醫藥裝盒機自動上盒裝置設計

文/ 孟新

醫藥裝盒機自動上盒裝置設計

文/ 孟新

在制藥行業流水化生產線生產過程中，充分利用自動化機構是十分有必要的——自動裝盒機是用于藥品外包的關鍵設備，現已發展成為高度自動化設備，但小盒上料仍采用人工方式，增加生產成本，影響整線效率，本次設計涉及自動上盒機械手的抓取及輸送機構，并輸送到小盒料倉。機械手采用PLC控制動作，如此實現針對制藥車間內的高效包裝。

在自動化加工、裝配生產線中，能自動完成將工件向加工或裝配機械供給并上料的裝置，稱為自動上料裝置。包裝機械在我國制藥行業的使用前景越來越廣闊，藥品包裝機械的種類也日趨繁多，自動裝盒機是其中較為復雜的設備之一。現代的藥品自動裝盒機是集機、電、光、氣于一體的功能多樣化、高度自動化的包裝設備，所以任何工位的設計都會影響自動裝盒機自身設備的使用效率。

圖1 紙箱內小盒排列方式

現世界上先進、成熟的自動裝盒機最快速度可達到450盒/min，裝盒機自身預留小盒料倉1.5-2.0 m，大約存放800個小盒。假定紙盒每一托紙盒250個，那么大約需要人工2次/min的頻率搬運上料，是一項重復而繁重的作業。所以，為了提高生產率、減輕作業者的勞動強度，實現紙盒上料自動化是迫在眉睫的工作。

“工業4.0”的推動將突破傳統行業界限，催生制造業顛覆性的變革，全面提升制造業的水平，同時醫藥行業也因此面臨著一場巨大的變革，制藥設備自動化水平的提升、減少人為干預、降低人員成本等問題亟待需要解決。本文研究的自動上盒裝置是從自動裝盒機中分離出來的一個模塊，主要是針對上盒工作，實現料盒的吸取、運送以及上盒過程的自動化。實現的關鍵在于利用機器人技術、智能傳感技術實現去人工化，在合規的條件下節約成本、提高效率。

自動上盒裝置設計

工業機器人的應用

智能制造的推進，“機器換人”在制造業已是大勢所趨。工業機器人的運用范圍越來越廣泛，已經成為引領工業4.0進程的動力，引進工業機器人技術可實現生產的自動化，提高生產效率。使用工業機器人操作具有很多優勢，主要體現在以下4個方面。

節約成本：機器人可以24 h進行操作。生產線只需一人看管或一人同時看兩臺甚至更多臺機器，有效節省人工費用。另外，采用工業機械手操作的模式，自動流水線更能節省廠地，使整廠規劃更小更緊湊精致。

生產效率高：工業機器人生產一件產品耗時是固定的。同樣的生存周期內，使用機械手的產量也是固定的，不會忽高忽低。并且每一批產品生產時間是固定化，產品的成品率也高，可保證整條生產線的綜合效率。

圖2 整體方案三維圖

圖3 流程邏輯控制圖

安全系數高：采用工業機器人生產，可以更大程度保障工人的工作安全性。不會出現由于工作疏忽或者疲勞造成的工傷事故。在需要倒班的生產車間中，晚上更容易出現生理性疲勞，導致發生安全事故，使用工業機器人則可確保安全生產。另外，有些較為危險的工種，采用工業機器人操作，重復作業精確度高，穩定性好，安全性更強。

便于管理：以往企業中很難精確的保證每天的生產量，因為總會有一些員工偷懶。而作為監管人員每天的事情非常多，很難時時刻刻去抓員工有沒有好好做事。使用機械手生產后，用工人員減少，員工管理更方便了。

本次自動上盒裝置設計考慮到生產線連續生產、設計裝置能夠連續穩定運行、完全替代人工操作等方面，在機構設計關鍵部位采用工業機器人的方式。

工作流程設計

一般供應商提供的小盒的包裝方式為360×360×350 mm的紙箱，內小盒排列方式為2列×4層，每一箱重量大約15 kg，具體排列方式見圖1。

本次自動上盒裝置的設計，在最大程度上降低人為干預的基礎上采用2臺工業機器人的方式。第一臺工業機器人（ER30，中空臂，負載30 kg，水平臂展2 033 mm），主要實現包裝紙箱的搬運以及開箱過程；另一臺工業機器人（ER16，中空臂，負載16 kg，水平臂展2 101 mm）主要實現每列小盒的搬運及上料過程。2臺機器人相互協調配合，完成整個上料過程。具體工作流程如下：

（1）ER30機器人通過夾具下方成像裝置及吸盤將紙箱從托盤相應位置吸取放入變位機上；（2）ER30機器人同時完成切換模具、彈出刀片和開箱過程；（3）執行開蓋動作，完畢后給出信號；（4）ER16機器人與變位機通過隨動，并借助成像檢測通過夾具將一列紙盒夾持后，機器人將爪子提升到完成預轉點；機器人底部腰座旋轉，將紙盒向料倉方向轉運過去；在機器人底部腰座旋轉的同時，根據料倉預放位置調整機器人小臂的伸展幅度；（5）ER16機器人經過預放點運行到此紙盒的放置點吸盤釋放開，放置紙盒；（6）ER16機器人放置完一列紙盒后，運動到下一個預抓點，如此周而復始的循環；（7）當ER16機器人檢測到此紙箱內紙盒已完，機器人會發出此箱結束信號；（8）當下一箱紙箱到位后，ER16機器人又進行抓取工作。

