馬桶包裝箱翻轉(zhuǎn)碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)應(yīng)用

卞東龍，孟凡召，何運(yùn)麗

(山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253034；德州市工業(yè)機(jī)器人控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 德州 253034)

0 引言

在衛(wèi)浴陶瓷生產(chǎn)行業(yè)，馬桶作為生活必需品占有很大的比重。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《馬桶行業(yè)市場前瞻與投資規(guī)劃分析報(bào)告》數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年，我國馬桶產(chǎn)量為3 272萬個(gè)；2015年，我國馬桶產(chǎn)量為7 029萬個(gè)，2016年，我國馬桶產(chǎn)量達(dá)到了7 404萬個(gè)，產(chǎn)量還會(huì)逐年增長。

衛(wèi)浴生產(chǎn)車間經(jīng)過產(chǎn)品設(shè)計(jì)、漿料調(diào)配、釉料配置、注漿成型、修坯、檢坯、施釉、裝窯、燒成、檢驗(yàn)、包裝、入庫等步驟，完成了馬桶制作的全部環(huán)節(jié)，其中包裝-入庫環(huán)節(jié)中，馬桶包裝箱的碼垛仍然需要人工完成，碼垛現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 碼垛現(xiàn)場Fig.1 Stacking site

由于馬桶自身形狀不規(guī)則性，在碼垛中需要進(jìn)行翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。人工碼垛存在以下幾個(gè)問題：其一，馬桶外形為不規(guī)則形，為了減少占地和運(yùn)輸空間，需要將馬桶包裝箱翻轉(zhuǎn)180°碼垛。其二，一般馬桶包裝箱單重60 kg，產(chǎn)品尺寸較大，一個(gè)人搬運(yùn)緩慢，效率低。其三，包裝生產(chǎn)線為多款產(chǎn)品共線，并非所有產(chǎn)品均需翻轉(zhuǎn)，種類較多且雜，若采用單一的翻轉(zhuǎn)機(jī)械手，使用率低。其四，產(chǎn)線末端需將共線的多款產(chǎn)品分揀到托盤上，再碼垛，搬運(yùn)碼垛跨度大。其五，工作人員存在自身疲勞等因素，在搬運(yùn)時(shí)可能出現(xiàn)意外，造成產(chǎn)品損壞，甚至造成人員受傷。其六，人工碼垛規(guī)則性不強(qiáng)，碼垛過程中可能會(huì)發(fā)生坍塌，造成生命財(cái)產(chǎn)的損失。

為了改善上述問題，研發(fā)了一款馬桶包裝箱翻轉(zhuǎn)碼垛機(jī)械手系統(tǒng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的人工碼垛過程，該機(jī)械手實(shí)現(xiàn)了馬桶包裝箱翻轉(zhuǎn)碼垛的自動(dòng)化，從根本上避免了翻轉(zhuǎn)碼垛對(duì)碼垛人員生命的潛在威脅。該裝置集合機(jī)械設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)編程、氣壓傳動(dòng)、傳感器等多領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)而成，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)車間翻轉(zhuǎn)碼垛自動(dòng)化及人工遠(yuǎn)程操控，對(duì)于將人工從繁重的勞動(dòng)中解放出來及提高車間翻轉(zhuǎn)碼垛的效率有著重要意義。

1 馬桶包裝箱翻轉(zhuǎn)碼垛機(jī)械手系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馬桶包裝箱翻轉(zhuǎn)碼垛機(jī)械手系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)軌道系統(tǒng)、氣動(dòng)升降系統(tǒng)、氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)、氣動(dòng)夾緊系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成。其中驅(qū)動(dòng)軌道系統(tǒng)包括1605型號(hào)步進(jìn)電機(jī)，導(dǎo)軌采用高精度絲杠導(dǎo)軌，共三組驅(qū)動(dòng)軌道系統(tǒng)；氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)由兩組氣缸及連接三角架組成。根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)和使用要求，通過計(jì)算設(shè)計(jì)合適尺寸的設(shè)備型材支架、氣動(dòng)夾緊翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及氣動(dòng)提升機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行氣缸、三角架等選型，以滿足使用需求。其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.絲杠導(dǎo)軌 2.1605步進(jìn)電機(jī) 3.工件夾具 4.夾緊氣缸 5.三角架機(jī)構(gòu) 6.升降氣缸 7.翻轉(zhuǎn)氣缸 8.翻轉(zhuǎn)氣缸圖2 馬桶包裝箱翻轉(zhuǎn)碼垛機(jī)械手系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of toilet packing box turnover stacking manipulator system

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該碼垛控制系統(tǒng)包括PLC可編程控制器、機(jī)械手控制器、觸摸屏、工控機(jī)、信號(hào)輸人/輸出模塊(包括模擬量和數(shù)字量)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。PLC可編程控制器既接收觸摸屏和工控機(jī)發(fā)出的信號(hào)，機(jī)械手控制器回傳機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)和傳感器采集的信號(hào)，又向機(jī)械手控制器發(fā)出碼垛的相關(guān)指令，向繼電器發(fā)出控制指令；機(jī)械手控制器和PLC可編程控制器通信，互相傳遞信號(hào)來控制機(jī)械手的移動(dòng)。

