紙筒灌裝產(chǎn)品生產(chǎn)線下料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

袁朗溪，陳冬興，聶向陽，王晉

（上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200444）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品生產(chǎn)效率和產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量不斷提高。企業(yè)為了迎合發(fā)展趨勢(shì)，在日常生產(chǎn)制造中引入了大量的自動(dòng)化生產(chǎn)線。自動(dòng)化生產(chǎn)線不僅可以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，還能保證高質(zhì)量產(chǎn)品的生產(chǎn)的效率，起到降本增效的作用[1-2]。但是對(duì)于某些制造業(yè)領(lǐng)域，還不能實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化生產(chǎn)，生產(chǎn)線的上下料工位大多需要人工來完成。因此制約了生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平和企業(yè)的生產(chǎn)效率。

現(xiàn)針對(duì)某企業(yè)的紙筒灌裝產(chǎn)品生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)了一種產(chǎn)品自動(dòng)下料裝置。它的主要功能是把灌裝完成的圓筒式產(chǎn)品從生產(chǎn)線取出并運(yùn)送到包裝工位，把紙筒產(chǎn)品從垂直狀態(tài)變換成按順序擺放且頭尾一致的水平狀態(tài)，完成自動(dòng)下料。該下料機(jī)構(gòu)不僅能夠運(yùn)用到紙筒灌裝產(chǎn)品中，還可以運(yùn)用到其他圓柱形產(chǎn)品（如水彩筆、熒光筆等灌裝產(chǎn)品）的下料或者搬運(yùn)中。

1 紙筒灌裝產(chǎn)品下料裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 下料裝置初始工況分析

紙筒灌裝生產(chǎn)線上各個(gè)工位加工完成后，產(chǎn)品輸送導(dǎo)軌上的隨行托盤將產(chǎn)品通過導(dǎo)軌運(yùn)送至下料工位處。隨行托盤到達(dá)下料工位的固定位置后，被導(dǎo)軌緩沖擋停器擋停，隨后開始下料工作。隨行托盤如圖1所示。

隨行托盤內(nèi)部有用于夾緊紙筒的夾具，托盤兩側(cè)有用于頂松夾具的頂松孔，灌裝完成的紙筒被放置在隨行托盤的放置孔中被夾緊。紙筒放置孔分布在托盤的兩側(cè)。隨行托盤每側(cè)可放置2排紙筒，每排可放置16根紙管。隨行托盤每次可以運(yùn)送64根紙筒。

1.2 搬運(yùn)裝置總體結(jié)構(gòu)和工作流程

圖1 隨行托盤

根據(jù)緊湊性和合理性的原則。本文紙筒灌裝產(chǎn)品的下料裝置由隨行托盤頂松組件、壓料組件、變距移載組件、紙管夾持組件和紙管落料輸送組件5個(gè)部分組成，下料裝置總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 下料裝置總體結(jié)構(gòu)圖

隨行托盤到達(dá)固定位置后，導(dǎo)軌上的頂升裝置將托盤頂升；隨后頂松組件工作伸入隨行托盤側(cè)面的頂松孔中，頂松夾緊夾具；隨后壓料機(jī)構(gòu)動(dòng)作，紙筒被壓入變距移載組件中的接料盒中；然后變距移載組件移動(dòng)，夾持組件的機(jī)械手下降并夾緊紙筒；最后夾持組件將紙筒夾持到落料運(yùn)輸組件處，落料運(yùn)輸組件工作后將紙筒按順序水平排列好運(yùn)送到包裝工位處。

下料工位工作流程如圖3所示。

圖3 下料工位工作流程

2 下料裝置各組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 頂松組件

頂松組件的功能是頂松托盤中圓柱形紙筒的夾緊夾具。頂松氣缸伸出，帶動(dòng)推頭運(yùn)動(dòng)，推頭伸入托盤的頂松孔中頂松夾緊夾具。頂松組件如圖4所示。其中頂松推頭與安裝板之間用橡膠接頭相連。上述設(shè)計(jì)是為了防止隨行托盤的頂升氣缸因故障失效而頂松推桿沒有及時(shí)退出時(shí)造成頂松推頭的損毀。當(dāng)用橡膠接頭連接時(shí)，會(huì)使頂松推頭周圍產(chǎn)生一定的運(yùn)動(dòng)余量保證頂松推頭不被損壞。

