散裝物料箱提升卸料機(jī)的方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)*

張明松，李曉維，程煉兵

(三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北宜昌 443002)

0 引言

卷煙加工生產(chǎn)過程中需將裝箱的煙絲倒入生產(chǎn)線輸送帶上，以進(jìn)入下一步的卷煙生產(chǎn)工藝。由于煙絲包裝箱通常為紙質(zhì)包裝箱，而且重量近200 kg，體積也較大，長(zhǎng)寬高約1 200 mm×850 mm×800 mm，剛度差，易變形，如果采用人工倒料則不僅效率低下，而且工人勞動(dòng)強(qiáng)度也大，若采用機(jī)械倒料作業(yè)，不僅可以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，還能降低生產(chǎn)成本。

生產(chǎn)線上的翻箱倒料模式歸納起來主要有機(jī)器人翻箱倒料模式、龍門式翻箱倒料模式、追蹤式翻箱倒料模式、AGV翻箱倒料模式、堆垛機(jī)翻箱倒料模式五種，其各自的特點(diǎn)如表1所示［1］。

表1 翻箱倒料模式特點(diǎn)比較

目前在一卷煙生產(chǎn)線已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化翻箱，即由原來開口朝上完成開口朝下倒扣于輸送帶上，現(xiàn)需將處于倒扣狀態(tài)的紙質(zhì)箱內(nèi)的煙絲倒出，采用現(xiàn)有的翻箱倒料機(jī)械，功能上有冗余，也不經(jīng)濟(jì)，因而需設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)適用的倒料機(jī)械。筆者根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況設(shè)計(jì)了一種新型倒料機(jī)械實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)功能及經(jīng)濟(jì)性要求。

1 方案原理分析

考慮實(shí)際生產(chǎn)情況，設(shè)計(jì)過程中主要考慮以下幾個(gè)方面的問題:①物料箱由輸送帶輸送至指定位置，并在原地完成卸料，且仍然由該輸送帶輸送至下一道工序;②物料箱輸送至指定位置時(shí)已完成翻箱工作，即物料箱處于開口朝下的狀態(tài);③物料箱為紙質(zhì)箱，考慮到環(huán)保及成本要求，倒料過程中物料箱不得損壞，確保物料箱可重復(fù)利用;④倒出物料后的紙質(zhì)箱須放于指定位置，不得留在輸送帶上，以方便工人回收;⑤設(shè)備具有較高的安全性、可靠性及生產(chǎn)效率。

由以上設(shè)計(jì)要求并參考現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，根據(jù)仿生學(xué)原理參考人體搬運(yùn)貨物的運(yùn)動(dòng)特征提出如圖1所示的設(shè)計(jì)方案。其基本運(yùn)行原理為:當(dāng)物料箱位于提升卸料機(jī)的下方時(shí)，物料箱夾持機(jī)構(gòu)張開，懸臂向下運(yùn)動(dòng)到指定位置，然后物料箱夾持機(jī)構(gòu)將物料箱夾緊，懸臂向上運(yùn)動(dòng)至一定距離將煙絲傾倒在輸送帶上，當(dāng)煙絲被全部倒出后，物料箱夾持機(jī)構(gòu)向右運(yùn)動(dòng)一定距離，到達(dá)指定位置后張開將空物料箱放在指定位置，之后物料箱夾持機(jī)構(gòu)向左返回，提升卸料機(jī)重復(fù)之前的動(dòng)作進(jìn)入下一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍。

圖1 提升卸料機(jī)原理圖

2 方案關(guān)鍵技術(shù)分析

由以上現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境條件及機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)分析可知，需要重點(diǎn)解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù):①紙質(zhì)物料箱夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足作業(yè)可靠性高，紙質(zhì)物料箱可回收重復(fù)利用;②立柱及懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有強(qiáng)度高、剛性好等特點(diǎn)，確保整個(gè)裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

