面向陶瓷行業(yè)的高速自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線

秦磊 禹鑫燚

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 2.佛山市華南精密制造技術(shù)研究開發(fā)院）

1 引言

目前瓷磚自動(dòng)包裝技術(shù)還不夠完善，已有的包裝技術(shù)基本上是人工加半自動(dòng)裝置[1]完成，現(xiàn)有技術(shù)中的瓷磚包裝和碼垛存在如下缺陷：1).絕大部分瓷磚包裝依然為人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，每人每班只能包裝500箱左右；2).小部分生產(chǎn)商引進(jìn)國外的包裝生產(chǎn)線，由于無法適應(yīng)國內(nèi)繁雜的包裝工藝[2]，自動(dòng)化生產(chǎn)線的高速效果無法發(fā)揮；3).目前技術(shù)對(duì)瓷磚堆放有很強(qiáng)的要求，如果堆放誤差稍大就無法正常上磚；4).已有的包裝技術(shù)工作流程長，動(dòng)作復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)，無法滿足高速包裝瓷磚的要求；5).堆疊、對(duì)齊、翻轉(zhuǎn)[3]過程中經(jīng)常發(fā)生散亂的現(xiàn)象；6).現(xiàn)有打包技術(shù)需要每臺(tái)打包機(jī)打帶兩次，打包周期長；7).現(xiàn)有的碼垛技術(shù)[4]還處于人工碼垛或人工加半自動(dòng)化的階段，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

本文中提到的高速自動(dòng)包裝碼垛生產(chǎn)線立足國內(nèi)生產(chǎn)需求，針對(duì)大規(guī)格建筑陶瓷磚提供自動(dòng)上磚、自動(dòng)裹包、自動(dòng)捆扎和自動(dòng)碼垛功能。整線控制以PLC為核心，綜合高速同步、傳感器、多CPU通訊等技術(shù)，快速穩(wěn)定地完成包裝碼垛工作，并預(yù)留檢測設(shè)備[5]的接口。峰值速度達(dá)10包/分鐘，24小時(shí)不間斷生產(chǎn)，產(chǎn)量大于12000包。

2 生產(chǎn)線總體介紹

本生產(chǎn)線長度為21m ～25m，寬度0.8m ～4.7m，高度不超過 2m，整線由上磚、裹包、捆扎和碼垛四大模塊組成，每個(gè)模塊又分為幾個(gè)小功能模塊，具體示意如圖1所示。

圖1 包裝碼垛生產(chǎn)線流程示意圖

本文提到的包裝碼垛生產(chǎn)線最大的特點(diǎn)是其高速打包的性能，之所以能達(dá)到如此高的速度，與幾個(gè)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)密不可分。

2.1 上磚模塊

上磚系統(tǒng)由左右兩部上磚機(jī)組成，上磚機(jī)由導(dǎo)軌滑臺(tái)、瓷磚分離機(jī)構(gòu)、推送部件組成。上磚系統(tǒng)的動(dòng)力源采用電驅(qū)動(dòng)和氣驅(qū)動(dòng)兩種方式。其工作原理如圖2所示。工作時(shí)，叉車首先把擺好磚的磚架放到導(dǎo)軌滑臺(tái)上（擺放的磚與豎直面的夾角為10°～15°），在控制信號(hào)或者人工的輔助作用下導(dǎo)軌滑臺(tái)在滑臺(tái)電機(jī)的作用下通過絲杠的傳動(dòng)前進(jìn)。當(dāng)滑臺(tái)前進(jìn)到對(duì)齊傳感器檢測位置時(shí)，對(duì)齊氣缸獲得執(zhí)行信號(hào)，兩對(duì)齊氣缸伸出將磚對(duì)齊。滑臺(tái)繼續(xù)前進(jìn)，然后與分離機(jī)構(gòu)接觸，在彈簧緩沖裝置的作用下，磚被調(diào)整到最佳的分離狀態(tài)。這時(shí)在控制信號(hào)的作用下抬升氣缸伸出，把磚抬升并夾緊（導(dǎo)軌滑臺(tái)后退，對(duì)齊氣缸把磚對(duì)齊，完成一個(gè)分離動(dòng)作，其后循環(huán)動(dòng)作），隨后旋轉(zhuǎn)氣缸、抬磚伸縮氣缸動(dòng)作，使傾斜的磚處于豎直平面內(nèi)。然后抬升氣缸下降，使磚落于托磚滾輪上，再通過推送部件的作用，把磚推送到翻抬工位上。

圖2 上磚機(jī)原理圖

2.2 翻抬磚系統(tǒng)

