全自動接觸器包裝盒產線自動上料單元*

倪明堂，馮應龍，宋國慶，陳麗斌，盧慶棠，林 袋，畢燕鑫，鄭春回

（1.廣東省智能機器人研究院，廣東東莞 523808；2.東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞 523808）

0 引言

在當今科學技術革命的快速發展現狀下，包裝行業取得了巨大的進步，包裝流水線及自動化包裝生產線作業，代替了包裝過程中一道道枯燥且反復的步驟，極大提高了生產效率和節約生產成本。相比于以前人工包裝的勞作方式，全機械全自動化的包裝盒生產線推動力了科學技術革命，解放了人類生產力，極大促進現代化的發展，通過近百年的不斷發展，機械行業迎來了朝氣蓬勃的發展[1]。

以企業提出的全自動接觸器包裝盒生產線為設計目標，本文主要研究其中的一個關鍵單元——全自動接觸器包裝盒生產線自動上料單元。該上料單元是包裝盒生產線的重要組成部分，是不可或缺的一環，也是整條生產線的初始起點。針對客戶需求，設計一種具有自動存料、抓取、搬運的上料單元，把接觸器包裝盒緊密有序運輸給自動開盒單元，解決了人工上料效率低等問題。總的來說，接觸器包裝盒生產過程實現全自動化后，一是可以減少勞動力，降低社會必要勞動時間，節約產品生產成本，有顯著的經濟效益；二是機器24 h 無故障的工作極大縮短了生產上料時間，提高了生產效率；三是提升企業生產制造水平，增加企業經濟效益，提高企業聲譽[2]。而且本文的研究有助于促進包裝行業的發展，推動全機械化社會的進程，改善人民的生活質量，實現更高水平更高質量的發展。

1 自動上料單元總體方案設計

1.1 接觸器包裝流程

全自動接觸器包裝盒產線是企業根據客戶要求設計的一個非標定制項目，主要是為客戶提供自動化生產流水線解決方案。該項目的主要內容是將展開的包裝盒（如圖1中的1號），經過一系列的工序，折疊成方形紙盒（如圖1中的5號），接著把接觸器放在折好的紙盒中，折好盒蓋，并貼上標簽，包裝成可直接銷售的產品。具體的包裝流程如圖1所示。

圖1 接觸器包裝過程

為了能完成上述的一系列包裝工序，該樣機模型主要是由自動上料單元、自動開盒單元、自動輸送及貼標單元和自動運輸、上料及掃碼單元這4 個部分構成。自動上料單元負責將展開的紙盒夾持、運輸給自動開盒單元；自動開盒單元工作，把扁平的紙盒折疊成方形紙盒（底部成型）；通過自動運輸及貼標單元把折好的紙盒運送給接觸器上料單元，并給紙盒貼識別碼；疊好的紙盒運輸到自動運輸、上料及掃碼單元時，機器自動識別工件，將接觸器準確、快速地放在包裝盒中，并折好盒蓋，包裝成產品，通過運輸線傳送、識別物料編碼、即可出庫售賣，整機工作流程如圖2 所示。整個生產流水線工序安排合理、緊湊、高效，既節約經濟成本，又提高生產效率，縮短生產時間。

圖2 整機工作流程

1.2 自動上料單元工作流程

待上料的接觸器包裝盒實物如圖3 所示，根據實際測量產品相關尺寸可知，包裝盒的寬度為（132±1）mm，長度為188.5 mm，厚度1 mm，質量15 g。考慮到包裝紙盒的厚度遠遠小于長寬尺寸，產品質量比較輕，初步確定模型方案為料倉式自動上料機構。

圖3 接觸器包裝盒實物

料倉機構有4 個倉位，每個倉位一次性夾取2 個包裝盒，如圖4所示。該料倉機構最大裝載容量為8 000個包裝盒，每個倉位有2 000個包裝盒。

圖4 倉位分布

料倉式自動上料機構的工序安排合理、嚴密緊湊，目的是減少上料時間，提高生產效率。自動上料機構控制系統使用的是可編程邏輯控制器PLC，根據控制系統的邏輯性分析，該上料機構的工作流程安排如圖5所示。

圖5 上料單元工作流程

料倉式自動上料機構設備具體的工作流程設計如下。

（1）人工定時往料倉機構里裝料，裝料是從上往下一垛一垛疊堆的，豎直的單軸機器人緩慢往下運動，直到極限位置，裝料完成。

（2）X、Y、Z三軸聯動機器人，在PLC系統控制下，緊密配合，從開盒模組起始位置運動到1 號倉位，氣缸開始工作，真空吸盤吸附紙盒，夾持物料，回到開盒模組處，同時，1 號倉位的單軸機器人緩慢上移，填補剛剛的空位，循環往復，直到1號倉位物料全部夾取完成。

