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摘要：目的研究高效的、可集成于瓦楞紙箱生產(chǎn)線(xiàn)終端的瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛裝置。方法通過(guò)對六自由度碼垛機器人和機械式碼垛裝置進(jìn)行研究，在分析其優(yōu)缺點(diǎn)的基礎上，結合企業(yè)的技術(shù)要求設計瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛裝置。

在設計方案中采用AHP法，結合企業(yè)的要求和生產(chǎn)現場(chǎng)的狀況，選擇機械式碼垛設計方案。結果確定了新型瓦楞紙板箱碼垛成套裝置設計方案，論述了其工作原理并討論了關(guān)鍵裝置的設計要點(diǎn)，對抓取機械手的結構和運動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析與優(yōu)化。

結論該設計方案采用2 個(gè)機械手分別完成單層碼垛和整層抓取操作，設計合理，滿(mǎn)足企業(yè)的使用要求。

自動(dòng)碼垛機按智能化水平分為機器人碼垛機和機械式碼垛機。瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛機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(pán)上，以解決人工碼垛勞動(dòng)強度大等問(wèn)題，并提高工作效率。

1 瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛機設計技術(shù)要求

1.1 設計參數要求

參數要求：紙箱板的最小切長(cháng)為488 mm，最大切長(cháng)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)數最少 20 個(gè)，最多 50 個(gè)；托盤(pán)尺寸的長(cháng)×寬×高=1500 mm×1500 mm×250 mm；碼放速度為15～17捆/分；碼放高度應≤1900 mm。

1.2 紙箱板碼垛機設計特點(diǎn)

分析設計參數可以看出，待設計的紙箱板自動(dòng)碼垛裝置應具有的特點(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，依據紙箱面積、定量和每捆的個(gè)數，單捆最大碼放質(zhì)量為18 kg，考慮工作系數，設計最大碼放質(zhì)量為20 kg，即機械手的公稱(chēng)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；設備可靠性好，紙箱板在碼放過(guò)程中不能變形、破損；全自動(dòng)碼放、安全、經(jīng)濟、效率高。

1 瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛機總體設計方案

2.1 堆碼方式的選擇

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

2.2 瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛機設計方案

2.2.1 設計方案的選擇

自動(dòng)碼跺裝置方案設計可以采用機器人碼垛和機械式碼垛（直角坐標機器人碼垛）2種方案，設計方案采用AHP法，從設備功能、工作性能、經(jīng)濟性、可靠性等方面進(jìn)行具體分析，并建立相應數學(xué)模型，結合企業(yè)的要求和生產(chǎn)現場(chǎng)的條件，選擇機械式碼垛設計方案（直角坐標機器人）。瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛機工作原理見(jiàn)圖2。

2.2.2 工作原理與工作過(guò)程

工作過(guò)程為：碼放機械手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，并按照預定的堆碼方式將紙箱板放到跺盤(pán)上，循環(huán)4次，完成一層紙箱板的碼垛。

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

如果使用1個(gè)機械手，其運動(dòng)復雜，將增加機械手運動(dòng)控制的難度。使用2個(gè)機械手可將復雜的運動(dòng)簡(jiǎn)單化，機械手1只完成將4捆紙箱板碼放在跺盤(pán)上，每次工作循環(huán)的運動(dòng)軌跡相同；機械手2的運動(dòng)滿(mǎn)足奇數層和偶數層的碼放要求，以及改變機械手z軸方向的運動(dòng)距離以適應碼放高度的變化。

文中碼垛機碼垛一捆紙板的時(shí)間約為 3.5～4 s，機械手1完成一個(gè)工藝循環(huán)所需的時(shí)間為14～16 s，機械手2完成一個(gè)工藝循環(huán)的時(shí)間約為4 s。依據企業(yè)車(chē)間預留的空間尺寸4 m×3 m×2 m，可選擇直線(xiàn)導軌的最大速度為 3～5 m/s，最大加速度為 50～100 m/s2，來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)節拍的要求。

2.3 瓦楞紙箱板自動(dòng)碼垛機設計要點(diǎn)

2.3.1 碼垛機械手類(lèi)型選擇和運動(dòng)軌跡分析

機械手的驅動(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(guò)程中被劃破或變形，采用夾托式手指形機械手，抓取時(shí)手指的位置應避開(kāi)紙箱的切口位置。依據負載要求，該機的驅動(dòng)裝置采用電動(dòng)和氣動(dòng)相結合的方式。機械手1和機械手2均可采用類(lèi)似的結構。。

2.3.2 其他裝置設計與選擇電機、直線(xiàn)導軌、氣缸、減速器等裝置為標準件，在設計時(shí)依據參數計算選擇相應的型號。文中伺服電機采用交流伺服電機，其結構簡(jiǎn)單、運行可靠，使用維修方便，也可以采用減速器和電機集成一體機。直線(xiàn)導軌選用鋁合金材質(zhì)，要求具有耐蝕性、組裝容易、互換容易、運轉平穩、低噪音等特點(diǎn)?？刂蒲b置應實(shí)現PC化、網(wǎng)絡(luò )化設計，并采用多傳感器融合技術(shù)

3、結語(yǔ)

紙箱板自動(dòng)碼垛裝置采用框架結構，4根立柱受力、結構合理。使用雙機械手分別完成單層碼放、整層抓取碼垛工藝，動(dòng)作協(xié)調平穩，滿(mǎn)足碼垛生產(chǎn)能力的需求。該設備適用高速、重載紙箱板碼垛，設計盡量采用標準化的元件，便于互換、減低設備成本。

來(lái)源：愛(ài)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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