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碼垛裝置。方法通過對六自由度碼垛機器人和機械式碼垛裝置進行研究，在分析其優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)的技術(shù)要求設(shè)計瓦楞紙箱板自動碼垛裝置。

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

結(jié)論該設(shè)計方案采用2 個機械手分別完成單層碼垛和整層抓取操作，設(shè)計合理，滿足企業(yè)的使用要求。

自動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上，以解決人工碼垛勞動強度大等問題，并提高工作效率。

1 瓦楞紙箱板自動碼垛機設(shè)計技術(shù)要求

1.1 設(shè)計參數(shù)要求

參數(shù)要求：紙箱板的最小切長為488 mm，最大切長為 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）；每捆個數(shù)最少 20 個，最多 50 個；托盤尺寸的長×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 紙箱板碼垛機設(shè)計特點

分析設(shè)計參數(shù)可以看出，待設(shè)計的紙箱板自動碼垛裝置應(yīng)具有的特點：碼垛速度高，碼垛一捆紙箱板的時間為3.5～4 s；最大碼放質(zhì)量大，依據(jù)紙箱面積、定量和每捆的個數(shù)，單捆最大碼放質(zhì)量為18 kg，考慮工作系數(shù)，設(shè)計最大碼放質(zhì)量為20 kg，即機械手的公稱抓取質(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；全自動碼放、安全、經(jīng)濟、效率高。

1 瓦楞紙箱板自動碼垛機總體設(shè)計方案

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，要結(jié)合紙箱板自動碼垛機的特點、托盤與產(chǎn)品的尺寸關(guān)系及不同碼垛方式的特點。該機因碼垛高度高、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)層選擇交錯跺的碼垛方式。

2.2 瓦楞紙箱板自動碼垛機設(shè)計方案

2.2.1 設(shè)計方案的選擇

自動碼跺裝置方案設(shè)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(shè)計方案采用AHP法，從設(shè)備功能、工作性能、經(jīng)濟性、可靠性等方面進行具體分析，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)場的條件，選擇機械式碼垛設(shè)計方案（直角坐標機器人）。瓦楞紙箱板自動碼垛機工作原理見圖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)。該機如果只使用1個機械手，在技術(shù)上有2個難點：奇數(shù)層和偶數(shù)層紙板的碼放形式不同，機械手完成奇數(shù)層和偶數(shù)層碼放運動軌跡不同；隨著托盤上被碼放紙板的層數(shù)增加，機械手在z軸方向的向下運動（完成將紙板放在托盤上）的距離減小。

如果使用1個機械手，其運動復(fù)雜，將增加機械手運動控制的難度。使用2個機械手可將復(fù)雜的運動簡單化，機械手1只完成將4捆紙箱板碼放在跺盤上，每次工作循環(huán)的運動軌跡相同；機械手2的運動滿足奇數(shù)層和偶數(shù)層的碼放要求，以及改變機械手z軸方向的運動距離以適應(yīng)碼放高度的變化。

文中碼垛機碼垛一捆紙板的時間約為 3.5～4 s，機械手1完成一個工藝循環(huán)所需的時間為14～16 s，機械手2完成一個工藝循環(huán)的時間約為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 瓦楞紙箱板自動碼垛機設(shè)計要點

2.3.1 碼垛機械手類型選擇和運動軌跡分析

機械手的驅(qū)動方式有液壓、氣動和電動等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械手，抓取時手指的位置應(yīng)避開紙箱的切口位置。依據(jù)負載要求，該機的驅(qū)動裝置采用電動和氣動相結(jié)合的方式。機械手1和機械手2均可采用類似的結(jié)構(gòu)。。

2.3.2 其他裝置設(shè)計與選擇電機、直線導(dǎo)軌、氣缸、減速器等裝置為標準件，在設(shè)計時依據(jù)參數(shù)計算選擇相應(yīng)的型號。文中伺服電機采用交流伺服電機，其結(jié)構(gòu)簡單、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、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、低噪音等特點?？刂蒲b置應(yīng)實現(xiàn)PC化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，并采用多傳感器融合技術(shù)

3、結(jié)語

紙箱板自動碼垛裝置采用框架結(jié)構(gòu)，4根立柱受力、結(jié)構(gòu)合理。使用雙機械手分別完成單層碼放、整層抓取碼垛工藝，動作協(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)計盡量采用標準化的元件，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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