黃瑞華 周建鵬

摘 要：針對(duì)紙尿褲包裝線實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)要求，本文介紹了有關(guān)碼垛機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，主要包括整個(gè)全自動(dòng)化包裝生產(chǎn)線上的全自動(dòng)棧板機(jī)的設(shè)計(jì)，四工位緊湊型機(jī)器人碼垛系統(tǒng)以及碼垛中轉(zhuǎn)裝置，解決了自動(dòng)棧板與智能機(jī)器人碼垛等問(wèn)題。投入的實(shí)際生產(chǎn)表明碼垛機(jī)器人系統(tǒng)能跟上前道工序的節(jié)拍，大大提高了紙尿褲自動(dòng)化包裝的生產(chǎn)效率，有助于提高國(guó)產(chǎn)包裝自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：智能自動(dòng)化；紙尿褲包裝；機(jī)器人

1 緒論

目前在中國(guó)，紙尿褲生產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但是后續(xù)的包裝大多企業(yè)仍采用人工或半自動(dòng)化方式。在當(dāng)前要求產(chǎn)品能快速推向市場(chǎng)的背景下，產(chǎn)品包裝的自動(dòng)化也勢(shì)在必行。進(jìn)行智能自動(dòng)化生產(chǎn)升級(jí)可解決目前人力成本增加，重復(fù)單調(diào)的工作越來(lái)越難招工的問(wèn)題。[1]歐美國(guó)家的紙品包裝智能裝備公司技術(shù)領(lǐng)先，世界上的主要紙品包裝行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)大都位于德國(guó)、意大利和美國(guó)。[2]但是，由于對(duì)中國(guó)進(jìn)行了技術(shù)封閉，這成為阻礙中國(guó)紙品行業(yè)企業(yè)向自動(dòng)化轉(zhuǎn)型的最大障礙。雖然中國(guó)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行了研發(fā)，但是，這些高端的自動(dòng)化包裝設(shè)備，屬于復(fù)雜的系統(tǒng)，其速度快且精度高，涉及機(jī)械、電器、氣路、真空、液壓、激光檢測(cè)、無(wú)線控制、整線集成等多個(gè)方面的全方面技術(shù)，因此實(shí)現(xiàn)包裝的全面自動(dòng)化需克服諸多難點(diǎn)技術(shù)。[3]

針對(duì)紙尿褲包裝自動(dòng)化裝箱后的碼垛要求，設(shè)計(jì)了基于工業(yè)機(jī)器人的紙箱碼垛系統(tǒng)。其主要包括全自動(dòng)棧板機(jī)，四工位碼垛機(jī)器人以及碼垛中轉(zhuǎn)裝置，三者對(duì)整個(gè)包裝線起著關(guān)鍵的作用，因此在本文將著重闡述三者的應(yīng)用。

2 關(guān)鍵單元的設(shè)計(jì)

2.1 全自動(dòng)棧板機(jī)設(shè)計(jì)

棧板主要作為一種托盤可將一箱箱紙尿褲碼垛在其上，是自動(dòng)化包裝線的機(jī)器人碼垛的關(guān)鍵模塊。本文針對(duì)傳統(tǒng)棧板機(jī)存在結(jié)構(gòu)龐大的缺點(diǎn)，在全自動(dòng)紙尿褲包裝線中設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)棧板供應(yīng)器。如圖1所示，是整個(gè)全自動(dòng)棧板供應(yīng)器整體效果圖。主要由1.前導(dǎo)向裝置 2.左右提升機(jī)構(gòu) 3.后支撐板三部分組成。其由插盤機(jī)構(gòu)與提升升機(jī)構(gòu)配合鏈條式輸送機(jī)聯(lián)合使用以達(dá)到高效運(yùn)送、整理空棧板的功能。該系列適用于各種棧板的拆分，可應(yīng)用于日化、醫(yī)藥、食品、飲料、倉(cāng)庫(kù)等行業(yè)。

