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摘要：為節(jié)省料筐運(yùn)輸時(shí)的空間和成本，通常需對(duì)料筐進(jìn)行堆疊，以減小運(yùn)輸體積。某公司料筐產(chǎn)量大且產(chǎn)能穩(wěn)定，需要研制低成本專用自動(dòng)疊筐線。本文先研究了自動(dòng)疊筐方案和動(dòng)作規(guī)劃，對(duì)專用自動(dòng)疊筐線進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括料筐的側(cè)翻定位裝置、窄帶前翻裝置與料筐傾斜升降裝置；對(duì)專用自動(dòng)疊筐線運(yùn)行節(jié)拍進(jìn)行分析；最后制作專用自動(dòng)疊筐線樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明所研究的方案滿足料筐輸送間隔為7s的疊三筐要求。

關(guān)鍵詞：料筐；疊筐；側(cè)翻；前翻；節(jié)拍分析

作者：曹沖振 張肅仁 孫超 王鳳芹 張萌

山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院

一

引言

由于水果的種類、數(shù)量以及運(yùn)輸距離等因素差異，目前水果市場(chǎng)所需料筐種類繁多。同時(shí)，為節(jié)省料筐運(yùn)輸時(shí)的空間和成本，通常需對(duì)料筐進(jìn)行堆疊以減小運(yùn)輸體積。某公司生產(chǎn)的料筐尺寸為長(zhǎng)490mm、寬350mm、高280mm，其產(chǎn)量大且產(chǎn)能穩(wěn)定，需要建設(shè)若干條低成本的專用自動(dòng)疊筐線。

本文研究的疊筐線，料筐輸送間隔ts=7s，料筐的自動(dòng)疊筐方案初步采用專用自動(dòng)疊筐線疊筐，即在疊筐工作區(qū)域（長(zhǎng)度寬度內(nèi)集成多個(gè)裝置，完成三個(gè)料筐的疊筐動(dòng)作。

二

固定規(guī)格料筐的專用自動(dòng)疊筐方案設(shè)計(jì)

1.總體方案

專用自動(dòng)疊筐線總體方案如圖1所示，第一料筐傾斜下降后，第二料筐側(cè)翻90°后對(duì)正并插入第一料筐，第三料筐對(duì)正并反扣在第二料筐上，疊筐完成后再把三筐水平輸送至打包區(qū)。專用自動(dòng)疊筐線主要包括緩存皮帶段、側(cè)翻定位裝置、窄帶前翻裝置、料筐傾斜升降裝置。專用自動(dòng)疊筐線疊筐方案集成度高，通過(guò)3個(gè)裝置之間相互配合，采用并行方式分別運(yùn)行，料筐按順序進(jìn)行側(cè)翻、定位、前翻等多項(xiàng)復(fù)雜動(dòng)作。與機(jī)器人疊筐方案相比，專用自動(dòng)疊筐線方案成本較低。

圖1 專用自動(dòng)疊筐線總方案

2.疊三筐動(dòng)作規(guī)劃

專用自動(dòng)疊筐線的疊三筐工作流程如圖2所示。

圖2 專用自動(dòng)疊筐線疊三筐流程

（1）第一料筐經(jīng)導(dǎo)條緩存皮帶線輸送后，進(jìn)入側(cè)翻定位裝置中；

（2）側(cè)翻定位裝置的直角臂翻轉(zhuǎn)45°，使第一料筐底面和側(cè)面緊貼直角臂內(nèi)側(cè)面；

（3）側(cè)翻定位裝置的直角臂復(fù)位，第一料筐姿態(tài)不變，且完成定位（料筐在專用自動(dòng)疊筐線寬度方向上的位置確定）；

（4）第一料筐繼續(xù)前移，經(jīng)過(guò)窄帶前翻裝置后，進(jìn)入料筐傾斜升降裝置。同時(shí)，第二料筐進(jìn)入導(dǎo)條緩存皮帶線等待；

