塊狀物料機(jī)器手抓取式裝箱機(jī)設(shè)計(jì)

李 響 馬 永 何 偲 王 汀 牛雅寧 趙 偉

（武漢人天包裝技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430205）

塊狀物料機(jī)器手抓取式裝箱機(jī)設(shè)計(jì)

李 響 馬 永 何 偲 王 汀 牛雅寧 趙 偉

（武漢人天包裝技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430205）

為實(shí)現(xiàn)食品包裝過程自動(dòng)化，設(shè)計(jì)抓取式裝箱機(jī)，用于多種物料裝箱，特別是用于塊狀物料裝箱。詳細(xì)介紹各部件的工作原理及控制方法，重點(diǎn)介紹機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。經(jīng)測試，機(jī)器人抓取速度可以達(dá)到2s/次。

抓取式裝箱機(jī)；機(jī)器手；控制系統(tǒng)

目前，中國自動(dòng)化裝箱生產(chǎn)線大多為跌落式裝箱和側(cè)推式裝箱，但隨著食品包裝產(chǎn)品形式的多樣化，越來越多的食品包裝物既不適合跌落式裝箱又不適合側(cè)推式裝箱，導(dǎo)致該類食品包裝物裝箱生產(chǎn)線大部分工作仍需人工操作。在發(fā)達(dá)國家，該類食品包裝物自動(dòng)化裝箱生產(chǎn)線已經(jīng)得到實(shí)質(zhì)性突破，即機(jī)器人裝箱；而對(duì)于中國食品生產(chǎn)廠家，采用機(jī)器人裝箱設(shè)備成本過高［1－4］。為此設(shè)計(jì)一種以機(jī)器手為主體的抓取式裝箱機(jī)，要求整機(jī)工作效率高、適應(yīng)性廣、調(diào)整方便、成本適中、便于制造，可有效地解決快速、靈活的多種物料裝箱的問題，以提高中國包裝生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平。

1 抓取式裝箱機(jī)中國應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，中國可以稱之為抓取式裝箱機(jī)的大致有4種，分別用在不同的條件下：

（1）啤酒、飲料等行業(yè)［5］抓取式裝箱機(jī)。這種裝箱機(jī)專門用于啤酒飲料等瓶狀物料的裝箱，采用普通電機(jī)和連桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)軌跡固定，抓取夾具固定，運(yùn)動(dòng)速度較慢，可以多箱同時(shí)裝箱，在啤酒飲料行業(yè)應(yīng)用非常有效，但不太適用于其它物料裝箱。

（2）坐標(biāo)式機(jī)器手裝箱機(jī)。這種裝箱機(jī)的機(jī)器手采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為主要組成部件，一般由兩個(gè)或三個(gè)軸（即兩個(gè)或三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)）組成，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或三個(gè)坐標(biāo)上的直線運(yùn)動(dòng)。這種裝箱機(jī)靈活性強(qiáng)，可以適應(yīng)多種規(guī)格的物料和紙箱，設(shè)計(jì)和加工均較簡單，非常適合于一般用戶，中國多家廠商均可生產(chǎn)。但是這種機(jī)器手不利于做曲線運(yùn)動(dòng)，在高速運(yùn)行的情況下性能較弱，不過因其價(jià)格較低，通?？捎脭?shù)量來彌補(bǔ)速度的不足。

（3）機(jī)器人裝箱機(jī)（即空間連桿并聯(lián)機(jī)器人）。這是一種高速的并聯(lián)多關(guān)節(jié)機(jī)器手裝箱機(jī)，其速度可以達(dá)到120次/min，在國外廣泛應(yīng)用于物料分揀、搬運(yùn)、裝盒。中國有廠家研發(fā)這種機(jī)器手并將其用于裝箱，其裝箱動(dòng)作頻率快，用于物料分揀時(shí)很有優(yōu)勢。但是它負(fù)載較輕，通常一次只能抓取一個(gè)物料且對(duì)物料的重量有要求，另外其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求制造精度高，成本也高，因此，在中國沒有形成大規(guī)模應(yīng)用。

