集裝箱頂板自動(dòng)上料裝置設(shè)計(jì)

王 娜，余增霈，孫忠明

WANG Na1, YU Zeng-pei2, SUN Zhong-ming2

（1.青島黃海學(xué)院，青島 266427；2.青島中集集裝箱制造有限公司，青島 266500）

0 引言

集裝箱制造行業(yè)存在著生產(chǎn)節(jié)奏快，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題。新時(shí)代的勞動(dòng)者對(duì)工作環(huán)境和工作內(nèi)容都有新的要求，因此，國內(nèi)的集裝箱及其他裝備制造企業(yè)都在進(jìn)行生產(chǎn)裝備的自動(dòng)化改造。

早期的機(jī)械制造多是采用機(jī)械或電氣部件的單機(jī)自動(dòng)化，我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)層次低，企業(yè)技術(shù)落后，主要以手工勞動(dòng)為主。集裝箱頂板是集裝箱重要的結(jié)構(gòu)件，現(xiàn)在工廠中上料過程多是人工上料，工人重復(fù)動(dòng)作多，勞動(dòng)強(qiáng)度比較大。本文對(duì)集裝箱頂板生產(chǎn)過程進(jìn)行分析，完成了頂板自動(dòng)上料裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)備的空間布局。針對(duì)輸送定位壓型過程中的板材變形，設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化的氣動(dòng)夾鉗。為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)板材的輸送定位，選取了合適的伺服系統(tǒng)和滾珠絲杠，并綜合設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)裝置的氣動(dòng)原理圖。

1 集裝箱頂板自動(dòng)上料裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)工件加工要求以及車間頂板自動(dòng)成型線的布局位置，本文選用一個(gè)較狹長的布局，如圖1所示。

圖1 頂板自動(dòng)上料結(jié)構(gòu)布置圖

整個(gè)裝置與龍門式壓機(jī)的工作臺(tái)平行，送料定位部分與壓床的工作臺(tái)對(duì)應(yīng)。待料臺(tái)采用雙工位布置，一個(gè)是整摞大板的待料臺(tái)，另一個(gè)是整摞分單張的取料臺(tái)。為了滿足工件的定位精度要求，本文采用伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行定位。板材定位時(shí)的輸送采用氣動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)的簡易機(jī)械手，以防止板材在運(yùn)動(dòng)過程中跑偏。

2 頂板自動(dòng)上料吸盤輸送裝置設(shè)計(jì)

之前的人工上料選用的是一個(gè)待料臺(tái)來提供儲(chǔ)料量，其弊端是在待料臺(tái)無料時(shí)需要停機(jī)重新吊料進(jìn)行上儲(chǔ)料位。這種上料方式改為自動(dòng)時(shí)就不再適合，自動(dòng)化的優(yōu)勢是可以不間斷的重復(fù)動(dòng)作。本文在考慮自動(dòng)上料布局時(shí)選擇了雙儲(chǔ)料位，即待料臺(tái)和上料臺(tái)。

工作過程如下：1）用叉車或行車將整摞原板送上待料臺(tái)；2）通過待料臺(tái)和上料臺(tái)下部的減速機(jī)及鏈傳動(dòng)帶動(dòng)輥道，將原板從待料臺(tái)送往上料臺(tái)。這就解決了停機(jī)上料難的問題。據(jù)此設(shè)計(jì)的集裝箱頂板自動(dòng)上料裝置的吸盤輸送部分的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 吸盤輸送部分結(jié)構(gòu)圖

3 頂板自動(dòng)上料板材送料定位部分設(shè)計(jì)

板材進(jìn)入模具前需要進(jìn)行四邊定位，因此在送料臺(tái)上設(shè)計(jì)了兩組氣缸，分別實(shí)現(xiàn)板材的橫向和縱向定位。板材四邊定位后，用夾鉗夾緊，保證在壓型過程中板材左右尺寸一致，前后定位采用伺服電機(jī)帶動(dòng)的螺旋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。板材送料定位部分結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 板材送料定位部分結(jié)構(gòu)圖

圖3 中，1為氣動(dòng)夾鉗，將板材夾持送進(jìn)模具，2為側(cè)向定位氣缸，將落下的板材左右對(duì)齊，3為伺服電機(jī)-滾珠絲桿，其作用是輸送和定位，4為前下定位氣缸，其作用是對(duì)剛落下的板材前后定位，將板材送入伺服電機(jī)輸送原點(diǎn)。

1）氣動(dòng)夾鉗設(shè)計(jì)

基本氣動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用了一個(gè)具有中間轉(zhuǎn)軸的氣缸，連接一個(gè)圍繞立柱轉(zhuǎn)動(dòng)的上夾頭，其作用是和固定的下夾頭一起實(shí)現(xiàn)對(duì)板材的夾持。

圖4 基本氣動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)示意圖

這種基本結(jié)構(gòu)的夾鉗在本文的工件加工的場合中使用是存在問題的。本文的頂板單波加工采用的是拉伸工藝，在此過程中會(huì)存在板材的變形。這種變形主要是是拉伸過程中的板材變形，本文中所用的模具是凹模在上，凸模在下，拉伸過程中，隨著凹模下行，凹模斷面上的板材毛坯外部尺寸不斷縮小，凸模上的材料被拉伸成為拉伸件波頂，當(dāng)拉伸過程結(jié)束時(shí)，平板毛坯被拉伸出一個(gè)波形。因此本文在設(shè)計(jì)新的夾鉗時(shí)須考慮克服此收縮力。