2．1 物料箱夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械夾持機(jī)構(gòu)又可稱為機(jī)械手，主要是通過模擬人手或其他生物的抓取機(jī)體來實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的抓取操作。目前在工業(yè)領(lǐng)域?qū)C(jī)械手進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究和總結(jié)［2］，如圖2 所示為幾種常見的機(jī)械手［3］，在抓緊物體時(shí)機(jī)械手和物體之間的保持一定的壓力，然后機(jī)械手通過摩擦力的作用將物體抓起。

圖2 幾種常見的機(jī)械抓手

但文中所給生產(chǎn)條件要求將紙質(zhì)物料箱抓起的同時(shí)能夠?qū)⑾鋬?nèi)的物料倒出，而且物料箱不能被損壞。考慮圖2中第三種情況，即直線平動(dòng)式抓手，被抓物受力情況如圖3所示。

圖3 受力示意圖

設(shè)物料箱所受的摩擦力為f，正壓力為P，重力為G，物料箱質(zhì)量為m，重力加速度為g，機(jī)械手與物料箱之間的靜摩擦系數(shù)為μ(0＜μ＜1)，則當(dāng)物料箱被抓起時(shí)有:

由式(2)可以看出，若采用類似圖2中的機(jī)械手，則作用在物料箱上的正壓力將大于物料箱的重力，由前述可知物料箱重達(dá)200 kg，而物料箱又為紙質(zhì)箱，剛度差，如此大的正壓力一方面容易導(dǎo)致物料箱的嚴(yán)重變形而損壞物料箱;另一方面由于正壓力太大，箱內(nèi)物料也難以落出，所以難以保證機(jī)械手作業(yè)時(shí)的可靠性。

基于以上分析，設(shè)計(jì)了一種新型機(jī)械抓手機(jī)構(gòu)，如圖4所示，主要由導(dǎo)軌、滑塊、絲杠、夾板、抓板、抓釘、步進(jìn)電機(jī)等幾部分組成。當(dāng)機(jī)械抓手工作時(shí)，兩夾板在絲杠的驅(qū)動(dòng)下通過滑塊沿導(dǎo)軌相向運(yùn)動(dòng)，由抓板將物料箱夾緊，然后抓釘在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下扎進(jìn)紙質(zhì)物料箱中，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)物料箱的抓取操作;當(dāng)要釋放物料箱時(shí)，各部件逆序依次反向動(dòng)作即可完成對(duì)物料箱的釋放操作。

圖4 機(jī)械抓手

2．2 立柱及懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立柱和懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有箱型結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)兩種方案可供選擇［4－7］，考慮經(jīng)濟(jì)適用性因素，文中采用桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 立柱懸臂結(jié)構(gòu)

立柱主要由底座、桁架、提升電機(jī)座、導(dǎo)軌墊塊、鏈輪座等幾部分組成。其中底座部分向右伸出，以增強(qiáng)立柱在提升卸料機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性;立柱右側(cè)上方焊接有導(dǎo)軌墊塊用于安裝縱向?qū)к墸摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既可減小導(dǎo)軌安裝面的加工面積，同時(shí)亦可提高導(dǎo)軌連接部分的可靠性。

懸臂整體呈三角形，其上附有吊耳、豎板、導(dǎo)軌墊塊、水平電機(jī)座等結(jié)構(gòu)，其中吊耳與豎直提升鏈相連，用于提升懸臂;豎板用于安裝滑塊，與立柱上的導(dǎo)軌一起組成滑動(dòng)副;為減小水平導(dǎo)軌安裝面的加工面積，在懸臂焊件上焊接有導(dǎo)軌墊塊，水平電機(jī)座用于安裝水平鏈驅(qū)動(dòng)電機(jī)和水平鏈輪座。

3 工作過程分析

如前所述，提升卸料機(jī)主要由立柱、懸臂、機(jī)械抓手三部分構(gòu)成，如圖6所示為提升卸料機(jī)的裝配圖，該裝置通過PLC編程進(jìn)行控制，其控制過程如下。

圖6 提升卸料機(jī)裝配圖

(1)機(jī)構(gòu)復(fù)位 提升卸料機(jī)啟動(dòng)，PLC向各驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出復(fù)位指令，各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)位，如圖6位置B所示，各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的停止位置由安裝在固定位置的電容接近開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)而由PLC發(fā)出相應(yīng)指令。

