唐陽洋

（哈工大機器人（合肥）國際創(chuàng)新研究院，安徽 合肥 230601）

0 引言

隨著人們對家裝品質(zhì)要求的提高，越來越多的家庭選擇定制家具進行裝修，造成生產(chǎn)廠家對非標定制家具的加工、輸送、分揀機碼垛的勞動強度增加、效率降低，并且容易出現(xiàn)加工錯誤的產(chǎn)品，在與客戶交流及現(xiàn)場生產(chǎn)工藝的觀察分析后，做出如下自動化設備的設計。

1 設備組成

在現(xiàn)有工廠中，板材主要使用板式家具開料機進行加工，板材的上下料均由人工完成。本文設計的設備系統(tǒng)由上料機器人上料，板式家具開料機加工后，通過視覺系統(tǒng)、輸送分揀機、緩存輸送機、碼垛整形輸送機、碼垛桁架機器人進行輸送、分揀機整形碼垛，如圖1所示。

圖1 布局圖

2 工藝流程

根據(jù)客戶訂單，由上料機器人上料板材至板式家具開料機，板式家具開料機會根據(jù)系統(tǒng)預設在上位機內(nèi)的圖紙及尺寸對板材進行加工，加工后機器人上料至輸送分揀機并輸送至視覺系統(tǒng)處，經(jīng)過視覺系統(tǒng)拍照掃碼并與系統(tǒng)內(nèi)預設的程序?qū)Ρ?，將板材輸送至指定的分揀組件處，并由分揀組件進行阻擋分揀至緩存輸送機，緩存輸送機進行端部對齊整形后送料至碼垛整形輸送機，碼垛整形輸送機通過PLC系統(tǒng)進行產(chǎn)品兩側(cè)的整形對齊，完成后將由碼垛桁架機器人進行抓取碼垛。

3 相關配套設備的設計及優(yōu)點

3.1 視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)選用智能相機進行條碼的拍照并上傳至上位機進行分析、比對，最終發(fā)出產(chǎn)品信息至PLC，實現(xiàn)產(chǎn)品的自動化輸送、分揀及碼垛的控制，拍照的速度快，系統(tǒng)直接讀取信息，不會發(fā)生人為判斷錯誤的問題。

3.2 分揀輸送機

采用滾珠鏈板式輸送機，如圖2所示，當產(chǎn)品前進方向有阻擋時，因為摩擦力以及力與反作用力的原理，如圖3所示，滾珠會旋轉(zhuǎn)并帶動產(chǎn)品向垂直方向運動，實現(xiàn)分揀。

圖2 鏈板式輸送機

圖3 分揀原理圖

3.3 分揀組件

系統(tǒng)設計有3組分揀口，每口有3個分揀位置，共計包含9個分揀位置，滿足訂單內(nèi)大產(chǎn)品、小產(chǎn)品及大小產(chǎn)品混合碼垛時的分揀，整套系統(tǒng)中此處配合分揀輸送機將產(chǎn)品分揀至整形、碼垛的工序，分揀位置的工作選擇是由系統(tǒng)內(nèi)拍照后的信息發(fā)至PLC來實現(xiàn)，準確率及效率都有大幅提高。

3.4 緩存輸送線

此處對接分揀組件及分揀輸送機，每個分揀口可能會錯時分出3件產(chǎn)品至碼垛位，設備實現(xiàn)將3件產(chǎn)品的前端對齊滿足后面碼垛的抓取，緩存輸送線會采用積放滾珠鏈板，如圖4所示，極大地減少了積放時對產(chǎn)品的磨損，同時降低了輸送傳動電機的功率，節(jié)約能耗。

圖4 緩存輸送線

3.5 碼垛整形輸送機

這個位置將是碼垛前的一道整形工序，在前面已經(jīng)將端面對齊，此處將實現(xiàn)產(chǎn)品2 側(cè)的對夾整形，通過伺服電機驅(qū)動正反向的絲桿，實現(xiàn)對中整形的功能，為后面的碼垛帶來便利及碼垛的整齊，輸送機選擇的輸送帶是與運行方向有同軸的旋轉(zhuǎn)軸的滾珠鏈板，如圖5所示，對夾時同樣可減少產(chǎn)品的磨損和電機的功率。