圖4 頂松組件結(jié)構(gòu)

2.2 壓料組件

壓料組件的功能是將隨行托盤中的紙筒壓出托盤。壓料組件的主要部件為：壓料氣缸、導(dǎo)柱、直線軸承和壓料桿。當(dāng)隨行托盤被頂松后，壓料氣缸伸出帶動(dòng)壓桿運(yùn)動(dòng)，壓桿伸入隨行托盤的紙筒放置孔中將紙筒壓出，然后氣缸縮回。壓料組件的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 壓料組件結(jié)構(gòu)圖

2.3 變距移載組件結(jié)構(gòu)

變距移載組件的功能是接取從托盤中被壓出的紙筒。紙筒被壓出后調(diào)入接料盒中，隨后氣缸運(yùn)動(dòng)將接料盒移動(dòng)至限位緩沖器。變距移載組件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 變距移載結(jié)構(gòu)

隨行托盤中的兩排紙筒間隔為30 mm小于紙筒長(zhǎng)度48 mm。如果保持紙筒間距為30 mm不變，那么在后續(xù)的轉(zhuǎn)向過程中會(huì)引起兩排紙筒相互干涉。因此需要在紙筒轉(zhuǎn)向之前改變兩排紙筒間距。變距移載組件有2個(gè)接料盒，接料盒1和接料盒2互相不固定，接料盒2通過連接件與氣缸相連；在接料時(shí)，即氣缸做伸出動(dòng)作時(shí)，接料盒2被氣缸推動(dòng)與接料盒1貼緊后，兩個(gè)接料盒一起伸出接下托盤中被壓出的紙筒產(chǎn)品；待接料完成后，氣缸縮回，此時(shí)氣缸首先帶動(dòng)接料盒2運(yùn)動(dòng)到限位塊，再帶動(dòng)接料盒1運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)接料盒分開以此達(dá)到改變兩排紙筒距離的目的。在設(shè)計(jì)時(shí)，兩個(gè)接料盒的距離可以根據(jù)產(chǎn)品長(zhǎng)度，取合適的距離。當(dāng)限位塊運(yùn)動(dòng)到定位緩沖器停止運(yùn)動(dòng)后，此時(shí)變距移載機(jī)構(gòu)完成一個(gè)工作節(jié)拍。

2.4 夾持組件結(jié)構(gòu)

夾持組件的功能是將變距移載接料盒中的紙筒產(chǎn)品移動(dòng)到落料輸送組件中。夾持組件由夾爪、手指氣缸、升降氣缸、平移氣缸、導(dǎo)軌、連接件、機(jī)架和安裝板組成。變距移載組件接取紙筒并到達(dá)夾取位置后，升降氣缸下降，此時(shí)手指氣缸動(dòng)作帶動(dòng)夾持爪夾緊紙筒；然后升降氣缸帶動(dòng)夾持器上升；最后平移氣缸移動(dòng)將夾持器平移到落料輸送組件處，將紙筒產(chǎn)品放入轉(zhuǎn)向筒中，此時(shí)夾持組件完成一個(gè)工作節(jié)拍。夾持組件的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

夾持組件中最關(guān)鍵的部分是夾持器。目前機(jī)械手的末端夾持器常見的有3 種類型：機(jī)械卡爪式、氣吸盤式和電磁吸盤式[3-6]。根據(jù)紙筒的圓柱特征和垂直放置在接料盒中的姿態(tài)選擇機(jī)械卡爪式的夾持器。夾持器的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 夾持組件結(jié)構(gòu)

圖8 夾持器結(jié)構(gòu)

圖9 紙筒受力圖

圓柱形工件的夾持卡爪的夾持方式有圓弧夾持和V 型夾持兩種。本文的夾持爪選用V型夾持，V型夾持的夾持爪與工件表面形成4個(gè)小的接觸平面。紙筒受力情況如圖9所示。

