拆包机器人（拆包机器人自动上下料毕设）

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1 引言

在食品、啤酒、饮料等企业的现代化生产过程中，箱体的包装、输送、码垛扮演着重要的角色，为产品的生产制造、仓储保存、物流运输提供核心关键技术服务。随着产品多元化的发展，对码垛技术也提出多元化的需求，需要拥有快速调整产线产品的能力，同时兼备更高质量和更高效率。本项目的研发正是基于市场需要，将从旋转输送机构、升降输送机构、旋转包夹机构、重载移动平台以及控制系统进行创新研发，以满足特定产品的码垛输送需求，不仅解决了正反面叠层码垛的技术难题，也改变了传统人工搬运作业模式，更提高了码垛作业的效率和质量，有助于促进轻工自动化码垛技术的发展。

2 背景和意义

目前包装市场上出现了很多新形势、新需求、新理念，特别是应对包装对象、包装材料、包装形式的不断变化，从而产生出个性化、差异化、非标化的设备。经过前期的市场调研，许多企业的包装箱体正在发生变化，箱体顶面有多种名牌、标识、彩印、烫金等展示图案，不允许有破损、磨损、残缺、压痕等影响外观的现象产生。而传统的包装和码垛设备多为顺序依次叠层码垛，上层的箱底压在下层箱顶之上，由于要提高周转效率，所以码垛层数一般比较高，故而导致下层的箱体顶面经常会产生磨损、压痕、裂纹，甚至会产生变形，不利于对箱体的保护。另外由于通用码垛输送设备多为龙门架形式，在生产线中不便于布局，占地空间大，柔性化和精密性不足，不具备灵活调整的能力。文中的新型全自动双箱正反面叠层码垛机械的设计与研究正是立足于市场需求，自主研发双箱正反面叠层码垛机械，能够更好地实现不同产品的码垛输送工艺，可快速调整运行轨迹，增强设备的兼容性、通用性、模块化、柔性化等特点，可以更好地解决企业码垛生产过程中的非标定制等难题，是轻工包装技术的一次新的突破。

3 双箱正反面叠层码垛机械的设计

3.1总体设计方案

全自动双箱正反面叠层码垛机械是一种具有创新型轻工包装自动化设备，将从工艺、方法、机械、气动、控制等方面进行创新研发，研发符合适应市场需求的新一代码垛的技术与装备。结合机电科学、材料科学、信息科学以及系统科学的新技术，在系统、机械、气动、控制和算法等方面进行突破，使设备具有结构合理、操作便捷、维护方便、柔性化强等优点。该设备利用模块化分布式机械设计原理，每级机构完成分部工艺动作，配合精密检测和控制系统，将每个箱体进行独立检测、控制、运动，完成正反面叠层码垛的全部动作，使箱垛组沿着预设规划轨迹运行，同时兼顾不合格箱体的剔除或转道生产，完成箱体包装用码垛的规定工序[1]。

3.2设备主要工艺原理

本设备主要工艺原理为间歇顺序式逻辑动作。全自动双箱正反面叠层码垛机械工艺包装顺序为：首个箱体输送至单层输送机构的指定位置，进行外部产品检测，然后送至旋转输送机构指定位置，接受前端检测信号。如果箱体不合格，则旋转输送机构转向90度，将箱体剔除输出，如果箱体为合格产品，则继续向后输送至升降输送机构的指定位置，然后升降机构下降到最低点，等待下个箱体码垛。第二个箱体输送至旋转输送机构上时，如果为合格产品，则开始包夹动作，之后上升一段距离，完成180度旋转翻面，然后旋转包夹机构移动到升降机构侧方，包夹下降一段距离，将箱体倒置放于首个箱体之上，然后包夹上升回到顶部初始位置，旋转包夹机构返回旋转输送机构侧方原点，此时一个工作循环周期完成，继续下一次码垛输送周期工序。本设备工艺原理可以根据具体产品尺寸、形状、排列而调整变化，使其更加符合实际生产需要[2]。