（4）集成通用關(guān)節(jié)型機(jī)器人裝箱機(jī)。因采用通用關(guān)節(jié)型機(jī)器人，所以運(yùn)行穩(wěn)定，定位精確。但是通用關(guān)節(jié)型機(jī)器人其主要功能應(yīng)用在焊接、涂膠等通用領(lǐng)域，所以定位精確度超出包裝行業(yè)需要，且速度上有所不足，成本也較高，因此應(yīng)用也不普遍。

綜上所述，所需抓取式裝箱機(jī)必須具備一種高速、靈活的機(jī)器手，成本適中并便于在中國設(shè)計(jì)制造，整機(jī)必須與機(jī)器手相配，速度快且便于調(diào)整以適應(yīng)不同的物料和紙箱。

2 抓取式裝箱機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抓取式裝箱機(jī)主要由4個(gè)部分組成：機(jī)架、機(jī)器手、紙箱輸送和定位機(jī)構(gòu)、物料排列機(jī)構(gòu)。首先，紙箱輸送和定位機(jī)構(gòu)將前端輸送過來的封好底面的紙箱輸送到裝箱工位，將紙箱撐開，保持箱頁呈向外撐開狀態(tài)。同時(shí)，物料排列機(jī)構(gòu)將輸送來的物料改變運(yùn)行速度，拉開物料之間的距離，然后將拉開距離的物料排成指定裝箱行數(shù)，并在裝箱工位上進(jìn)行定位。最后再由抓取機(jī)器人將物料從物料排列和定位機(jī)構(gòu)上抓取裝入紙箱中。裝箱完畢后，紙箱輸送和定位機(jī)構(gòu)將裝有物料的紙箱送出。

圖1 抓取式裝箱機(jī)Figure 1 Sketch map of grasp－type packing machine

2.1 物料排列機(jī)構(gòu)工作原理

物料排列機(jī)構(gòu)的作用是將物料排成指定裝箱行數(shù)，并在裝箱工位上進(jìn)行定位。物料從分流皮帶處進(jìn)入，在分流皮帶處拉開距離并進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后進(jìn)入排列皮帶，排列皮帶上面的擺桿機(jī)構(gòu)左右擺動(dòng)，把相同數(shù)量的物料分配到排列擋板的不同檔位中，在所有的檔位都排滿了以后，阻擋氣缸向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)下一循環(huán)的第一列進(jìn)行阻擋，短暫的時(shí)間間隔為機(jī)器手抓取贏得時(shí)間，然后再進(jìn)行下一循環(huán)。

圖2 物料排列機(jī)構(gòu)示意圖Figure 2 Sketch map of arrange materiel mechanism

2.2 紙箱輸送和定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

紙箱輸送和定位機(jī)構(gòu)的作用是將開箱封底機(jī)開好的紙箱輸送到裝箱工位并精確定位。傳統(tǒng)的方法大致有3種：

（1）將紙箱放在輸送帶上，靠輸送帶的摩擦力帶動(dòng)紙箱前進(jìn)。在工作工位處設(shè)置阻擋裝置，將紙箱阻擋在合適的位置。工作完成后放開阻擋裝置，紙箱向下一個(gè)工位運(yùn)動(dòng)。

（2）輸送帶（或鏈條）上設(shè)置有擋塊，擋住紙箱后面，推動(dòng)紙箱向前運(yùn)動(dòng)。輸送帶（或鏈條）通過控制可以在工作位置精確停止。在工作工位處也設(shè)置了阻擋裝置，防止紙箱向前竄動(dòng)。工作完成后放開阻擋裝置，輸送帶（或鏈條）運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)紙箱向下一個(gè)工位運(yùn)動(dòng)。

（3）輸送帶（或鏈條）上設(shè)置有成對(duì)的擋塊，分別擋住紙箱的前面和后面，輸送帶（或鏈條）通過控制可以在工作位置精確停止。工作完成后輸送帶（或鏈條）運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)紙箱向下一個(gè)工位運(yùn)動(dòng)。

