基于并聯(lián)機器人的立式袋裝箱線

陳 羿 姜衛(wèi)國

CHEN Yi 1，2 JIANG Wei－guo 1，2

（1.武漢人天包裝技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430205；2.中南包裝機械研究所，湖北 武漢 430205）

（1.Wuhan Rentian Packaging Technology CO.，LTD.，Wuhan，Hubei 430205，China；2.Zhongnan Institute of Packaging Machinery，Wuhan，Hubei 430205，China）

中國現(xiàn)有的立式袋裝箱生產(chǎn)線，自動化程度較低，且存在立式袋排列雜亂、落位不準、裝箱數(shù)量不準、故障率高等問題，故一直沒有得到廣泛的應(yīng)用。目前國外在機器人軟袋裝箱上有一定的應(yīng)用，受限于生產(chǎn)環(huán)境，軟袋的樣式、排列方式等因素使用范圍較窄。國外機器人軟袋裝箱普遍采用真空吸盤吸取軟袋的方式來拾袋，這種拾袋方式容易出現(xiàn)掉袋、漏袋的現(xiàn)象。在粉塵多的環(huán)境下，真空系統(tǒng)和真空元器件很容易堵塞，導(dǎo)致生產(chǎn)線停機頻繁，維護時間長成本高，生產(chǎn)效率低。

目前中國現(xiàn)有立式袋裝箱線設(shè)備尚未針對上述并聯(lián)機器人軟袋裝箱存在的缺陷，對并聯(lián)機器人進行局部改進。由此可見，并聯(lián)機器人裝箱線可以對抓手結(jié)構(gòu)進行適當改造以便適應(yīng)立式袋多元化的裝箱形式和排列方式。

1 立式袋裝箱生產(chǎn)線原理及結(jié)構(gòu)

1.1 立式袋裝箱排列方式

由于立式袋本身形狀的特點，對裝箱的排列要求較高。要求在橫向（X）上頭對頭排列，在縱向（Y）上依次重疊排列，以達到紙箱容積的最大利用率，見圖1。

圖1 立式袋排列樣式Figure 1 Pattern of pouch bags

在X方向上頭對頭重疊放置，在Y方向上重疊放置，整個放置次序按圖1所示排列方式依次放入箱中，放滿10包為1層，放滿4層為1箱。按上述排列方法可以最大限度地利用紙箱容積放置立式袋，節(jié)約紙箱成本，同時在紙箱碼垛時，受壓不容易變形。對于不同的規(guī)格，層數(shù)不同，每層包數(shù)不同，本排列方式同樣適用。

1.2 立式袋裝箱工藝流程

圖2是立式袋裝箱工藝流程：由開箱封底機生產(chǎn)出空箱，經(jīng)過空箱輸出和空箱定位傳輸流程，同時水平自動給袋機生產(chǎn)出立式袋；經(jīng)過立式袋輸送環(huán)節(jié)，由并聯(lián)機器人將立式袋抓起并放入空箱內(nèi)，裝好袋的成品箱經(jīng)流水線輸出，最后完成折蓋封箱。圖2方框內(nèi)內(nèi)容為重點工藝部分，詳細說明見圖3。

圖2 立式袋裝箱工藝流程Figure 2 Technical process of carton packaging line for vertical pouch

圖3是立式袋裝箱工序：立式袋和空箱均按圖示運行方向運輸，并聯(lián)機器人將包1抓起，逆時針方向旋轉(zhuǎn)90°，放入箱內(nèi)1位置；并聯(lián)機器人將包2抓起，順時針方向旋轉(zhuǎn)90°放入箱2位置。如此依次將立式袋抓入箱中，直至箱滿，在整個裝箱過程中，立式袋和空箱均保持勻速。

圖3 立式袋裝箱工序Figure 3 Procedure of vertical pouch carton packaging

1.3 立式袋裝箱原理

圖4為目前市場上通用并聯(lián)機器人示意圖。

圖4 并聯(lián)機器人主視圖Figure 4 Main view of parallel robot

由圖4可知，并聯(lián)機器人連接法蘭和旋轉(zhuǎn)軸在第1、2、3軸的驅(qū)動下，在規(guī)定范圍內(nèi)可以在X、Y、Z三坐標系空間內(nèi)移動，同時旋轉(zhuǎn)軸在第4軸驅(qū)動下做繞Z軸的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)運動［1］。