（5）料筐傾斜升降裝置皮帶正向轉(zhuǎn)動(dòng)一段距離，調(diào)整第一料筐位置。同時(shí)第二料筐進(jìn)入側(cè)翻定位裝置；

（6）料筐傾斜升降裝置電缸桿縮回，皮帶線右端下降使皮帶面傾斜，從而第一料筐傾斜放置等待第二料筐插入。同時(shí)側(cè)翻定位裝置直角臂翻轉(zhuǎn)90°，且在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，側(cè)翻定位裝置的平移電缸動(dòng)作，將直角臂和第二料筐沿專用自動(dòng)疊筐線寬度方向移動(dòng)一段距離，因此側(cè)向翻轉(zhuǎn)90°后的第二料筐與第一料筐左右對(duì)中，使第二料筐能夠準(zhǔn)確插入到第一料筐中；

（7）第二料筐繼續(xù)前移，經(jīng)過(guò)窄帶前翻裝置后，利用初速度，以拋物線形式插入第一料筐中。同時(shí)側(cè)翻定位裝置的直角臂復(fù)位，第三料筐進(jìn)入導(dǎo)條緩存皮帶線等待；

（8）第三料筐前移，進(jìn)入側(cè)翻定位裝置中。同時(shí)窄帶前翻裝置的直角臂前向旋轉(zhuǎn)90°（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°），此時(shí)直角臂短邊豎直朝上，高于窄帶輸送面，而直角臂長(zhǎng)邊指向第三料筐，低于窄帶輸送面；

（9）與步驟（2）動(dòng)作相同，側(cè)翻定位裝置的直角臂翻轉(zhuǎn)45°，使第三料筐底面和側(cè)面緊貼直角臂內(nèi)側(cè)面；

（10）與步驟（3）動(dòng)作相同，側(cè)翻定位裝置的直角臂復(fù)位，第三料筐姿態(tài)不變，且完成定位（第三料筐在專用自動(dòng)疊筐線寬度方向上的位置與第一料筐相同）；

（11）第三料筐前移，直到料筐前側(cè)面與窄帶前翻裝置直角臂短邊接觸后停下；

（12）窄帶前翻裝置的直角臂前向旋轉(zhuǎn)90°（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°）。翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，直角臂短邊和長(zhǎng)邊分別與第三料筐前側(cè)面和底面貼合，從而帶動(dòng)第三料筐前翻90°；

（13）窄帶正向移動(dòng)，第三料筐前移，同時(shí)側(cè)翻定位裝置直角臂反向旋轉(zhuǎn)180°（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°），在直角臂旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，直角臂短邊與第三料筐前側(cè)面接觸，從而抬起第三料筐，使其有前翻的趨勢(shì)；

（14）第三料筐翻扣于第一料筐之上，并與第一料筐上下對(duì)齊；

（15）料筐傾斜升降裝置電缸桿伸出，皮帶線右端上升使皮帶面水平，料筐傾斜升降裝置復(fù)位，皮帶正向移動(dòng)輸送三筐組。

三

專用自動(dòng)疊筐線裝置設(shè)計(jì)

1.側(cè)翻定位裝置設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用輥式輸送段來(lái)滿足側(cè)翻定位裝置的輸送功能[1]，將側(cè)翻定位裝置主體部分安裝于輥式輸送段的下方，利用輥筒間的空隙，伸出直角臂等構(gòu)件對(duì)料筐進(jìn)行側(cè)翻，如圖3所示。側(cè)翻定位裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，平移驅(qū)動(dòng)選用磁耦合式無(wú)桿式氣缸[2]，能夠節(jié)省常規(guī)氣缸缸體安裝空間。平移模塊具體結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示，吊裝框架與專用自動(dòng)疊筐線側(cè)邊框栓接固定；側(cè)翻模塊通過(guò)直線導(dǎo)軌與平移模塊滑動(dòng)連接，驅(qū)動(dòng)電缸為側(cè)翻模塊提供平移驅(qū)動(dòng)力，使其沿專用自動(dòng)疊筐線寬度方向做直線平移運(yùn)動(dòng)。

