劉家晟，王曉磊，李 放

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州121001）

包裝箱堆垛機設(shè)計

劉家晟，王曉磊，李 放

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州121001）

研究了一種新型的包裝箱堆垛機，可實現(xiàn)流水線上包裝箱的堆垛。介紹了該堆垛機的總體機械結(jié)構(gòu)方案及相關(guān)的硬件電路，編制了相應(yīng)的程序流程。該包裝箱堆垛機能適用于各種場合，性價比較高。

包裝箱堆垛機；PLC控制；步進(jìn)控制

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在的工廠越來越多的引入機電一體化設(shè)備，這些自動化設(shè)備，不僅提高了工作效率，而且很大限度的節(jié)省了人力資源。碼垛是生產(chǎn)過程中一個重要的環(huán)節(jié)，對大量產(chǎn)品進(jìn)行堆碼，人力已經(jīng)不能勝任，因此自動化碼垛設(shè)備就顯得尤為重要。本文針對規(guī)格為350 mm×210 mm×230 mm、負(fù)載在10 kg的紙箱進(jìn)行碼垛運輸而設(shè)計了一臺堆垛機，用于在流水線最后一步將包裝箱自動堆成垛。

一般的堆垛機具有二維移動、三維移動本體或者多自由度的串聯(lián)機器人來完成堆垛，而且大多手部機構(gòu)采用的機械夾手，比較繁瑣。本文提出的堆垛機除了具備傳統(tǒng)三維堆垛機的本體結(jié)構(gòu)，同時采用氣動吸盤的抓取結(jié)構(gòu)形式，增加了回轉(zhuǎn)氣缸的關(guān)節(jié)，可以實現(xiàn)紙箱相位90度的擺放，使傳統(tǒng)的堆垛機更加靈活，且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，滿足工藝要求。文中首先給出了介紹了碼垛機的機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖，然后介紹了控制系統(tǒng)的設(shè)計及軟件的設(shè)計，最終實現(xiàn)了預(yù)期功能。本次設(shè)計的碼垛機具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點，提高了工作效率，節(jié)省人力資源。

1 包裝箱堆垛機結(jié)構(gòu)簡介

工藝要求：傳動帶傳送包裝好的包裝箱，由傳感器檢測到位后，由碼垛機進(jìn)行碼垛，控制器控制三維空間的移動、手部轉(zhuǎn)動、與吸盤的抓球，實現(xiàn)堆垛。根據(jù)要求設(shè)計的碼垛機總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由以下幾部分組成：

1）框架，由于鋁合金型材具有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、維護(hù)費低等多種優(yōu)點，所以堆垛機主體框架采用鋁合金型材構(gòu)成，型材之間用T型螺栓連接。

2）動力系統(tǒng)。由于設(shè)備抓取的包裝箱具有位置要求，所以XYZ三軸采用步進(jìn)電機來提供動力。

3）傳動裝置。傳動裝置Y、Z兩軸由于距離較長，所以采用齒輪齒條傳動，以實現(xiàn)精確定位。X軸采用同步帶傳動具有平穩(wěn)的特點，同時配合傳感器限位。

4）手部結(jié)構(gòu)。采用了擺動氣缸+真空吸盤的結(jié)構(gòu)。

紙箱的運送采用傳送帶傳送，通過傳感器感應(yīng)達(dá)到對紙箱定位的目的。

圖1 包裝箱堆垛機結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能，主要控制對象有3個步進(jìn)電機、吸盤、回轉(zhuǎn)氣壓缸。根據(jù)控制要求，I/O分配表如表1所示。

表1 I/O地址分配表

控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器，通過傳感器限位開關(guān)來來給PLC信號，PLC經(jīng)過邏輯處理通過步進(jìn)電機驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機做出相應(yīng)的動作，獲通過電磁閥控制旋轉(zhuǎn)氣缸或吸盤動作?？刂瓶傮w方案如圖2所示。

圖2 控制總體方案

3 軟件流程圖設(shè)計

根據(jù)工藝要求，編制了程序流程圖，如圖3所示。首先程序初始化，傳送帶啟動，開始堆垛。此時X、Y協(xié)調(diào)運動到待抓取包裝箱上方停止，等待抓取。傳感器檢測包裝好的包裝箱到位后，Z軸下降，真空吸盤吸取，旋轉(zhuǎn)氣缸根據(jù)放置的位置來判斷是否旋轉(zhuǎn)，X、Y、Z軸一起運動，來進(jìn)行碼垛。通過堆垛機上的傳感器檢測是否堆滿，如果這個垛已堆滿，由傳送線送出，這樣可以保證在每一次開始堆垛之前，上一次的垛已經(jīng)送出。

圖3 程序流程圖

4 結(jié)束語

該設(shè)備能較好的實現(xiàn)預(yù)期功能，具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單的特點；采用了步進(jìn)電機配合同步帶與齒輪齒條、擺動氣缸、吸盤的抓取結(jié)構(gòu)，使機構(gòu)更緊湊，更加靈活，滿足工藝要求。

[1]張志義.機電傳動控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009

[2]張偉社.機械原理教程[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[3]周國雄，晏密英.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計精講[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[4]機械設(shè)計手冊編委會．機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[5]王曉磊，李曉丹.基于PLC的高壓測漏機控制系統(tǒng)設(shè)計與分析[J].機床與液壓，2013，4（8）：102-103.

The Design of Packing Box Stacker

LIU Jia-sheng，WANG Xiao-lei，LI Fang
（College of Mechanical Engineer and Automation，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121000，China）

A new type of packing box stacker is studied，which can realize the stacking of packing boxes on the pipeline.The overall mechanical structure and related hardware circuits of the stacker are introduced，and the corresponding software program is worked out.The packing box stacking function is suitable for various occasions，and the cost performance is higher.

packing box stacker；PLC control；stepping control

S817.11+6

A

1672-545X（2017）08-0269-02

2017-05-05

劉家晟（1994－），男，湖北鄂州人，本科在讀，研究方向：機械電子工程；王曉磊（1979-），男，遼寧錦州人，副教授，碩士，研究方向：自動控制。