超低溫冰箱多復(fù)合機(jī)械手設(shè)計(jì)研發(fā)

孫繼成

（滁州創(chuàng)新自動(dòng)化裝備科技有限公司 滁州 239000）

引言

超低溫冰箱，又稱超低溫冰柜、超低溫保存箱。其應(yīng)用領(lǐng)域包括：可適用金槍魚的保存、電子器件、特殊材料的低溫試驗(yàn)及保存血漿、生物材料、疫苗、試劑、生物制品、化學(xué)試劑、菌種、生物樣本等低溫保存。然而為了保證超低溫冰箱內(nèi)部溫度，超低溫冰箱發(fā)泡層、側(cè)板厚度均大于普通冰箱，并且采用不同于普通冰箱的壓縮機(jī)等部件，總體重量可以達(dá)到400 kg，在裝配時(shí)候由于產(chǎn)品體積大，往往需要翻身、旋轉(zhuǎn)及包裝，導(dǎo)致需要大量裝配人員，并且產(chǎn)品過重增加了裝配人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，通常在安裝底托、打包時(shí)候需要人員5-7人，并且人員操作經(jīng)常出現(xiàn)磕碰、劃傷等現(xiàn)象，由于該產(chǎn)品價(jià)格高、生產(chǎn)工藝特殊，一旦出現(xiàn)磕碰、劃傷就導(dǎo)致了產(chǎn)品的報(bào)廢，浪費(fèi)了人力及物力。

綜上所述，解決該產(chǎn)品的翻箱、旋轉(zhuǎn)、上底托等問題成為生產(chǎn)商面臨的迫切需求。本文主要對(duì)大型箱體多復(fù)合機(jī)械手的設(shè)計(jì)及研發(fā)進(jìn)行了闡述，從而真正填補(bǔ)了該類設(shè)備研發(fā)的空白。

1 產(chǎn)品生產(chǎn)工序流程分析

部分超低溫冰箱打包前道工序是安裝箱體的上下門，超低溫冰箱的體積大，用料厚導(dǎo)致了箱體的上下門尺寸同樣比較大，重量比較重，所以箱體在安裝門時(shí)需要口部向上，人工安裝好門體之后由AGV小車將箱體輸送到打包工序。

打包工序主要是為超低溫冰箱安裝腳輪、安裝底托、封箱。在安裝腳輪時(shí)需要將超低溫冰箱由水平立箱成豎直（圖1），安裝底托時(shí)需要將超低溫冰箱前面對(duì)著輸送方向（圖2），之后由操作人員安裝腳輪，并將安裝后的產(chǎn)品放到底托上面。

2 設(shè)備研究方案

針對(duì)上述超低溫冰箱生產(chǎn)工藝的分析可以總結(jié)出超低溫冰箱在打包、安裝腳輪、封箱時(shí)需要的工序?yàn)橄潴w的立箱、箱體的提升、箱體的旋轉(zhuǎn)、箱體的輸送等。首先超低溫冰箱安裝上下門之后由AGV小車輸送到打包區(qū)域，這時(shí)需要由輸送類線體與AGV小車對(duì)接，產(chǎn)品在AGV小車輸送過程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的偏移，這就需要在輸送類線體上面完成對(duì)中工序，對(duì)中時(shí)候線體需要一直輸送，需要減少箱體與產(chǎn)品的摩擦。

當(dāng)箱體對(duì)中結(jié)束后需要完成的動(dòng)作是箱體的立箱，箱體對(duì)中后是平放的，需要將對(duì)中好后平放的箱體進(jìn)行立箱，平放的箱體在立箱的時(shí)候需要按照高度的中心旋轉(zhuǎn)，需要將箱體提升大于箱體旋轉(zhuǎn)半徑的高度，這樣在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候箱體不會(huì)與輸送線體碰撞。

箱體立箱之后人工需要安裝腳輪，箱體由AGV小車輸送到輸送線體時(shí)是平放的，需要輸送的線體很寬，但是立箱之后箱體在輸送線體的上方中心位置，人工需要站在寬度很寬的輸送線體上操作，增加了操作工的危險(xiǎn)性，而為了避免這個(gè)危險(xiǎn)性，需要將箱體移栽到寬度比較窄的操作平臺(tái)或者輸送線體的上方。

當(dāng)箱體移栽到寬度比較小的操作平臺(tái)或者輸送線體上方時(shí)，腳輪存在前后的方向性，并且為了滿足操作工安裝的方便，需要保證箱體的門正對(duì)著操作工，而立箱后箱體的門與輸送線體方向平行，需要將箱體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)（圖3）。

箱體旋轉(zhuǎn)后人工將腳輪安裝好，人工將底托放到箱體下方，箱體進(jìn)行落降，與底托很好的配合，當(dāng)安裝好底托后需要將產(chǎn)品輸送到封箱工位，這就確認(rèn)了箱體移栽后的線體也是輸送類線體。

最后完成封箱、進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，該產(chǎn)品打包結(jié)束，由于箱體立箱與旋轉(zhuǎn)要保證箱體的穩(wěn)定性，并且安裝腳輪時(shí)箱體不能發(fā)生相應(yīng)的位移，所以需要真空系統(tǒng)進(jìn)行輔助。

3 詳細(xì)結(jié)構(gòu)

通過上述方案的分析來確認(rèn)夾抱機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，并且完成分析中的輸送、對(duì)中、立箱、移栽等工序，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如下：