前導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要是為了防止棧板進(jìn)入的時(shí)候卡住而起的一個(gè)導(dǎo)向作用。內(nèi)部裝有光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)棧板是否到位，控制按鈕用來(lái)手動(dòng)控制棧板的碼垛和缷跺。左右插盤提升機(jī)構(gòu)主要由主體架，插盤機(jī)構(gòu)，提升機(jī)構(gòu)三部分組成。其工作原理是當(dāng)棧板到位時(shí)，插盤氣缸動(dòng)作將棧板插住，然后提升氣缸將其提起或放下，當(dāng)棧板到達(dá)其所需位置時(shí)插盤氣缸再次動(dòng)作收回插舌。左右主體架外形結(jié)構(gòu)為對(duì)稱安裝，均采用有優(yōu)質(zhì)碳鋼焊接而成，表面烤漆處理，結(jié)構(gòu)牢固外形美觀。其左右主體架上部均設(shè)計(jì)有斜坡，以便棧板下落作導(dǎo)向用。

該全自動(dòng)棧板機(jī)具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。其底部離地面低，能適用人力叉車的拆/碼棧板，同時(shí)配合輸送線使用也可完成自動(dòng)供應(yīng)棧板的要求。

2.2 四工位緊湊型碼垛機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)紙尿褲包裝的全自動(dòng)化碼垛，在生產(chǎn)線上基于德國(guó)庫(kù)KUKA機(jī)器人[4]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套四工位碼垛機(jī)器人系統(tǒng)。該機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)設(shè)備精確運(yùn)動(dòng)控制并利于員工方便操作、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度快，能滿足客戶需求。整個(gè)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如2所示：

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)作業(yè)時(shí)，整個(gè)碼垛機(jī)器人系統(tǒng)工作流程如圖3所示。產(chǎn)品從1進(jìn)料輸送線輸入，通過(guò)推料氣缸將產(chǎn)品輸送到產(chǎn)品抓取線進(jìn)行排列；由機(jī)器人將排列好的產(chǎn)品抓取。

之后到產(chǎn)品碼垛區(qū)的棧板上進(jìn)行碼垛?？諚０逵蓷０骞?yīng)器逐個(gè)放出，通過(guò)空棧板輸線帶輸送到空棧板等待區(qū)；再由空棧板推進(jìn)機(jī)構(gòu)將棧板推到產(chǎn)品碼垛區(qū)，然后機(jī)器人對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行碼垛，碼垛完成后由滿垛輸送線將滿跺產(chǎn)品輸送出。

2.3 碼垛中轉(zhuǎn)裝置

裝置在轉(zhuǎn)移、拆盤或碼垛棧板時(shí)常常涉及到棧板的升降及移動(dòng)動(dòng)作。傳統(tǒng)的方式[5]采用液壓或氣動(dòng)的方式進(jìn)行升降，其升降導(dǎo)向則采用導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)，其存在一定的缺陷。工作現(xiàn)場(chǎng)必須具有氣源或液壓源，液壓源存在較大的泄露隱患，而采用氣源進(jìn)行升降時(shí)運(yùn)行噪音較大。升降導(dǎo)向采用導(dǎo)柱導(dǎo)套結(jié)構(gòu)，其雖然能夠很好的進(jìn)行垂直導(dǎo)向，但對(duì)加工精度以及整體精度要求較高，否則會(huì)降低導(dǎo)柱導(dǎo)套的使用壽命。因此，在智能自動(dòng)化紙尿褲包裝線上創(chuàng)新性的研發(fā)了一種適用性高、運(yùn)行平穩(wěn)可靠且噪音低的碼垛中轉(zhuǎn)裝置。

