(yè)的使用要求。

自動(dòng)碼垛機(jī)按智能化水平分為機(jī)器人碼垛機(jī)和機(jī)械式碼垛機(jī)。瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛機(jī)是將完成紙板成形印刷、模切、打捆后的瓦楞紙箱板碼放到托盤上，以解決人工碼垛勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，并提高工作效率。

1 瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)要求

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)要求

參數(shù)要求：紙箱板的最小切長(zhǎng)為488 mm，最大切長(zhǎng)為 584 mm；最小切寬為 766 mm，最大切寬為 1114 mm；紙箱板的最小面積為0.182 m2，最大面積為0.321 m2；每平方米質(zhì)量最小值為0.43 kg/m2，最大值為0.56 kg/m2）；每捆個(gè)數(shù)最少 20 個(gè)，最多 50 個(gè)；托盤尺寸的長(zhǎng)×寬×高=1500 mm×1500 mm×250 mm；碼放速度為15～17捆/分；碼放高度應(yīng)≤1900 mm。

1.2 紙箱板碼垛機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

分析設(shè)計(jì)參數(shù)可以看出，待設(shè)計(jì)的紙箱板自動(dòng)碼垛裝置應(yīng)具有的特點(diǎn)：碼垛速度高，碼垛一捆紙箱板的時(shí)間為3.5～4 s；最大碼放質(zhì)量大，依據(jù)紙箱面積、定量和每捆的個(gè)數(shù)，單捆最大碼放質(zhì)量為18 kg，考慮工作系數(shù)，設(shè)計(jì)最大碼放質(zhì)量為20 kg，即機(jī)械手的公稱抓取質(zhì)量為20 kg；一層四捆的碼放質(zhì)量為80 kg；最大碼放高度約為1900 mm；設(shè)備可靠性好，紙箱板在碼放過程中不能變形、破損；全自動(dòng)碼放、安全、經(jīng)濟(jì)、效率高。

1 瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛機(jī)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 堆碼方式的選擇

產(chǎn)品在托盤上堆碼的方式有 4 種：重疊式、交錯(cuò)式、縱橫式和旋轉(zhuǎn)式，各種堆碼方式見圖1，要求托盤表面的利用率不低于80%。在選擇瓦楞紙箱板碼垛方式時(shí)，要結(jié)合紙箱板自動(dòng)碼垛機(jī)的特點(diǎn)、托盤與產(chǎn)品的尺寸關(guān)系及不同碼垛方式的特點(diǎn)。該機(jī)因碼垛高度高、質(zhì)量大，因此每層選擇穩(wěn)定性較好的旋轉(zhuǎn)式，奇數(shù)層和偶數(shù)層選擇交錯(cuò)跺的碼垛方式。

2.2 瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛機(jī)設(shè)計(jì)方案

2.2.1 設(shè)計(jì)方案的選擇

自動(dòng)碼跺裝置方案設(shè)計(jì)可以采用機(jī)器人碼垛和機(jī)械式碼垛（直角坐標(biāo)機(jī)器人碼垛）2種方案，設(shè)計(jì)方案采用AHP法，從設(shè)備功能、工作性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面進(jìn)行具體分析，并建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合企業(yè)的要求和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的條件，選擇機(jī)械式碼垛設(shè)計(jì)方案（直角坐標(biāo)機(jī)器人）。瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛機(jī)工作原理見圖2。

2.2.2 工作原理與工作過程

工作過程為：碼放機(jī)械手1將在緩沖輸送裝置上待碼垛的單捆紙箱板抓起并上升，而后移動(dòng)到單層碼放工位，在此工位位置下降，并按照預(yù)定的堆碼方式將紙箱板放到跺盤上，循環(huán)4次，完成一層紙箱板的碼垛。

機(jī)械手2按照旋轉(zhuǎn)跺奇數(shù)層和偶數(shù)層的碼垛規(guī)律，將機(jī)械手1碼放好的整層紙箱板碼放在托盤上，直到規(guī)定的層數(shù)，完成1次工作循環(huán)。該機(jī)如果只使用1個(gè)機(jī)械手，在技術(shù)上有2個(gè)難點(diǎn)：奇數(shù)層和偶數(shù)層紙板的碼放形式不同，機(jī)械手完成奇數(shù)層和偶數(shù)層碼放運(yùn)動(dòng)軌跡不同；隨著托盤上被碼放紙板的層數(shù)增加，機(jī)械手在z軸方向的向下運(yùn)動(dòng)（完成將紙板放在托盤上）的距離減小。

如果使用1個(gè)機(jī)械手，其運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，將增加機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制的難度。使用2個(gè)機(jī)械手可將復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單化，機(jī)械手1只完成將4捆紙箱板碼放在跺盤上，每次工作循環(huán)的運(yùn)動(dòng)軌跡相同；機(jī)械手2的運(yùn)動(dòng)滿足奇數(shù)層和偶數(shù)層的碼放要求，以及改變機(jī)械手z軸方向的運(yùn)動(dòng)距離以適應(yīng)碼放高度的變化。

文中碼垛機(jī)碼垛一捆紙板的時(shí)間約為 3.5～4 s，機(jī)械手1完成一個(gè)工藝循環(huán)所需的時(shí)間為14～16 s，機(jī)械手2完成一個(gè)工藝循環(huán)的時(shí)間約為4 s。依據(jù)企業(yè)車間預(yù)留的空間尺寸4 m×3 m×2 m，可選擇直線導(dǎo)軌的最大速度為 3～5 m/s，最大加速度為 50～100 m/s2，來滿足生產(chǎn)節(jié)拍的要求。

2.3 瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.3.1 碼垛機(jī)械手類型選擇和運(yùn)動(dòng)軌跡分析

機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式有液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)等3種方式。文中為防止紙箱板在碼放過程中被劃破或變形，采用夾托式手指形機(jī)械手，抓取時(shí)手指的位置應(yīng)避開紙箱的切口位置。依據(jù)負(fù)載要求，該機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置采用電動(dòng)和氣動(dòng)相結(jié)合的方式。機(jī)械手1和機(jī)械手2均可采用類似的結(jié)構(gòu)。。

2.3.2 其他裝置設(shè)計(jì)與選擇電機(jī)、直線導(dǎo)軌、氣缸、減速器等裝置為標(biāo)準(zhǔn)件，在設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)參數(shù)計(jì)算選擇相應(yīng)的型號(hào)。文中伺服電機(jī)采用交流伺服電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，使用維修方便，也可以采用減速器和電機(jī)集成一體機(jī)。直線導(dǎo)軌選用鋁合金材質(zhì)，要求具有耐蝕性、組裝容易、互換容易、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、低噪音等特點(diǎn)。控制裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)PC化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，并采用多傳感器融合技術(shù)

3、結(jié)語

紙箱板自動(dòng)碼垛裝置采用框架結(jié)構(gòu)，4根立柱受力、結(jié)構(gòu)合理。使用雙機(jī)械手分別完成單層碼放、整層抓取碼垛工藝，動(dòng)作協(xié)調(diào)平穩(wěn)，滿足碼垛生產(chǎn)能力的需求。該設(shè)備適用高速、重載紙箱板碼垛，設(shè)計(jì)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化的元件，便于互換、減低設(shè)備成本。

來源：愛學(xué)術(shù) 侵刪

作者：徐雪萌，張永宇，張映霞，徐云（河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450007）

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