馬桶包裝箱翻轉碼垛機械手的設計應用

卞東龍，孟凡召，何運麗

(山東華宇工學院機械工程學院，山東 德州 253034；德州市工業機器人控制重點實驗室，山東 德州 253034)

0 引言

在衛浴陶瓷生產行業，馬桶作為生活必需品占有很大的比重。據前瞻產業研究院發布的《馬桶行業市場前瞻與投資規劃分析報告》數據統計，2011年，我國馬桶產量為3 272萬個；2015年，我國馬桶產量為7 029萬個，2016年，我國馬桶產量達到了7 404萬個，產量還會逐年增長。

衛浴生產車間經過產品設計、漿料調配、釉料配置、注漿成型、修坯、檢坯、施釉、裝窯、燒成、檢驗、包裝、入庫等步驟，完成了馬桶制作的全部環節，其中包裝-入庫環節中，馬桶包裝箱的碼垛仍然需要人工完成，碼垛現場如圖1所示。

圖1 碼垛現場Fig.1 Stacking site

由于馬桶自身形狀不規則性，在碼垛中需要進行翻轉動作。人工碼垛存在以下幾個問題：其一，馬桶外形為不規則形，為了減少占地和運輸空間，需要將馬桶包裝箱翻轉180°碼垛。其二，一般馬桶包裝箱單重60 kg，產品尺寸較大，一個人搬運緩慢，效率低。其三，包裝生產線為多款產品共線，并非所有產品均需翻轉，種類較多且雜，若采用單一的翻轉機械手，使用率低。其四，產線末端需將共線的多款產品分揀到托盤上，再碼垛，搬運碼垛跨度大。其五，工作人員存在自身疲勞等因素，在搬運時可能出現意外，造成產品損壞，甚至造成人員受傷。其六，人工碼垛規則性不強，碼垛過程中可能會發生坍塌，造成生命財產的損失。

為了改善上述問題，研發了一款馬桶包裝箱翻轉碼垛機械手系統。相對于傳統的人工碼垛過程，該機械手實現了馬桶包裝箱翻轉碼垛的自動化，從根本上避免了翻轉碼垛對碼垛人員生命的潛在威脅。該裝置集合機械設計、控制系統編程、氣壓傳動、傳感器等多領域的先進技術設計而成，實現了生產車間翻轉碼垛自動化及人工遠程操控，對于將人工從繁重的勞動中解放出來及提高車間翻轉碼垛的效率有著重要意義。

1 馬桶包裝箱翻轉碼垛機械手系統的結構及工作原理

1.1 結構設計

馬桶包裝箱翻轉碼垛機械手系統由驅動軌道系統、氣動升降系統、氣動翻轉系統、氣動夾緊系統、空氣凈化系統及控制系統等組成。其中驅動軌道系統包括1605型號步進電機，導軌采用高精度絲杠導軌，共三組驅動軌道系統；氣動翻轉系統由兩組氣缸及連接三角架組成。根據產品特點和使用要求，通過計算設計合適尺寸的設備型材支架、氣動夾緊翻轉機構及氣動提升機構，并進行氣缸、三角架等選型，以滿足使用需求。其整體結構如圖2所示。

1.絲杠導軌 2.1605步進電機 3.工件夾具 4.夾緊氣缸 5.三角架機構 6.升降氣缸 7.翻轉氣缸 8.翻轉氣缸圖2 馬桶包裝箱翻轉碼垛機械手系統結構示意圖Fig.2 Structure diagram of toilet packing box turnover stacking manipulator system

1.2 控制系統設計

該碼垛控制系統包括PLC可編程控制器、機械手控制器、觸摸屏、工控機、信號輸人/輸出模塊(包括模擬量和數字量)、伺服驅動系統。PLC可編程控制器既接收觸摸屏和工控機發出的信號，機械手控制器回傳機械手運行狀態的信號和傳感器采集的信號，又向機械手控制器發出碼垛的相關指令，向繼電器發出控制指令；機械手控制器和PLC可編程控制器通信，互相傳遞信號來控制機械手的移動。