3.3设备组成

图1为设备整体结构示意图，主要包括单层输送、旋转输送、升降输送、旋转包夹等机构，以及重载移动平台和自动控制系统六大部分。设备在总体设计时需要综合考虑结构选型和传动匹配，然后进行分部结构设计，设计原理必须满足机构的基本运动要求，符合强度好、刚性足、易制造的特点。优选结构简单、合理、紧凑、实用的结构形式。并且要求兼顾工艺性能好，成本可控，安全可靠，外观美观大方等特点。应尽可能采用标准件，以提高互换性，降低成本。设计时应尽可能采用模块式结构，以提高通用性，便于装配、调整和维护。

图 1 设备整体结构示意图

3.4旋转输送机构

旋转输送机构主要由设备机架、驱动电机、旋转平台、输送电机、传动主轴、链轮辊筒以及减速器、双排链、轴承座、检测元件等组成。旋转输送机构整体位于设备的中部，与前端单层输送机构和后端升降输送机构串联并固定。

旋转输送机构是本机的核心关键部件，该机构对于加工和安装精度有较高标准要求，安装后应保证链轮辊筒上平面与地面平行。该机构对于旋转精度亦有较高要求，需保证旋转灵活，无卡顿、间隙、停滞等现象。同时要求选取驱动电机时，应具有刹车的特点，其传动往复精度应保证在合理区间。该机构可将不合规箱体旋转后输送到生产支线上，具有剔除输送功能。

旋转输送机构利用行星齿轮旋转的机械原理，将旋转机构与输送机构相互融合。每个电机独立工作，使旋转输送功能得以实现。需要注意的是，旋转机构应安装到位检测、角度检测、光电检测、限位检测以及到位保护等控制元件，配合自动控制系统，可实现自由旋转输送的功能。另外双链轮辊筒适用于重载中速的现场环境，可根据运输产品的特点选择和适配辊筒。旋转输送机构如图2所示，该机构具有可编程参数化的能力，增强了设备柔性化特点，对于生产效率和稳定性将会有进一步的提升[3]。

图 2 旋转输送机构

3.5升降输送机构

升降输送机构主要由设备机架、动力气缸、剪叉升降、输送电机、传动主轴、链轮辊筒以及减速器、双排链、轴承座、检测元件等组成。升降输送机构整体位于设备的中部，与前端旋转输送机构串联并固定。

升降输送机构是本机的核心关键部件，该机构应用模块化和轻量化设计标准，选取铝合金作为主要结构材质，对具有潮湿、热量、腐蚀及安全的环境，其表面应做阳极氧化处理。该机构对于直线度和平面度有较高要求，需保证安装成型后的刚度和强度的要求。同时要求选取动力气缸时，应配备磁环和检测元件，其调试运行应保证往复动作灵活，无卡顿、停滞等现象[4]。

升降输送机构利用多连杆同步结构原理，动力端为单组可调节动力气缸，可实现大幅度距离升降的控制，载重系数高，安装快捷，维护简单。当第一个箱体输送至升降输送机构上时，该机构开始下降至指定高度，当旋转包夹机构将第二个箱体翻转后放在第一个箱体上时，该机构开始输送动作，将正反面叠层码垛后的箱组输送至指定位置。该机构具有重量轻、强度高、控制方便等优点。升降输送机构如图3所示，该机构可根据产品的尺寸和特性做适当的优化调整，将进一步提升码箱升降输送的生产效率。

图 3 升降输送机构

3.6旋转包夹机构

旋转包夹机构是本机的核心关键部件，位于整体设备的侧方，下部与重载移动平台连接和固定。主要由设备基座、传动丝杠、升降电机、旋转气盘、双向气缸、机械包夹以及减速器、双排链、轴承座、检测元件等组成。

旋转包夹机构应用通用化和模块化设计标准，选取不锈钢作为主要结构材质。该机构对于垂直度有较高要求，机架需要做基准一次性加工成型，才能进一步保证加工和安装的精度要求。同时要求选取导程小的滚珠丝杠作为主传动轴，伺服电机需要带刹车功能，旋转气盘和双向气缸应配备磁环和检测元件，其调试运行应保证动作灵活，无卡顿、跑偏等现象。