以上3種方式，前2種啟停過程較為復(fù)雜，時(shí)間長，不利于紙箱反復(fù)啟停，不適合高速工作；第3種雖然可以方便的啟停，但紙箱長度發(fā)生變化時(shí)，擋塊的間距調(diào)整極為不便。為適應(yīng)食品包裝快速、靈活的需要，有必要設(shè)計(jì)一種輸送機(jī)構(gòu)，可以使紙箱快速、反復(fù)啟停，同時(shí)紙箱規(guī)格調(diào)整方便。

如圖3所示，大鏈輪1、4通過軸承套在被動(dòng)軸上，大鏈輪2、3做成一體，也用軸承套在被動(dòng)軸上。大鏈輪13、15、16用鍵連接在主動(dòng)軸上，大鏈輪14用軸承套在主動(dòng)軸上。小鏈輪9、12通過軸承分別套在2根固定軸上，小鏈輪10、11通過軸承連接在滑塊18的2根軸上。滑塊18套在2根導(dǎo)桿17上，通過轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿19可以讓滑塊左右移動(dòng)。鏈條5、8為輸送鏈條，上面裝有卡子，負(fù)責(zé)向前推箱，鏈條7為輸送鏈條，上面也裝有卡子，負(fù)責(zé)限制紙箱前端位置。鏈條6為傳動(dòng)鏈條，負(fù)責(zé)動(dòng)力傳動(dòng)。

圖3 鏈輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖Figure 3 Sketch map of the sprocket adjustment mechanism

主動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)大鏈輪13、16運(yùn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)傳動(dòng)鏈條5、8向前運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)紙箱前進(jìn)。同時(shí)主動(dòng)軸帶動(dòng)大鏈輪15運(yùn)動(dòng)，通過中間一系列小鏈輪的傳動(dòng)，帶動(dòng)大鏈輪2運(yùn)動(dòng)，大鏈輪2、3是一體的，因此大鏈輪3也運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)輸送鏈條7運(yùn)動(dòng)，限制紙箱位置。

當(dāng)紙箱的長度尺寸發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿19，帶動(dòng)滑塊18橫向運(yùn)動(dòng)，也就帶動(dòng)小鏈輪10、11橫向運(yùn)動(dòng)，按圖示鏈條繞法，鏈條長度不會(huì)發(fā)生變化，但是會(huì)使大鏈輪2發(fā)生一定轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)大鏈輪3發(fā)生一定轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，輸送鏈條7會(huì)與輸送鏈條1、4發(fā)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這樣，紙箱前、后卡子之間的距離會(huì)發(fā)生變化，從而達(dá)到適應(yīng)不同尺寸紙箱的目的［6］。

2.3 機(jī)器手設(shè)計(jì)

機(jī)器手的可選方案有關(guān)節(jié)型和坐標(biāo)型兩種，關(guān)節(jié)型機(jī)器手便于完成更圓滑的軌跡，從速度和視覺效果上都優(yōu)于坐標(biāo)式機(jī)器人。從成本上考慮，為在中國自動(dòng)化生產(chǎn)線上普及機(jī)器手裝箱，不宜采用通用關(guān)節(jié)型機(jī)器人，而應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)更加簡單一些的機(jī)器手。事實(shí)上，在國外也有許多廠家這樣做，他們都有一些自制的關(guān)節(jié)型機(jī)器手，用來完成裝箱、搬運(yùn)這樣的簡單工作。如圖4所示為本裝箱機(jī)的機(jī)器手結(jié)構(gòu)，屬于兩軸類關(guān)節(jié)型機(jī)器手，直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑塊和橫梁上下運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在橫梁上，帶動(dòng)搖臂作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，抓手支架固定在連桿2上，橫梁、連桿1、連桿2和搖臂組成一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)［7］，使抓手支架在運(yùn)動(dòng)中始終保持垂直狀態(tài)。不同的夾具裝在抓手支架的底部，通過兩個(gè)軸的聯(lián)合動(dòng)作，完成抓取、裝箱的工作，在食品行業(yè)通常使用氣動(dòng)吸盤夾具［8］。圖5所示為機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖4 機(jī)械手示意圖Figure 4 Sketch map of robot arm