翻抬磚系統(tǒng)由翻轉(zhuǎn)和抬升兩部分組成，如圖3所示。上工位的磚被送到翻轉(zhuǎn)框架上，在控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)下翻轉(zhuǎn)框架又在電機(jī)經(jīng)分割器的作用下轉(zhuǎn)過90°（上磚系統(tǒng)這時(shí)把另一摞磚推送到翻轉(zhuǎn)框架上，為下一次的翻轉(zhuǎn)做準(zhǔn)備），原來豎直的磚也隨著翻過90°，翻轉(zhuǎn)后通過翻轉(zhuǎn)擋磚裝置把磚擋齊。然后輸送線架在頂伸氣缸的作用下抬高，使磚和輸送帶接觸，在摩擦力的作用下磚隨輸送帶一起運(yùn)動(dòng)至抬磚部件的輸送部件上。

圖3 翻抬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在抬升輸送部件上有瓷磚對(duì)齊裝置和定位裝置，其作用是使瓷磚能準(zhǔn)確的停在一個(gè)位置，從翻轉(zhuǎn)輸送部件來的磚通過這兩個(gè)裝置停留在抬升部件的下方。隨后被循環(huán)動(dòng)作的抬磚鏈條組件抬升到一定高度，最后被護(hù)送部件推送到包角工位。

2.3 自動(dòng)放包角模塊

如圖4所示，當(dāng)磚來到包角系統(tǒng)時(shí)，推磚固定板和瓷磚托輪組件把瓷磚固定在一定的位置。包角推送機(jī)構(gòu)就從導(dǎo)料槽里取出一個(gè)包角，然后再送到瓷磚四角的正下方，包角推送機(jī)構(gòu)主要由三個(gè)氣缸來實(shí)現(xiàn)其功能的，在真空發(fā)生氣的作用下，當(dāng)吸盤與包角接觸時(shí)，在吸盤內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)壓從而把包角吸住，這時(shí)取料氣缸收回，升降氣缸伸出，把料送到送料氣缸的包角推桿上方，斷開真空氣路，吸盤失去吸附作用，包角正好落在推桿處，隨后送料氣缸伸出，把包角送到瓷磚角正下方（在包角動(dòng)作之前，送紙機(jī)構(gòu)已經(jīng)將包裝紙送到了托紙?zhí)帲?/p>

圖4 （a） 包角吸取部分原理圖

圖4 （b） 包角模塊整體原理圖

在包角到位后，夾磚機(jī)構(gòu)動(dòng)作，把磚夾緊，托磚機(jī)構(gòu)氣缸收縮，使磚全部作用在夾磚機(jī)構(gòu)上，隨后升降機(jī)構(gòu)動(dòng)作，把磚下放，當(dāng)要下降到托紙板時(shí)，夾緊機(jī)構(gòu)松開，磚落在包裝紙上（裹包模塊的頂磚機(jī)構(gòu)上）。其后瓷磚自身的重量克服包角活動(dòng)板的阻力帶動(dòng)包裝紙一起下降，在下降的過程中，托紙板和折彎板完成了對(duì)包裝紙四周的第一次折彎。

2.4 不間斷送紙機(jī)構(gòu)

送紙機(jī)構(gòu)利用負(fù)壓的吸附原理來吸附包裝紙，通過氣缸的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)提升和小位移移動(dòng)，靠滾筒擠壓的摩擦來實(shí)現(xiàn)大位移運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡圖如同5所示，吸盤連同真空發(fā)生器，當(dāng)吸盤和包裝紙接觸時(shí)，吸盤內(nèi)有一定的負(fù)壓，利用吸盤的內(nèi)外壓差實(shí)現(xiàn)包裝紙的吸附。然后提升氣缸向上動(dòng)作，使紙的一端超過送紙壓板，并推進(jìn)氣缸動(dòng)作，把包裝紙送到兩送紙滾筒之間，滾筒間距小于紙的厚度，紙受到擠壓和摩擦并隨滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)而前進(jìn)，到達(dá)二級(jí)送紙?zhí)帯?/p>

在存紙托板電機(jī)的作用下，存紙托板隨著鏈條做循環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)最上層的紙被取完之后，下面的托板上升一格距離，然后存紙對(duì)齊氣缸動(dòng)作，把包裝紙向前推進(jìn)，到達(dá)吸盤位置。隨著托板的循環(huán)，處于下面的托板是空的，此時(shí)就能把包裝紙放進(jìn)托板里，為吸盤的吸附做準(zhǔn)備。存紙系統(tǒng)循環(huán)復(fù)此。

