自動化分裝投料系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

蘇冠領(lǐng)

（廣西城市職業(yè)大學，崇左 532200）

目前，車間生產(chǎn)過程中的原裝分裝投料方式以人工和叉車工為主。這兩種生產(chǎn)方式存在施工效率低下、精確度不夠以及安全性較差等問題。在分裝至投料的過程中，數(shù)據(jù)采集方式主要是純?nèi)斯げ杉瑢?dǎo)致投料車間的信息化以及數(shù)據(jù)化程度較低，這樣在生產(chǎn)設(shè)備方面就容易出現(xiàn)獨立控制和信息孤島的問題。針對上述問題，設(shè)計一款自動化分裝投料機器人，專門用于生產(chǎn)投料車間。使用投料機器人在投料運輸、分裝以及投料的過程中實現(xiàn)自動化，達到智能車間的效果。智能分裝材料系統(tǒng)的投料智能化主要通過分裝投料自動化、系統(tǒng)檢測以及信息化的收集與處理實現(xiàn)。

1 自動化分裝投料系統(tǒng)總體設(shè)計要求

1.1 工作環(huán)境及工作內(nèi)容

目前，車間生產(chǎn)過程中的原料投料方式存在效率低、精確度不夠、安全性差等不足，而且原材料在投料時容易出現(xiàn)揚塵的問題。針對上述問題，以滿足減少土建改動的需求為前提，以實現(xiàn)投料自動化為終極目標，可以選用機械化自動化的方案，即使用投料機器人，從配重方式、安裝位置以及除塵裝置等方面進行優(yōu)化。使用自動投料機器人，可以實現(xiàn)分裝投料的無人化、自動化，一定程度上可以節(jié)省人力成本，提高生產(chǎn)過程的安全性，有利于保證投料車間的生產(chǎn)環(huán)境，如圖1所示。在投料車間中，自動投料機器人的工作內(nèi)容主要有分裝投料和投料除塵。投料吸塵整個過程的實現(xiàn)主要是投料機器人接收到吸塵指令后執(zhí)行指令，打開吸塵裝置完成吸塵的任務(wù)。

1.2 投料機器人的主要功能需求和技術(shù)指標

本文設(shè)計的投料機器人為單體化背負式自動化運輸投料機器人，在實際工作中利用投料器械的架構(gòu)實現(xiàn)料品的分裝投料與自動投料。在不同的生產(chǎn)需求和實際工作環(huán)境下，投料機器人應(yīng)具備以下不同的基本功能[1]。

（1）導(dǎo)引。規(guī)劃投料機器人的行走路線，保證其自動化完成工作過程中能夠沿著指定路線行走，并且能夠在各個工位之間穩(wěn)定巡走。

（2）定位定點。投料機器人可以通過讀取提前設(shè)置在自動投料設(shè)備上的ID卡信息辨別工位上的站點位置，對投料機器人的各種指示進行準確的工位停靠。

（3）安全防護。增強投料車間的安全性，保障其投料運輸安全，同時保證投料機器人在運行過程中可以穩(wěn)定且無故障運行，不會出現(xiàn)碰撞事故和傷人事故[2]。

（4）夾抱。此功能可以保證投料桶能夠拆分攜帶，確保投料機器人靈活地完成夾緊投料桶和松放投料桶的動作。

（5）負重和裝載。由于實際需要，投料機器人必須能夠負載200 kg的原料，加上投料機器人的自身質(zhì)量，投料機器人要擁有足夠的空間用來負載。

（6）投料的翻轉(zhuǎn)。投料機器人會根據(jù)指示完成不同的動作，要求機器人能夠完成投料桶的翻轉(zhuǎn)和卸料動作，達到投料準確的目的，使得原材料能夠穩(wěn)定地落入提取罐口。

（7）除塵和吸塵。投料間的衛(wèi)生狀況對于投料間工人的身體健康有著重要的影響，為了保障工人的身體不受傷害，生產(chǎn)環(huán)境必須達到標準，所以投料機器人工作時會除塵和吸塵。

