醫(yī)藥裝盒機(jī)自動(dòng)上盒裝置設(shè)計(jì)

文/ 孟新

醫(yī)藥裝盒機(jī)自動(dòng)上盒裝置設(shè)計(jì)

文/ 孟新

在制藥行業(yè)流水化生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中，充分利用自動(dòng)化機(jī)構(gòu)是十分有必要的——自動(dòng)裝盒機(jī)是用于藥品外包的關(guān)鍵設(shè)備，現(xiàn)已發(fā)展成為高度自動(dòng)化設(shè)備，但小盒上料仍采用人工方式，增加生產(chǎn)成本，影響整線效率，本次設(shè)計(jì)涉及自動(dòng)上盒機(jī)械手的抓取及輸送機(jī)構(gòu)，并輸送到小盒料倉。機(jī)械手采用PLC控制動(dòng)作，如此實(shí)現(xiàn)針對(duì)制藥車間內(nèi)的高效包裝。

在自動(dòng)化加工、裝配生產(chǎn)線中，能自動(dòng)完成將工件向加工或裝配機(jī)械供給并上料的裝置，稱為自動(dòng)上料裝置。包裝機(jī)械在我國制藥行業(yè)的使用前景越來越廣闊，藥品包裝機(jī)械的種類也日趨繁多，自動(dòng)裝盒機(jī)是其中較為復(fù)雜的設(shè)備之一。現(xiàn)代的藥品自動(dòng)裝盒機(jī)是集機(jī)、電、光、氣于一體的功能多樣化、高度自動(dòng)化的包裝設(shè)備，所以任何工位的設(shè)計(jì)都會(huì)影響自動(dòng)裝盒機(jī)自身設(shè)備的使用效率。

圖1 紙箱內(nèi)小盒排列方式

現(xiàn)世界上先進(jìn)、成熟的自動(dòng)裝盒機(jī)最快速度可達(dá)到450盒/min，裝盒機(jī)自身預(yù)留小盒料倉1.5-2.0 m，大約存放800個(gè)小盒。假定紙盒每一托紙盒250個(gè)，那么大約需要人工2次/min的頻率搬運(yùn)上料，是一項(xiàng)重復(fù)而繁重的作業(yè)。所以，為了提高生產(chǎn)率、減輕作業(yè)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)紙盒上料自動(dòng)化是迫在眉睫的工作。

“工業(yè)4.0”的推動(dòng)將突破傳統(tǒng)行業(yè)界限，催生制造業(yè)顛覆性的變革，全面提升制造業(yè)的水平，同時(shí)醫(yī)藥行業(yè)也因此面臨著一場巨大的變革，制藥設(shè)備自動(dòng)化水平的提升、減少人為干預(yù)、降低人員成本等問題亟待需要解決。本文研究的自動(dòng)上盒裝置是從自動(dòng)裝盒機(jī)中分離出來的一個(gè)模塊，主要是針對(duì)上盒工作，實(shí)現(xiàn)料盒的吸取、運(yùn)送以及上盒過程的自動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于利用機(jī)器人技術(shù)、智能傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)去人工化，在合規(guī)的條件下節(jié)約成本、提高效率。

自動(dòng)上盒裝置設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用

智能制造的推進(jìn)，“機(jī)器換人”在制造業(yè)已是大勢所趨。工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)用范圍越來越廣泛，已經(jīng)成為引領(lǐng)工業(yè)4.0進(jìn)程的動(dòng)力，引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率。使用工業(yè)機(jī)器人操作具有很多優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

節(jié)約成本：機(jī)器人可以24 h進(jìn)行操作。生產(chǎn)線只需一人看管或一人同時(shí)看兩臺(tái)甚至更多臺(tái)機(jī)器，有效節(jié)省人工費(fèi)用。另外，采用工業(yè)機(jī)械手操作的模式，自動(dòng)流水線更能節(jié)省廠地，使整廠規(guī)劃更小更緊湊精致。