這種運動方式顯然不能滿足立式袋裝箱的工藝要求，由圖3可知，立式袋不僅需要在X、Y、Z三坐標系空間內(nèi)移動，同時需要繞X 軸方向的正、反旋轉(zhuǎn)運動［2，3］。

如圖5所示，在機器人連接法蘭上固定安裝座，在機器人軸和中軸上分別安裝一對圓錐齒輪，在第4軸的驅(qū)動下，中軸就可完成繞X軸方向的正、反旋轉(zhuǎn)運動，經(jīng)過上述改進后，完全滿足圖3所示工藝要求。

圖5 機器人改進說明Figure 5 Introduction of improved parallel robot

1.4 并聯(lián)機器人立式袋裝箱生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)

圖6是并聯(lián)機器人立式袋裝箱布置圖，裝箱線主要設(shè)備包括紙箱供給裝置1、立式袋輸送裝置2、紙箱定位傳輸裝置3、并聯(lián)機器人4以及翻轉(zhuǎn)抓手5等部分。供箱系統(tǒng)產(chǎn)出空箱，經(jīng)過紙箱供給裝置1傳輸，并將空箱送入紙箱定位傳輸裝置2。同時立式袋在立式袋輸送裝置3上勻速運行，并聯(lián)機器人4用翻轉(zhuǎn)抓手5同步將立式袋裝入箱內(nèi)，完成裝箱全過程。

圖6 生產(chǎn)線平面布置圖Figure 6 Layout plan of production line

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 紙箱供給裝置

圖6中紙箱供給裝置1為紙箱鏈板輸送線。

根據(jù)目前鹽業(yè)單線生產(chǎn)線的產(chǎn)量來匹配送箱鏈板機。通常自立袋一條線產(chǎn)量為60～80包／min，每箱裝自立袋為40包。紙箱長度為0.42 m，紙箱的輸送需滿足上述裝箱要求。下面以上述要求為例，計算鏈板機的速度。

設(shè)Q為自立袋產(chǎn)量（范圍60～80包／min），S為每箱所裝自立袋包數(shù)。B為每分鐘必須提供的箱數(shù)，為保證紙箱供應(yīng)，紙箱供應(yīng)數(shù)量必須大于生產(chǎn)所需，則有：

Q取最大值＝80包／min，S＝40包，代入式（1）得：

B＝2箱／min

作為紙箱儲備，通常會有一定紙箱的儲存量，因客戶的需求而不同，一般為生產(chǎn)所需的1.2倍。不妨設(shè)儲備系數(shù)k＝1.2，G為實際每分鐘供箱數(shù)，則有

由式（2）可知，已知紙箱長度和實際每分鐘供箱數(shù)，可求鏈板機的線速度。不妨設(shè)l為紙箱的長度（m）；V1為鏈板輸送的線速度（m／min）；

將l＝0.42，G＝2.4代入式（3）可得

V1＝0.42×2.4＝1 m／min

如圖6所示，紙箱供給裝置鏈板輸送線的長度按客戶現(xiàn)場要求而定，其展開長度為5 m，已知單個紙箱重量為0.5 kg。

不妨設(shè)鏈板輸送線長度為L （m），單個紙箱重量為g （kg），鏈板所受負載為F （kg），則有

將上述值代入得：

根據(jù)上述所求鏈板機的線速度V1、負載F和鏈板機長度L，以及紙箱尺寸及方案幾何尺寸的要求，可選購紙箱供給裝置。

2.2 立式袋輸送裝置

圖6所示中立式袋輸送裝置2為立式袋鏈板輸送線。

立式袋輸送線輸送的為自立袋鹽包，立式袋鹽包長0.18 m，寬0.12 m，高0.04 m，單個鹽包重0.4 kg。已知該鏈板機的長度為4 m，鹽包沿長度方向運輸。