（8）其他。急停：機器人發(fā)生故障時可以及時自動停止，以免發(fā)生意外。工作狀態(tài)顯示：方便工人進行操作。報警：發(fā)生意外時，通過報警裝置讓工人及時發(fā)現(xiàn)并處理意外，以防造成更大的危害。防爆：當機器人內(nèi)部設(shè)備出現(xiàn)問題時，不易發(fā)生爆炸，減少人員傷害的可能性。

1.3 內(nèi)部布置

投料機器人系統(tǒng)呈現(xiàn)出U形，每個工位通過一個滾筒輸送線完成料筐傳輸。該輸送線路呈積放式，整個輸送過程的驅(qū)動系統(tǒng)是減速電機的鏈輪鏈條，通過變頻器可以調(diào)節(jié)傳輸?shù)乃俣取？缮炜s擋停單元是每一個工位末端都存在的設(shè)計，目的是方便配合射傳感器對料筐實現(xiàn)擋停與放行的動作。工作站的外面設(shè)置了一些圍欄，目的是對工作站進行安全防護。

該系統(tǒng)給安全人員維修系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)施和處理故障方面帶來了極大的便利。根據(jù)生產(chǎn)線的走向，在輸送線的下方搭設(shè)料線纜橋架，在內(nèi)部分開鋪設(shè)了控制線纜和動力線纜[3]。

1.4 設(shè)備參數(shù)

車間物流系統(tǒng)、供料系統(tǒng)和分裝投料系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)進行工作，系統(tǒng)的料筐和臺車的加工制造都需要按照設(shè)計要求完成，詳情見表1。

另外，對輸送的節(jié)拍要求每個料筐投料質(zhì)量為2 kg，在12 s內(nèi)完成；輸送速度設(shè)計為速度可調(diào)，最大速度可達到20 m·min-1。投料精度由系統(tǒng)控制，誤差保證在±5%以內(nèi)，人工設(shè)定投料量后由系統(tǒng)計量。

2 組成以及功能介紹

2.1 上下料橫移舉升工位

上下料橫移舉升工位由伸縮貨叉、氣動舉升單元及焊接鋼架構(gòu)成，如圖2所示。舉升單元呈豎向安裝，采用了浮動街頭和連接移動部件的安裝方式，而且設(shè)有單方向流動的節(jié)流閥，用來調(diào)節(jié)氣缸的升降速度。伸縮貨叉可以朝兩個方向進行運動，貨叉尺寸為900 mm 500 mm。如果負載量達到頂峰，伸貨叉的移動速度可以達到30 m·min-1。變頻器可以用來調(diào)節(jié)伸貨叉的速度和尺寸，伸縮貨叉最高可以承受200 kg的質(zhì)量。堆疊料筐要想能夠在拆疊盤工位和堆疊料筐之間移位，必須使舉升單元和伸縮貨叉之間相互配合[4]。

2.2 拆盤工位

拆盤位設(shè)備主要由導(dǎo)向裝置、可伸縮插腳以及抬升單元構(gòu)成，主要分布在傳輸線的左右兩側(cè)，且呈對稱狀，如圖2和圖3所示。兩個氣缸對應(yīng)串聯(lián)結(jié)，形成了抬升單元。兩個氣缸的缸徑均為32 mm，在安裝過程中需要增加氣缸來防護轉(zhuǎn)檔。因為兩個氣缸的行程不同，要使3個不同的插腳達到不同的高度位置，可以通過邏輯控制的方式實現(xiàn)。插腳伸出和縮回動作的完成，主要利用氣缸通向?qū)蜓b置。標準的雙導(dǎo)軌機制和雙滑塊結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個完整的導(dǎo)向裝置。前文提到的呈現(xiàn)左右對稱的兩個氣缸，通過壓縮空氣完成驅(qū)動動作，可以實現(xiàn)兩側(cè)機構(gòu)的動作達成一致。最底層的料筐要傳輸?shù)较旅娴墓の唬紫纫?jīng)過輸送線路，然后要把倒數(shù)第2層及其往上的料筐抬起，降低抬升機構(gòu)，并進行兩個動作的重復(fù)，最終把堆疊在一起的兩層料筐按照順序拆成單層的料筐。

