盒裝食品裝箱生產(chǎn)線氣動(dòng)開箱機(jī)械手的設(shè)計(jì)

夏長(zhǎng)林，吳 璞，馮國(guó)剛，何 曉，景鴻翔

( 1 .大秦鐵路股份有限公司 太原車輛段，山西 太原 030045；2.太原工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山西 太原 030008;3.中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)流水線逐漸向高速化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。紙箱作為一種包裝容器，因材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于食品的二次包裝[1，2]。在食品包裝生產(chǎn)線上，紙箱的展開成型是包裝生產(chǎn)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，迅速準(zhǔn)確的開箱成型決定著整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度。近年來，機(jī)械手以其運(yùn)動(dòng)靈活、運(yùn)行平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中，代替人工完成搬運(yùn)、碼垛、上下料等重復(fù)性高的工作[3-7]。

目前針對(duì)機(jī)械手應(yīng)用于包裝生產(chǎn)線開箱過程的研究較少，本文為某盒類食品裝箱生產(chǎn)線設(shè)計(jì)了一款氣動(dòng)開箱機(jī)械手，可代替人工完成該生產(chǎn)線中紙箱的抓取、展開和傳送工作，為提高該生產(chǎn)線的裝箱速度和自動(dòng)化水平提供了有效途徑。

1 紙箱展開工藝分析

食品裝箱生產(chǎn)線的主要功能是實(shí)現(xiàn)盒裝食品的傳送和裝箱。如圖1所示，本生產(chǎn)線上層為盒裝食品傳送生產(chǎn)線，包括上料、排列、碼盒和落料4個(gè)工位，下層為裝箱生產(chǎn)線，包括開箱、打膠、折頁、翻箱和裝箱5個(gè)工位。

本文以常見的釘制瓦楞紙箱為例進(jìn)行說明，紙箱的最大外形尺寸為288 mm×178 mm×180 mm，最小外形尺寸為130 mm×130 mm×140 mm。在裝箱生產(chǎn)線的初始位置，紙箱水平放置，處于扁平狀態(tài)。紙箱展開成型的工藝流程為：吸取扁平紙箱—紙箱預(yù)展開—紙箱完全展開—紙箱傳送到下一工位，且在紙箱傳送至下一工位的過程中保證紙箱的成型質(zhì)量。

結(jié)合裝箱生產(chǎn)線中紙箱開箱的工藝流程，設(shè)計(jì)一種往復(fù)式氣動(dòng)吸盤機(jī)械手，機(jī)械手的布置如圖2所示。

機(jī)械手位于傳送帶一側(cè)。真空吸盤吸附紙箱側(cè)面，由吸盤架俯仰90 °展開紙箱。電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手沿直線導(dǎo)軌左右移動(dòng)，將紙箱傳送至折頁工位，此時(shí)安裝在兩側(cè)的導(dǎo)桿保證紙箱的成型狀態(tài)。

1-上料;2-排列;3-碼盒;4-落料;5-瓦楞紙箱;6-開箱;7-打膠；8-折頁;9-翻箱;10-入料裝箱

2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)及工作過程

氣動(dòng)機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由步進(jìn)電機(jī)、基座、機(jī)械臂(大臂、小臂)、氣缸、吸盤五部分組成。大臂和小臂通過連接桿連接，吸盤和氣缸2通過吸盤架連接。步進(jìn)電機(jī)與基座的連接如圖4所示，機(jī)械手安裝在基座上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂沿導(dǎo)軌左右往復(fù)移動(dòng)。

本機(jī)械手采用“水平取箱、旋轉(zhuǎn)開箱、水平傳送”的方式，工作過程如下：機(jī)械手原始位置→氣缸1工作，其活塞桿伸出帶動(dòng)大臂和小臂降低到紙箱正上方，吸盤水平放置并與紙箱貼合→真空吸盤吸附紙箱→氣缸2工作，其活塞桿收回帶動(dòng)吸盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90 °帶動(dòng)紙箱展開→步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手連同紙箱向右直線運(yùn)動(dòng)到下一工位→吸盤松開→氣缸1、2和步進(jìn)電機(jī)復(fù)位，依次循環(huán)。

1-基座;2-大臂;3-連接桿; 1-步進(jìn)電機(jī);2-基座;4-氣缸2;5-吸盤架;6-吸盤; 3-滾珠絲杠 7-小臂;8-氣缸1;9-步進(jìn)電機(jī)

2.2 真空吸盤選型

選取吸附直徑為30 mm的真空吸盤，吸附面積為900 mm2，6個(gè)吸盤，水平吸取安全系數(shù)取4，最大真空度為-85 kPa。計(jì)算真空壓力選取其最大值的63 % ～95 %，所以吸盤內(nèi)的真空度約為-67.15 kPa。真空吸盤最大可吸附重量計(jì)算公式為[8-10]：

(1)