鹽包在輸送過程中一般要求每2個鹽包之間有1個鹽包長度的間隔，以方便光電的檢測和抓取鹽包。本機間隔長度為0.04 m［4］。

不妨設(shè)ly為鹽包長度（m）；lj為鹽包間隔長度（m）；ll為鏈板機長度（m）；V2為鏈板機的線速度（m／min）。已知Q為自立袋產(chǎn)量（范圍60～80包／min），為保證產(chǎn)量，鏈板機必須每分鐘輸送Q個lj＋ly的長度，則有：

Q 取最大值＝80包／min，ly＝lj＝0.18 m，代入式（5），則有：

V2＝80×（0.18＋0.18）

V2＝28.8 m／min

不妨設(shè)單個紙箱重量為gj（kg），鏈板所受負載為Fj（kg），則有，計算負載Fj，就是計算在V2速度下，鏈板輸送線上所運行的鹽包總數(shù)的重量。

將gj＝0.4，ll＝4，ly＝lj＝0.18 m代入式（6），得

根據(jù)上述所求鏈板機的線速度V2、負載Fj和鏈板機長度ll，以及立式袋鹽包尺寸及圖6布置圖中幾何尺寸的要求，可選購紙箱供給裝置。

2.3 紙箱定位傳輸裝置

如圖7所示，紙箱由推塊推送，避免了紙箱傳遞過程中出現(xiàn)打滑等現(xiàn)象，使運送精確，便于機器人裝箱［5］。

圖7 紙箱定位裝置視圖Figure 7 View of carton positioning device

為方便紙箱進入擋塊之間的空檔，一般L2比紙箱長40 mm，則有：

已知l＝0.42代入式（7），得

L2＝（0.42＋40÷1 000）＝0.46 m

鏈板機的速度為了匹配產(chǎn)能，見式（1），應(yīng)滿足B＝2箱／min的運輸速度。

不妨設(shè)V3為定位傳輸鏈板輸送的線速度（m／min）。

V3＝2×0.46＝0.92 m／min

如圖7所示，鏈板機長度為3.3 m，其上可放置7個紙箱，機器人從左數(shù)第3箱開始裝箱，這樣在輸送鏈上始終有2個空箱和5個滿箱的負載。不妨設(shè)F3為定位傳輸鏈板輸送負載（kg）；P1為圖7所示線上空箱個數(shù)；P2為圖7所示線上滿箱個數(shù)，則有

分別將已知P1＝2，P2＝5，g＝0.5，s＝40，gj＝0.4代入式（9）得：

F3＝2×0.5＋5×（0.5＋40×0.4）＝83.5 kg

根據(jù)上述主要參數(shù)V3、F3、L2和方案所確定的幾何位置尺寸可選購紙箱定位傳輸鏈板輸送線。

2.4 并聯(lián)機器人的選取

并聯(lián)機器人的選取要求為4軸機器人，可根據(jù)實際要求空間運動范圍、運動速度、負載大小、定位精度等參數(shù)選取。本線選取的是IRB360并聯(lián)機器人。

2.5 翻轉(zhuǎn)抓手工作原理

翻轉(zhuǎn)抓手視圖見圖8。工作原理：左夾板17、右夾板18裝在氣爪13上，這樣通過氣爪13的打開和合攏用于夾持和放開自立袋，氣爪13固定在擺臂14上，擺臂14通過平鍵C12與中軸8連接，中軸8的往復(fù)轉(zhuǎn)動將帶動氣爪13往復(fù)轉(zhuǎn)動。中軸8兩端分別裝有角接觸球軸承A9、角接觸球軸承B16，以承受中軸8旋轉(zhuǎn)帶來的軸向力和徑向力，兩端軸承分別裝在左立板15、右立板10上。圓錐齒輪A6通過平鍵5與機器人軸3連接，底部裝有單向推力球軸承4以克服旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向力，圓錐齒輪B7通過平鍵B11裝在8上，一對齒輪相互嚙合［6］，這樣當機器人軸3沿Z軸往復(fù)旋轉(zhuǎn)時，帶動氣爪13沿X坐標往復(fù)旋轉(zhuǎn)。同時機器人法蘭1沿迪卡爾坐標系的空間移動，也帶動氣爪13以同樣方向和距離的移動。