生產(chǎn)效率高：工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)一件產(chǎn)品耗時(shí)是固定的。同樣的生存周期內(nèi)，使用機(jī)械手的產(chǎn)量也是固定的，不會(huì)忽高忽低。并且每一批產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間是固定化，產(chǎn)品的成品率也高，可保證整條生產(chǎn)線的綜合效率。

圖2 整體方案三維圖

圖3 流程邏輯控制圖

安全系數(shù)高：采用工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)，可以更大程度保障工人的工作安全性。不會(huì)出現(xiàn)由于工作疏忽或者疲勞造成的工傷事故。在需要倒班的生產(chǎn)車間中，晚上更容易出現(xiàn)生理性疲勞，導(dǎo)致發(fā)生安全事故，使用工業(yè)機(jī)器人則可確保安全生產(chǎn)。另外，有些較為危險(xiǎn)的工種，采用工業(yè)機(jī)器人操作，重復(fù)作業(yè)精確度高，穩(wěn)定性好，安全性更強(qiáng)。

便于管理：以往企業(yè)中很難精確的保證每天的生產(chǎn)量，因?yàn)榭倳?huì)有一些員工偷懶。而作為監(jiān)管人員每天的事情非常多，很難時(shí)時(shí)刻刻去抓員工有沒有好好做事。使用機(jī)械手生產(chǎn)后，用工人員減少，員工管理更方便了。

本次自動(dòng)上盒裝置設(shè)計(jì)考慮到生產(chǎn)線連續(xù)生產(chǎn)、設(shè)計(jì)裝置能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、完全替代人工操作等方面，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵部位采用工業(yè)機(jī)器人的方式。

工作流程設(shè)計(jì)

一般供應(yīng)商提供的小盒的包裝方式為360×360×350 mm的紙箱，內(nèi)小盒排列方式為2列×4層，每一箱重量大約15 kg，具體排列方式見圖1。

本次自動(dòng)上盒裝置的設(shè)計(jì)，在最大程度上降低人為干預(yù)的基礎(chǔ)上采用2臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的方式。第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人（ER30，中空臂，負(fù)載30 kg，水平臂展2 033 mm），主要實(shí)現(xiàn)包裝紙箱的搬運(yùn)以及開箱過程；另一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人（ER16，中空臂，負(fù)載16 kg，水平臂展2 101 mm）主要實(shí)現(xiàn)每列小盒的搬運(yùn)及上料過程。2臺(tái)機(jī)器人相互協(xié)調(diào)配合，完成整個(gè)上料過程。具體工作流程如下：

（1）ER30機(jī)器人通過夾具下方成像裝置及吸盤將紙箱從托盤相應(yīng)位置吸取放入變位機(jī)上；（2）ER30機(jī)器人同時(shí)完成切換模具、彈出刀片和開箱過程；（3）執(zhí)行開蓋動(dòng)作，完畢后給出信號(hào)；（4）ER16機(jī)器人與變位機(jī)通過隨動(dòng)，并借助成像檢測通過夾具將一列紙盒夾持后，機(jī)器人將爪子提升到完成預(yù)轉(zhuǎn)點(diǎn)；機(jī)器人底部腰座旋轉(zhuǎn)，將紙盒向料倉方向轉(zhuǎn)運(yùn)過去；在機(jī)器人底部腰座旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，根據(jù)料倉預(yù)放位置調(diào)整機(jī)器人小臂的伸展幅度；（5）ER16機(jī)器人經(jīng)過預(yù)放點(diǎn)運(yùn)行到此紙盒的放置點(diǎn)吸盤釋放開，放置紙盒；（6）ER16機(jī)器人放置完一列紙盒后，運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)預(yù)抓點(diǎn)，如此周而復(fù)始的循環(huán)；（7）當(dāng)ER16機(jī)器人檢測到此紙箱內(nèi)紙盒已完，機(jī)器人會(huì)發(fā)出此箱結(jié)束信號(hào)；（8）當(dāng)下一箱紙箱到位后，ER16機(jī)器人又進(jìn)行抓取工作。