（3）1 號倉位搬運結束后，機器人按照同樣的步驟夾取2號倉位、3號倉位、4號倉位的包裝盒。

（4）料倉機構的物料全部夾取完畢后，工作又回到第一步，反復循環地工作。

1.3 自動上料單元整體結構

1.3.1 模型結構

本文研究的全自動接觸器包裝產線自動上料單元是整條生產線的一個單元，其任務是將夾持接觸器包裝盒運輸給自動開盒單元。接觸器包裝盒長寬比較大、厚度薄、質量輕、位置精度要求不高，通過市場調研，結合產品特點，綜合權衡考慮，采用料倉結構堆放產品。從工作原理和工作空間等方面考慮，通過比較直角坐標式機械手、圓柱坐標式機械手、球坐標機械手和關節型機械手的結構、加工制造過程，經濟成本和生產周期等方面，選擇直角坐標系機械手在路徑規劃[3]、工作空間和加工制造難易程度上比其他機械手更有優勢。綜合上述，該自動上料單元采用料倉式直角坐標自動上料結構[4]，結構的三維模型如圖6所示。

圖6 自動上料單元三維模型

1.3.2 直角坐標機器人工作原理

直角坐標機器人是指能夠實現自動控制的、可重復編程的、多自由度的、運動自由度建成空間直角關系的、多用途的操作機[5]。根據笛卡爾坐標系的理論，可知空間上的任意一點都是由X、Y、Z軸3 個方向的尺寸共同確定的。因此為了研究問題方便，可以把空間任意兩點的曲線運動簡化為分別在3 個自由度方向的直線運動，類似于數控技術中直線插補的方法[6]。

能夠實現直線運動的傳動方式有很多種，在目前的市場中，主要使用滾珠絲桿傳動、齒輪齒條傳動、同步帶傳動、液壓傳動和氣壓傳動這幾種傳動方式[7]。通過對比幾種常見傳動方式性能，結合模型的結構情況，直線運動方式采用線性導軌輔助的滾珠絲桿傳動。

1.3.3 直角坐標機器人外形確定

目前在市場中，直角坐標機器人主要結構形式有兩種，一種是龍門式直角坐標機器人，另一種是懸臂式直角坐標機器人，兩種結構形式的特點如表1 所示[8-9]。根據客戶需求，此次設計的結構，運輸的產品質量較輕，長寬距離相對較大，對模型的空間資源和靈活性要求較高，綜合考慮，該自動上料單元選擇懸臂式直角坐標機器人。

表1 兩種機器人性能對比表

本章主要內容是根據包裝盒結構特點和客戶需求來確定接觸器包裝盒自動上料單元的工藝流程，并對自動上料機器人做出正確的路徑規劃；根據工作要求和傳動結構特點，確定三軸機器人的結構模型方案，而且直角坐標式機器人使用懸臂式結構；綜合各方面考慮，自動上料機構整體結構方案采用料倉式懸臂直角坐標自動上料機器人。

2 自動上料單元結構設計

2.1 總體結構布局

根據工作流程與傳動結構特點對自動上料單元的整體結構布局進行設計，全自動接觸器包裝盒產線自動上料單元整體設計為料倉式直角坐標自動上料單元。自動上料單元的三維結構分布圖如圖7 所示，主要是由鋁型材框架、機架、X軸機構、Y軸機構、Z軸機構和料倉機構組成。自動上料單元的整體布局以合理、緊湊、實用為主，根據包裝盒產品存放位置與自動開盒單元在整條生產線的布局，合理地布置各機構在模型的空間位置，提高機器的穩定性、工作效率和動作連貫性。

圖7 模型結構布局

2.2 X軸機器人

2.2.1 結構方案

由前面的樣機結構方案分析，可知自動上料單元采用懸臂式直角坐標機器人，而X軸機構對應的就是懸臂結構的機器人，如圖6 所示。通過對直角坐標機器人工作原理分析，根據工作要求和直線傳動特點，X軸結構采用絲桿型單軸機器人傳動[10-11]。選擇絲桿型單軸機器人的優勢如下：

