集裝箱頂板自動上料裝置設計

王 娜，余增霈，孫忠明

WANG Na1, YU Zeng-pei2, SUN Zhong-ming2

（1.青島黃海學院，青島 266427；2.青島中集集裝箱制造有限公司，青島 266500）

0 引言

集裝箱制造行業存在著生產節奏快，工人勞動強度大的問題。新時代的勞動者對工作環境和工作內容都有新的要求，因此，國內的集裝箱及其他裝備制造企業都在進行生產裝備的自動化改造。

早期的機械制造多是采用機械或電氣部件的單機自動化，我國產業結構層次低，企業技術落后，主要以手工勞動為主。集裝箱頂板是集裝箱重要的結構件，現在工廠中上料過程多是人工上料，工人重復動作多，勞動強度比較大。本文對集裝箱頂板生產過程進行分析，完成了頂板自動上料裝置的總體結構設計和設備的空間布局。針對輸送定位壓型過程中的板材變形，設計了一種優化的氣動夾鉗。為準確實現板材的輸送定位，選取了合適的伺服系統和滾珠絲杠，并綜合設計了整個系統裝置的氣動原理圖。

1 集裝箱頂板自動上料裝置總體結構設計

根據工件加工要求以及車間頂板自動成型線的布局位置，本文選用一個較狹長的布局，如圖1所示。

圖1 頂板自動上料結構布置圖

整個裝置與龍門式壓機的工作臺平行，送料定位部分與壓床的工作臺對應。待料臺采用雙工位布置，一個是整摞大板的待料臺，另一個是整摞分單張的取料臺。為了滿足工件的定位精度要求，本文采用伺服電機帶動滾珠絲杠進行定位。板材定位時的輸送采用氣動夾鉗結構的簡易機械手，以防止板材在運動過程中跑偏。

2 頂板自動上料吸盤輸送裝置設計

之前的人工上料選用的是一個待料臺來提供儲料量，其弊端是在待料臺無料時需要停機重新吊料進行上儲料位。這種上料方式改為自動時就不再適合，自動化的優勢是可以不間斷的重復動作。本文在考慮自動上料布局時選擇了雙儲料位，即待料臺和上料臺。

工作過程如下：1）用叉車或行車將整摞原板送上待料臺；2）通過待料臺和上料臺下部的減速機及鏈傳動帶動輥道，將原板從待料臺送往上料臺。這就解決了停機上料難的問題。據此設計的集裝箱頂板自動上料裝置的吸盤輸送部分的結構如圖2所示。

圖2 吸盤輸送部分結構圖

3 頂板自動上料板材送料定位部分設計

板材進入模具前需要進行四邊定位，因此在送料臺上設計了兩組氣缸，分別實現板材的橫向和縱向定位。板材四邊定位后，用夾鉗夾緊，保證在壓型過程中板材左右尺寸一致，前后定位采用伺服電機帶動的螺旋傳動實現。板材送料定位部分結構圖如圖3所示。

圖3 板材送料定位部分結構圖

圖3 中，1為氣動夾鉗，將板材夾持送進模具，2為側向定位氣缸，將落下的板材左右對齊，3為伺服電機-滾珠絲桿，其作用是輸送和定位，4為前下定位氣缸，其作用是對剛落下的板材前后定位，將板材送入伺服電機輸送原點。

1）氣動夾鉗設計

基本氣動夾鉗結構如圖4所示，采用了一個具有中間轉軸的氣缸，連接一個圍繞立柱轉動的上夾頭，其作用是和固定的下夾頭一起實現對板材的夾持。

圖4 基本氣動夾鉗結構示意圖

這種基本結構的夾鉗在本文的工件加工的場合中使用是存在問題的。本文的頂板單波加工采用的是拉伸工藝，在此過程中會存在板材的變形。這種變形主要是是拉伸過程中的板材變形，本文中所用的模具是凹模在上，凸模在下，拉伸過程中，隨著凹模下行，凹模斷面上的板材毛坯外部尺寸不斷縮小，凸模上的材料被拉伸成為拉伸件波頂，當拉伸過程結束時，平板毛坯被拉伸出一個波形。因此本文在設計新的夾鉗時須考慮克服此收縮力。