其中：D為吸盤直徑，mm；M為工件重量，kg；S為安全系數(shù)；N為吸盤個(gè)數(shù)；p為真空壓力，kPa。

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)，計(jì)算得最大可吸附重量為29.06 kg。

3 氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮食品包裝生產(chǎn)線安全衛(wèi)生的要求以及機(jī)械手的開箱動(dòng)作過程，本設(shè)計(jì)采用動(dòng)作速度快、反應(yīng)靈敏、工作環(huán)境適應(yīng)性好的氣壓傳動(dòng)為機(jī)械手提供動(dòng)力[11]。根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作要求，需要兩個(gè)執(zhí)行氣缸來完成大臂、小臂的升降和吸盤架的俯仰。這兩個(gè)氣缸都采用雙作用氣缸且具有緩沖作用，控制方式選用2個(gè)二位五通電磁閥控制。氣缸的工作接氣口都采用了排氣節(jié)流閥，具有可以調(diào)節(jié)活塞運(yùn)動(dòng)速度、降低排氣噪聲等優(yōu)點(diǎn)。吸盤部分的真空發(fā)生系統(tǒng)由真空發(fā)生器、供給閥、破壞閥、普通節(jié)流閥組成，供給閥、破壞閥都是單電兩位兩通電磁閥。氣動(dòng)機(jī)械手的氣動(dòng)原理圖如圖5所示。

1-氣源；2-二聯(lián)件；3-消聲器；4-二位五通電磁閥；5-真空發(fā)生器供給閥；6-真空發(fā)生器破壞閥；7-排氣節(jié)流閥；8-真空發(fā)生器；9-節(jié)流閥；10-真空吸盤

4 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PLC是一種可靠性高、通用靈活的控制元件，可實(shí)現(xiàn)程序的靈活編制與調(diào)試[12]。采用PLC實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)械手的控制，可提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

4.1 PLC選型和I/O分配

在此氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)中，輸入部分使用了啟動(dòng)、停止、手動(dòng)控制等開關(guān)以及檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)位置的傳感器，共14個(gè)輸入點(diǎn)位；輸出部分要控制4個(gè)電磁閥和一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，共12個(gè)輸出點(diǎn)位。根據(jù)PLC的選型原則，需給輸入輸出點(diǎn)位留出10 %左右的裕量，考慮動(dòng)作需求和性價(jià)比，選擇臺(tái)達(dá)公司生產(chǎn)的DVP32ES2型PLC作為主控器件。PLC的I/O分配如表1所示。

表1 PLC輸入/輸出端子分配

4.2 PLC硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)I/O分配表，設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手PLC外部硬件接線圖如圖6所示。

圖6 氣動(dòng)機(jī)械手的PLC外部硬件接線圖

4.3 氣動(dòng)機(jī)械手控制流程

根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作的控制要求，在系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)械手進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)。采用順序控制的方式，各個(gè)執(zhí)行元件有序地進(jìn)行響應(yīng)[13]。氣動(dòng)機(jī)械手控制順序功能圖如圖7所示，具體控制流程如下：

圖7 氣動(dòng)機(jī)械手的順序功能圖

(1) 在PLC初始上電時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，完成各個(gè)裝置的初始回位。之后，通過選擇手動(dòng)或者自動(dòng)模式進(jìn)入順控流程的步進(jìn)狀態(tài)。

(2) 自動(dòng)模式下，第一個(gè)狀態(tài)S10中，步進(jìn)電機(jī)回到左極限位置，回位完成后機(jī)械手氣缸1伸出，伸出到位使用PLC的時(shí)間繼電器標(biāo)志完成；完成之后進(jìn)入第二個(gè)狀態(tài)S12中，吸盤工作，氣缸2收縮，同樣使用時(shí)間繼電器來標(biāo)志動(dòng)作的完成；之后轉(zhuǎn)移進(jìn)入狀態(tài)S13，步進(jìn)電機(jī)右移，到達(dá)右極限位置后，進(jìn)入S14狀態(tài)，吸盤釋放；吸盤釋放后進(jìn)入S15狀態(tài)，氣缸1縮回，氣缸2伸出。狀態(tài)完成后跳轉(zhuǎn)至狀態(tài)S10，循環(huán)動(dòng)作。

(3) 手動(dòng)模式下，在S20狀態(tài)中，可以通過各個(gè)按鈕開關(guān)來手動(dòng)控制氣缸、步進(jìn)電機(jī)以及吸盤的動(dòng)作；如果準(zhǔn)備結(jié)束手動(dòng)模式，可以在S21狀態(tài)中進(jìn)行復(fù)位動(dòng)作，最后跳轉(zhuǎn)至S10自動(dòng)流程，進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)動(dòng)作。

根據(jù)此功能圖轉(zhuǎn)換編寫出PLC控制程序的梯形圖、指令表，然后下載到PLC中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)本氣動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作控制。

5 結(jié)論

紙箱展開機(jī)構(gòu)是食品裝箱生產(chǎn)線的重要組成部分。本文所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)開箱機(jī)械手，采用真空吸盤實(shí)現(xiàn)紙箱的吸附與釋放，最大可吸附29.6 kg的物體，適用于多種規(guī)格的紙箱。結(jié)合可編程控制器(PLC)控制、氣動(dòng)控制等技術(shù)，分別設(shè)計(jì)了氣動(dòng)控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，完成了氣動(dòng)回路的制定、氣動(dòng)元件的選擇、PLC選型、電器原理圖及順序功能圖的編寫。基于PLC控制的真空吸盤式氣動(dòng)開箱機(jī)械手，不僅具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠代替人工，高效精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)紙箱的展開成型與傳遞工作，提高了裝箱生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，為企業(yè)節(jié)約了生產(chǎn)成本，具有一定的實(shí)際推廣意義。