（1）單體運動速度快、運動平穩、摩擦阻力小、傳動效率高；

（2）重復定位精度高；

（3）本體質量輕、占用空間小、使用壽命長；

（4）市場上的單軸機器人形成標準化，可直接選型使用，無需單獨設計，如怡合達、米思米等公司，縮短設計周期，節約生產成本。

X軸機構由單軸機器人、拖鏈、X軸固定板、L 型固定板和拖鏈槽組成，如圖8 所示。單軸機器人的滑塊用于安裝Z軸機構，帶動Z軸機構做直線運動；X軸固定板用于把單軸機器人固定在Y軸機器人的滑塊上，使X軸機構能隨著Y軸機器人中的滑塊運動而運動；L型固定板用于把拖鏈槽固定在X軸固定板上，起著支撐緊固作用；拖鏈槽用于放置拖鏈，并防止拖鏈工作時因振動而發生偏移；拖鏈用于放置一些電線、氣管等連接件。

圖8 X軸機構三維圖

X軸機構的核心結構為單軸機器人的結構設計，目前市場上的單軸機器人已經標準化，為了縮短設計周期和節約成本，該機構決定選用怡合達的絲桿型單軸機器人。絲桿型單軸機器人核心零部件為滾珠絲杠、電機等，根據機器人承受的載荷、使用環境等，詳細地對滾珠絲杠、電機等核心零部件進行選型計算。

2.2.2 單軸機器人選型

根據單軸機器人的使用條件（表2）可知，該單軸機器人工作載荷較輕，安裝空間要求不嚴格，使用環境要求不高，故初步選擇怡合達產品型號為YBSC8B-10-600-BC-P-20-N-D-3 的單軸機器人。為了提高設備性能及合理使用標準件，下面對該單軸機器人進行載荷計算、滾珠絲杠的校驗和電機選型。

表2 X軸機構單軸機器人使用條件

X軸機構所受負載受力示意圖如圖9所示，由重力公式計算得：

圖9 X軸機構受力示意圖

工件產生的轉矩為：

在怡合達官網上查詢YBSC8B 系列單軸機器人詳細參數表，可知X軸機構水平和豎直最大負載分別為25 kg 和12 kg，均比實際工件載荷4 kg 大；而且單軸機器人Mxd 容許力矩為7 N·m，比工件產生的轉矩T=1.96 N·m 大，故型號為YBSC8B-10-600-BC-P-20-N-D-3 的單軸機器人滿足負載要求，X軸機構結構設計合理。

2.2.3 滾珠絲杠

（1）絲杠安裝方式

根據滾珠絲杠的工作要求、使用環境和載荷大小等情況，對比滾珠絲杠4 種安裝方式的特點，初步選用一端固定一端鉸支安裝方式。

表3 絲桿使用條件

（2）絲杠許用軸向載荷計算

式中：P為絲杠許用軸向負載；α為安全系數，一般取0.5；E為楊氏模量，取2.08×105N/mm2；d為絲杠軸低徑；L為安裝距離；I為絲杠軸截面最小慣性矩；n為安裝系數，取2。

將式（4）代入式（3），得：

（3）絲杠許用轉速

絲杠許用轉速計算公式為：

式中：N為絲杠許用轉速；β為安全系數；g為重力加速度；γ為絲杠材料比重，γ=ρ·g；A為絲杠最小截面積；λ為絲杠安裝方法的系數，取3.927。

公式推導如下：

式（7）推導過程僅適用于絲桿材料密度為7 800 kg/m3，即絲桿選用的材料是鋼。

（4）確定絲桿導程

絲桿導程計算公式為：

式中：P為絲桿導程；vmax為負載移動最大速度；Nmax為絲桿最大轉速。

200 W 伺服電機許用轉速Nmax=3 000 r/min，所選單軸機器人最大進給速度Vmax=500 mm/s，即為30 000 mm/min。將數值代入式（8）中，求得絲杠的導程為：

實際取Ph=10 mm，可滿足速度要求。

（5）絲桿長度確定

根據X軸向運動行程為600 mm，可計算出兩個固定支撐座的最大距離：

（6）軸向負載計算

絲桿水平安裝時，加速運動狀態滾珠絲杠副承受最大軸向載荷。減速運動狀態時滾珠絲桿副承受最小軸向載荷如下。

加速時：

均速時：

減速時：

式中：Fmax為滾珠絲杠副承受的最大軸向載荷；Fm為滾珠絲杠副勻速運動時軸向載荷；Fmin為滾珠絲杠副承受的最小軸向載荷；為摩擦因數，線性導軌取0.05；m為滑臺質量及最大工件質量；g為重力加速度；a為加速度。

由前面可知，正常工作的速度為200 m/s，即為0.2 m/s，最大負載m≈4 kg，加速時間t=0.1 s，加速過程的加速度為a=v/t= 2 m/s，選用線性導軌，μ=0.05，將數值代入式中，求得絲桿軸向力為：

