基于并聯機器人的立式袋裝箱線

陳 羿 姜衛國

CHEN Yi 1，2 JIANG Wei－guo 1，2

（1.武漢人天包裝技術有限公司，湖北 武漢 430205；2.中南包裝機械研究所，湖北 武漢 430205）

（1.Wuhan Rentian Packaging Technology CO.，LTD.，Wuhan，Hubei 430205，China；2.Zhongnan Institute of Packaging Machinery，Wuhan，Hubei 430205，China）

中國現有的立式袋裝箱生產線，自動化程度較低，且存在立式袋排列雜亂、落位不準、裝箱數量不準、故障率高等問題，故一直沒有得到廣泛的應用。目前國外在機器人軟袋裝箱上有一定的應用，受限于生產環境，軟袋的樣式、排列方式等因素使用范圍較窄。國外機器人軟袋裝箱普遍采用真空吸盤吸取軟袋的方式來拾袋，這種拾袋方式容易出現掉袋、漏袋的現象。在粉塵多的環境下，真空系統和真空元器件很容易堵塞，導致生產線停機頻繁，維護時間長成本高，生產效率低。

目前中國現有立式袋裝箱線設備尚未針對上述并聯機器人軟袋裝箱存在的缺陷，對并聯機器人進行局部改進。由此可見，并聯機器人裝箱線可以對抓手結構進行適當改造以便適應立式袋多元化的裝箱形式和排列方式。

1 立式袋裝箱生產線原理及結構

1.1 立式袋裝箱排列方式

由于立式袋本身形狀的特點，對裝箱的排列要求較高。要求在橫向（X）上頭對頭排列，在縱向（Y）上依次重疊排列，以達到紙箱容積的最大利用率，見圖1。

圖1 立式袋排列樣式Figure 1 Pattern of pouch bags

在X方向上頭對頭重疊放置，在Y方向上重疊放置，整個放置次序按圖1所示排列方式依次放入箱中，放滿10包為1層，放滿4層為1箱。按上述排列方法可以最大限度地利用紙箱容積放置立式袋，節約紙箱成本，同時在紙箱碼垛時，受壓不容易變形。對于不同的規格，層數不同，每層包數不同，本排列方式同樣適用。

1.2 立式袋裝箱工藝流程

圖2是立式袋裝箱工藝流程：由開箱封底機生產出空箱，經過空箱輸出和空箱定位傳輸流程，同時水平自動給袋機生產出立式袋；經過立式袋輸送環節，由并聯機器人將立式袋抓起并放入空箱內，裝好袋的成品箱經流水線輸出，最后完成折蓋封箱。圖2方框內內容為重點工藝部分，詳細說明見圖3。

圖2 立式袋裝箱工藝流程Figure 2 Technical process of carton packaging line for vertical pouch

圖3是立式袋裝箱工序：立式袋和空箱均按圖示運行方向運輸，并聯機器人將包1抓起，逆時針方向旋轉90°，放入箱內1位置；并聯機器人將包2抓起，順時針方向旋轉90°放入箱2位置。如此依次將立式袋抓入箱中，直至箱滿，在整個裝箱過程中，立式袋和空箱均保持勻速。

圖3 立式袋裝箱工序Figure 3 Procedure of vertical pouch carton packaging

1.3 立式袋裝箱原理

圖4為目前市場上通用并聯機器人示意圖。

圖4 并聯機器人主視圖Figure 4 Main view of parallel robot

由圖4可知，并聯機器人連接法蘭和旋轉軸在第1、2、3軸的驅動下，在規定范圍內可以在X、Y、Z三坐標系空間內移動，同時旋轉軸在第4軸驅動下做繞Z軸的順時針或逆時針旋轉運動［1］。

這種運動方式顯然不能滿足立式袋裝箱的工藝要求，由圖3可知，立式袋不僅需要在X、Y、Z三坐標系空間內移動，同時需要繞X 軸方向的正、反旋轉運動［2，3］。

如圖5所示，在機器人連接法蘭上固定安裝座，在機器人軸和中軸上分別安裝一對圓錐齒輪，在第4軸的驅動下，中軸就可完成繞X軸方向的正、反旋轉運動，經過上述改進后，完全滿足圖3所示工藝要求。

圖5 機器人改進說明Figure 5 Introduction of improved parallel robot

1.4 并聯機器人立式袋裝箱生產線的結構

圖6是并聯機器人立式袋裝箱布置圖，裝箱線主要設備包括紙箱供給裝置1、立式袋輸送裝置2、紙箱定位傳輸裝置3、并聯機器人4以及翻轉抓手5等部分。供箱系統產出空箱，經過紙箱供給裝置1傳輸，并將空箱送入紙箱定位傳輸裝置2。同時立式袋在立式袋輸送裝置3上勻速運行，并聯機器人4用翻轉抓手5同步將立式袋裝入箱內，完成裝箱全過程。