旋转包夹机构利用直线伺服模块和多种形式气缸协同工作原理，在检测到箱体到达指定位置时，机械包夹下降，夹住箱体后上升指定位置旋转180度，整体设备基座移动至升降输送机构侧方，下降机械包夹，将箱体倒扣放至于第一个箱体上部，然后机械包夹上升回到初始位置，整体设备基座移动至旋转输送机构侧方，此时本次动作周期完成。该机构配备气动保护能力和优化调整能力，不仅可保证在旋转时保护箱体跌落，也可根据产品尺寸快速切换间距，使该设备的兼容性进一步加强[5]。同时该机构具有结构简单、控制方便、维护成本低等优点。旋转包夹机构如图4所示。

图 4 旋转包夹机构

3.7重载移动平台

重载移动平台主要由设备基座、静音拖链、主动电机、行星减速、传动齿条、直线导轨以及减速器、双排链、轴承座、检测元件等组成。重载移动平台位于旋转包夹机构下方，侧方与旋转输送机构和升降输送机构连接和固定。

重载移动平台是本机的核心关键部件，该机构应用通用化和模块化设计标准，选取碳钢焊接体作为主要结构材质。该机构对于平行度有较高要求，机架需要做基准一次性加工成型，才能进一步保证加工和安装的精度要求。同时要求选取合适型号的传动齿条、齿轮作为精密传动的执行部件，伺服电机需要带刹车功能，直线导轨应配备直线保持器以及检测元件，其调试运行应保证动作灵活，无卡顿、阻塞等现象。

重载移动平台应配备到位保护能力和优化调整能力，可根据产品尺寸快速编辑时间、速度、距离等参数，使得该设备的兼容性进一步加强[6]。同时该机构具有结构简单、控制方便、维护成本低等优点。如图5所示。

图 5 重载移动机构

3.8自动控制系统

全自动双箱正反面叠层码垛机械自动控制系统需要对设备模块化设计，使其具有良好的灵活性和扩展性，不仅有效降低运维成本，同时也方便根据客户要求灵活定制控制界面。在设计中应充分考虑该设备在整体产线项目的承接作用，提供丰富的上下位接口和运行数据，可以更好的实现设备间的协作[7]。该设备采用Profinet总线控制方式，可以快速、便捷、安全的进行数据交换，相较以往的控制方式，在实时性、灵活性、开放性、扩展性、通用性等方面都有很大提高，降低了设备的管理成本。该设备使用RFID等技术提取生产信息，可以通过工业以太网将数据提供给现场级、过程控制级、工厂管理级、生产控制级、公司管理级等各个层级的管理系统，方便ERP、MES、WMS等管理系统对生产流程、调度资源的管理，并可进一步提升工厂数字化、信息化、智能化水平。该设备应用基于TIA portal平台的SIMATIC Safety工业安全控制系统，可以有效的保护人员和设备安全，提高生产效率和质量[8]。全自动双箱正反面叠层码垛机械自动控制系统具备控制、分析、统计、管理等功能，符合行业、市场、客户多种定制化的需求，伴随着轻工自动化控制技术的进步，该设备的功能将会越来越完善。

4 结束语

全自动双箱正反面叠层码垛机械是一种典型的光机电一体化设备，该机集成了轻工机械自动化包装、输送、码垛、气动、检测、控制等多项技术[9]。借鉴传统码垛机械设备的相关技术，创新设计了旋转输送机构、升降输送机构、旋转包夹机构以及重载移动平台，解决了双箱正反面叠层码垛难题，提升了自动化生产效率，提高了纸箱码垛系统的可靠性[10]。研究全自动双箱正反面叠层码垛机械系统，对于其他行业和设备具有借鉴作用，不仅为码垛技术的发展提供了新的方法和思路，也对提高我国轻工机械自动化水平有一定的意义。

作者单位/轻工业西安机械设计研究院有限公司

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