散裝物料箱提升卸料機的方案設計及關(guān)鍵技術(shù)*

張明松，李曉維，程煉兵

(三峽大學機械與動力學院，湖北宜昌 443002)

0 引言

卷煙加工生產(chǎn)過程中需將裝箱的煙絲倒入生產(chǎn)線輸送帶上，以進入下一步的卷煙生產(chǎn)工藝。由于煙絲包裝箱通常為紙質(zhì)包裝箱，而且重量近200 kg，體積也較大，長寬高約1 200 mm×850 mm×800 mm，剛度差，易變形，如果采用人工倒料則不僅效率低下，而且工人勞動強度也大，若采用機械倒料作業(yè)，不僅可以減輕工人勞動強度，提高勞動生產(chǎn)效率，還能降低生產(chǎn)成本。

生產(chǎn)線上的翻箱倒料模式歸納起來主要有機器人翻箱倒料模式、龍門式翻箱倒料模式、追蹤式翻箱倒料模式、AGV翻箱倒料模式、堆垛機翻箱倒料模式五種，其各自的特點如表1所示［1］。

表1 翻箱倒料模式特點比較

目前在一卷煙生產(chǎn)線已實現(xiàn)機械化翻箱，即由原來開口朝上完成開口朝下倒扣于輸送帶上，現(xiàn)需將處于倒扣狀態(tài)的紙質(zhì)箱內(nèi)的煙絲倒出，采用現(xiàn)有的翻箱倒料機械，功能上有冗余，也不經(jīng)濟，因而需設計一種經(jīng)濟適用的倒料機械。筆者根據(jù)實際生產(chǎn)情況設計了一種新型倒料機械實現(xiàn)了相應功能及經(jīng)濟性要求。

1 方案原理分析

考慮實際生產(chǎn)情況，設計過程中主要考慮以下幾個方面的問題:①物料箱由輸送帶輸送至指定位置，并在原地完成卸料，且仍然由該輸送帶輸送至下一道工序;②物料箱輸送至指定位置時已完成翻箱工作，即物料箱處于開口朝下的狀態(tài);③物料箱為紙質(zhì)箱，考慮到環(huán)保及成本要求，倒料過程中物料箱不得損壞，確保物料箱可重復利用;④倒出物料后的紙質(zhì)箱須放于指定位置，不得留在輸送帶上，以方便工人回收;⑤設備具有較高的安全性、可靠性及生產(chǎn)效率。

由以上設計要求并參考現(xiàn)有產(chǎn)品設計思路，根據(jù)仿生學原理參考人體搬運貨物的運動特征提出如圖1所示的設計方案。其基本運行原理為:當物料箱位于提升卸料機的下方時，物料箱夾持機構(gòu)張開，懸臂向下運動到指定位置，然后物料箱夾持機構(gòu)將物料箱夾緊，懸臂向上運動至一定距離將煙絲傾倒在輸送帶上，當煙絲被全部倒出后，物料箱夾持機構(gòu)向右運動一定距離，到達指定位置后張開將空物料箱放在指定位置，之后物料箱夾持機構(gòu)向左返回，提升卸料機重復之前的動作進入下一個生產(chǎn)節(jié)拍。

圖1 提升卸料機原理圖

2 方案關(guān)鍵技術(shù)分析

由以上現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境條件及機構(gòu)原理設計分析可知，需要重點解決以下幾個關(guān)鍵技術(shù):①紙質(zhì)物料箱夾持機構(gòu)設計滿足作業(yè)可靠性高，紙質(zhì)物料箱可回收重復利用;②立柱及懸臂結(jié)構(gòu)設計具有強度高、剛性好等特點，確保整個裝置運行穩(wěn)定可靠。

2．1 物料箱夾持機構(gòu)設計

機械夾持機構(gòu)又可稱為機械手，主要是通過模擬人手或其他生物的抓取機體來實現(xiàn)對物料的抓取操作。目前在工業(yè)領(lǐng)域?qū)C械手進行了較為系統(tǒng)的研究和總結(jié)［2］，如圖2 所示為幾種常見的機械手［3］，在抓緊物體時機械手和物體之間的保持一定的壓力，然后機械手通過摩擦力的作用將物體抓起。

圖2 幾種常見的機械抓手

但文中所給生產(chǎn)條件要求將紙質(zhì)物料箱抓起的同時能夠?qū)⑾鋬?nèi)的物料倒出，而且物料箱不能被損壞。考慮圖2中第三種情況，即直線平動式抓手，被抓物受力情況如圖3所示。

圖3 受力示意圖

設物料箱所受的摩擦力為f，正壓力為P，重力為G，物料箱質(zhì)量為m，重力加速度為g，機械手與物料箱之間的靜摩擦系數(shù)為μ(0＜μ＜1)，則當物料箱被抓起時有:

由式(2)可以看出，若采用類似圖2中的機械手，則作用在物料箱上的正壓力將大于物料箱的重力，由前述可知物料箱重達200 kg，而物料箱又為紙質(zhì)箱，剛度差，如此大的正壓力一方面容易導致物料箱的嚴重變形而損壞物料箱;另一方面由于正壓力太大，箱內(nèi)物料也難以落出，所以難以保證機械手作業(yè)時的可靠性。