圖5 碼垛整形輸送機

3.6 碼垛機械手

當全部整形完成后，碼垛機械手上的Y軸行走電機驅(qū)動吸盤組件至吸取位置，Z軸是通過氣缸控制，會有3組獨立的升降吸盤組件，碼垛桁架機械手會根據(jù)PLC程序控制吸盤的升降及吸取碼垛，吸取時會根據(jù)PLC的信息選擇必要的吸盤都打開，節(jié)約能耗。

3.7 控制系統(tǒng)

用戶將預設信息導入到上位機，產(chǎn)品上有條碼，在產(chǎn)品通過視覺系統(tǒng)時，視覺系統(tǒng)會將產(chǎn)品信息傳輸至上位機，經(jīng)過上位機的運算以及和預設信息的對比，發(fā)出指令到設備的PLC，輸送、分揀及碼垛設備會根據(jù)PLC的指令完成各自的動作，實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)。

4 效率分析

與滁州某整體櫥柜有限公司交流后得知目前人工此處10h約完成1 800m木工板的分揀、碼垛，現(xiàn)根據(jù)上文設備的設計速度分析計算節(jié)拍，見表1，對比人工完成量：

表1 節(jié)拍分析表

產(chǎn)品范圍為500-2 000mm長，取中假設產(chǎn)品尺寸為1 000×1 000mm，產(chǎn)品間距1 000mm。

設備設計參數(shù)：分揀輸送機V=30m/min=500mm/s，每組產(chǎn)品間距L=6 000mm；緩存輸送機V=30m/min=500mm/s，輸送距離L=2 000mm；碼垛整形輸送機V==60m/min=1 000mm/s，輸送距離L=3 000mm；產(chǎn)品在碼垛輸送機上整形伺服速度V=500mm/s,運行距離L=200mm；碼垛桁架機械手Y 軸伺服運行速度V=60m/min=1 000mm/s，運行距離L=3 000mm，Z軸氣缸速度V=0.6m/s=600mm/s，升降高度L=800mm。

每組產(chǎn)品分揀間隔時間：t=L/V=6 000/500=12s；

產(chǎn)品在緩存輸送機上運行時間：t=L/V=2 000/500=4s；

產(chǎn)品在碼垛整形輸送機上運行時間：t=L/V=3 000/1 000=3s；

產(chǎn)品整形時間：t=2×（L/V）=2×（200/500）=0.8s（整形后需復位）；

碼垛桁架機械手：Z 軸氣缸升降速度t=2×（L/V）=2×（800/600）=2.7s（氣缸升降）；

Y軸伺服運行時間t=L/V=3 000/1 000=3s；

由表6 分析后可得出設備29s 即可完成分揀、碼垛3㎡的木工板；

按照每天10h 工作計算可完成數(shù)量約：[（10×3 600）÷29]×3=3 724㎡>1 800m。

設備10h工作完成的產(chǎn)量遠大于人工10h完成的工作量。

綜上，本文設計的設備可創(chuàng)造的效益遠大于人工操作，同時極大地降低了員工的勞動強度，減少職業(yè)病發(fā)生的概率，給企業(yè)可帶來可觀的經(jīng)濟價值。

5 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展以及中國人口紅利的漸漸消失，木工板加工由人工進行搬運、分揀及碼垛的工藝會因為勞動強度大、勞動環(huán)境惡劣等原因變成沒有員工愿意從事的工作，極大地影響了企業(yè)的發(fā)展，本文設計的設備具有：提高了產(chǎn)品的良率，降低整體成本；改善了人員的勞動強度及讓員工遠離了粉塵大的環(huán)境，提高了生產(chǎn)效率；分揀和碼垛自動化設備具有高效率、高自動化程度、低維護成本、可長時間連續(xù)穩(wěn)定運行等優(yōu)點。

自動化設備的優(yōu)點將在定制家具生產(chǎn)領域中有著廣闊的前景。