基于以上分析，為了克服板材的收縮力，實現定位的準確性，本文對原有的夾鉗結構進行了優化，增加了若干活動關節和一個氣缸。其結構如圖5所示。

圖5 優化后的氣動夾鉗結構示意圖

圖5 中，A氣缸的作用是夾緊板材，B氣缸起補償位移的作用。具體工作過程為：初始時，A氣缸內無桿腔進氣，推動活塞桿將板材夾緊，B氣缸內有桿腔進氣，將整個夾鉗拉緊，隨后將板材輸送進入模具，B氣缸控制電磁閥切換，將桿腔氣體排出，夾鉗在C關節和板材支撐的作用下處于水平狀態。因此，整個夾鉗在板材壓制過程中處于一個隨動的狀態，從而對板材變形和模具移動進行了補償。壓制完成，B氣缸控制電磁閥切換，桿腔進氣，重新將夾鉗拉起，板材則可以繼續移動。

2）輸送定位裝置設計

輸送定位裝置需要完成兩個動作：一是將板材輸送至模具內，二是實現5個波距的定位。為了保證精確完成這兩個動作，本文采用的是伺服電機帶動滾珠絲杠的螺旋傳動。

（1）確定滾珠絲杠副規格代號

根據絲杠Ph、d2m、Cam選擇內循環單螺母式滾珠絲杠，型號為SFV04010-4.8，精度等級為3級。計算出絲桿基本導程Ph=10mm，絲杠底Xd2m=30mm＞9.6mm，外Xd=38mm，公稱直徑Xd0=40mm，額定動載荷 Ca=48740N，額定靜載荷Co=156912N。

（2）選擇電機

要實現伺服電機驅動，本文中的伺服電機選用的是三菱HF-SN-202J-S100型中慣量電機。功率為2kW，額定轉矩為9.55N·m，電機慣量JM為0.00383Kg·m2，運動工件及工作臺質量最大值約為120kg。

4 系統氣動原理圖

根據前文中對集裝箱頂板自動上料裝置的總體結構、吸盤輸送裝置及板材送料定位部分進行的設計，得到整個系統裝置的氣動原理圖，如圖6所示。

圖6 系統氣動原理圖

據此得到頂板自動上料裝置的動作流程為：吸盤上料輸送，用一升降氣缸實現吸板后與待料板的分離；真空發生器和真空吸盤實現分板；板材落下后，氣動夾鉗夾緊板材，開始輸送；輸送至各波壓型位置，壓型開始，變形補償氣缸此時開始工作；壓型結束后，動作 完成。

5 結束語

本文從工作實際出發，通過對生產現場作業狀況的觀察，利用現有的資源，設計完成了一套集裝箱頂板自動上料裝置。該裝置根據車間的實際情況進行整體設計，選用合適的真空吸盤和真空發生器，針對壓型過程板材的變形情況，設計了一種優化的氣動夾鉗，輸送定位通過合適的滾珠絲杠和伺服電機實現。

此裝置投入使用，減少了工人的勞動強度，而且工人不與設備直接接觸，降低了安全隱患，同時大大提高了公司設備的自動化水平。

[1] 劉華存.冷藏集裝箱頂門的設計[J].集裝箱化,2012(10):27-28.

[2] 張陳靈.高承載工況下滾珠絲杠副的接觸變形與剛度分析[D]. 南京理工大學,2013.

[3] 袁玉比.氣動機械手夾持力控制系統的研究[D].昆明理工大學, 2012.

[4] 魏崢,趙世季,孔建.汽車齒輪注塑模具的設計與研究[J].制造業自動化,2014,36(2):140-142.

[5] 關明,周希倫,馬立靜.基于PLC的機械手控制系統設計[J].制造業自動化,2012, 34(7):120-122.

[6] Yangjun Pi,Xuanyin Wang.Trajectory tracking control of a 6-DOF hydraulic parallel robot manipulator[J].Control Engineering Practice,2011,(19):185-193.

[7] 余增霈.集裝箱頂板自動上料裝置設計[D].山東科技大學,2014.