(2)機(jī)械抓手抓取物料箱 首先PLC向安裝在立柱上的提升電機(jī)發(fā)出動(dòng)作指令，提升電機(jī)通過提升鏈帶動(dòng)懸臂向下運(yùn)動(dòng)至位置A時(shí)安裝在立柱下端的電容接近開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)PLC接收到觸發(fā)信號(hào)后發(fā)出停止指令，提升電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，懸臂停止運(yùn)動(dòng)，接著PLC向機(jī)械抓手上方的步進(jìn)電機(jī)發(fā)出動(dòng)作指令，步進(jìn)電機(jī)通過絲杠驅(qū)動(dòng)機(jī)械抓手夾板相向運(yùn)動(dòng)壓緊物料箱，接著PLC再向四個(gè)抓釘組件步進(jìn)電機(jī)發(fā)出動(dòng)作指令，抓釘在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下扎進(jìn)紙質(zhì)物料箱中，至此機(jī)械抓手完成對(duì)物料箱的抓取操作。

(3)卸料 PLC控制器向提升電機(jī)發(fā)出動(dòng)作指令，提升電機(jī)通過提升鏈帶動(dòng)懸臂向上運(yùn)動(dòng)，由于物料箱的開口已朝下且處于打開狀態(tài)，物料在重力作用下被倒出物料箱，實(shí)現(xiàn)卸料，當(dāng)懸臂運(yùn)動(dòng)至B位置時(shí)，安裝在立柱上方發(fā)電容接近開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，PLC接收到觸發(fā)信號(hào)后對(duì)提升電機(jī)發(fā)出停止指令，懸臂停止運(yùn)動(dòng)。

(4)釋放空物料箱 PLC向安裝在懸臂上的水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出動(dòng)作指令，水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過水平鏈帶動(dòng)機(jī)械抓手向右運(yùn)動(dòng)至C位置時(shí)，安裝在懸臂右端的電容接近開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，PLC接收到觸發(fā)信號(hào)后向水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出停止指令，機(jī)械抓手停止運(yùn)動(dòng)，接著PLC向抓釘組件中的步進(jìn)電機(jī)發(fā)出動(dòng)作指令，抓釘在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下反向運(yùn)動(dòng)退出紙質(zhì)物料箱。PLC再向機(jī)械抓手上方步進(jìn)電機(jī)發(fā)出動(dòng)作指令，步進(jìn)電機(jī)通過絲杠驅(qū)動(dòng)機(jī)械抓手張開，物料箱在重力作用下落在指定位置，實(shí)現(xiàn)物料箱的釋放操作。

(5)機(jī)械抓手歸位 PLC向安裝在懸臂上的水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出動(dòng)作指令，水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過水平鏈帶動(dòng)機(jī)械抓手向左運(yùn)動(dòng)至B位置時(shí)，安裝在懸臂左端的電容接近開關(guān)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)PLC接收到觸發(fā)信號(hào)后向水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出停止指令，至此提升卸料機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)，接著各機(jī)構(gòu)重復(fù)上述動(dòng)作進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

4 結(jié)語

調(diào)研了卷煙生產(chǎn)線上裝箱煙絲卸料的難題，結(jié)合現(xiàn)有的卸料設(shè)備設(shè)計(jì)思想及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況設(shè)計(jì)了一種新型提升卸料機(jī)，解決了以下幾方面的問題。

(1)設(shè)計(jì)了一種新型機(jī)械手機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在抓緊力比較小的情況下對(duì)物料箱的抓取操作同時(shí)能夠保證卸料過程的完成。

(2)對(duì)立柱懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具有強(qiáng)度、剛度好，經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)。

(3)對(duì)提升卸料機(jī)的工作過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為提升卸料機(jī)的控制過程提供了依據(jù)。

(4)通過對(duì)所設(shè)計(jì)提升卸料機(jī)的試制驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)是合理的可行的。

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