紙筒被夾持時(shí)的摩擦力為

式中：μ為成品表面和夾持卡爪間的靜摩擦因數(shù)；F為氣缸提供的力；α為V型夾持爪的相鄰兩側(cè)面角度。

因此可以根據(jù)摩擦力的大小選擇合適的氣缸。

2.5 落料輸送組件

落料輸送組件是整個(gè)工位的最后一部分。它由轉(zhuǎn)向組件、推料組件和落料組件組成。落料輸送組件的整體結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。夾持組件將紙筒放入轉(zhuǎn)向筒中后，轉(zhuǎn)向氣缸動(dòng)作時(shí)通過連桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向筒轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向筒的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為90°；當(dāng)轉(zhuǎn)向筒由垂直轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置后，推料氣缸1伸出，將推桿伸入轉(zhuǎn)向筒中推出轉(zhuǎn)向筒2中的紙筒；然后落料氣缸動(dòng)作，紙筒落入同步帶上被運(yùn)送到包裝工位；隨后推料氣缸2伸出，推出轉(zhuǎn)向筒1中的紙筒，紙筒落到同步帶上，被運(yùn)送到包裝工位，落料輸送部分完成一個(gè)工作節(jié)拍。

圖10 落料輸送組件結(jié)構(gòu)

2.5.1 轉(zhuǎn)向組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向氣缸通過連桿與轉(zhuǎn)向筒相連。氣缸伸出和縮回控制轉(zhuǎn)向筒的旋轉(zhuǎn)；定位螺釘控制氣缸伸出的長(zhǎng)度以達(dá)到調(diào)整轉(zhuǎn)向筒旋轉(zhuǎn)角度的作用。轉(zhuǎn)向組件如圖11所示。其中轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖如圖12所示。

在生產(chǎn)線調(diào)試時(shí)，可以通過調(diào)整定位螺釘?shù)纳斐鲩L(zhǎng)度控制氣缸桿伸出的長(zhǎng)度達(dá)到調(diào)整轉(zhuǎn)向筒轉(zhuǎn)向角度的作用。

圖11 轉(zhuǎn)向組件結(jié)構(gòu)圖

圖12 連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.5.2 推料組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

推料組件的動(dòng)作分為兩段。推料氣缸由2個(gè)氣缸并排連接，2個(gè)氣缸安裝時(shí)頭尾朝向不同。第一段由推料氣缸1動(dòng)作，推動(dòng)推桿伸入轉(zhuǎn)向筒中，第二段由推料氣缸2動(dòng)作推動(dòng)推桿進(jìn)入轉(zhuǎn)向筒中。

2.5.3 落料組件結(jié)構(gòu)

落料組件由梳型接料板、接料板、接料氣缸、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和同步帶組成，如圖14所示。接料板上有接料孔，梳型接料板一側(cè)開有接料槽，兩者在初始位置時(shí)接料孔與接料槽相互錯(cuò)開。當(dāng)紙筒被推桿推到接料槽中時(shí)，接料氣缸運(yùn)動(dòng)，接料板的接料孔與接料槽對(duì)齊，紙筒落到同步帶上被運(yùn)送到包裝工位。

圖13 推料組件結(jié)構(gòu)圖

圖14 落料組件結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語

本文結(jié)合企業(yè)的實(shí)際需求和實(shí)際工況，設(shè)計(jì)了一種紙筒灌裝產(chǎn)品的下料裝置，實(shí)現(xiàn)了下料工位的自動(dòng)化生產(chǎn)。介紹了下料裝置的總體結(jié)構(gòu)和各個(gè)關(guān)鍵組件的結(jié)構(gòu)。并使用SolidWorks設(shè)計(jì)了下料裝置的總體結(jié)構(gòu)圖和各部分關(guān)鍵組件的結(jié)構(gòu)圖。在實(shí)際生產(chǎn)中該下料工位實(shí)現(xiàn)了紙筒灌裝產(chǎn)品的下料功能，提高了該自動(dòng)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。