1.3 翻轉機構的設計

翻轉機構如圖3示，設計有兩個平行并列的氣缸和一個特制三角架(等邊三角形)。兩個翻轉氣缸通過可轉動連接件，和上方機架連接固定，其中左側氣缸連接三角架左側點，右側氣缸連接三角架右側點。預翻轉狀態為左側伸長，右側收縮，工作時左側收縮，右側伸長，帶動連接在三角架上的連接桿，曲柄本體，實現180°翻轉。夾緊機構設有三個紅外感應器，感應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，系統回饋是否夾緊。

1.可轉連接件 2.連接桿 3.連接桿 4.曲柄本體 5.連接軸承 6.紅外感應器 7.夾緊氣缸 8.紅外感應器圖3 翻轉機構示意圖Fig.3 Structure diagram of turnover mechanism

1.4 馬桶包裝箱翻轉碼垛機械手的工作流程

為了實現馬桶包裝箱翻轉碼垛的工序，采用了氣缸夾緊，氣缸翻轉的方法，配合氣缸升降、高精度步進電機移動方式，完成一個馬桶包裝箱的翻轉碼垛，周而復始完成整個翻轉碼垛工作。

翻轉碼垛過程為：裝置提前規定好移動路線，步進電機驅動機械手部件前往生產線終點，等待馬桶包裝箱到達指定位置，操作人員按下升降氣缸按鈕，升降氣缸運作，機械手裝置下移，到達指定高度，紅外識別是否預定位置是否有馬桶包裝箱，合理計算體積、位置，自主選擇最佳角度，夾緊氣缸進行移動定位，伸出合適的預夾緊距離，系統自發啟動，夾緊氣缸啟動，氣缸夾緊馬桶包裝箱。按下翻轉動作按鈕，完成翻轉動作的氣缸、三腳架部件按照設定好的行程啟動，左側氣缸收縮，右側氣缸伸長，實現三腳架、夾緊氣缸、馬桶包裝箱整體翻轉180°，實現翻轉碼垛工序。再次按下升降氣缸按鈕，升降氣缸收縮，機械手裝置及馬桶包裝箱上移，按照原本設定好的行進路線，選擇合適的位置進行合理擺放。

2 馬桶包裝箱翻轉碼垛機械手系統的應用特點

采用五軸設計，解決了翻轉碼垛困難及跨度大的問題。降低了勞動強度，提高了生產效率。采用機械化設備，降低了廢品率。采用獨特的翻轉設計結構，結構簡單小巧，占用空間小，重量輕便。工件夾具的一組夾臂活動設置并通過夾緊驅動氣缸驅動，其利用杠桿原理實現工件的快速夾緊和松開。翻轉機構采用雙氣缸拉動曲柄連桿，通過雙氣缸與三角支架的配合結構實現了小氣缸大扭矩，用于工件的翻轉。各組件之間裝配方式靈活，可以根據產品的重量特點選用不同壓力參數的氣缸。

3 總結

介紹了一款新型馬桶包裝箱翻轉碼垛機械手系統，完成了衛浴產品馬桶最后一步工序——翻轉碼垛，代替原有的人工搬運，實現了工序的自動化、智能化。高效的機械手操作簡單，完全可以替代人工工作，為生產線整體加快了速度，提高了效率。隨著國內機械產品技術的不斷成熟，機械產品中加入了計算機編程的元素，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，不利于企業的發展。傳統的人工將逐漸被高效方便的智能機械所取代，傳統產業機械化也會有更好的發展應用前景。未來，機械手必然將廣泛應用于傳統人工產業，其發展趨勢是資本最大價值化，最大效率化。效率低、耗資大的人工將逐漸被效率高，耗資小的機械工作慢慢取代，慢慢改進。機械時代已初步來臨，利用機械自動化來代替人工是未來企業發展的必然趨勢。