碼垛中轉(zhuǎn)裝置外形由圖4 所示，主要由固定底座，升降平臺(tái)和輸送滾筒組構(gòu)成。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺桿機(jī)構(gòu)并配合相應(yīng)的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸送滾筒組的升降，無(wú)需氣源或液壓站，對(duì)操作環(huán)境的要求低，適應(yīng)性高、 改良難度小，且運(yùn)行噪音低，可以便捷地使用于絕大多數(shù)的輸送場(chǎng)合.導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用導(dǎo)向輪、導(dǎo)軌、齒輪、齒條等多種導(dǎo)向相結(jié)合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)、可靠。碼垛中轉(zhuǎn)裝置的放置情況如圖5所示，在自動(dòng)化包裝線上將兩臺(tái)鏈條式輸送機(jī)末端與碼垛中轉(zhuǎn)裝置相連接，能夠便捷快速的完成對(duì)紙箱的中轉(zhuǎn)輸送。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比與分析

在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，如圖6所示是本文所設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行紙箱碼垛的工作過(guò)程，從圖中（a）紙箱從輸送線輸送至碼垛機(jī)器人工作位置開(kāi)始，經(jīng)過(guò)了（b）由碼垛吸盤抓手抓取紙箱，（c）運(yùn)送紙箱，（d）安全將紙箱放下的一系列流程。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，如表1所示，該機(jī)器人的工作效果與國(guó)內(nèi)外主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，紙箱碼垛速率能達(dá)到15箱/每分鐘。具體有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）使得原有一條紙尿褲包裝線的用工數(shù)從30多人縮減為1人，大量解放勞動(dòng)力。

（2）機(jī)器人具有很高的人性化設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)便且安全。

（3）機(jī)器人碼垛范圍大，適用產(chǎn)品范圍廣，產(chǎn)品碼垛后整齊且美觀。

（4）碼垛效率在國(guó)內(nèi)外具有明顯優(yōu)勢(shì)。

4 總結(jié)

針對(duì)智能自動(dòng)化紙尿褲包裝生產(chǎn)線的紙箱碼垛要求，本文介紹了研發(fā)的碼垛機(jī)器人系統(tǒng)，包括：全自動(dòng)棧板機(jī)，碼垛中轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及緊湊型碼垛機(jī)器人系統(tǒng)的。全自動(dòng)化棧板機(jī)構(gòu)方便、高效、可靠。碼垛中轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)。，研發(fā)的四工位緊湊型機(jī)器人碼垛系統(tǒng)，大大提高了生產(chǎn)效率。從實(shí)際包裝的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中進(jìn)行效率對(duì)比中可見(jiàn)，紙箱碼垛機(jī)器人系統(tǒng)能夠跟得上前道工序（理片、裝箱等）的節(jié)拍，滿足了生產(chǎn)線速度快、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等要求，提高了國(guó)產(chǎn)包裝機(jī)械設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)力，可促進(jìn)國(guó)內(nèi)紙品包裝行業(yè)的全面升級(jí)。

5 鳴謝

感謝有關(guān)項(xiàng)目的資助：江蘇省六大人才高峰（ZBZZ-023），南通市應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目（GY12016003）

參考文獻(xiàn)：

[1]本刊輯.我國(guó)智能包裝的發(fā)展現(xiàn)狀與問(wèn)題[J].廣東印刷，2016（1）：13-14.

[2]潘小青.國(guó)外包裝機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（12）：215-215.

[3]吳士寶.中國(guó)包裝行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展的挑戰(zhàn)與機(jī)遇分析[J].綠色包裝，2017（10）：41-44.

[4]申海鵬.庫(kù)卡展示新型QUANTEC碼垛機(jī)器人助力包裝工業(yè)[J].食品安全導(dǎo)刊，2013（4）：37-37.38（5）：40-44.

[5]李紅果，劉新樂(lè)，徐德眾，等.一種多垛型機(jī)器人碼垛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2017，38（5）：40-44.

[6]謝晉，張偉，金杰峰，等.碼垛生產(chǎn)線物流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014（16）：134-140.

作者簡(jiǎn)介：黃瑞華（1980-），男，江蘇海門人，本科，中級(jí)職稱，裝箱機(jī)，開(kāi)箱機(jī)及生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)方向。