大金屬桶自動堆垛裝備關鍵機構的技術研究

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（廣東省粵東技師學院，廣東汕頭 515078）

0 引言

大金屬桶制作完成后，需要上下疊加地堆疊在一起，以節(jié)省空間，上下堆疊在一起的過程簡稱碼垛或堆垛，而且桶制品的碼垛夾持機構型式多樣，結構復雜［1-3]。國內制桶企業(yè)所用的碼垛裝備基本從國外進口，一般采用換垛停機工作模式，單通道僅有25～30 桶/min 的產(chǎn)能，雙通道則導致設備體積龐大、造價高，增加企業(yè)生產(chǎn)成本。近年來，我國碼垛裝備技術的研發(fā)雖然取得了很大進步，但與國外發(fā)達國家相比，還存在通用程度低、穩(wěn)定性差等缺點，裝備的性能和自動化程度仍有差距[4-6]。

1 問題

1.1 換垛停機

傳統(tǒng)的碼垛裝備在換垛過程中，抱桶夾塊必須夾著原有垛體離開托桶板，卸垛后再返回來，換垛時間較長。在此過程中，各抱爪不能接收新的金屬桶，托桶板不能持續(xù)接收前工序輸送線帶來的金屬桶，即換垛過程中不能繼續(xù)堆垛，前工序輸送金屬桶的機構也必須暫時停機，不僅影響堆垛速度，而且降低了制桶裝備的生產(chǎn)效能[7]。

1.2 單層彈性抱爪

現(xiàn)有碼垛裝備的單層彈性抱爪方式抑制了堆垛的速度，主要原因如下：

（1）每疊放一個新的金屬桶，抱桶夾塊都必須經(jīng)歷水平張開、豎向下降、水平抱合、豎向上升的一系列循環(huán)動作過程，動作步驟過多、重復耗時。

（2）水平氣缸和豎向動作部件在時間上的配合要求精確度高，如果水平氣缸過早或過慢打開、過早或過慢閉合，都可能造成撞桶或整垛掉落的事故。為確保各部件配合的精確度，不得不限制動作的速度，延長了執(zhí)行動作時間。

1.3 工藝及裝備銜接

受限于現(xiàn)有堆垛設備的技術，金屬桶自動堆垛裝備的堆垛速度無法跟上整條生產(chǎn)線其他工位的速度，嚴重影響整體生產(chǎn)效能，因而需要突破傳統(tǒng)設計，在考慮堆垛及換垛協(xié)同動作的同時，進一步優(yōu)化整體設計。

2 自動堆垛裝備不停機換垛機構整體設計思路

為解決上述問題，設計金屬桶自動堆垛裝備工作原理如圖1 所示，其中托舉堆垛裝置將抱送機構傳來的罐桶豎向托起，在托桶板的上方設計兩組彈性抱爪，第1 組（上層）彈性抱爪夾塊組件設有多個彈性抱桶夾塊，且各個彈性抱桶夾塊豎向高度位置相同并互相配合而實現(xiàn)夾住垛體；第2 組（下層）彈性抱爪夾塊組件的豎向位置低于第一組彈性抱爪夾塊組件，同樣設有多個彈性抱桶夾塊，第2 組（下層）彈性抱爪夾塊組件的各個彈性夾塊豎向高度位置相同且互相配合而實現(xiàn)抱住垛體。

圖1 改進的金屬桶自動堆垛裝備的工作原理

當水平開合驅動機構驅動第2 組抱桶夾塊組件的彈性抱桶夾塊完全張開時，位于對應夾塊組件中心軸線前方的彈性抱桶夾塊與夾塊組件中心軸線之間的橫向距離，大于所堆垛的金屬桶的桶底半徑；當水平開合驅動機構驅動第一組抱桶夾塊組件的彈性抱桶夾塊完全張開時，位于對應夾塊組件中心軸線后方的彈性抱桶夾塊與夾塊組件中心軸線之間的橫向距離，大于所堆垛的金屬桶的桶底半徑。當托桶板自然上升，托起罐桶進入第2 組（下層）彈性抱爪，彈性抱爪利用組件的彈性夾塊與金屬桶壁上緣的圓環(huán)形凸圈相結合而夾持（頂?。┒怏w，變主動夾持為被動夾持，從而簡化堆垛過程動作，使各部件動作配合簡單，堆垛過程不需水平夾持力與豎向抬升力在時間上的準確配合，也不需主動驅動抱桶夾塊上下移動及水平移動，有利于提高堆垛速度。當托桶板托住垛體的金屬桶達到設定數(shù)量后，第1 組彈性抱爪能夠抱住垛體離開托桶板，隨即托桶板和第2 組彈性抱爪可以進行新一輪的正常堆垛，即換垛過程中可以繼續(xù)進行堆垛而無需停機；第1 組彈性抱爪抱住垛體離開托桶板將垛體放在左右托板上，可以返回原位而不影響第2 組彈性抱爪的正常堆垛。

