非標木工板自動化分揀和碼垛系統設計

唐陽洋

（哈工大機器人（合肥）國際創新研究院，安徽 合肥 230601）

0 引言

隨著人們對家裝品質要求的提高，越來越多的家庭選擇定制家具進行裝修，造成生產廠家對非標定制家具的加工、輸送、分揀機碼垛的勞動強度增加、效率降低，并且容易出現加工錯誤的產品，在與客戶交流及現場生產工藝的觀察分析后，做出如下自動化設備的設計。

1 設備組成

在現有工廠中，板材主要使用板式家具開料機進行加工，板材的上下料均由人工完成。本文設計的設備系統由上料機器人上料，板式家具開料機加工后，通過視覺系統、輸送分揀機、緩存輸送機、碼垛整形輸送機、碼垛桁架機器人進行輸送、分揀機整形碼垛，如圖1所示。

圖1 布局圖

2 工藝流程

根據客戶訂單，由上料機器人上料板材至板式家具開料機，板式家具開料機會根據系統預設在上位機內的圖紙及尺寸對板材進行加工，加工后機器人上料至輸送分揀機并輸送至視覺系統處，經過視覺系統拍照掃碼并與系統內預設的程序對比，將板材輸送至指定的分揀組件處，并由分揀組件進行阻擋分揀至緩存輸送機，緩存輸送機進行端部對齊整形后送料至碼垛整形輸送機，碼垛整形輸送機通過PLC系統進行產品兩側的整形對齊，完成后將由碼垛桁架機器人進行抓取碼垛。

3 相關配套設備的設計及優點

3.1 視覺系統

視覺系統選用智能相機進行條碼的拍照并上傳至上位機進行分析、比對，最終發出產品信息至PLC，實現產品的自動化輸送、分揀及碼垛的控制，拍照的速度快，系統直接讀取信息，不會發生人為判斷錯誤的問題。

3.2 分揀輸送機

采用滾珠鏈板式輸送機，如圖2所示，當產品前進方向有阻擋時，因為摩擦力以及力與反作用力的原理，如圖3所示，滾珠會旋轉并帶動產品向垂直方向運動，實現分揀。

圖2 鏈板式輸送機

圖3 分揀原理圖

3.3 分揀組件

系統設計有3組分揀口，每口有3個分揀位置，共計包含9個分揀位置，滿足訂單內大產品、小產品及大小產品混合碼垛時的分揀，整套系統中此處配合分揀輸送機將產品分揀至整形、碼垛的工序，分揀位置的工作選擇是由系統內拍照后的信息發至PLC來實現，準確率及效率都有大幅提高。

3.4 緩存輸送線

此處對接分揀組件及分揀輸送機，每個分揀口可能會錯時分出3件產品至碼垛位，設備實現將3件產品的前端對齊滿足后面碼垛的抓取，緩存輸送線會采用積放滾珠鏈板，如圖4所示，極大地減少了積放時對產品的磨損，同時降低了輸送傳動電機的功率，節約能耗。

圖4 緩存輸送線

3.5 碼垛整形輸送機

這個位置將是碼垛前的一道整形工序，在前面已經將端面對齊，此處將實現產品2 側的對夾整形，通過伺服電機驅動正反向的絲桿，實現對中整形的功能，為后面的碼垛帶來便利及碼垛的整齊，輸送機選擇的輸送帶是與運行方向有同軸的旋轉軸的滾珠鏈板，如圖5所示，對夾時同樣可減少產品的磨損和電機的功率。

圖5 碼垛整形輸送機

3.6 碼垛機械手

當全部整形完成后，碼垛機械手上的Y軸行走電機驅動吸盤組件至吸取位置，Z軸是通過氣缸控制，會有3組獨立的升降吸盤組件，碼垛桁架機械手會根據PLC程序控制吸盤的升降及吸取碼垛，吸取時會根據PLC的信息選擇必要的吸盤都打開，節約能耗。

3.7 控制系統

用戶將預設信息導入到上位機，產品上有條碼，在產品通過視覺系統時，視覺系統會將產品信息傳輸至上位機，經過上位機的運算以及和預設信息的對比，發出指令到設備的PLC，輸送、分揀及碼垛設備會根據PLC的指令完成各自的動作，實現自動化的生產。

4 效率分析

與滁州某整體櫥柜有限公司交流后得知目前人工此處10h約完成1 800m木工板的分揀、碼垛，現根據上文設備的設計速度分析計算節拍，見表1，對比人工完成量：

表1 節拍分析表

產品范圍為500-2 000mm長，取中假設產品尺寸為1 000×1 000mm，產品間距1 000mm。

設備設計參數：分揀輸送機V=30m/min=500mm/s，每組產品間距L=6 000mm；緩存輸送機V=30m/min=500mm/s，輸送距離L=2 000mm；碼垛整形輸送機V==60m/min=1 000mm/s，輸送距離L=3 000mm；產品在碼垛輸送機上整形伺服速度V=500mm/s,運行距離L=200mm；碼垛桁架機械手Y 軸伺服運行速度V=60m/min=1 000mm/s，運行距離L=3 000mm，Z軸氣缸速度V=0.6m/s=600mm/s，升降高度L=800mm。

每組產品分揀間隔時間：t=L/V=6 000/500=12s；

產品在緩存輸送機上運行時間：t=L/V=2 000/500=4s；

產品在碼垛整形輸送機上運行時間：t=L/V=3 000/1 000=3s；

產品整形時間：t=2×（L/V）=2×（200/500）=0.8s（整形后需復位）；

碼垛桁架機械手：Z 軸氣缸升降速度t=2×（L/V）=2×（800/600）=2.7s（氣缸升降）；

Y軸伺服運行時間t=L/V=3 000/1 000=3s；

由表6 分析后可得出設備29s 即可完成分揀、碼垛3㎡的木工板；

按照每天10h 工作計算可完成數量約：[（10×3 600）÷29]×3=3 724㎡>1 800m。

設備10h工作完成的產量遠大于人工10h完成的工作量。

綜上，本文設計的設備可創造的效益遠大于人工操作，同時極大地降低了員工的勞動強度，減少職業病發生的概率，給企業可帶來可觀的經濟價值。

5 結語

隨著社會的發展以及中國人口紅利的漸漸消失，木工板加工由人工進行搬運、分揀及碼垛的工藝會因為勞動強度大、勞動環境惡劣等原因變成沒有員工愿意從事的工作，極大地影響了企業的發展，本文設計的設備具有：提高了產品的良率，降低整體成本；改善了人員的勞動強度及讓員工遠離了粉塵大的環境，提高了生產效率；分揀和碼垛自動化設備具有高效率、高自動化程度、低維護成本、可長時間連續穩定運行等優點。

自動化設備的優點將在定制家具生產領域中有著廣闊的前景。