陳 羿 姜衛(wèi)國(guó)

CHEN Yi 1，2 JIANG Wei－guo 1，2

（1.武漢人天包裝技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430205；2.中南包裝機(jī)械研究所，湖北 武漢 430205）

（1.Wuhan Rentian Packaging Technology CO.，LTD.，Wuhan，Hubei 430205，China；2.Zhongnan Institute of Packaging Machinery，Wuhan，Hubei 430205，China）

中國(guó)現(xiàn)有的立式袋裝箱生產(chǎn)線，自動(dòng)化程度較低，且存在立式袋排列雜亂、落位不準(zhǔn)、裝箱數(shù)量不準(zhǔn)、故障率高等問(wèn)題，故一直沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)外在機(jī)器人軟袋裝箱上有一定的應(yīng)用，受限于生產(chǎn)環(huán)境，軟袋的樣式、排列方式等因素使用范圍較窄。國(guó)外機(jī)器人軟袋裝箱普遍采用真空吸盤(pán)吸取軟袋的方式來(lái)拾袋，這種拾袋方式容易出現(xiàn)掉袋、漏袋的現(xiàn)象。在粉塵多的環(huán)境下，真空系統(tǒng)和真空元器件很容易堵塞，導(dǎo)致生產(chǎn)線停機(jī)頻繁，維護(hù)時(shí)間長(zhǎng)成本高，生產(chǎn)效率低。

目前中國(guó)現(xiàn)有立式袋裝箱線設(shè)備尚未針對(duì)上述并聯(lián)機(jī)器人軟袋裝箱存在的缺陷，對(duì)并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行局部改進(jìn)。由此可見(jiàn)，并聯(lián)機(jī)器人裝箱線可以對(duì)抓手結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改造以便適應(yīng)立式袋多元化的裝箱形式和排列方式。

1 立式袋裝箱生產(chǎn)線原理及結(jié)構(gòu)

1.1 立式袋裝箱排列方式

由于立式袋本身形狀的特點(diǎn)，對(duì)裝箱的排列要求較高。要求在橫向（X）上頭對(duì)頭排列，在縱向（Y）上依次重疊排列，以達(dá)到紙箱容積的最大利用率，見(jiàn)圖1。

圖1 立式袋排列樣式Figure 1 Pattern of pouch bags

在X方向上頭對(duì)頭重疊放置，在Y方向上重疊放置，整個(gè)放置次序按圖1所示排列方式依次放入箱中，放滿10包為1層，放滿4層為1箱。按上述排列方法可以最大限度地利用紙箱容積放置立式袋，節(jié)約紙箱成本，同時(shí)在紙箱碼垛時(shí)，受壓不容易變形。對(duì)于不同的規(guī)格，層數(shù)不同，每層包數(shù)不同，本排列方式同樣適用。

1.2 立式袋裝箱工藝流程

圖2是立式袋裝箱工藝流程：由開(kāi)箱封底機(jī)生產(chǎn)出空箱，經(jīng)過(guò)空箱輸出和空箱定位傳輸流程，同時(shí)水平自動(dòng)給袋機(jī)生產(chǎn)出立式袋；經(jīng)過(guò)立式袋輸送環(huán)節(jié)，由并聯(lián)機(jī)器人將立式袋抓起并放入空箱內(nèi)，裝好袋的成品箱經(jīng)流水線輸出，最后完成折蓋封箱。圖2方框內(nèi)內(nèi)容為重點(diǎn)工藝部分，詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)圖3。

圖2 立式袋裝箱工藝流程Figure 2 Technical process of carton packaging line for vertical pouch

圖3是立式袋裝箱工序：立式袋和空箱均按圖示運(yùn)行方向運(yùn)輸，并聯(lián)機(jī)器人將包1抓起，逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)90°，放入箱內(nèi)1位置；并聯(lián)機(jī)器人將包2抓起，順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)90°放入箱2位置。如此依次將立式袋抓入箱中，直至箱滿，在整個(gè)裝箱過(guò)程中，立式袋和空箱均保持勻速。

圖3 立式袋裝箱工序Figure 3 Procedure of vertical pouch carton packaging

1.3 立式袋裝箱原理

圖4為目前市場(chǎng)上通用并聯(lián)機(jī)器人示意圖。

圖4 并聯(lián)機(jī)器人主視圖Figure 4 Main view of parallel robot

由圖4可知，并聯(lián)機(jī)器人連接法蘭和旋轉(zhuǎn)軸在第1、2、3軸的驅(qū)動(dòng)下，在規(guī)定范圍內(nèi)可以在X、Y、Z三坐標(biāo)系空間內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)軸在第4軸驅(qū)動(dòng)下做繞Z軸的順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)［1］。