3 具體設計和功能實現(xiàn)

3.1 結構設計及工作原理

碼垛裝置由托桶座及其驅動機構組成，托桶座豎向向上移動并托住垛體。堆垛裝置還設有上、下兩層彈性抱爪，上層彈性抱爪如圖2 所示，組件有3 只彈性抱桶夾塊，呈品字形分布，并且與垛體的水平距離相等；下層彈性抱爪如圖3 所示，組件有6 只彈性抱桶夾塊，各夾塊豎向高度位置相同，且能相互配合而實現(xiàn)抱住垛體。每個抱桶夾塊對應配套有水平氣缸，氣缸的延伸動作控制彈性爪塊，向垛體的徑向運動（圖4）。每個彈性爪塊還對應設有爪塊支座、徑向導軌，爪塊支座能徑向滑動地安裝在徑向導軌上；爪塊支座與對應的水平氣缸活塞桿末端固定連接在一起，每個彈性爪塊利用轉軸能轉動地安裝在對應爪塊支座上，且彈性爪塊的轉軸方向為垛體的切向；每個彈性爪塊在靠近垛體中心軸線一側的上角部形成為仰角，每個爪塊支座還安裝有對彈性爪塊施加彈力的復位彈簧、限制彈性爪塊轉動幅度的限位構件；復位彈簧對彈性爪塊施加力矩的方向是使彈性爪塊的仰角角點向更靠近垛體中心軸線的方向移動；當復位彈簧處于常態(tài)時，彈性爪塊的仰角角點位于彈性爪塊轉軸的內側上方；當彈性爪塊的仰角角點受到桶壁圓環(huán)形凸圈的向下壓力時，限位構件對彈性爪塊施加的阻力方向是限制彈性爪塊的仰角角點向下擺動。

圖2 堆垛裝置上層彈性抱爪

圖4 彈性爪塊

3.2 關鍵技術及功能動作

（1）堆垛過程上下兩組彈性抱爪的協(xié)調配合。在堆垛過程中，下層彈性抱爪利用帶有仰角的彈性爪塊與金屬桶壁上緣的圓環(huán)形凸圈相結合而夾持垛體，因而使堆垛過程動作簡單，各部件動作配合簡單，堆垛過程不需水平夾持力與豎向抬升力在時間上的準確配合，也不需主動驅動彈性爪塊上下移動及水平移動，有利于提高堆垛速度。

當托桶板托住垛體的金屬桶達到設定數(shù)量后，由上層彈性抱爪抱住垛體離開托桶板到達接垛板上方，隨即托桶板和第二組抱桶夾塊組件可以進行新一輪的正常堆垛，即換垛過程中可以繼續(xù)進行堆垛而無需停機；上層抱桶夾塊組件在接垛板上方放下碼垛金屬桶后，返回原位而不影響下層抱桶夾塊組件的正常堆垛。

上層3 對彈性抱爪呈品字形分布，內部設計帶彈簧裝置，當桶口上升到上層彈性抱爪時，各抱爪受力往上擺動，讓開空間使桶口高過抱罐爪約10 mm，然后托桶伺服電機反轉，托盤向下返回到等待下一個金屬桶。此時已疊好金屬桶跟著下降到桶口落在3 對抱桶爪（彈簧自動復位）中，達到整垛金屬桶能穩(wěn)妥在堆疊架上（圖5）。

圖5 大金屬桶堆垛機工作現(xiàn)場

（2）關鍵核心零部件的模型設計和仿真運動分析。彈性抱爪開合用凸輪等關鍵核心零部件采用3D 設計軟件進行模型設計和仿真運動分析，合理計算設計零件外形，再將模型數(shù)據(jù)直接導入數(shù)控加工機床進行加工，減少零件加工誤差。凸輪采用上下異動中走絲線切割加工，一次性完成多曲面上下異形的外形曲面加工，使加工精度達到±5 μm，表面粗糙度≤0.8 μm。加大凸輪與滾子的接觸面，從而達到運送夾罐過程中動作柔順和精準，不抖動，低噪聲。

