秦建國(guó)，張旭東

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古，呼和浩特 010051）

目前，小型碼垛普遍采用人工碼垛方式，效率低、人工成本高、工作環(huán)境惡劣及安全生產(chǎn)隱患多等問題突出。本文通過設(shè)計(jì)一個(gè)碼垛烘干一體機(jī)，將原來使用人工進(jìn)行碼垛的流程簡(jiǎn)化，減少人工的使用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化碼垛過程，效率更高，可以降低產(chǎn)品生產(chǎn)的成本[1]。

1 碼垛烘干一體機(jī)的設(shè)計(jì)

碼垛機(jī)構(gòu)是碼垛烘干機(jī)最重要的結(jié)構(gòu)之一，而設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)碼垛功能時(shí)，應(yīng)該充分考慮理想的碼垛效果，還需要考慮托盤的尺寸規(guī)格，托盤是物流產(chǎn)業(yè)中最為基本的集裝單元和搬運(yùn)器具[2]。

1.1 設(shè)計(jì)思路

產(chǎn)品在托盤上堆碼的方式有4 種：重疊式、交錯(cuò)式、縱橫式和旋轉(zhuǎn)式，要求托盤表面的利用率不低于80%[3]。而具體碼垛的方式則要根據(jù)產(chǎn)品的形狀尺寸選定，產(chǎn)品單個(gè)尺寸的長(zhǎng)寬高為595mm×595mm×95mm，如圖1 所示，設(shè)計(jì)為垂直縱向碼垛，10 個(gè)產(chǎn)品為一垛，總高 0.95m。

常見碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)節(jié)機(jī)器人式、橋式、龍門式等[4]。機(jī)器人碼垛結(jié)構(gòu)一般是多軸結(jié)構(gòu)組成，適合多種尺寸規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行碼垛，但每次只能進(jìn)行一個(gè)碼垛，且碼垛的速度不快；對(duì)于橋式、龍門式的碼垛機(jī)機(jī)構(gòu)，一般較少用于小型紙質(zhì)產(chǎn)品的碼垛。目前，大多數(shù)碼垛裝置都是針對(duì)于大尺寸、表面光滑的工件，末端采用普通吸盤或者特制的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)[5]。根據(jù)本產(chǎn)品的形狀特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種新型的縱向碼垛機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)逐個(gè)連續(xù)碼垛。

圖1 產(chǎn)品包裝成品圖

1.2 碼垛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

碼垛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，圖中1 為導(dǎo)桿氣缸，通過導(dǎo)桿的伸縮帶動(dòng)連接的整型板橫向運(yùn)動(dòng)；圖中2 為整型板，在氣缸的驅(qū)動(dòng)下橫向夾緊疊垛產(chǎn)品；圖中3 為整體機(jī)架，由鋁型材搭配構(gòu)成；圖中4 是推出平臺(tái)，用于堆放碼垛好的疊垛，圖中5為轉(zhuǎn)板裝置，進(jìn)行單向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；圖中6 為超越離合器，保證轉(zhuǎn)板裝置只能單向運(yùn)動(dòng)；圖中7 是暖風(fēng)機(jī)，通過電熱提供暖風(fēng)；圖中8 是空氣噴嘴，將暖風(fēng)機(jī)的暖風(fēng)排出；圖中9 是普通氣缸，在氣動(dòng)作用下使托盤縱向運(yùn)動(dòng)將單個(gè)產(chǎn)品依次推入轉(zhuǎn)板裝置中；圖中10 是托盤；圖中11 是無桿氣缸，可以實(shí)現(xiàn)縱向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連接的推出板，將碼垛完成的產(chǎn)品整垛推出；圖中12 為推出板，進(jìn)行縱向運(yùn)動(dòng)，將碼垛好的產(chǎn)品推出碼垛機(jī)；圖中13 是直線導(dǎo)桿，其上的滑塊與推出板相連，進(jìn)行橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

