多品種大流量料箱的高效碼垛解決方案

文/芮心剛 史亞婷

某大型藥品生產企業生產的藥品品種繁多，產量巨大，為了提高生產效率、減少人工工作量，需要對傳統的包裝輸送、碼垛及出入庫的作業方式進行改造，為此計劃投產自動輸送、碼垛及出入庫系統。

針對該大型藥企入庫產品品種多、產量大、效率高的特點，本文對產品包裝完成后從前道輸送線到分類碼垛至托盤線再進入入庫線這一流程進行了規劃，設計了暫存整理線對主輸送線上釋放過來的料箱進行合并和歸類，介紹了暫存整理線上各設備的原理和結構，并對規劃方案中的機械手配合夾具協同碼垛這一高效作業方式進行了詳細暢述，從而保證了設計的效率要求。

一、方案規劃

1.垛形圖規劃

生產的藥品種類有121種，采用紙箱包裝，同一種藥品碼垛在一個托盤上。經過紙箱外形尺寸的歸納，去掉重復后有75種紙箱尺寸。采用1200×1200（mm）的標準塑料托盤，托盤以上空間高度不得超過1300mm，且紙箱碼放在托盤上后外形不得超出托盤的四邊。經過歸納整理，形成了如下幾類垛形（見圖1～圖4），某一尺寸范圍內的紙箱僅影響垛形大小而不改變垛形種類。為了使上下層各箱能互相搭接，偶數層相對于奇數層要轉過90度放置。

2.布局規劃

圖1 一次裝夾3箱矩陣排列

圖2 一次裝夾1箱旋轉排列

圖3 一次裝夾2箱旋轉排列

圖4 一次裝夾2箱矩陣排列

碼垛的布局方案如圖5所示（局部），左側是立體庫庫區，最右側是主輸送線，主輸送線沿箭頭向前與回流線相連。碼垛區配兩臺機械手，每臺機械手從對應的3條暫存整理線上取貨放至下方的3條托盤線上（托盤線位于暫存整理線的下方），允許兩臺機械手分別碼放不同的紙箱。空托盤由空托盤線通過直角移載機構送入6條滿托盤線。滿載后的托盤，通過直角移載機構送入入庫線，由堆垛機碼至立體庫貨架上。主輸送線上由上位系統控制一次釋放一種紙箱，且此種紙箱的數量剛好能碼垛一個托盤。每臺機械手對應的3條暫存整理線與主輸送線相接，紙箱通過接口處的擺輪分揀機平均分配至3條暫存整理線。當紙箱一次分配不完時，多余的紙箱進入回流線并返回到主輸送線（用時45秒），進行第二次分配。紙箱進入暫存整理線后由進行分區輸送，并經過規整、頂升回轉、定位等一系列動作，在線端取貨口固定位置等待機械手夾具抓取。確定碼垛方式的指令由讀碼器讀取紙箱條形碼中的產品類別、外形尺寸、重量等信息給機械手控制系統后發出。3條暫存輸送線由一條垂直輸送線串聯，用于將尾箱合并定位于第一條暫存輸送線的取貨口。

圖5 碼垛布局方案（局部）

圖6 機械手夾具

二、機械手夾具的設計

1.結構與功能

機械手夾具能適應不同外形尺寸的料箱，并且可以多箱夾取，如圖6，為了能夠看清內部氣動元件，圖中已把后蓋板隱藏了。件1連接法蘭與機械手的輸出軸直接相連，可隨機械手的輸出軸旋轉。件6夾爪由件8氣缸帶動作翻轉動作，便于取放貨。件11夾板與件13電缸的滑塊以及件15導軌上的滑塊固定在一起，其中導軌起輔助支撐作用，電缸由件4伺服電機通過件3減速機輸入轉矩帶動夾板移動，一方面可自動適應不同尺寸的料箱，另一方面對料箱起夾緊作用，防止運行中脫落。件9靠板、件12電缸安裝板、件14連接角鋼均通過件2頂部連接架裝配成一個整體框架。件15導軌的兩端由件5導軌固定塊和件16導軌調節塊固定在框架上。件10光電開關用于檢測夾具上是否存在料箱。夾具上的電纜和氣管沿著件2頂部連接架上的安裝孔走線并從件1連接法蘭的中心孔中穿入機械手內部護管中。為適應多箱裝夾，夾爪、夾板的驅動均設計成對稱的兩組。

2.執行機構動作

本夾具采用市場上成熟的電缸作為夾板的驅動動力，見圖7，結構特別緊湊。伺服電機通過減速機將轉矩輸入電缸的減速機輸入端，帶動滑塊沿電缸內部的導軌作直線運動，滑塊的運動距離由程序按照輸入的料箱尺寸指令執行，夾板安裝在滑塊上隨其一起運動。兩套夾爪的翻轉動作分別由兩套氣缸帶動，為保持動作的同步性，兩套氣缸共用一套電磁閥供氣。

夾具放貨動作見圖8，箱與箱之間的距離已由垛形圖事先規劃好，且最小間距不得小于20 mm，箱底部至托盤的平面（或下層料箱的上平面）留41 mm高度，以便給夾爪翻轉留有足夠的空間。夾板利用箱子間的間距松開1～2 mm使料箱在有摩擦力的情況下下滑放妥。