圖3 側(cè)翻與平移模塊結(jié)構(gòu)

側(cè)翻定位裝置的定位原理[3]。（1）第一料筐和第三料筐定位，根據(jù)圖2專用自動(dòng)疊筐線疊三筐流程，步驟①至步驟③、步驟⑧至步驟⑩分別詳細(xì)闡述了第一料筐和第三料筐的定位方式，兩個(gè)料筐定位方式相同：料筐進(jìn)入側(cè)翻定位裝置之后，直角臂翻轉(zhuǎn)45°，使料筐底面和側(cè)面緊貼直角臂內(nèi)側(cè)面，然后直角臂復(fù)位，料筐姿態(tài)不變，而位置改變，即料筐在專用自動(dòng)疊筐線寬度方向上的位置確定，第一料筐和第三料筐左右對(duì)中。（2）第二料筐定位工作原理如圖4所示。圖4(a)為第一料筐和第三料筐定位完成狀態(tài)，料筐左側(cè)緊貼直角臂，平移模塊不動(dòng)作。圖4(b)為料筐側(cè)翻過(guò)程中狀態(tài)，此時(shí)平移模塊不動(dòng)作，對(duì)滑塊施加驅(qū)動(dòng)力，滑塊水平右移，帶動(dòng)直角臂對(duì)料筐進(jìn)行側(cè)翻。圖4(c)為第二料筐側(cè)翻90°并且定位完成狀態(tài)，第二料筐側(cè)翻90°后，平移模塊驅(qū)動(dòng)側(cè)翻模塊整體右移，進(jìn)行位移補(bǔ)償，使第二料筐與第一料筐、第三料筐左右對(duì)中，即各料筐豎直面重合。

圖4 第二料筐定位原理

圖5 第二料筐位移補(bǔ)償量分析

考慮到提高側(cè)翻定位裝置執(zhí)行第二料筐時(shí)的效率，側(cè)翻動(dòng)作和平移動(dòng)作可同步進(jìn)行。第二料筐側(cè)翻90°后需沿專用自動(dòng)疊筐線寬度方向進(jìn)行位移補(bǔ)償，使其與第一料筐和第三料筐左右對(duì)中[4]。圖5為第二料筐位移補(bǔ)償量分析圖。圖5(a)為第一料筐和第三料筐定位完成狀態(tài)，圖5(b)為料筐的第二料筐側(cè)翻90°狀態(tài)，且平移模塊未動(dòng)作，根據(jù)兩個(gè)狀態(tài)下的料筐豎直中心面位置，可得

式中，W為料筐的寬度，mm；

H為料筐的高度，mm；

W1為側(cè)翻前后豎直方向直角臂內(nèi)側(cè)面之間的距離，

經(jīng)SolidWorks軟件測(cè)量，W1=196.08mm。

兩個(gè)狀態(tài)下料筐豎直中心面間的距離?x，第二料筐位移補(bǔ)償量：

將W=350mm、H=280mm、W7=196.08mm代入式（2），得?x=118.92mm。

2.窄帶前翻裝置設(shè)計(jì)

窄帶前翻裝置若采用輥式輸送，前翻結(jié)構(gòu)將只能安裝于輸送面上方，導(dǎo)致安裝不便，并且沒(méi)有合適的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)料筐的前翻功能。本文提出直角臂前翻方案其工作原理如圖6所示。圖6(c)為直角臂待前翻狀態(tài)，即第一料筐和第二料筐通過(guò)時(shí)，直角臂隱藏于輸送面下方，窄帶正向移動(dòng)，料筐以原姿態(tài)通過(guò)；圖6(b)代表直角臂前翻90°前狀態(tài)，即第三料筐進(jìn)入窄帶前翻裝置之前，直角臂提前從潛伏狀態(tài)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，等待第三料筐進(jìn)入直角臂內(nèi)；圖6(a)為直角臂前翻90°后狀態(tài)，直角臂逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)第三料筐前翻90°。