圖5 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Figure 5 Sketch map of running robot arm trajectory

該機(jī)器手的抓取方式是一次抓取一層，通過參數(shù)的精確調(diào)整，物料重量在3kg以下速度可以達(dá)到2s/次，運(yùn)動(dòng)過程精確平穩(wěn)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 整機(jī)控制系統(tǒng)

根據(jù)此機(jī)器的系統(tǒng)工藝要求，整個(gè)系統(tǒng)可以分為兩個(gè)部分：紙箱輸送部分、分列抓取部分。

（1）紙箱輸送部分：在16號(hào)大鏈輪上裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，它使得輸送鏈條每次都會(huì)在行走固定的距離后停止。在抓取機(jī)構(gòu)放置位置，有一個(gè)光電傳感器，當(dāng)鏈條行走固定距離后停下時(shí)，此處如果有紙箱，光電傳感器開關(guān)量發(fā)生變化。通知抓取部分紙箱到位。

（2）分列抓取部分：排列擋板的前段（即物料排列機(jī)構(gòu)1）處安裝了光電傳感器。前一個(gè)傳感器具有計(jì)數(shù)分列功能，對(duì)物料根據(jù)客戶要求將物料分成每列幾個(gè)，共分幾列。

通過排列擋板前段的傳感器計(jì)數(shù)，達(dá)到每列數(shù)量后，物料排列機(jī)構(gòu)3的左右擺動(dòng)，將物料分成規(guī)定列。當(dāng)接到輸送部分紙箱到位信號(hào)后，并且每列數(shù)量達(dá)到了，抓取機(jī)構(gòu)進(jìn)行抓取，把這層物料放入紙箱中。

整個(gè)裝箱工藝流程見圖6。

圖6 裝箱工藝流程圖Figure 6 Work flow chart of packing

3.2 控制系統(tǒng)方案

根據(jù)工藝要求，各氣缸均采用裝有永久磁環(huán)的氣缸。抓取部分垂直軸和旋轉(zhuǎn)軸都采用伺服電機(jī)，分流皮帶和擺桿機(jī)構(gòu)都采用步進(jìn)電機(jī)。其中分流皮帶是兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)共用的一個(gè)PLC脈沖輸出，控制它們的啟停。排列皮帶和紙箱輸送部分的電機(jī)都是普通的三相異步電機(jī)。

機(jī)器手抓取式裝箱機(jī)總功率為5kW，以紙箱中每層碼放4包（個(gè)）物料計(jì)算，最高速度為7 200包/h，與國外同類設(shè)備比較，在相同速度下成本僅有一半左右。綜上所述，機(jī)器手抓取式裝箱機(jī)工作效率高、定位裝箱準(zhǔn)確度高、適應(yīng)性廣、調(diào)整方便、成本適中、便于制造，可滿足國內(nèi)食品包裝生產(chǎn)線連續(xù)工作需求，在裝箱領(lǐng)域處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，與國內(nèi)外同類設(shè)備相比性價(jià)比高。

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The design of robot arm grapping case packer for block material

LI Xiang MA Yong HE Cai WANG Ting NIU Ya－ningZHAO Wei

（Wuhan Rentian Packaging Technology CO.，LTD.，Wuhan，Hubei430205，China）

In order to realize the automation of packing process，we designed grapping case packer，which is especially suitable for block material.In this article，we will introduce the work principle and control way of each part，and the characteristics of robot is the key point of it.After tested，the speed of robot grapping can reach 2seconds/time.

grapping case packer；robot arm；control system

10.3969 /j.issn.1003－5788.2010.05.031

李響（1975－），男，武漢人天包裝技術(shù)有限公司工程師，碩士。E－mail：tolix＠126.com

2010－05－10