圖5 （b） 送紙機(jī)構(gòu)（存紙）原理圖

2.5 冗余捆扎模塊

捆扎機(jī)構(gòu)主要由兩臺(tái)捆扎機(jī)和三個(gè)線架組成。從裹包系統(tǒng)來的磚由線架1進(jìn)入捆扎機(jī)構(gòu)，折彎好的包裝紙由定壓板來保持。當(dāng)瓷磚前端運(yùn)動(dòng)到捆扎機(jī)1上方時(shí)，前擋板在氣缸作用下抬起，磚和線架1都停止運(yùn)動(dòng)，捆扎機(jī)1打帶，打帶完畢前擋板下降，線架1運(yùn)動(dòng)，磚前進(jìn)。當(dāng)磚后部運(yùn)動(dòng)到捆扎機(jī)1上方時(shí)，后擋磚板抬起，線架2和磚都停止運(yùn)動(dòng)，捆扎機(jī)1打帶，打帶完畢，后擋磚板下降，線架和磚運(yùn)動(dòng)，隨后前擋板下降，循環(huán)下一次捆扎動(dòng)作。

此項(xiàng)捆扎機(jī)構(gòu)中，捆扎機(jī)2屬于備用品，當(dāng)捆扎機(jī)1都正常工作時(shí)，捆扎機(jī)2不工作，只有當(dāng)捆扎機(jī)1由于突發(fā)情況不工作，或者打帶未完成的情況下，捆扎機(jī)2才工作，這就為捆扎打上了雙保險(xiǎn)，避免一次沒打好重打二次的情況。打好前后帶的磚由線架2輸送到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，對(duì)磚進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)工作，為下次的左右打帶做好準(zhǔn)備。捆扎機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 冗余捆扎機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

2.6 高位碼垛系統(tǒng)

碼垛系統(tǒng)有抬升線架、推送機(jī)構(gòu)、碼垛機(jī)構(gòu)、移剁機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。

圖7 碼垛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

由捆扎系統(tǒng)輸送來的磚經(jīng)過抬升線架的輸送作用把磚抬升到一定高度，最后到達(dá)上抬線架，在上抬線架的輸送作用下，磚進(jìn)入碼垛機(jī)構(gòu)的固定座滾動(dòng)裝置，但由于碼垛機(jī)構(gòu)上固定座滾動(dòng)上的導(dǎo)輪沒動(dòng)力裝置，所以需要推送機(jī)構(gòu)把磚推送到固定位置。在推送機(jī)構(gòu)的作用下，磚運(yùn)動(dòng)到了后限位板的地方就停在此處。等待下一包磚，當(dāng)下一包磚跟第一包磚直線靠齊時(shí)，托座氣缸動(dòng)作，兩固定座滾動(dòng)之間的距離加大，磚在重力的作用下落到了活動(dòng)托座上?；顒?dòng)托座固定梁固定在傳動(dòng)鏈上，能隨著鏈條的運(yùn)動(dòng)而上下運(yùn)動(dòng)。所以當(dāng)磚落到活動(dòng)托座上后，升降電機(jī)動(dòng)作，帶動(dòng)鏈條使活動(dòng)托座固定梁下降，從而達(dá)到降磚的目的。當(dāng)磚下降到一定的高度后，在控制信號(hào)的作用下停止，活動(dòng)托座氣缸動(dòng)作，活動(dòng)板之間的距離加大，磚落到磚架上，活動(dòng)氣缸復(fù)位，托座固定梁上升，然后循環(huán)下一次的碼磚動(dòng)作。

當(dāng)磚碼到一定數(shù)量后，移剁電機(jī)通過鏈條帶動(dòng)平板支架在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到規(guī)定位置時(shí)停止，同時(shí)下一個(gè)準(zhǔn)備好的平板支架正好移動(dòng)到位，然后叉車插走碼垛好的瓷磚。

3 生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)

生產(chǎn)線分為上磚、裹包、捆扎和碼垛四大模塊，每個(gè)模塊單獨(dú)控制，控制原理類似，如圖8所示。

圖8 單模塊控制原理示意圖

上磚機(jī)啟動(dòng)后A、B上磚機(jī)可以進(jìn)行不間斷上磚，啟動(dòng)時(shí)由電機(jī)帶動(dòng)絲桿動(dòng)作進(jìn)行進(jìn)磚。進(jìn)磚到位后壓緊，下鉤氣缸抬升，到位后，上鉤氣缸返回繼而滾輪伸出，下鉤氣缸復(fù)位，把磚放到滾輪上，同時(shí)平臺(tái)后退，對(duì)齊氣缸動(dòng)作，護(hù)磚電機(jī)啟動(dòng)，把磚護(hù)送到分割器。在護(hù)磚鏈條行程走到一半時(shí)再次啟動(dòng)上磚動(dòng)作。磚塊進(jìn)入分割器檢測位置時(shí)，翻轉(zhuǎn)皮帶舉升氣缸、翻轉(zhuǎn)上限位氣缸動(dòng)作，開始進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)完成后進(jìn)入輸送線架，啟動(dòng)線架對(duì)齊氣缸后，進(jìn)入抬磚機(jī)構(gòu)。抬磚機(jī)構(gòu)逐級(jí)上升，每次上升相應(yīng)的距離，并將磚護(hù)送到包角機(jī)構(gòu)。