圖6 前翻直角臂工作原理

圖7 窄帶前翻裝置三維模型

考慮到窄帶上下層間距僅為60mm，且窄帶上下層之間設(shè)有窄帶托板，導(dǎo)致直角臂的旋轉(zhuǎn)軸安裝空間受限，因此將旋轉(zhuǎn)軸安裝于窄帶的正下方，窄帶前翻裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.料筐傾斜升降裝置設(shè)計(jì)

繼側(cè)翻定位裝置和窄帶前翻裝置對(duì)三個(gè)料筐進(jìn)行側(cè)翻、定位、前翻動(dòng)作后，最終在料筐傾斜升降裝置處實(shí)現(xiàn)疊三筐。料筐傾斜升降裝置采用六桿機(jī)構(gòu)方案，如圖8和圖9所示，為六桿機(jī)構(gòu)方案，其中桿AD為電缸，桿BC為皮帶線，該方案在四桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，添加連桿結(jié)構(gòu)CDE，連桿結(jié)構(gòu)兩端分別與皮帶線右端和機(jī)架鉸接固定，而電缸直接驅(qū)動(dòng)連桿鉸接點(diǎn)D，從而實(shí)現(xiàn)皮帶線右端升降。該方案標(biāo)準(zhǔn)電缸行程小于400mm，能夠小幅降低驅(qū)動(dòng)成本，并且裝置依靠A點(diǎn)和E點(diǎn)進(jìn)行支撐，整體穩(wěn)定性高于四桿機(jī)構(gòu)方案。

圖8 六桿機(jī)構(gòu)方案

圖9 料筐傾斜升降裝置三維模型

連桿上方穿接軸，軸兩端分別與皮帶線右端鉸接固定，因此皮帶線右端單支撐改進(jìn)為雙支撐，同時(shí)雙連桿下方也采用雙支撐點(diǎn)結(jié)構(gòu)，能夠大幅提高料筐傾斜升降裝置工作時(shí)整體穩(wěn)定性。上連桿兩鉸接點(diǎn)C、D中心距離為下連桿兩鉸接點(diǎn)D、E中心距離為在圖8(a)狀態(tài)時(shí)，兩連桿夾角為180°。

電缸所需行程計(jì)算。連桿桿長(zhǎng)確定后，求得皮帶線傾斜角度和3.29°狀態(tài)下的電缸長(zhǎng)度分別為585.78mm和917.94mm，選用行程為350mm的電缸，電缸頭尾部鉸接點(diǎn)之間的最小距離為584mm＜585.78mm，最大距離為934mm＞917.94mm，符合使用要求。

四

專用自動(dòng)疊筐線并行節(jié)拍分析

在實(shí)際工作過(guò)程中，專用自動(dòng)疊筐線采用并行運(yùn)作方式，即多個(gè)動(dòng)作可同時(shí)進(jìn)行，與串聯(lián)方式相比，并行方式用時(shí)少，但控制難度增大。結(jié)合圖2專用自動(dòng)疊筐線疊三筐流程，得到專用自動(dòng)疊筐線所有疊筐動(dòng)作與對(duì)應(yīng)數(shù)值參見(jiàn)表1。