箱體由AGV小車輸送到輸送類線體上，我們常規(guī)的輸送類線體包括皮帶線、板鏈線、倍速線等，由于廠家對(duì)超低溫冰箱外觀要求較高，AGV小車上輸送組件均采用輸送皮帶線，由于箱體輸送到位后，需要對(duì)箱體初步定位，所以采用滾筒結(jié)構(gòu)比較合理，并且為了不劃傷箱體外觀，需要采用包膠結(jié)構(gòu)，由于箱體較長，最大產(chǎn)品可達(dá)2 m以上，但是單根滾筒如果長度大于1.5 m后同心度很差，為了保證輸送的平穩(wěn)將該長滾筒改成了2根1.2 m結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)，這樣輸送同心度好，輸送平穩(wěn)（圖4）。箱體輸送到位后前定位進(jìn)行阻擋，左右進(jìn)行對(duì)中，對(duì)中組件通過滾筒線的間距進(jìn)行寬度方向上的調(diào)整。

圖1 安裝腳輪立箱示意圖（立箱體90 °）

圖2 安裝底托示意圖（立箱后的箱體旋轉(zhuǎn)90 °）

圖3 旋轉(zhuǎn)后箱體與輸送線體的位置示意

圖4 寬度輸送滾筒線示意

箱體對(duì)中好后需要對(duì)箱體進(jìn)行立箱，由于箱體需要升降，箱體立箱采用左右夾抱結(jié)構(gòu)，左右夾抱臂需要適應(yīng)不同產(chǎn)品的大小，所以左右夾抱臂采用左右旋滾珠絲桿結(jié)構(gòu)，由于產(chǎn)品參數(shù)變化大，左右旋絲桿采用伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)夾抱臂夾抱后需要將產(chǎn)品提升，提升后要保證產(chǎn)品不能有位移，這就需要采用真空吸盤將產(chǎn)品進(jìn)行吸附，夾抱臂通過絲桿及伺服電機(jī)調(diào)整，但是調(diào)整后伺服電機(jī)無法對(duì)夾抱力進(jìn)行保證，這就將夾抱臂與絲桿調(diào)整組件通過分層結(jié)構(gòu)將其分開，上層為伺服電機(jī)及絲桿調(diào)整裝置，下層則為氣缸帶動(dòng)夾抱臂夾緊結(jié)構(gòu)。當(dāng)夾抱臂夾緊后需要對(duì)箱體進(jìn)行立箱，立箱是將產(chǎn)品水平通過機(jī)構(gòu)立箱為豎直，該機(jī)構(gòu)采用氣缸推動(dòng)連桿，連桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，充分利用氣缸行程，保證翻轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性。

由于箱體立箱、安裝腳輪都需要將箱體進(jìn)行升降，該升降機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)帶動(dòng)齒輪齒條結(jié)構(gòu)，伺服電機(jī)通過行星減速機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒輪，齒輪與齒條進(jìn)行相應(yīng)位移，保證升降機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)。由于產(chǎn)品的重量加上升降機(jī)構(gòu)的重量很大，所以單獨(dú)選用伺服電機(jī)配合行星減速機(jī)結(jié)構(gòu)需要很大的速比及很大功率，為了解決該問題，在升降架左右兩側(cè)分別增加了兩個(gè)升降氣缸，不但保證了升降的平穩(wěn)性而且也節(jié)省了安裝空間，更節(jié)省了成本。

箱體在安裝腳輪時(shí)需要進(jìn)行移栽，移栽主要是將箱體在立箱、旋轉(zhuǎn)后移動(dòng)到移栽滾筒上方，方便操作人員安裝腳輪，由于該立箱、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及箱體重量都比較大，所以移栽采用雙同步結(jié)構(gòu)形式，由伺服電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)及帶輪軸的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的移栽。

箱體移栽后由于箱體側(cè)面對(duì)著操作人員，人員無法安裝腳輪，這時(shí)需要箱體90 °轉(zhuǎn)向，箱體的90 °轉(zhuǎn)向由氣缸推動(dòng)推桿，推桿與旋轉(zhuǎn)軸連接，旋轉(zhuǎn)軸與夾抱組件連接，當(dāng)氣缸伸縮后夾抱組件及箱體進(jìn)行90 °轉(zhuǎn)向。由于箱體及夾抱組件重量過大，完全靠一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)間久后可能會(huì)出現(xiàn)安全問題，會(huì)導(dǎo)致掉箱、軸斷裂等現(xiàn)象，這時(shí)就考慮增加了安全組件，安全組件由幾組滾輪，滾輪安裝在旋轉(zhuǎn)盤上，保證了使用的壽命及強(qiáng)度，并且保證操作人員安全（圖5）。

配合夾抱組件的還需要由真空系統(tǒng)構(gòu)成，由于夾抱時(shí)需要將吸盤內(nèi)抽真空，這樣才能保證箱體不會(huì)掉落，但是箱體重量過重導(dǎo)致所需要的吸盤就很大，需要很快的完成抽真空，就需要配合真空泵，但是當(dāng)箱體需要釋放的時(shí)候，吸盤過大也會(huì)出現(xiàn)另外的問題就是將吸盤內(nèi)的真空取消，由于吸盤過大這就需要采用電磁閥將吸盤內(nèi)通入空氣，這就很好的解決了節(jié)拍的問題，保證安全準(zhǔn)確放箱。

圖5 旋轉(zhuǎn)組件示意

圖6 夾抱機(jī)械手整體示意

4 結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)有工序的分析，研制了可以很好實(shí)現(xiàn)超低溫冰箱夾抱、翻轉(zhuǎn)的設(shè)備，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，穩(wěn)定性好，并且真正體現(xiàn)了減人增效的目的，填補(bǔ)了該類設(shè)備夾抱的研發(fā)空白。