圖2 碼垛機(jī)主要結(jié)構(gòu)圖

1.3 碼垛機(jī)的工作流程

（1）普通氣缸開始向上運(yùn)動(dòng)，所連接的托盤以及托盤上的產(chǎn)品向上運(yùn)動(dòng)。

（2）上升中的產(chǎn)品上表面與轉(zhuǎn)板的下表面相接觸時(shí)，驅(qū)使轉(zhuǎn)板向兩側(cè)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)普通氣缸的上行行程結(jié)束后，此時(shí)產(chǎn)品接觸的擋板旋轉(zhuǎn)達(dá)到45°位置，產(chǎn)品與擋板不再接觸，此時(shí)產(chǎn)品下表面與擋板上表面接觸。

（3）普通氣缸開始下降行程，回到原始位置，由于轉(zhuǎn)板只能單向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)產(chǎn)品在與托盤不相互接觸時(shí)也會(huì)在轉(zhuǎn)板上保持靜止，不發(fā)生掉落，從而完成一次碼垛的運(yùn)動(dòng)。

（4）在碼垛同時(shí)，暖風(fēng)機(jī)開始工作，將產(chǎn)生的暖風(fēng)經(jīng)過空氣噴嘴輸出，對(duì)紙盒烘干。

（5）經(jīng)過若干次的碼垛后，產(chǎn)品疊垛到達(dá)預(yù)先設(shè)計(jì)高度，此時(shí)整型裝置的導(dǎo)桿氣缸帶動(dòng)整型板進(jìn)行縱向運(yùn)動(dòng)，對(duì)疊垛進(jìn)行整齊，整齊后氣缸回到初始位置。

（6）挺多無桿氣缸連接的推出板將整齊后的疊垛沿推出平臺(tái)推出，推出后，無桿氣缸回到初始位置，完成一次完整的碼垛烘干過程。

2 主要結(jié)構(gòu)工作原理

2.1 轉(zhuǎn)板結(jié)構(gòu)原理

超越離合器具有改變速度、防止逆轉(zhuǎn)、間歇運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)[6]。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于針對(duì)產(chǎn)品的特性設(shè)計(jì)了一種新型的轉(zhuǎn)板結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)板結(jié)構(gòu)和單向超越離合器的功能可以實(shí)現(xiàn)縱向?qū)Ξa(chǎn)品的碼垛。

2.2 推出裝置原理

推出裝置主要由無桿氣缸帶動(dòng)推板，沿直線導(dǎo)軌進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，依靠摩擦力將整個(gè)產(chǎn)品的疊垛推出。本設(shè)計(jì)為2s 完成一次往復(fù)，通過無桿氣缸上的行程開關(guān)設(shè)置相應(yīng)的行程，為了保證在推出過程中疊垛不發(fā)生倒塌，需要對(duì)推出裝置的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。

3 碼垛烘干一體機(jī)的動(dòng)力學(xué)及有限元分析

3.1 轉(zhuǎn)板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及有限元分析

因?yàn)檗D(zhuǎn)板承受一定的載荷，因此有必要對(duì)轉(zhuǎn)板進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，確定轉(zhuǎn)板的材料結(jié)構(gòu)是否能到達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，我們采用UG 中的有限元模塊，對(duì)轉(zhuǎn)板的主要受力結(jié)構(gòu)長(zhǎng)支撐板進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果如圖3 所示：

圖3 轉(zhuǎn)板靜態(tài)受力變形圖

3.2 有限元分析結(jié)論

由于轉(zhuǎn)板是左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，我們對(duì)一側(cè)的轉(zhuǎn)板進(jìn)行力的載荷的施加，施加載荷為60N，方向?yàn)樨Q直向下，在螺栓連接處施加固定約束，最大形變集中在支撐板連接處，約為0.077mm，整體變形非常微小，可以認(rèn)為長(zhǎng)支撐板的結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 耐久性分析