裹包機(jī)構(gòu)檢測到上磚機(jī)護(hù)送過來的磚后，開始進(jìn)行對(duì)齊動(dòng)作，包角下部氣缸抬升，二級(jí)送紙氣缸動(dòng)作，把紙箱推進(jìn)二級(jí)滾筒，紙箱經(jīng)過滾筒后進(jìn)入了包角機(jī)構(gòu)。紙箱到位后，滾輪氣缸復(fù)位，包角上氣缸把磚放下，開始推送包角。完成后下氣缸與夾緊氣缸同時(shí)復(fù)位，頂紙氣缸置位，完成一個(gè)自由落體后把磚放進(jìn)主鏈條并輸送到折紙機(jī)構(gòu)。鏈條檢測到位后開始折紙，首先是后折紙氣缸動(dòng)作，動(dòng)作到位后，前后折紙氣缸同時(shí)動(dòng)作，動(dòng)作到位后，后折紙氣缸復(fù)位。完成后進(jìn)入線槽，經(jīng)過帶傳動(dòng)到捆扎機(jī)構(gòu)

捆扎機(jī)是進(jìn)行包裝的模塊，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)捆扎機(jī)無帶時(shí)，捆扎機(jī)的氣缸不動(dòng)作，轉(zhuǎn)換到第二臺(tái)捆扎機(jī)打。當(dāng)兩臺(tái)捆扎機(jī)都無帶時(shí)系統(tǒng)停機(jī)。已經(jīng)裹包好的磚進(jìn)入了檢測區(qū)域后，捆扎機(jī)開始工作，延時(shí)到位后開始打第一條帶，后氣缸抬升，皮帶運(yùn)動(dòng)，擋板氣缸升起，延時(shí)到位后開始打第二條帶。捆扎機(jī)工作完成后開始進(jìn)入轉(zhuǎn)向模塊。經(jīng)過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)將磚旋轉(zhuǎn)90°，打另外一邊的兩條帶。工作方式是，磚進(jìn)入了旋轉(zhuǎn)檢測后，檔板氣缸上升，電機(jī)停止，抬升的氣缸升起。擋板氣缸復(fù)位，電機(jī)開始啟動(dòng)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)90°后電機(jī)停止，抬升氣缸復(fù)位，皮帶開始工作，將磚運(yùn)到第二個(gè)捆扎模塊，工作完成后磚進(jìn)入碼垛機(jī)構(gòu)開始疊跺。

當(dāng)?shù)诙M(jìn)入碼垛后，上氣缸同時(shí)收回，磚放到下磚架，檢測到位后下磚架開始下降。下降50mm后上氣缸伸出，可以繼續(xù)進(jìn)磚。碼垛也同時(shí)下降，下降檢測到位后下氣缸收回，把磚快放下。如此循環(huán)。疊垛到額定數(shù)量時(shí)，平臺(tái)電機(jī)開始動(dòng)作了，進(jìn)行換磚架。采用的也是左右輪換制度。循環(huán)往復(fù)工作。

4 生產(chǎn)線效益效果分析

設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線具體生產(chǎn)效益分析結(jié)果如下表1所示。

表1 包裝線生產(chǎn)效益分析結(jié)果

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的瓷磚幾何尺寸實(shí)時(shí)檢測和自動(dòng)分級(jí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)在線檢測，可直接觀察瓷磚的尺寸、查看報(bào)表，實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，同時(shí)可將檢測后的瓷磚自動(dòng)進(jìn)行分級(jí)處理。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)瓷磚長度檢測精度為0.1±m(xù)m，邊直度檢測精度為0.05±m(xù)m，檢測準(zhǔn)確度99%，檢測效率為每秒鐘2塊，適用于瓷磚生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制。生產(chǎn)實(shí)踐證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，人機(jī)交互性好，對(duì)提高瓷磚檢測的技術(shù)水平、自動(dòng)化程度和瓷磚質(zhì)量具有非常重要的作用。

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