圖4 取箱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5 開封裝置設(shè)計(jì)

上盒機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)是指各零部件尺寸和零部件之間配合問題的設(shè)計(jì)，以及各元器件（包括電動(dòng)機(jī)、傳感器、氣缸、吸盤等等）的選用和設(shè)計(jì)。原則上，各機(jī)械手的軌跡范圍不應(yīng)該相互重疊，如因機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需求實(shí)在無法避免時(shí)，則應(yīng)該保證任意兩機(jī)械手不會(huì)在同一時(shí)間內(nèi)到達(dá)同一區(qū)域。

工件的上料通常是指將定向排列好的工件裝入加工機(jī)械夾具中的作業(yè)，是自動(dòng)上料裝置中最為復(fù)雜的一環(huán)。本次上盒機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于根據(jù)紙盒的形狀、重量、特性及加工機(jī)械的夾具等選擇最適當(dāng)?shù)纳虾蟹椒ā?/p>

由于該上盒裝置零部件較多，系統(tǒng)比較龐大，為了便于表達(dá)和理解，本文將對(duì)關(guān)鍵工位進(jìn)行設(shè)計(jì)和敘述。本次設(shè)計(jì)中所夾持轉(zhuǎn)運(yùn)的紙盒的上料是較為困難的。首先必須保證薄片紙盒能被有效、穩(wěn)定地夾持；其次還必須解決如何放料的問題。

紙箱有無及位置檢測

該系統(tǒng)通過工業(yè)2D相機(jī)自動(dòng)檢測人工所運(yùn)送的托盤上紙箱位置，工業(yè)相機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中就像人的眼睛，對(duì)看到的物體進(jìn)行成像，能區(qū)別各種各樣的東西。被攝物體的圖片經(jīng)過光學(xué)鏡頭聚焦到相機(jī)芯片上，在驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)脈沖下相機(jī)完成光電荷的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和讀取，從而將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，從而進(jìn)行控制。本次設(shè)計(jì)將工業(yè)相機(jī)安裝在工業(yè)機(jī)器人末端，這樣在吸取紙箱時(shí)能時(shí)刻檢測紙箱的有無及精準(zhǔn)地判斷位置。

取箱機(jī)構(gòu)

吸取機(jī)構(gòu)的主要作用是取箱，即從人工放置的托盤上吸取紙箱，提起后通過運(yùn)送到變位機(jī)上，待紙箱內(nèi)紙盒被完全取走后返回至初始位置開始下一個(gè)周期的取箱工作，因此主要設(shè)計(jì)以下3個(gè)方面的內(nèi)容。

（1）吸盤的設(shè)計(jì)

真空吸盤分為無動(dòng)力和有動(dòng)力兩類：無動(dòng)力真空吸盤又稱自吸式真空吸盤，它由吊鉤帶動(dòng)活塞桿抽真空，結(jié)構(gòu)簡單且無噪聲，但是一般只能吸附很輕的物體；有動(dòng)力真空吸盤通過真空泵或者真空發(fā)生器獲得真空，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且有噪聲，但由于其吸附力大可靠性高而被普遍使用。

考慮到紙箱重量較大且吸盤吸住紙箱后，需要保證紙箱不掉落，故需要較大的吸力，故設(shè)計(jì)由四個(gè)吸盤組成的吸盤組，如圖4所示。

（2）吸盤位置的確定

圖6 切刀閉合狀態(tài)：零位狀態(tài)

圖7 切刀彈出狀態(tài)：工作狀態(tài)

圖8 上盒夾具機(jī)構(gòu)