圖4 取箱機構設計

圖5 開封裝置設計

上盒機構本體設計

機構本體設計是指各零部件尺寸和零部件之間配合問題的設計，以及各元器件（包括電動機、傳感器、氣缸、吸盤等等）的選用和設計。原則上，各機械手的軌跡范圍不應該相互重疊，如因機構設計需求實在無法避免時，則應該保證任意兩機械手不會在同一時間內到達同一區域。

工件的上料通常是指將定向排列好的工件裝入加工機械夾具中的作業，是自動上料裝置中最為復雜的一環。本次上盒機構的設計，關鍵在于根據紙盒的形狀、重量、特性及加工機械的夾具等選擇最適當的上盒方法。

由于該上盒裝置零部件較多，系統比較龐大，為了便于表達和理解，本文將對關鍵工位進行設計和敘述。本次設計中所夾持轉運的紙盒的上料是較為困難的。首先必須保證薄片紙盒能被有效、穩定地夾持；其次還必須解決如何放料的問題。

紙箱有無及位置檢測

該系統通過工業2D相機自動檢測人工所運送的托盤上紙箱位置，工業相機在整個系統中就像人的眼睛，對看到的物體進行成像，能區別各種各樣的東西。被攝物體的圖片經過光學鏡頭聚焦到相機芯片上，在驅動電路提供的驅動脈沖下相機完成光電荷的轉換、存儲、轉移和讀取，從而將光學信號轉換為電信號輸出，從而進行控制。本次設計將工業相機安裝在工業機器人末端，這樣在吸取紙箱時能時刻檢測紙箱的有無及精準地判斷位置。

取箱機構

吸取機構的主要作用是取箱，即從人工放置的托盤上吸取紙箱，提起后通過運送到變位機上，待紙箱內紙盒被完全取走后返回至初始位置開始下一個周期的取箱工作，因此主要設計以下3個方面的內容。

（1）吸盤的設計

真空吸盤分為無動力和有動力兩類：無動力真空吸盤又稱自吸式真空吸盤，它由吊鉤帶動活塞桿抽真空，結構簡單且無噪聲，但是一般只能吸附很輕的物體；有動力真空吸盤通過真空泵或者真空發生器獲得真空，結構復雜且有噪聲，但由于其吸附力大可靠性高而被普遍使用。

考慮到紙箱重量較大且吸盤吸住紙箱后，需要保證紙箱不掉落，故需要較大的吸力，故設計由四個吸盤組成的吸盤組，如圖4所示。

（2）吸盤位置的確定

圖6 切刀閉合狀態：零位狀態

圖7 切刀彈出狀態：工作狀態

圖8 上盒夾具機構

當四個吸盤都接觸到料盒后，應使機器人停止向下運動，等待吸盤抽真空。這里主要是設計一個安裝在吸盤架上的行程開關，當四個吸盤都接觸到紙箱后，行程開關被壓下，發送信號給PLC，控制機器人停止向下運動，并且鎖定當前的位置。

（3）開封裝置設計

待取箱機構將紙箱放置在變位機對應位置上，開始執行開箱程序。具體機構如圖5所示。

裝置中的刀片通過氣缸彈出，刀片開箱的位置通過成像檢測系統識別確定，保證開箱精度。刀具選用白鋼刀，定制膠帶開封刀，比傳統刀具效果更加。氣缸選用多軸氣缸，多軸氣缸自帶導向軸，可承受一定負載徑向力和軸向力，便于切割。

開封機構運動控制包括：切刀裝在多軸氣缸上，通過氣缸運動彈出和收回； 遵循人機安全性。氣缸通過磁性開關給信號到PLC與機器人進行通訊，確保每次拆封膠帶后切刀回零位狀態。（零位狀態時切刀縮在金屬防護罩里面）。

上盒機構

上盒機構的主要功能是將從已經撐開的紙箱內夾取一列紙盒，并運送到一個料倉位置，該部分主要設計夾盒裝置。

考慮到小盒在紙箱內部放置的特殊性，夾盒裝置選用氣動手爪，氣動手爪是模擬人的手指抓緊工件，以實現機械手動作的氣缸。夾具整體采用鋁型材框架，減輕額外負載。夾爪采用全氣缸驅動，單邊氣缸分步夾緊。由于小盒的表面比較光滑，為了防止在小盒被夾緊運行過程中滑落，夾爪板鑲嵌硬橡膠增大摩擦力。同時安裝工業相機進行成像，確保物料在整個運送過程中的穩定性，具體結構如圖8所示。

總結

在當今工業發達國家，自動上料裝置在各類制造業中比比皆是，生產過程的自動化不僅大大提高了生產率，把人們從繁重的勞動中解脫出來；而且對提高產品質量，降低成本、促進產業結構的合理化起到了積極的作用。在醫藥行業，包裝機器人在現代工業中的應用越來越廣，實現自動上盒不僅能提高精度，而且能減小設備大小、降低成本，提高設備綜合效率，這已是未來的發展趨勢。

[1]林永健。我國食品和包裝機械的現狀及發展戰略研究，[碩士學位論文]。天津.天津大學，2008；

[2]馬娟娟。全自動包裝機器人系統的研制，[碩士學位論文]。南京：南京航空航天大學，2011；

[3]趙燕妮，孫東明，許平，等。多唇邊式吸盤的設計.真空，2008,45（6）：47-48；

[4]聶彤。多機械手氣動系統的設計方法.液壓與氣動，2001（3）：13-15；

[5]徐元昌。工業機器人。中國輕工業出版社。

本文作者系揚子江藥業集團常州紫龍工程設備部項目處職員。