這種運(yùn)動(dòng)方式顯然不能滿足立式袋裝箱的工藝要求，由圖3可知，立式袋不僅需要在X、Y、Z三坐標(biāo)系空間內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)需要繞X 軸方向的正、反旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)［2，3］。

如圖5所示，在機(jī)器人連接法蘭上固定安裝座，在機(jī)器人軸和中軸上分別安裝一對(duì)圓錐齒輪，在第4軸的驅(qū)動(dòng)下，中軸就可完成繞X軸方向的正、反旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后，完全滿足圖3所示工藝要求。

圖5 機(jī)器人改進(jìn)說(shuō)明Figure 5 Introduction of improved parallel robot

1.4 并聯(lián)機(jī)器人立式袋裝箱生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)

圖6是并聯(lián)機(jī)器人立式袋裝箱布置圖，裝箱線主要設(shè)備包括紙箱供給裝置1、立式袋輸送裝置2、紙箱定位傳輸裝置3、并聯(lián)機(jī)器人4以及翻轉(zhuǎn)抓手5等部分。供箱系統(tǒng)產(chǎn)出空箱，經(jīng)過(guò)紙箱供給裝置1傳輸，并將空箱送入紙箱定位傳輸裝置2。同時(shí)立式袋在立式袋輸送裝置3上勻速運(yùn)行，并聯(lián)機(jī)器人4用翻轉(zhuǎn)抓手5同步將立式袋裝入箱內(nèi)，完成裝箱全過(guò)程。

圖6 生產(chǎn)線平面布置圖Figure 6 Layout plan of production line

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 紙箱供給裝置

圖6中紙箱供給裝置1為紙箱鏈板輸送線。

根據(jù)目前鹽業(yè)單線生產(chǎn)線的產(chǎn)量來(lái)匹配送箱鏈板機(jī)。通常自立袋一條線產(chǎn)量為60～80包／min，每箱裝自立袋為40包。紙箱長(zhǎng)度為0.42 m，紙箱的輸送需滿足上述裝箱要求。下面以上述要求為例，計(jì)算鏈板機(jī)的速度。

設(shè)Q為自立袋產(chǎn)量（范圍60～80包／min），S為每箱所裝自立袋包數(shù)。B為每分鐘必須提供的箱數(shù)，為保證紙箱供應(yīng)，紙箱供應(yīng)數(shù)量必須大于生產(chǎn)所需，則有：

Q取最大值＝80包／min，S＝40包，代入式（1）得：

B＝2箱／min

作為紙箱儲(chǔ)備，通常會(huì)有一定紙箱的儲(chǔ)存量，因客戶的需求而不同，一般為生產(chǎn)所需的1.2倍。不妨設(shè)儲(chǔ)備系數(shù)k＝1.2，G為實(shí)際每分鐘供箱數(shù)，則有

由式（2）可知，已知紙箱長(zhǎng)度和實(shí)際每分鐘供箱數(shù)，可求鏈板機(jī)的線速度。不妨設(shè)l為紙箱的長(zhǎng)度（m）；V1為鏈板輸送的線速度（m／min）；

將l＝0.42，G＝2.4代入式（3）可得

V1＝0.42×2.4＝1 m／min

如圖6所示，紙箱供給裝置鏈板輸送線的長(zhǎng)度按客戶現(xiàn)場(chǎng)要求而定，其展開(kāi)長(zhǎng)度為5 m，已知單個(gè)紙箱重量為0.5 kg。

不妨設(shè)鏈板輸送線長(zhǎng)度為L(zhǎng) （m），單個(gè)紙箱重量為g （kg），鏈板所受負(fù)載為F （kg），則有

將上述值代入得：

根據(jù)上述所求鏈板機(jī)的線速度V1、負(fù)載F和鏈板機(jī)長(zhǎng)度L，以及紙箱尺寸及方案幾何尺寸的要求，可選購(gòu)紙箱供給裝置。

2.2 立式袋輸送裝置

圖6所示中立式袋輸送裝置2為立式袋鏈板輸送線。

立式袋輸送線輸送的為自立袋鹽包，立式袋鹽包長(zhǎng)0.18 m，寬0.12 m，高0.04 m，單個(gè)鹽包重0.4 kg。已知該鏈板機(jī)的長(zhǎng)度為4 m，鹽包沿長(zhǎng)度方向運(yùn)輸。