1.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖3示，設(shè)計(jì)有兩個(gè)平行并列的氣缸和一個(gè)特制三角架(等邊三角形)。兩個(gè)翻轉(zhuǎn)氣缸通過可轉(zhuǎn)動(dòng)連接件，和上方機(jī)架連接固定，其中左側(cè)氣缸連接三角架左側(cè)點(diǎn)，右側(cè)氣缸連接三角架右側(cè)點(diǎn)。預(yù)翻轉(zhuǎn)狀態(tài)為左側(cè)伸長，右側(cè)收縮，工作時(shí)左側(cè)收縮，右側(cè)伸長，帶動(dòng)連接在三角架上的連接桿，曲柄本體，實(shí)現(xiàn)180°翻轉(zhuǎn)。夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)有三個(gè)紅外感應(yīng)器，感應(yīng)夾緊氣缸夾具行程范圍是否有馬桶包裝箱，傳回PLC控制系統(tǒng)，系統(tǒng)回饋是否夾緊。

1.可轉(zhuǎn)連接件 2.連接桿 3.連接桿 4.曲柄本體 5.連接軸承 6.紅外感應(yīng)器 7.夾緊氣缸 8.紅外感應(yīng)器圖3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of turnover mechanism

1.4 馬桶包裝箱翻轉(zhuǎn)碼垛機(jī)械手的工作流程

為了實(shí)現(xiàn)馬桶包裝箱翻轉(zhuǎn)碼垛的工序，采用了氣缸夾緊，氣缸翻轉(zhuǎn)的方法，配合氣缸升降、高精度步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)方式，完成一個(gè)馬桶包裝箱的翻轉(zhuǎn)碼垛，周而復(fù)始完成整個(gè)翻轉(zhuǎn)碼垛工作。

翻轉(zhuǎn)碼垛過程為：裝置提前規(guī)定好移動(dòng)路線，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手部件前往生產(chǎn)線終點(diǎn)，等待馬桶包裝箱到達(dá)指定位置，操作人員按下升降氣缸按鈕，升降氣缸運(yùn)作，機(jī)械手裝置下移，到達(dá)指定高度，紅外識(shí)別是否預(yù)定位置是否有馬桶包裝箱，合理計(jì)算體積、位置，自主選擇最佳角度，夾緊氣缸進(jìn)行移動(dòng)定位，伸出合適的預(yù)夾緊距離，系統(tǒng)自發(fā)啟動(dòng)，夾緊氣缸啟動(dòng)，氣缸夾緊馬桶包裝箱。按下翻轉(zhuǎn)動(dòng)作按鈕，完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作的氣缸、三腳架部件按照設(shè)定好的行程啟動(dòng)，左側(cè)氣缸收縮，右側(cè)氣缸伸長，實(shí)現(xiàn)三腳架、夾緊氣缸、馬桶包裝箱整體翻轉(zhuǎn)180°，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)碼垛工序。再次按下升降氣缸按鈕，升降氣缸收縮，機(jī)械手裝置及馬桶包裝箱上移，按照原本設(shè)定好的行進(jìn)路線，選擇合適的位置進(jìn)行合理擺放。

2 馬桶包裝箱翻轉(zhuǎn)碼垛機(jī)械手系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)

采用五軸設(shè)計(jì)，解決了翻轉(zhuǎn)碼垛困難及跨度大的問題。降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。采用機(jī)械化設(shè)備，降低了廢品率。采用獨(dú)特的翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單小巧，占用空間小，重量輕便。工件夾具的一組夾臂活動(dòng)設(shè)置并通過夾緊驅(qū)動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)，其利用杠桿原理實(shí)現(xiàn)工件的快速夾緊和松開。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用雙氣缸拉動(dòng)曲柄連桿，通過雙氣缸與三角支架的配合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了小氣缸大扭矩，用于工件的翻轉(zhuǎn)。各組件之間裝配方式靈活，可以根據(jù)產(chǎn)品的重量特點(diǎn)選用不同壓力參數(shù)的氣缸。

3 總結(jié)

介紹了一款新型馬桶包裝箱翻轉(zhuǎn)碼垛機(jī)械手系統(tǒng)，完成了衛(wèi)浴產(chǎn)品馬桶最后一步工序——翻轉(zhuǎn)碼垛，代替原有的人工搬運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了工序的自動(dòng)化、智能化。高效的機(jī)械手操作簡單，完全可以替代人工工作，為生產(chǎn)線整體加快了速度，提高了效率。隨著國內(nèi)機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)的不斷成熟，機(jī)械產(chǎn)品中加入了計(jì)算機(jī)編程的元素，使用更加方便，效率更高。相比之下，人工工作的短板越來越突出，效率低下，人工成本較高，不利于企業(yè)的發(fā)展。傳統(tǒng)的人工將逐漸被高效方便的智能機(jī)械所取代，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)機(jī)械化也會(huì)有更好的發(fā)展應(yīng)用前景。未來，機(jī)械手必然將廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)人工產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展趨勢(shì)是資本最大價(jià)值化，最大效率化。效率低、耗資大的人工將逐漸被效率高，耗資小的機(jī)械工作慢慢取代，慢慢改進(jìn)。機(jī)械時(shí)代已初步來臨，利用機(jī)械自動(dòng)化來代替人工是未來企業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。