當(dāng)四個(gè)吸盤都接觸到料盒后，應(yīng)使機(jī)器人停止向下運(yùn)動(dòng)，等待吸盤抽真空。這里主要是設(shè)計(jì)一個(gè)安裝在吸盤架上的行程開關(guān)，當(dāng)四個(gè)吸盤都接觸到紙箱后，行程開關(guān)被壓下，發(fā)送信號(hào)給PLC，控制機(jī)器人停止向下運(yùn)動(dòng)，并且鎖定當(dāng)前的位置。

（3）開封裝置設(shè)計(jì)

待取箱機(jī)構(gòu)將紙箱放置在變位機(jī)對(duì)應(yīng)位置上，開始執(zhí)行開箱程序。具體機(jī)構(gòu)如圖5所示。

裝置中的刀片通過氣缸彈出，刀片開箱的位置通過成像檢測系統(tǒng)識(shí)別確定，保證開箱精度。刀具選用白鋼刀，定制膠帶開封刀，比傳統(tǒng)刀具效果更加。氣缸選用多軸氣缸，多軸氣缸自帶導(dǎo)向軸，可承受一定負(fù)載徑向力和軸向力，便于切割。

開封機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制包括：切刀裝在多軸氣缸上，通過氣缸運(yùn)動(dòng)彈出和收回； 遵循人機(jī)安全性。氣缸通過磁性開關(guān)給信號(hào)到PLC與機(jī)器人進(jìn)行通訊，確保每次拆封膠帶后切刀回零位狀態(tài)。（零位狀態(tài)時(shí)切刀縮在金屬防護(hù)罩里面）。

上盒機(jī)構(gòu)

上盒機(jī)構(gòu)的主要功能是將從已經(jīng)撐開的紙箱內(nèi)夾取一列紙盒，并運(yùn)送到一個(gè)料倉位置，該部分主要設(shè)計(jì)夾盒裝置。

考慮到小盒在紙箱內(nèi)部放置的特殊性，夾盒裝置選用氣動(dòng)手爪，氣動(dòng)手爪是模擬人的手指抓緊工件，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手動(dòng)作的氣缸。夾具整體采用鋁型材框架，減輕額外負(fù)載。夾爪采用全氣缸驅(qū)動(dòng)，單邊氣缸分步夾緊。由于小盒的表面比較光滑，為了防止在小盒被夾緊運(yùn)行過程中滑落，夾爪板鑲嵌硬橡膠增大摩擦力。同時(shí)安裝工業(yè)相機(jī)進(jìn)行成像，確保物料在整個(gè)運(yùn)送過程中的穩(wěn)定性，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

總結(jié)

在當(dāng)今工業(yè)發(fā)達(dá)國家，自動(dòng)上料裝置在各類制造業(yè)中比比皆是，生產(chǎn)過程的自動(dòng)化不僅大大提高了生產(chǎn)率，把人們從繁重的勞動(dòng)中解脫出來；而且對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理化起到了積極的作用。在醫(yī)藥行業(yè)，包裝機(jī)器人在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上盒不僅能提高精度，而且能減小設(shè)備大小、降低成本，提高設(shè)備綜合效率，這已是未來的發(fā)展趨勢。

[1]林永健。我國食品和包裝機(jī)械的現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略研究，[碩士學(xué)位論文]。天津.天津大學(xué)，2008；

[2]馬娟娟。全自動(dòng)包裝機(jī)器人系統(tǒng)的研制，[碩士學(xué)位論文]。南京：南京航空航天大學(xué)，2011；

[3]趙燕妮，孫東明，許平，等。多唇邊式吸盤的設(shè)計(jì).真空，2008,45（6）：47-48；

[4]聶彤。多機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法.液壓與氣動(dòng)，2001（3）：13-15；

[5]徐元昌。工業(yè)機(jī)器人。中國輕工業(yè)出版社。

本文作者系揚(yáng)子江藥業(yè)集團(tuán)常州紫龍工程設(shè)備部項(xiàng)目處職員。