基于以上分析，設計了一種新型機械抓手機構(gòu)，如圖4所示，主要由導軌、滑塊、絲杠、夾板、抓板、抓釘、步進電機等幾部分組成。當機械抓手工作時，兩夾板在絲杠的驅(qū)動下通過滑塊沿導軌相向運動，由抓板將物料箱夾緊，然后抓釘在步進電機的驅(qū)動下扎進紙質(zhì)物料箱中，從而實現(xiàn)機械手對物料箱的抓取操作;當要釋放物料箱時，各部件逆序依次反向動作即可完成對物料箱的釋放操作。

圖4 機械抓手

2．2 立柱及懸臂結(jié)構(gòu)設計

立柱和懸臂結(jié)構(gòu)設計中，有箱型結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)兩種方案可供選擇［4－7］，考慮經(jīng)濟適用性因素，文中采用桁架結(jié)構(gòu)設計，如圖5所示。

圖5 立柱懸臂結(jié)構(gòu)

立柱主要由底座、桁架、提升電機座、導軌墊塊、鏈輪座等幾部分組成。其中底座部分向右伸出，以增強立柱在提升卸料機工作時的穩(wěn)定性;立柱右側(cè)上方焊接有導軌墊塊用于安裝縱向?qū)к墸摻Y(jié)構(gòu)設計既可減小導軌安裝面的加工面積，同時亦可提高導軌連接部分的可靠性。

懸臂整體呈三角形，其上附有吊耳、豎板、導軌墊塊、水平電機座等結(jié)構(gòu)，其中吊耳與豎直提升鏈相連，用于提升懸臂;豎板用于安裝滑塊，與立柱上的導軌一起組成滑動副;為減小水平導軌安裝面的加工面積，在懸臂焊件上焊接有導軌墊塊，水平電機座用于安裝水平鏈驅(qū)動電機和水平鏈輪座。

3 工作過程分析

如前所述，提升卸料機主要由立柱、懸臂、機械抓手三部分構(gòu)成，如圖6所示為提升卸料機的裝配圖，該裝置通過PLC編程進行控制，其控制過程如下。

圖6 提升卸料機裝配圖

(1)機構(gòu)復位 提升卸料機啟動，PLC向各驅(qū)動電機發(fā)出復位指令，各運動機構(gòu)復位，如圖6位置B所示，各個運動部件的停止位置由安裝在固定位置的電容接近開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號，進而由PLC發(fā)出相應指令。

(2)機械抓手抓取物料箱 首先PLC向安裝在立柱上的提升電機發(fā)出動作指令，提升電機通過提升鏈帶動懸臂向下運動至位置A時安裝在立柱下端的電容接近開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號，當PLC接收到觸發(fā)信號后發(fā)出停止指令，提升電機停止轉(zhuǎn)動，懸臂停止運動，接著PLC向機械抓手上方的步進電機發(fā)出動作指令，步進電機通過絲杠驅(qū)動機械抓手夾板相向運動壓緊物料箱，接著PLC再向四個抓釘組件步進電機發(fā)出動作指令，抓釘在步進電機的驅(qū)動下扎進紙質(zhì)物料箱中，至此機械抓手完成對物料箱的抓取操作。

(3)卸料 PLC控制器向提升電機發(fā)出動作指令，提升電機通過提升鏈帶動懸臂向上運動，由于物料箱的開口已朝下且處于打開狀態(tài)，物料在重力作用下被倒出物料箱，實現(xiàn)卸料，當懸臂運動至B位置時，安裝在立柱上方發(fā)電容接近開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號，PLC接收到觸發(fā)信號后對提升電機發(fā)出停止指令，懸臂停止運動。

(4)釋放空物料箱 PLC向安裝在懸臂上的水平驅(qū)動電機發(fā)出動作指令，水平驅(qū)動電機通過水平鏈帶動機械抓手向右運動至C位置時，安裝在懸臂右端的電容接近開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號，PLC接收到觸發(fā)信號后向水平驅(qū)動電機發(fā)出停止指令，機械抓手停止運動，接著PLC向抓釘組件中的步進電機發(fā)出動作指令，抓釘在步進電機的驅(qū)動下反向運動退出紙質(zhì)物料箱。PLC再向機械抓手上方步進電機發(fā)出動作指令，步進電機通過絲杠驅(qū)動機械抓手張開，物料箱在重力作用下落在指定位置，實現(xiàn)物料箱的釋放操作。

(5)機械抓手歸位 PLC向安裝在懸臂上的水平驅(qū)動電機發(fā)出動作指令，水平驅(qū)動電機通過水平鏈帶動機械抓手向左運動至B位置時，安裝在懸臂左端的電容接近開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號，當PLC接收到觸發(fā)信號后向水平驅(qū)動電機發(fā)出停止指令，至此提升卸料機完成一個工作循環(huán)，接著各機構(gòu)重復上述動作進入下一個工作循環(huán)。

4 結(jié)語

調(diào)研了卷煙生產(chǎn)線上裝箱煙絲卸料的難題，結(jié)合現(xiàn)有的卸料設備設計思想及現(xiàn)場生產(chǎn)情況設計了一種新型提升卸料機，解決了以下幾方面的問題。

(1)設計了一種新型機械手機構(gòu)，實現(xiàn)了在抓緊力比較小的情況下對物料箱的抓取操作同時能夠保證卸料過程的完成。

(2)對立柱懸臂結(jié)構(gòu)進行了設計，具有強度、剛度好，經(jīng)濟適用等特點。

(3)對提升卸料機的工作過程進行了詳細的分析，為提升卸料機的控制過程提供了依據(jù)。

(4)通過對所設計提升卸料機的試制驗證了該設計是合理的可行的。

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