圖2 上下料橫移舉升工位

圖3 拆盤工位

2.2.1 移載工位

移載工位設(shè)備主要由擋停機構(gòu)、滾筒輸送機以及氣動舉升單元構(gòu)成。移載工位滾筒的高度相較于上一個工位低20 mm，一旦接收到這個工位有任何料筐流入的信息時，伸出舉升氣缸，運轉(zhuǎn)兩根傳送帶，把料筐自動移動到擋停位并縮回氣缸，然后料筐落到滾筒的輸送線上面，并且移動到下一個工位，即可完成料筐和自動輸送。

2.2.2 定量投料工位

定量投料工位設(shè)備主要由不銹鋼料倉、皮帶提升機、自動開閉收集槽以及往復(fù)落料機構(gòu)構(gòu)成。不銹鋼料倉的形狀為喇叭口形，可以容納1.5 m3的投料。皮帶的寬度為600 mm，每隔200 mm安裝一個隔板，在頂部設(shè)置了驅(qū)動電機，驅(qū)動電機的提升運轉(zhuǎn)速度通過變頻器調(diào)節(jié)。可旋轉(zhuǎn)的擋板安置在收集槽口下部，在其中心軸90°范圍內(nèi)有一個擺動氣缸，通過驅(qū)動可以控制收集槽口的開關(guān)[5]。收集槽下端安裝有智能秤，其表面尺寸為500 mm 500 mm，可以稱量從上方掉下來的物料。在往復(fù)機構(gòu)中，有兩個口字形腔體可以帶動氣缸做往復(fù)運動，路程約500 mm。工作人員把物料加入料倉，皮帶提升機驅(qū)動物料升到收集物料的槽內(nèi)，然后智能秤可以稱量落入的物料質(zhì)量。達到設(shè)定的數(shù)值以后，系統(tǒng)會關(guān)閉自動槽口的閥門。一直重復(fù)這個動作，最后由相關(guān)設(shè)備讀取信息。

2.2.3 攤勻工位

攤勻設(shè)備由導(dǎo)向機構(gòu)、電機滾珠絲杠傳動模塊及其旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、刮板等部件組成。電機絲推動運動部件向z方向和x方向運動，電機同時向y方向推動刮板行進，然后旋轉(zhuǎn)機構(gòu)推動刮板旋轉(zhuǎn)90°。刮板行程包含所有的料筐，可根據(jù)刮板的高寬比自動均勻鋪展物料。

2.2.4 疊盤工位

與拆盤工位的作用相反，與機械設(shè)備結(jié)構(gòu)相同，單面料筐可按順序堆疊成12層。它將最下層的料筐抬起，然后自動轉(zhuǎn)移到另一個料架上，降低插腳，將料架疊在一起，之后不斷插入和取出料架，實現(xiàn)全自動堆垛的功能。

2.2.5 料車移載工位

物料車轉(zhuǎn)運過程的機械設(shè)備主要由輕鋼結(jié)構(gòu)、推動模塊、抓取機構(gòu)、起升機構(gòu)及其條碼讀取器組成。鋼架為門形，兩側(cè)支腿用螺栓固定于地面，然后雙導(dǎo)軌三滑塊結(jié)構(gòu)分布在橫梁的上方。根據(jù)傳動齒輪的齒條和小齒輪結(jié)構(gòu)，可以推動減速機上的工作臺滾動，可滾動的合理距離為2 m。橫梁的兩端可以控制滑臺的啟動與停止。驅(qū)動單元和升降機構(gòu)還有抓取機構(gòu)相互配合，可以把臺車上面的物料移動到下面的物料區(qū)，然后讀取器讀取臺車上的條碼信息，并及時上傳到可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）與料筐進行綁定。

3 結(jié)語

自動化分裝投料系統(tǒng)綜合運用了諸多技術(shù)，包括自動化傳輸、自動稱量、傳感器識別、信息讀寫、數(shù)據(jù)采集、氣動控制以及PLC控制等技術(shù)。這些技術(shù)可以有效解決分裝投料過程中遇到的各種難題，提高分裝物料的計量精度和生產(chǎn)效率，值得在實際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。