（3）采用位置傳感器以及檢測開關等檢測元件，配合產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)，由可編程邏輯控制器通過計算后，由伺服電機等執(zhí)行機構對罐高機構、檢測架機構、托舉堆垛機構、二次接垛機構進行自動調整，以提高操作的簡便性。由可編程邏輯控制器和人機操作界面對不同規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)參數(shù)進行實時記錄，在下次生產(chǎn)相同規(guī)格產(chǎn)品時，由系統(tǒng)分配生產(chǎn)參數(shù)，以實現(xiàn)生產(chǎn)參數(shù)調整的簡便性。

4 試機運行及性能指標

整機系統(tǒng)裝配完成后通電試機，首先系統(tǒng)參數(shù)復位，上、下兩層彈性抱爪臂處于初始合攏狀態(tài)，此時皮帶輸送機將上游的金屬桶送至托桶板上面，然后由豎向自動移動裝置帶動托桶板及金屬桶上升，在金屬桶上升至下層彈性抱爪設定位置的過程中，金屬桶的圓環(huán)形凸圈頂開彈性抱爪的爪塊后被其復位后夾持，托桶板則返回初始位置繼續(xù)接桶。循環(huán)以上步驟，使新的金屬桶推動原有金屬桶同步上升，新金屬桶頂開下層彈性抱爪的爪塊并被其夾持住，當所夾持的桶數(shù)達到設定數(shù)量，托桶板在運送最后一只金屬桶時，連同之前的桶垛整體向上提升至新的設定高度（對應上層彈性抱爪），并使最后這只桶頂開上層彈性抱爪的爪塊并被其夾持?。赐岸獗粖A持）。此時，下層彈性抱爪臂向外張開，支撐上層彈性抱爪及桶垛的滑動支座在驅動機構作用下，沿水平導軌移至處于同樣高位的接垛板上方，準確定位后，彈性抱爪臂張開，桶垛被卸在接垛板上，并由接垛板下降后運走。而此同時，下層彈性抱爪臂合攏，開始新一輪堆垛，而上層彈性抱爪在返回過程中，抱爪臂始終處于張開狀態(tài)，在到達初始位置后才合攏，等待新的堆垛到來。通過逐步同步提速，最終堆疊速度達到50～52 桶/min，各機構動作協(xié)同而緊湊，設備整體運行平穩(wěn)。

4.1 堆垛裝備改造后達到的性能

（1）堆疊前無論桶體焊縫和提梁在任何位置，碼垛后焊縫整齊、提梁方向一致，二次接垛功能實現(xiàn)不停機換垛，換垛不占用時間，堆垛速度能跟上整條生產(chǎn)線的速度，從而提升了整條線的生產(chǎn)效率。

（2）采用凸輪往復式送桶機構，動作平穩(wěn)柔和、速度快、噪聲低、經(jīng)久耐用，堆垛速度能達到50 桶/min，適合國內外目前所有生產(chǎn)線配套速度。

（3）采用伺服控制曲線動作升舉和柔性皮帶傳動堆疊，動作柔順、控制精準。

（4）故障自診功能，采用聯(lián)動控制，實現(xiàn)工控無縫對接，支持以太網(wǎng)和遠程控制。

4.2 堆垛裝備的具體參數(shù)實測

（1）適用罐徑272～310 mm。

（2）生產(chǎn)能力H260～380 50 桶/min（矮罐）/H380～460 45 桶/min（高罐）。

（3）適合罐高260～460 mm。

（4）堆疊最高高度2700 mm。

（5）最快堆疊速度50 桶/min。

經(jīng)過試機運行及性能指標測試，新一代不停機換垛機構自動堆垛裝備，克服以往堆垛裝備通用適配程度低、與前道工序的柔性兼容及穩(wěn)定性差等缺點，在性能和自動化程度上有很大提高，符合設計和使用要求。

5 結束語

通過分析大金屬桶豎向堆垛的協(xié)同工作機理，將主動定位夾桶方式設計為固定位置被動夾桶，將彈性抱爪設計成上、下兩層，實現(xiàn)不停機換垛，與前道生產(chǎn)設備的柔性結合，實現(xiàn)大金屬桶堆疊速度達到50 桶/min，生產(chǎn)效能提升顯著。大金屬桶全自動碼垛裝備關鍵技術研發(fā)是金屬罐裝機械行業(yè)亟待解決的關鍵共性技術問題，對實現(xiàn)進口設備替代，減少生產(chǎn)企業(yè)設備的購置成本，以及提升整條生產(chǎn)線的效能至關重要。同時，也促進了包裝機械行業(yè)提高自主創(chuàng)新能力，對我國食品、化工等包裝機械行業(yè)發(fā)展起到很好的促進作用。