（7）絲桿軸徑確定

在式（5）中，使F≤P，為保險起見，P取大于F的整數值，取P=10 N，逆運算求絲桿低徑d1為：

根據長徑比計算軸徑d2，長徑比通常必須小于60，即：

代入數值得:

公式（9）中，絲桿材料為鋼，使Nmax≥N，實際應用中，絲桿杠轉速為1 500 r/min左右，逆運算求d3：

經核驗計算，絲桿軸徑需要同時滿足式（17）、（19）、（20），即：

故選用滾珠絲桿外徑d0=16 mm，底徑d=13.6 mm，可滿足軸徑計算要求。

（8）基本載荷及壽命

絲杠平均載荷計算公式如下;

絲桿工作時的負載條件如表4 所示，代入式（22）中，計算得平均載荷為：

表4 絲桿工作狀況

平均轉速計算公式如下：

代入具體數值，求得平均轉速為：

基本額定動載荷計算：

式中：Lh為預期工作時間，取30 000 h；fw為載荷系數，取1.2。

將已知數值帶入式中，求得絲杠額定動載荷為：

基本額定壽命計算：

經計算校核，滾珠絲桿導程Ph=10 mm，外徑d0=16 mm，基本額定動載荷Ca=63.28 N，基本額定壽命Lh=29 997.54 h（在誤差范圍內），均滿足YBSC8B 單軸機器人參數和其他選型參數，故該單軸機器人的滾珠絲桿滿足工作要求。由于在滾珠絲桿選型計算過程中涉及直線導軌和軸承的內容，因此不對這兩部分單獨計算。

2.2.4 電機選型

選擇伺服電機驅動，伺服電機選取松下伺服電機MSMF022L1U2M，驅動器型號為MADLN15SE，功率為200 W，額定轉矩為0.64 N·m，最大瞬時扭矩為2.23 N·m，額定工作轉速3 000 r/min。

已知：負載重量m=4 kg，絲桿螺距Ph=10 mm，絲桿直徑d0=16 mm，機械效率η=0.9，負載移動速度v=200 mm/s，全程移動時間t=3 s，加減速時t1=t2=0.1 s。

（1）計算折算在電機軸上的負載慣量

重物折算到電機軸上的轉動慣量：

滾珠絲桿的轉動慣量：

由于未明確給出滾珠絲桿的具體參數，假設絲桿重量mb=5 kg。

電機上總負載慣量：

（2）計算電機轉速

電機所需轉速：

（3）計算電機驅動負載所需要的扭矩

克服摩擦力所需轉矩：

式中：F為滾珠絲桿軸向載荷，F=9.96 N。

重物加速時所需轉矩：

絲桿加速時所需轉矩：

加速時所需總轉矩：

預緊力產生的摩擦扭矩：

式中：Fp為滾珠絲桿副的預緊力，Fp=Fmax/3。

在滾珠絲桿選型過程中，已包括軸承受力計算，故不再對軸承進行另外選型計算，所以設支撐軸承產生的摩擦扭矩為Tb1=0.1 N·m。

電機總扭矩：

所選伺服電機額定轉矩T=0.64 N·m，最大瞬時扭矩Tmax=2.23 N·m，額定轉速N0=3 000 r/min，根據伺服電機選型原則進行比較：伺服電機額定扭矩T＞Tf，且T＞T總；伺服電機最大扭矩Tmax＞Tf+TA；伺服電機額定轉速N0＞N。根據計算比較結果，伺服電機MSMF022L1U2M 滿足各方面參數要求，故選型合理。綜上，選擇型號為怡合達YBSC8B-10-600-BC-P-20-N-D-3 的單軸機器人，型號為松下MSMF022L1U2M 的伺服電機均滿足X軸機構的工作要求。

2.3 Y軸機器人

Y軸機構與X軸機構設計原理類似，都是運用單軸機器人實現直線傳動，重復部分便不做多余陳述，下面主要對Y軸結構進行詳細描述。

Y軸機構由單軸機器人、拖鏈、Z型固定板、滑塊和電機組成，如圖10 所示。單軸機器人的滑塊用于安裝X軸機構，帶動X軸機構做直線運動；Z 型固定板用于連接拖鏈末端，起著固定零件的作用，加強拖鏈安裝強度；拖鏈用于放置一些電線、氣管等標準件；Y軸機構通過螺釘連接，固定在機架上，為三軸聯動機器人的固定部位。