3.防墜落的設計

夾具設計有防墜落機構，見圖9，在氣缸的活塞端裝有誘導止回閥，當活塞桿要伸出時，壓縮空氣先通過排氣節流閥而后無阻礙地通過誘導止回閥進入氣缸活塞端，同時，缸內排氣從桿端出來通過排氣節流閥后排走，這時誘導止回閥由于沒有打開壓力而僅起單向閥的作用；當活塞桿要縮回時，壓縮空氣從排氣節流閥中通過進入活塞桿端，同時壓縮空氣的另一支路靠壓力打開誘導止回閥，使缸內活塞端空氣經由誘導止回閥無阻礙地流入排氣節流閥，而后排入大氣中。如果突然斷氣或電磁閥斷電不工作，則誘導止回閥由于失去壓縮空氣的壓力而自動關閉，這時貨物的重力作用在活塞桿上而使活塞桿有縮回的趨勢，缸內活塞端的空氣需要排出時則被誘導止回閥封閉在缸內，從而使得貨物不會有墜落的風險。

圖7 電缸

圖9 防墜落機構

圖10 暫存整理線

圖11 阻擋機構

三、暫存整理線的設計

1.總體方案

暫存整理線主要有1阻擋機構、2滾道線、3頂升移載機、4定位機構、5垂直輸送線、6讀碼器等組件組成，見圖10。料箱，從主輸送線上通過擺輪分揀機送入拐彎段輸送線后在暫存整理線上有打轉的可能，所以在暫存整理線進入端設計有阻擋機構，用于將料箱的姿態糾正后才放行。兩段垂直輸送線將3條滾道線相連起來，滾道線上以每1米左右長度作為一段獨立輸送區進行設置，每區由一根電動滾筒帶動若干根無動力滾筒進行輸送，以便使料箱能間隔均勻地有序前進。料箱，在主輸送線及滾道線上前進方向均與長度方向一致，保證讀碼器組件能準確地讀取箱側面的條形碼信息。頂升移載機用于將料箱的輸送由長度方向改為寬度方向，如圖4這種垛形，就需要將料箱轉過90度后輸送，便于機械手夾具將兩箱合并取貨。在頂升移載機前方設有阻擋機構，防止頂升移載機工作時有料箱沖入。在滾道線的末端設有定位機構，用于將料箱整齊地推送到取貨口。如果機械手夾具最后需要一次裝夾3箱，而3條滾道線上各有一箱貨物時，可以通過垂直輸送線將3箱貨物合并到第一條滾道線上，便于提高碼垛效率。滾道線的輸送面與主輸送線等高，距地面2.4米，下部走托盤線（距地面高0.7米）。

2.阻擋機構

阻擋機構，如圖11。阻擋機構由件5三軸氣缸通過件4過渡板將上下運動傳遞給件1橫擋桿，整個機構通過件3支架用件6U型螺栓安裝在滾道線的支架上，氣缸伸出時擋住貨物，氣缸縮回時，件1橫擋桿上的件2自由滾筒與滾道路線正好齊平，貨物通過時不至于有空檔。

圖12 頂升移載機

圖13 定位機構

3.頂升移載機

頂升移載機，如圖12。件1直角移載平臺具有兩個互相垂直的輸送方向，可以按程序進行切換，選用目前市面上成熟的產品，其安裝在件2臺面安裝架上。臺面安裝架與件8 升降機架通過件10回轉支承裝配在一起。件7氣缸安裝在件4機座上，活塞桿與件8升降機架相連，可使升降機架沿著件5導柱上下滑動，從而帶動直角移載臺面一起運動。氣缸頂升后件3電機通過件9減速機將旋轉動力傳給臺面按裝架2，使直角移載臺面在回轉支承的支撐下進行正（或反）旋轉。整個部件通過件6與滾道線的支架相連。由于本機是鑲嵌在滾道線中的，因此直角移載臺面回轉時必須上升至滾道面后才能進行，這是設置頂升氣缸的目的。

4.定位機構

定位機構，如圖13。件10導軌通過件8搭子安裝在滾道線的型材上，件6槽板安裝在滾道線的下部。件1推桿在滾道面上通過伸出滾筒間隔的件5支撐板安裝在件4電缸和件10導軌的滑塊上，電缸安裝在件6槽板內，件7擋板安裝在滾道線的末端，與件9齒板一道起料箱的限位作用。件3伺服電機通過件2減速機帶動電缸滑塊滑動，從而使推桿將料箱整齊地推向件9齒板碼放，同時料箱在下面滾筒的持續輸送作用下也與件7擋板貼緊。本機構選用與夾具型號一樣的電缸，推桿到齒板之間的定位距離由程序按照輸入的料箱尺寸指令由伺服電機驅動執行，保證適合各種料箱尺寸。件9采用齒板的形式是方便夾具的夾爪從間隔中插入。

四、效率驗算

本方案采用某國際知名品牌的機械手，經過3維仿真演示，機械手完成一次碼垛動作循環的時間按距離長短不同為12～15秒，并且碼垛方案設計不超出機械手和夾具的極限行程范圍。為滿足用戶大流量、高效率的生產，本方案承諾最高碼垛效率可達到每箱6秒，為此，機械手夾具采用了最多可3箱一夾的設計方案，如按機械手15秒的循環時間計，這時的節拍是每箱5秒。頂升移載機可正反轉，其一個動作循環是5秒（包括料箱駛入1秒、頂升0.5秒、轉90度2秒、下落0.5秒、駛出1秒），滾道線輸送的速度是0.65米/秒，可以滿足頂升移載機的節拍，這樣在機械手一個碼垛動作循環（15秒）內正好有3箱貨被定位待取。當機械手碼垛距離比較近時，比如從第一條滾道線取貨碼在第一條托盤線上，這時的碼垛動作循環時間為12秒，理論上第一條滾道線上是來不及供貨的，但方案設計每臺機械手對應3條滾道線，系統會根據3條滾道線中已定位好的料箱指派機械手優先抓取，從而不會讓機械手有等待的機會。