轉(zhuǎn)板在工作時(shí)，所承受的最大載荷也成周期性變化，每個(gè)周期T 是碼垛一次完成的時(shí)間。

安全系數(shù)合理選擇原則是：在安全可靠的情況下，盡可能選擇較小的安全系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法選取安全系數(shù)，如果材料性能數(shù)據(jù)可靠，載荷和應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)確，可取[S]=1.23~1.3[7]，確定安全系數(shù)為1.3。對(duì)于塑性材料，當(dāng)其達(dá)到屈服而發(fā)生顯著的塑性變形時(shí)，即喪失了正常的工作能力，所以通常取屈服極限作為極限應(yīng)力;支撐板材料使用塑性材料，在進(jìn)行耐久性分析時(shí)，設(shè)置使用屈服極限。

綜上所述，給有限元模型指派材料為Iron_40，周期T=60s，安全系數(shù)確定為1.3，設(shè)定循環(huán)的次數(shù)為100000 次，基于以上參數(shù)我們進(jìn)行耐久性的分析。

圖4 疲勞安全系數(shù)結(jié)果圖

圖5 疲勞失效指數(shù)結(jié)果圖

3.4 耐久性分析結(jié)論

根據(jù)分析結(jié)果，強(qiáng)度安全系數(shù)最小為103.66，最大為232676，云圖的分布情況為，右邊緣處的強(qiáng)度先降低，其他位置的強(qiáng)度降低較?。黄诎踩禂?shù)最小為167.479，最大為1088270，云圖分布情況顯示，支撐板不會(huì)發(fā)生疲勞失效；疲勞失效指數(shù)最小為 4.29782×10-6，最大為 0.00946437，根據(jù)判斷標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度安全系數(shù)大于1，表明支撐板的強(qiáng)度滿足要求，疲勞失效指數(shù)小于1，表明支撐板在劃分的有限元單元中，不會(huì)有單元出現(xiàn)疲勞損壞的情況，說明支撐板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及材料選擇達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

3.5 疊垛的運(yùn)動(dòng)仿真

疊垛在被推出時(shí)，最下層的產(chǎn)品被推出板推動(dòng)帶動(dòng)整體疊垛推出，推出時(shí)的行程由兩段組成，第一段，底層產(chǎn)品與作為支撐的產(chǎn)品相互接觸，此時(shí)兩者的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.2，在二段，底層產(chǎn)品與推出平臺(tái)相接觸，此時(shí)兩者的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.12，可以得出，第一段所受的摩擦力最大，底層產(chǎn)品與上層產(chǎn)品分離的趨勢(shì)也越大，簡(jiǎn)化模型得，若在第一段情況下，整體疊垛不發(fā)生相對(duì)位移，就可以保證疊垛在推出過程中不倒塌。

圖6 疊垛各產(chǎn)品位移疊加圖

圖7 疊垛各產(chǎn)品速度疊加圖

在仿真模型中，疊垛中的各個(gè)產(chǎn)品可設(shè)置為帶摩擦的滑動(dòng)副，而最底層的產(chǎn)品可視為主動(dòng)件，需要添加驅(qū)動(dòng)函數(shù)，利用step 函數(shù)時(shí)間設(shè)定為1.3 秒，行程設(shè)定為1000mm，最終求解得到以上曲線圖。

3.6 運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)論

為了直觀地判斷疊垛中的各個(gè)產(chǎn)品是否發(fā)生相對(duì)位移，將疊垛中的十個(gè)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)曲線圖疊加，疊垛中的其他產(chǎn)品與底層產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)曲線相一致，說明疊垛在運(yùn)動(dòng)中，在同一時(shí)刻具有相同的運(yùn)動(dòng)特性，表明疊垛在推出過程中不會(huì)發(fā)生傾倒。

4 結(jié) 語

本文所述的碼垛烘干機(jī)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)板裝置，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品逐層自動(dòng)碼垛，相比人工碼垛，碼垛機(jī)可以快速完成產(chǎn)品碼垛，大大提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，轉(zhuǎn)板碼垛結(jié)構(gòu)更適合產(chǎn)品的特殊形狀，造價(jià)更低，并通過有限元分析仿真等手段，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。