紙筒灌裝產品生產線下料裝置結構設計

袁朗溪，陳冬興，聶向陽，王晉

（上海大學 機電工程與自動化學院，上海200444）

0 引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，產品生產效率和產品生產質量不斷提高。企業(yè)為了迎合發(fā)展趨勢，在日常生產制造中引入了大量的自動化生產線。自動化生產線不僅可以保證產品質量的穩(wěn)定，還能保證高質量產品的生產的效率，起到降本增效的作用[1-2]。但是對于某些制造業(yè)領域，還不能實現完全的自動化生產，生產線的上下料工位大多需要人工來完成。因此制約了生產線的自動化水平和企業(yè)的生產效率。

現針對某企業(yè)的紙筒灌裝產品生產線，設計了一種產品自動下料裝置。它的主要功能是把灌裝完成的圓筒式產品從生產線取出并運送到包裝工位，把紙筒產品從垂直狀態(tài)變換成按順序擺放且頭尾一致的水平狀態(tài)，完成自動下料。該下料機構不僅能夠運用到紙筒灌裝產品中，還可以運用到其他圓柱形產品（如水彩筆、熒光筆等灌裝產品）的下料或者搬運中。

1 紙筒灌裝產品下料裝置的總體結構設計

1.1 下料裝置初始工況分析

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

隨行托盤內部有用于夾緊紙筒的夾具，托盤兩側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。隨行托盤每側可放置2排紙筒，每排可放置16根紙管。隨行托盤每次可以運送64根紙筒。

1.2 搬運裝置總體結構和工作流程

圖1 隨行托盤

根據緊湊性和合理性的原則。本文紙筒灌裝產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個部分組成，下料裝置總體結構圖如圖2所示。

圖2 下料裝置總體結構圖

隨行托盤到達固定位置后，導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面的頂松孔中，頂松夾緊夾具；隨后壓料機構動作，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，夾持組件的機械手下降并夾緊紙筒；最后夾持組件將紙筒夾持到落料運輸組件處，落料運輸組件工作后將紙筒按順序水平排列好運送到包裝工位處。

下料工位工作流程如圖3所示。

圖3 下料工位工作流程

2 下料裝置各組件結構設計

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，帶動推頭運動，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。上述設計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退出時造成頂松推頭的損毀。當用橡膠接頭連接時，會使頂松推頭周圍產生一定的運動余量保證頂松推頭不被損壞。

圖4 頂松組件結構

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、導柱、直線軸承和壓料桿。當隨行托盤被頂松后，壓料氣缸伸出帶動壓桿運動，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。壓料組件的結構如圖5所示。

圖5 壓料組件結構圖

2.3 變距移載組件結構

變距移載組件的功能是接取從托盤中被壓出的紙筒。紙筒被壓出后調入接料盒中，隨后氣缸運動將接料盒移動至限位緩沖器。變距移載組件結構如圖6所示。

圖6 變距移載結構

隨行托盤中的兩排紙筒間隔為30 mm小于紙筒長度48 mm。如果保持紙筒間距為30 mm不變，那么在后續(xù)的轉向過程中會引起兩排紙筒相互干涉。因此需要在紙筒轉向之前改變兩排紙筒間距。變距移載組件有2個接料盒，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，即氣缸做伸出動作時，接料盒2被氣缸推動與接料盒1貼緊后，兩個接料盒一起伸出接下托盤中被壓出的紙筒產品；待接料完成后，氣缸縮回，此時氣缸首先帶動接料盒2運動到限位塊，再帶動接料盒1運動，兩個接料盒分開以此達到改變兩排紙筒距離的目的。在設計時，兩個接料盒的距離可以根據產品長度，取合適的距離。當限位塊運動到定位緩沖器停止運動后，此時變距移載機構完成一個工作節(jié)拍。

2.4 夾持組件結構

夾持組件的功能是將變距移載接料盒中的紙筒產品移動到落料輸送組件中。夾持組件由夾爪、手指氣缸、升降氣缸、平移氣缸、導軌、連接件、機架和安裝板組成。變距移載組件接取紙筒并到達夾取位置后，升降氣缸下降，此時手指氣缸動作帶動夾持爪夾緊紙筒；然后升降氣缸帶動夾持器上升；最后平移氣缸移動將夾持器平移到落料輸送組件處，將紙筒產品放入轉向筒中，此時夾持組件完成一個工作節(jié)拍。夾持組件的結構如圖7所示。

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

圖7 夾持組件結構

圖8 夾持器結構

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個小的接觸平面。紙筒受力情況如圖9所示。

紙筒被夾持時的摩擦力為

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

因此可以根據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工位的最后一部分。它由轉向組件、推料組件和落料組件組成。落料輸送組件的整體結構圖如圖10所示。夾持組件將紙筒放入轉向筒中后，轉向氣缸動作時通過連桿帶動轉向筒轉動，轉向筒的轉動角度為90°；當轉向筒由垂直轉動到水平位置后，推料氣缸1伸出，將推桿伸入轉向筒中推出轉向筒2中的紙筒；然后落料氣缸動作，紙筒落入同步帶上被運送到包裝工位；隨后推料氣缸2伸出，推出轉向筒1中的紙筒，紙筒落到同步帶上，被運送到包裝工位，落料輸送部分完成一個工作節(jié)拍。

圖10 落料輸送組件結構

2.5.1 轉向組件結構設計

轉向氣缸通過連桿與轉向筒相連。氣缸伸出和縮回控制轉向筒的旋轉；定位螺釘控制氣缸伸出的長度以達到調整轉向筒旋轉角度的作用。轉向組件如圖11所示。其中轉向連桿機構的簡圖如圖12所示。

在生產線調試時，可以通過調整定位螺釘的伸出長度控制氣缸桿伸出的長度達到調整轉向筒轉向角度的作用。

圖11 轉向組件結構圖

圖12 連桿機構簡圖

2.5.2 推料組件結構設計

推料組件的動作分為兩段。推料氣缸由2個氣缸并排連接，2個氣缸安裝時頭尾朝向不同。第一段由推料氣缸1動作，推動推桿伸入轉向筒中，第二段由推料氣缸2動作推動推桿進入轉向筒中。

2.5.3 落料組件結構

落料組件由梳型接料板、接料板、接料氣缸、步進電動機和同步帶組成，如圖14所示。接料板上有接料孔，梳型接料板一側開有接料槽，兩者在初始位置時接料孔與接料槽相互錯開。當紙筒被推桿推到接料槽中時，接料氣缸運動，接料板的接料孔與接料槽對齊，紙筒落到同步帶上被運送到包裝工位。

圖13 推料組件結構圖

圖14 落料組件結構圖

3 結語

本文結合企業(yè)的實際需求和實際工況，設計了一種紙筒灌裝產品的下料裝置，實現了下料工位的自動化生產。介紹了下料裝置的總體結構和各個關鍵組件的結構。并使用SolidWorks設計了下料裝置的總體結構圖和各部分關鍵組件的結構圖。在實際生產中該下料工位實現了紙筒灌裝產品的下料功能，提高了該自動生產線的生產效率。