按上述結(jié)構(gòu)的設(shè)計，氣爪能完成立式袋的抓取、翻轉(zhuǎn)的功能，配以并聯(lián)機器人的空間位置移動和第4軸驅(qū)動，能準確地按前述的排列要求將立式袋放如箱內(nèi)，如此往復(fù)抓取、翻轉(zhuǎn)、放置，直至完成整個裝箱全過程。

圖8 翻轉(zhuǎn)抓手視圖Figure 8 View of rotating gripper

本線主要參數(shù)：功率為4.5 kW，氣壓為0.6 MPa，耗氣量為200 L／min，滿足產(chǎn)能為立式袋4 800包／h的裝箱。

3 試驗分析

本生產(chǎn)線在鹽業(yè)立式袋裝箱的現(xiàn)場進行了試機，生產(chǎn)現(xiàn)場有兩條手工線和這條立式袋裝箱線，經(jīng)過了長達6個月試機。參數(shù)比較見表1。

表1 立式袋裝箱線與手工裝箱線成本對比分析Table 1 The cost comparison and analysis of automatic carton packaging line for vertical pouch and manual carton packaging line

通過上述對比，本生產(chǎn)線可節(jié)省人員4人，按4人的用人成本來算，一年可收回機器成本。更為主要的是減少了人為因素造成的產(chǎn)品錯誤率，避免了環(huán)境對人員的傷害。國外的軟袋裝箱線由于受立式袋形狀和使用環(huán)境的限制，目前在鹽業(yè)行業(yè)無明確的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

本研究提出了基于并聯(lián)機器人的立式袋裝箱線，將并聯(lián)機器人用于立式袋裝箱，擴大了并聯(lián)機器人在包裝行業(yè)的應(yīng)用范圍，同時也解決了立式袋排列次序復(fù)雜，定位要求高，自動化程度要求高的難題。本立式袋裝箱生產(chǎn)線的研制成功，很好地解決了自立袋裝箱由人工轉(zhuǎn)為自動化裝箱的問題。對于自立袋裝箱的難點一個在于軟袋形狀的不規(guī)則性，另一個難點是自立袋裝箱排列的規(guī)則性、復(fù)雜性高，要求模仿人手的精巧性。這也是國外軟袋裝箱生產(chǎn)線無法在鹽業(yè)自立袋裝箱領(lǐng)域使用的原因。

本線針對上述兩個難點做針對性設(shè)計和研究，引入并聯(lián)機器人作為裝箱的主要功能部件，并將其中間軸更改為抓手翻轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動軸，這對并聯(lián)機器人是創(chuàng)新性改進，由于該改進的成功，從而使抓袋的方式和自立袋規(guī)則排序得已實現(xiàn)，配以氣動夾爪，可以完成穩(wěn)定的立式袋裝箱。本線的自立袋的裝箱設(shè)計是按4 800包／h的產(chǎn)能匹配，本線具有很高的擴展性，在未來對于高產(chǎn)能的匹配，可以在同樣的布局方式下增加一個并聯(lián)機器人裝箱，其它不需做大的改變，只需按產(chǎn)能重新匹配輸送機參數(shù)，這樣一條高速的集成線可以代替兩條手工線。抓取式的自立袋裝箱生產(chǎn)線拾取方式適用范圍廣，不僅在鹽業(yè)自立袋，還可以推廣在食品、醫(yī)藥等行業(yè)的軟袋包裝，對傳統(tǒng)的吸盤拾取的方式在穩(wěn)定性、拾袋準確性有明顯的優(yōu)勢，可以預(yù)見該生產(chǎn)線在未來有很好的應(yīng)用前景。

本線也存在著一些缺陷，如局部零件抗腐蝕性較差，在使用6個月后會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，在今后改進中須采用抗腐蝕材料如304、316L或非金屬材料［7］替換。

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2 潘芳偉，盧菊洪，賀利樂.基于模糊遺傳算法的新型六自由度并聯(lián)機器人運動學(xué)分析［J］.機床與液壓，2009（1）：35～38.

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4 王玉新.機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法學(xué)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，1996：80～95.

5 胡宗武，徐履冰，石來德.非標準機械設(shè)備設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002：288～313.

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