鹽包在輸送過(guò)程中一般要求每2個(gè)鹽包之間有1個(gè)鹽包長(zhǎng)度的間隔，以方便光電的檢測(cè)和抓取鹽包。本機(jī)間隔長(zhǎng)度為0.04 m［4］。

不妨設(shè)ly為鹽包長(zhǎng)度（m）；lj為鹽包間隔長(zhǎng)度（m）；ll為鏈板機(jī)長(zhǎng)度（m）；V2為鏈板機(jī)的線速度（m／min）。已知Q為自立袋產(chǎn)量（范圍60～80包／min），為保證產(chǎn)量，鏈板機(jī)必須每分鐘輸送Q個(gè)lj＋ly的長(zhǎng)度，則有：

Q 取最大值＝80包／min，ly＝lj＝0.18 m，代入式（5），則有：

V2＝80×（0.18＋0.18）

V2＝28.8 m／min

不妨設(shè)單個(gè)紙箱重量為gj（kg），鏈板所受負(fù)載為Fj（kg），則有，計(jì)算負(fù)載Fj，就是計(jì)算在V2速度下，鏈板輸送線上所運(yùn)行的鹽包總數(shù)的重量。

將gj＝0.4，ll＝4，ly＝lj＝0.18 m代入式（6），得

根據(jù)上述所求鏈板機(jī)的線速度V2、負(fù)載Fj和鏈板機(jī)長(zhǎng)度ll，以及立式袋鹽包尺寸及圖6布置圖中幾何尺寸的要求，可選購(gòu)紙箱供給裝置。

2.3 紙箱定位傳輸裝置

如圖7所示，紙箱由推塊推送，避免了紙箱傳遞過(guò)程中出現(xiàn)打滑等現(xiàn)象，使運(yùn)送精確，便于機(jī)器人裝箱［5］。

圖7 紙箱定位裝置視圖Figure 7 View of carton positioning device

為方便紙箱進(jìn)入擋塊之間的空檔，一般L2比紙箱長(zhǎng)40 mm，則有：

已知l＝0.42代入式（7），得

L2＝（0.42＋40÷1 000）＝0.46 m

鏈板機(jī)的速度為了匹配產(chǎn)能，見(jiàn)式（1），應(yīng)滿足B＝2箱／min的運(yùn)輸速度。

不妨設(shè)V3為定位傳輸鏈板輸送的線速度（m／min）。

V3＝2×0.46＝0.92 m／min

如圖7所示，鏈板機(jī)長(zhǎng)度為3.3 m，其上可放置7個(gè)紙箱，機(jī)器人從左數(shù)第3箱開(kāi)始裝箱，這樣在輸送鏈上始終有2個(gè)空箱和5個(gè)滿箱的負(fù)載。不妨設(shè)F3為定位傳輸鏈板輸送負(fù)載（kg）；P1為圖7所示線上空箱個(gè)數(shù)；P2為圖7所示線上滿箱個(gè)數(shù)，則有

分別將已知P1＝2，P2＝5，g＝0.5，s＝40，gj＝0.4代入式（9）得：

F3＝2×0.5＋5×（0.5＋40×0.4）＝83.5 kg

根據(jù)上述主要參數(shù)V3、F3、L2和方案所確定的幾何位置尺寸可選購(gòu)紙箱定位傳輸鏈板輸送線。

2.4 并聯(lián)機(jī)器人的選取

并聯(lián)機(jī)器人的選取要求為4軸機(jī)器人，可根據(jù)實(shí)際要求空間運(yùn)動(dòng)范圍、運(yùn)動(dòng)速度、負(fù)載大小、定位精度等參數(shù)選取。本線選取的是IRB360并聯(lián)機(jī)器人。

2.5 翻轉(zhuǎn)抓手工作原理

翻轉(zhuǎn)抓手視圖見(jiàn)圖8。工作原理：左夾板17、右?jiàn)A板18裝在氣爪13上，這樣通過(guò)氣爪13的打開(kāi)和合攏用于夾持和放開(kāi)自立袋，氣爪13固定在擺臂14上，擺臂14通過(guò)平鍵C12與中軸8連接，中軸8的往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)氣爪13往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。中軸8兩端分別裝有角接觸球軸承A9、角接觸球軸承B16，以承受中軸8旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的軸向力和徑向力，兩端軸承分別裝在左立板15、右立板10上。圓錐齒輪A6通過(guò)平鍵5與機(jī)器人軸3連接，底部裝有單向推力球軸承4以克服旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸向力，圓錐齒輪B7通過(guò)平鍵B11裝在8上，一對(duì)齒輪相互嚙合［6］，這樣當(dāng)機(jī)器人軸3沿Z軸往復(fù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)氣爪13沿X坐標(biāo)往復(fù)旋轉(zhuǎn)。同時(shí)機(jī)器人法蘭1沿迪卡爾坐標(biāo)系的空間移動(dòng)，也帶動(dòng)氣爪13以同樣方向和距離的移動(dòng)。