圖6 生產線平面布置圖Figure 6 Layout plan of production line

2 主要結構設計

2.1 紙箱供給裝置

圖6中紙箱供給裝置1為紙箱鏈板輸送線。

根據目前鹽業單線生產線的產量來匹配送箱鏈板機。通常自立袋一條線產量為60～80包／min，每箱裝自立袋為40包。紙箱長度為0.42 m，紙箱的輸送需滿足上述裝箱要求。下面以上述要求為例，計算鏈板機的速度。

設Q為自立袋產量（范圍60～80包／min），S為每箱所裝自立袋包數。B為每分鐘必須提供的箱數，為保證紙箱供應，紙箱供應數量必須大于生產所需，則有：

Q取最大值＝80包／min，S＝40包，代入式（1）得：

B＝2箱／min

作為紙箱儲備，通常會有一定紙箱的儲存量，因客戶的需求而不同，一般為生產所需的1.2倍。不妨設儲備系數k＝1.2，G為實際每分鐘供箱數，則有

由式（2）可知，已知紙箱長度和實際每分鐘供箱數，可求鏈板機的線速度。不妨設l為紙箱的長度（m）；V1為鏈板輸送的線速度（m／min）；

將l＝0.42，G＝2.4代入式（3）可得

V1＝0.42×2.4＝1 m／min

如圖6所示，紙箱供給裝置鏈板輸送線的長度按客戶現場要求而定，其展開長度為5 m，已知單個紙箱重量為0.5 kg。

不妨設鏈板輸送線長度為L （m），單個紙箱重量為g （kg），鏈板所受負載為F （kg），則有

將上述值代入得：

根據上述所求鏈板機的線速度V1、負載F和鏈板機長度L，以及紙箱尺寸及方案幾何尺寸的要求，可選購紙箱供給裝置。

2.2 立式袋輸送裝置

圖6所示中立式袋輸送裝置2為立式袋鏈板輸送線。

立式袋輸送線輸送的為自立袋鹽包，立式袋鹽包長0.18 m，寬0.12 m，高0.04 m，單個鹽包重0.4 kg。已知該鏈板機的長度為4 m，鹽包沿長度方向運輸。

鹽包在輸送過程中一般要求每2個鹽包之間有1個鹽包長度的間隔，以方便光電的檢測和抓取鹽包。本機間隔長度為0.04 m［4］。

不妨設ly為鹽包長度（m）；lj為鹽包間隔長度（m）；ll為鏈板機長度（m）；V2為鏈板機的線速度（m／min）。已知Q為自立袋產量（范圍60～80包／min），為保證產量，鏈板機必須每分鐘輸送Q個lj＋ly的長度，則有：

Q 取最大值＝80包／min，ly＝lj＝0.18 m，代入式（5），則有：

V2＝80×（0.18＋0.18）

V2＝28.8 m／min

不妨設單個紙箱重量為gj（kg），鏈板所受負載為Fj（kg），則有，計算負載Fj，就是計算在V2速度下，鏈板輸送線上所運行的鹽包總數的重量。

將gj＝0.4，ll＝4，ly＝lj＝0.18 m代入式（6），得

根據上述所求鏈板機的線速度V2、負載Fj和鏈板機長度ll，以及立式袋鹽包尺寸及圖6布置圖中幾何尺寸的要求，可選購紙箱供給裝置。

2.3 紙箱定位傳輸裝置

如圖7所示，紙箱由推塊推送，避免了紙箱傳遞過程中出現打滑等現象，使運送精確，便于機器人裝箱［5］。

圖7 紙箱定位裝置視圖Figure 7 View of carton positioning device

為方便紙箱進入擋塊之間的空檔，一般L2比紙箱長40 mm，則有：

已知l＝0.42代入式（7），得

L2＝（0.42＋40÷1 000）＝0.46 m

鏈板機的速度為了匹配產能，見式（1），應滿足B＝2箱／min的運輸速度。

不妨設V3為定位傳輸鏈板輸送的線速度（m／min）。

V3＝2×0.46＝0.92 m／min

如圖7所示，鏈板機長度為3.3 m，其上可放置7個紙箱，機器人從左數第3箱開始裝箱，這樣在輸送鏈上始終有2個空箱和5個滿箱的負載。不妨設F3為定位傳輸鏈板輸送負載（kg）；P1為圖7所示線上空箱個數；P2為圖7所示線上滿箱個數，則有