圖10 Y軸機構三維模型

2.4 Z軸機構

根據結構方案設計，Z軸機構為抓取模塊，考慮到包裝盒結構特點，平坦，較寬又薄，不便采用夾持式機械手，故采用氣缸+真空吸盤結構，Z軸機構的三維模型如圖11所示。該機構主要是利用薄型氣缸的雙作用帶動真空吸盤組件吸附物料進行上下料，實現Z軸的直線運動。氣缸為執行元件，把空氣壓力能轉換為機械能，為執行末端通過動力[12]；真空吸盤組件是由自己設計的結構模塊，目的是提高真空吸盤吸附的平穩性；氣缸固定板用于把Z軸機構固定在X軸機器人的滑塊上，使Z軸機構能隨著X軸機器人中的滑塊運動而運動；L 型固定板用于連接拖鏈末端，起著固定電線，加強拖鏈安裝強度的作用。

圖11 Z軸機構三維圖

由于被抓取的物料質量比較輕，Z軸機構是固定在懸臂的X軸機構上的，為減小機器的受力變形損害單軸機器人和影響工作精度，因此采用薄型雙作用氣缸比較合適。已知真空吸盤組件和物料總質量M=2 kg，氣缸工作行程為100 mm。

氣缸所受軸向負載力F為（豎直安裝）：

理論輸出力為：

式中：η為負載率，取0.5。

普通雙作用氣缸的理論推力為：

式中：D為缸徑；p為氣缸的工作壓力，取0.5 MPa。

由式（41）得雙作用氣缸缸徑為：

為了安全起見，氣缸缸徑選型比計算值大一點，取標準尺寸，D=16 mm。

故選用型號為怡合達薄型氣缸WGU02-16-100-2，缸徑16 mm，行程100 mm。

2.5 料倉機構

根據結構方案設計要求，樣機需要設計料倉機構存放物料，料倉機構三維模型如圖12所示。料倉機構主要由單軸機器人、腳座、框架、底板、傳感器等組成，單軸機器人用于做豎直方向的直線運動，往下運動儲存疊放物料，往上運動是為Z軸機構提供吸附的物料；腳座用于固定單軸機器人和外部框架，需要比較高的強度和硬度，故使用鋼材制造；外部框架是為了規范每個倉位空間，防止物料疊亂、掉落等；底板用于將料倉機構固定在鋁型材框架上，方便移動；傳感器用于檢測物料狀況、計數等。

圖12 料倉機構三維圖

料倉機構運動模塊與X軸結構類似，料倉機構的核心結構為單軸機器人的結構設計，其計算過程類似于X軸機構的計算，故不更多陳述。

2.6 機架

機架結構的設計是用于固定三軸機器人，為了提高設備的工作強度和穩定性，采用龍門式結構，三維模型結構如圖13所示。支撐柱是用方鋼、筋和上下兩塊鋼板利用焊接技術連接的，目的是節約材料，減少加工制造成本，主要作用是將X、Y、Z三軸機構通過機架固定在鋁型材框架上；支撐板主要作用是固定Y軸機構，調解兩個支撐柱的安裝距離，與支撐柱一起用于支撐、固定作用。

圖13 機架三維模型

2.7 鋁型材框架

為了加強各機構之間的聯系，方便自動上料單元自由移動，提高機器的美觀性，設計了鋁型材框架，如圖14所示。鋁型材框架是用60 mm×60 mm 的鋁型材通過角碼連接搭建的，其結構牢固，搭建方便，制造成本低。底板用于固定機架和料倉機構，起連接固定作用；腳輪是方便機器必要之時用于移動，使用的是怡合達的萬向輪；腳杯用于機器的固定支撐作用，通過扭轉螺母可調節距離。鋁型材框架整體結構合理、緊湊，尺寸安排正確，具有設計美觀性。

圖14 鋁型材框架三維模型

3 結束語

本文主要圍繞全自動接觸器包裝盒產線自動上料單元結構設計展開。前期通過對大量文獻資料進行收集、調研，了解國內外上料機構的研究現狀和發展趨勢，以及上料機構在實際生產中的應用和相關機構模型方案。在研究文獻資料、客戶需求等基礎上，通過計算機輔助設計對自動上料單元進行結構方案設計、路徑規劃、三維建模、有限元分析等。最終設計出一種料倉式懸臂直角坐標式自動上料單元結構，其結構模型主要分為6個功能模塊，分別為X軸機構、Y軸機構、Z軸機構、料倉機構、機架和鋁型材框架單元模塊。對于上料機構的模型結構，通過靜力學有限元分析，對模型方案進行優化，驗證了結構方案的可行性和準確性。