按上述結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，氣爪能完成立式袋的抓取、翻轉(zhuǎn)的功能，配以并聯(lián)機(jī)器人的空間位置移動(dòng)和第4軸驅(qū)動(dòng)，能準(zhǔn)確地按前述的排列要求將立式袋放如箱內(nèi)，如此往復(fù)抓取、翻轉(zhuǎn)、放置，直至完成整個(gè)裝箱全過(guò)程。

圖8 翻轉(zhuǎn)抓手視圖Figure 8 View of rotating gripper

本線主要參數(shù)：功率為4.5 kW，氣壓為0.6 MPa，耗氣量為200 L／min，滿足產(chǎn)能為立式袋4 800包／h的裝箱。

3 試驗(yàn)分析

本生產(chǎn)線在鹽業(yè)立式袋裝箱的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試機(jī)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有兩條手工線和這條立式袋裝箱線，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月試機(jī)。參數(shù)比較見(jiàn)表1。

表1 立式袋裝箱線與手工裝箱線成本對(duì)比分析Table 1 The cost comparison and analysis of automatic carton packaging line for vertical pouch and manual carton packaging line

通過(guò)上述對(duì)比，本生產(chǎn)線可節(jié)省人員4人，按4人的用人成本來(lái)算，一年可收回機(jī)器成本。更為主要的是減少了人為因素造成的產(chǎn)品錯(cuò)誤率，避免了環(huán)境對(duì)人員的傷害。國(guó)外的軟袋裝箱線由于受立式袋形狀和使用環(huán)境的限制，目前在鹽業(yè)行業(yè)無(wú)明確的應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了基于并聯(lián)機(jī)器人的立式袋裝箱線，將并聯(lián)機(jī)器人用于立式袋裝箱，擴(kuò)大了并聯(lián)機(jī)器人在包裝行業(yè)的應(yīng)用范圍，同時(shí)也解決了立式袋排列次序復(fù)雜，定位要求高，自動(dòng)化程度要求高的難題。本立式袋裝箱生產(chǎn)線的研制成功，很好地解決了自立袋裝箱由人工轉(zhuǎn)為自動(dòng)化裝箱的問(wèn)題。對(duì)于自立袋裝箱的難點(diǎn)一個(gè)在于軟袋形狀的不規(guī)則性，另一個(gè)難點(diǎn)是自立袋裝箱排列的規(guī)則性、復(fù)雜性高，要求模仿人手的精巧性。這也是國(guó)外軟袋裝箱生產(chǎn)線無(wú)法在鹽業(yè)自立袋裝箱領(lǐng)域使用的原因。

本線針對(duì)上述兩個(gè)難點(diǎn)做針對(duì)性設(shè)計(jì)和研究，引入并聯(lián)機(jī)器人作為裝箱的主要功能部件，并將其中間軸更改為抓手翻轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)軸，這對(duì)并聯(lián)機(jī)器人是創(chuàng)新性改進(jìn)，由于該改進(jìn)的成功，從而使抓袋的方式和自立袋規(guī)則排序得已實(shí)現(xiàn)，配以氣動(dòng)夾爪，可以完成穩(wěn)定的立式袋裝箱。本線的自立袋的裝箱設(shè)計(jì)是按4 800包／h的產(chǎn)能匹配，本線具有很高的擴(kuò)展性，在未來(lái)對(duì)于高產(chǎn)能的匹配，可以在同樣的布局方式下增加一個(gè)并聯(lián)機(jī)器人裝箱，其它不需做大的改變，只需按產(chǎn)能重新匹配輸送機(jī)參數(shù)，這樣一條高速的集成線可以代替兩條手工線。抓取式的自立袋裝箱生產(chǎn)線拾取方式適用范圍廣，不僅在鹽業(yè)自立袋，還可以推廣在食品、醫(yī)藥等行業(yè)的軟袋包裝，對(duì)傳統(tǒng)的吸盤(pán)拾取的方式在穩(wěn)定性、拾袋準(zhǔn)確性有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)見(jiàn)該生產(chǎn)線在未來(lái)有很好的應(yīng)用前景。

本線也存在著一些缺陷，如局部零件抗腐蝕性較差，在使用6個(gè)月后會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，在今后改進(jìn)中須采用抗腐蝕材料如304、316L或非金屬材料［7］替換。

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