分別將已知P1＝2，P2＝5，g＝0.5，s＝40，gj＝0.4代入式（9）得：

F3＝2×0.5＋5×（0.5＋40×0.4）＝83.5 kg

根據上述主要參數V3、F3、L2和方案所確定的幾何位置尺寸可選購紙箱定位傳輸鏈板輸送線。

2.4 并聯機器人的選取

并聯機器人的選取要求為4軸機器人，可根據實際要求空間運動范圍、運動速度、負載大小、定位精度等參數選取。本線選取的是IRB360并聯機器人。

2.5 翻轉抓手工作原理

翻轉抓手視圖見圖8。工作原理：左夾板17、右夾板18裝在氣爪13上，這樣通過氣爪13的打開和合攏用于夾持和放開自立袋，氣爪13固定在擺臂14上，擺臂14通過平鍵C12與中軸8連接，中軸8的往復轉動將帶動氣爪13往復轉動。中軸8兩端分別裝有角接觸球軸承A9、角接觸球軸承B16，以承受中軸8旋轉帶來的軸向力和徑向力，兩端軸承分別裝在左立板15、右立板10上。圓錐齒輪A6通過平鍵5與機器人軸3連接，底部裝有單向推力球軸承4以克服旋轉產生的軸向力，圓錐齒輪B7通過平鍵B11裝在8上，一對齒輪相互嚙合［6］，這樣當機器人軸3沿Z軸往復旋轉時，帶動氣爪13沿X坐標往復旋轉。同時機器人法蘭1沿迪卡爾坐標系的空間移動，也帶動氣爪13以同樣方向和距離的移動。

按上述結構的設計，氣爪能完成立式袋的抓取、翻轉的功能，配以并聯機器人的空間位置移動和第4軸驅動，能準確地按前述的排列要求將立式袋放如箱內，如此往復抓取、翻轉、放置，直至完成整個裝箱全過程。

圖8 翻轉抓手視圖Figure 8 View of rotating gripper

本線主要參數：功率為4.5 kW，氣壓為0.6 MPa，耗氣量為200 L／min，滿足產能為立式袋4 800包／h的裝箱。

3 試驗分析

本生產線在鹽業立式袋裝箱的現場進行了試機，生產現場有兩條手工線和這條立式袋裝箱線，經過了長達6個月試機。參數比較見表1。

表1 立式袋裝箱線與手工裝箱線成本對比分析Table 1 The cost comparison and analysis of automatic carton packaging line for vertical pouch and manual carton packaging line

通過上述對比，本生產線可節省人員4人，按4人的用人成本來算，一年可收回機器成本。更為主要的是減少了人為因素造成的產品錯誤率，避免了環境對人員的傷害。國外的軟袋裝箱線由于受立式袋形狀和使用環境的限制，目前在鹽業行業無明確的應用。

4 結束語

本研究提出了基于并聯機器人的立式袋裝箱線，將并聯機器人用于立式袋裝箱，擴大了并聯機器人在包裝行業的應用范圍，同時也解決了立式袋排列次序復雜，定位要求高，自動化程度要求高的難題。本立式袋裝箱生產線的研制成功，很好地解決了自立袋裝箱由人工轉為自動化裝箱的問題。對于自立袋裝箱的難點一個在于軟袋形狀的不規則性，另一個難點是自立袋裝箱排列的規則性、復雜性高，要求模仿人手的精巧性。這也是國外軟袋裝箱生產線無法在鹽業自立袋裝箱領域使用的原因。

本線針對上述兩個難點做針對性設計和研究，引入并聯機器人作為裝箱的主要功能部件，并將其中間軸更改為抓手翻轉軸的驅動軸，這對并聯機器人是創新性改進，由于該改進的成功，從而使抓袋的方式和自立袋規則排序得已實現，配以氣動夾爪，可以完成穩定的立式袋裝箱。本線的自立袋的裝箱設計是按4 800包／h的產能匹配，本線具有很高的擴展性，在未來對于高產能的匹配，可以在同樣的布局方式下增加一個并聯機器人裝箱，其它不需做大的改變，只需按產能重新匹配輸送機參數，這樣一條高速的集成線可以代替兩條手工線。抓取式的自立袋裝箱生產線拾取方式適用范圍廣，不僅在鹽業自立袋，還可以推廣在食品、醫藥等行業的軟袋包裝，對傳統的吸盤拾取的方式在穩定性、拾袋準確性有明顯的優勢，可以預見該生產線在未來有很好的應用前景。

本線也存在著一些缺陷，如局部零件抗腐蝕性較差，在使用6個月后會出現腐蝕現象，在今后改進中須采用抗腐蝕材料如304、316L或非金屬材料［7］替換。

1 王朋，段志善，賀利樂，等.新型六自由度并聯機器人工作空間分析［J］.機械科學與技術，2007（4）：5～10.

2 潘芳偉，盧菊洪，賀利樂.基于模糊遺傳算法的新型六自由度并聯機器人運動學分析［J］.機床與液壓，2009（1）：35～38.

3 高峰，楊加倫，葛巧德.并聯機器人型綜合的GF集理論［M］.北京：科學出版社，2011：41～47.

4 王玉新.機構創新設計方法學［M］.天津：天津大學出版社，1996：80～95.

5 胡宗武，徐履冰，石來德.非標準機械設備設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002：288～313.

6 高德.包裝機械設計［M］.北京：化學工業出版社，2005：120～132.

7 金國珍.工程塑料［M］.北京：化學工業出版社，2001：438～463.