基于以上分析，為了克服板材的收縮力，實(shí)現(xiàn)定位的準(zhǔn)確性，本文對(duì)原有的夾鉗結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，增加了若干活動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)氣缸。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的氣動(dòng)夾鉗結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 中，A氣缸的作用是夾緊板材，B氣缸起補(bǔ)償位移的作用。具體工作過程為：初始時(shí)，A氣缸內(nèi)無桿腔進(jìn)氣，推動(dòng)活塞桿將板材夾緊，B氣缸內(nèi)有桿腔進(jìn)氣，將整個(gè)夾鉗拉緊，隨后將板材輸送進(jìn)入模具，B氣缸控制電磁閥切換，將桿腔氣體排出，夾鉗在C關(guān)節(jié)和板材支撐的作用下處于水平狀態(tài)。因此，整個(gè)夾鉗在板材壓制過程中處于一個(gè)隨動(dòng)的狀態(tài)，從而對(duì)板材變形和模具移動(dòng)進(jìn)行了補(bǔ)償。壓制完成，B氣缸控制電磁閥切換，桿腔進(jìn)氣，重新將夾鉗拉起，板材則可以繼續(xù)移動(dòng)。

2）輸送定位裝置設(shè)計(jì)

輸送定位裝置需要完成兩個(gè)動(dòng)作：一是將板材輸送至模具內(nèi)，二是實(shí)現(xiàn)5個(gè)波距的定位。為了保證精確完成這兩個(gè)動(dòng)作，本文采用的是伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠的螺旋傳動(dòng)。

（1）確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào)

根據(jù)絲杠Ph、d2m、Cam選擇內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠，型號(hào)為SFV04010-4.8，精度等級(jí)為3級(jí)。計(jì)算出絲桿基本導(dǎo)程Ph=10mm，絲杠底Xd2m=30mm＞9.6mm，外Xd=38mm，公稱直徑Xd0=40mm，額定動(dòng)載荷 Ca=48740N，額定靜載荷Co=156912N。

（2）選擇電機(jī)

要實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，本文中的伺服電機(jī)選用的是三菱HF-SN-202J-S100型中慣量電機(jī)。功率為2kW，額定轉(zhuǎn)矩為9.55N·m，電機(jī)慣量JM為0.00383Kg·m2，運(yùn)動(dòng)工件及工作臺(tái)質(zhì)量最大值約為120kg。

4 系統(tǒng)氣動(dòng)原理圖

根據(jù)前文中對(duì)集裝箱頂板自動(dòng)上料裝置的總體結(jié)構(gòu)、吸盤輸送裝置及板材送料定位部分進(jìn)行的設(shè)計(jì)，得到整個(gè)系統(tǒng)裝置的氣動(dòng)原理圖，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)氣動(dòng)原理圖

據(jù)此得到頂板自動(dòng)上料裝置的動(dòng)作流程為：吸盤上料輸送，用一升降氣缸實(shí)現(xiàn)吸板后與待料板的分離；真空發(fā)生器和真空吸盤實(shí)現(xiàn)分板；板材落下后，氣動(dòng)夾鉗夾緊板材，開始輸送；輸送至各波壓型位置，壓型開始，變形補(bǔ)償氣缸此時(shí)開始工作；壓型結(jié)束后，動(dòng)作 完成。

5 結(jié)束語

本文從工作實(shí)際出發(fā)，通過對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場作業(yè)狀況的觀察，利用現(xiàn)有的資源，設(shè)計(jì)完成了一套集裝箱頂板自動(dòng)上料裝置。該裝置根據(jù)車間的實(shí)際情況進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，選用合適的真空吸盤和真空發(fā)生器，針對(duì)壓型過程板材的變形情況，設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化的氣動(dòng)夾鉗，輸送定位通過合適的滾珠絲杠和伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)。

此裝置投入使用，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且工人不與設(shè)備直接接觸，降低了安全隱患，同時(shí)大大提高了公司設(shè)備的自動(dòng)化水平。

[1] 劉華存.冷藏集裝箱頂門的設(shè)計(jì)[J].集裝箱化,2012(10):27-28.

[2] 張陳靈.高承載工況下滾珠絲杠副的接觸變形與剛度分析[D]. 南京理工大學(xué),2013.

[3] 袁玉比.氣動(dòng)機(jī)械手夾持力控制系統(tǒng)的研究[D].昆明理工大學(xué), 2012.

[4] 魏崢,趙世季,孔建.汽車齒輪注塑模具的設(shè)計(jì)與研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2014,36(2):140-142.

[5] 關(guān)明,周希倫,馬立靜.基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012, 34(7):120-122.

[6] Yangjun Pi,Xuanyin Wang.Trajectory tracking control of a 6-DOF hydraulic parallel robot manipulator[J].Control Engineering Practice,2011,(19):185-193.

[7] 余增霈.集裝箱頂板自動(dòng)上料裝置設(shè)計(jì)[D].山東科技大學(xué),2014.