根據(jù)各動(dòng)作時(shí)間和支線料筐輸送間隔ts=7s，可知：

1.t1=5.67s＜ts=7s，第一料筐不影響第二料筐動(dòng)作。

2.t2+t3=4.42s＜ts=7s，第二料筐插入第一料筐中且側(cè)翻定位裝置復(fù)位后，不影響第三料筐動(dòng)作。

3.疊三筐完成后，需保證下一個(gè)疊三筐流程正常運(yùn)行，專用自動(dòng)疊筐線各裝置需進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位動(dòng)作主要是時(shí)間t5和t6對(duì)應(yīng)動(dòng)作，而t6＞t5，因此主要考慮時(shí)間t6對(duì)應(yīng)動(dòng)作，即前翻直角臂正轉(zhuǎn)180°進(jìn)入潛伏狀態(tài)復(fù)位動(dòng)作對(duì)下一個(gè)疊三筐流程的影響。

若下一個(gè)疊三筐流程的第一料筐定位完成后，保證其前進(jìn)過(guò)程中不與前翻直角臂產(chǎn)生碰撞，則需滿足以下關(guān)系：

將各時(shí)間參數(shù)代入式(3)中，不等式成立，即專用自動(dòng)疊筐線可持續(xù)運(yùn)作。

4.將第一料筐從緩存位置開(kāi)始運(yùn)行直到疊三筐完成時(shí)記為一個(gè)疊三筐流程總時(shí)間tz，可以得到：

將各時(shí)間參數(shù)代入式(4)中，計(jì)算得到tz=18.56s。

綜上所述，料筐運(yùn)行數(shù)據(jù)滿足不等式t1＜ts、t2+t3＜ts、t4+t6＜ts+t7，專用自動(dòng)疊筐線疊筐方案可滿足支線料筐輸送間隔ts=7s的疊三筐要求，并且一個(gè)疊三筐流程總時(shí)間tz=18.56s，小于21s。

五

專用自動(dòng)疊筐線樣機(jī)試驗(yàn)

專用自動(dòng)疊筐線整機(jī)設(shè)計(jì)完成后，制作樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)。專用自動(dòng)疊筐線樣機(jī)主要測(cè)試過(guò)程如圖10所示。專用自動(dòng)疊筐線裝配完成后，將各裝置的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)連接，并運(yùn)行預(yù)先設(shè)定的控制指令，檢查空載情況下各動(dòng)作的執(zhí)行情況。在動(dòng)作準(zhǔn)確無(wú)誤后將驅(qū)動(dòng)分別安裝到對(duì)應(yīng)位置并與執(zhí)行元件連接，將料筐按照7s間隔通過(guò)分流裝置送入專用自動(dòng)疊筐線，均能完成疊三筐，且疊三筐總時(shí)間tz=18.1s。

圖10 專用自動(dòng)疊筐線樣機(jī)測(cè)試過(guò)程

經(jīng)計(jì)算分析，三筐平放堆疊體積為使用疊三筐疊筐后堆疊體積為體積減小了0因此相比于三筐平放堆疊，疊三筐設(shè)計(jì)將節(jié)省33%的運(yùn)輸空間，即降低33%的運(yùn)輸成本。

六

總結(jié)

本文對(duì)固定規(guī)格料筐產(chǎn)量大且穩(wěn)定、低成本的自動(dòng)疊筐方案基礎(chǔ)之上，對(duì)專用自動(dòng)疊筐線的機(jī)械系統(tǒng)方案進(jìn)行研究。首先，針對(duì)固定規(guī)格料筐產(chǎn)量大且穩(wěn)定情況提出了專用自動(dòng)疊筐線的設(shè)計(jì)要求和結(jié)構(gòu)組成；其次，根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)側(cè)翻定位裝置、窄帶前翻裝置和料筐傾斜升降裝置的詳細(xì)機(jī)械系統(tǒng)方案進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)；再次，對(duì)專用自動(dòng)疊筐線運(yùn)行節(jié)拍進(jìn)行分析，結(jié)果表明專用自動(dòng)疊筐線能夠滿足支線料筐輸送間隔ts=7s的疊三筐工作；最后對(duì)專用自動(dòng)疊筐線樣機(jī)進(jìn)行了疊三筐試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明專用自動(dòng)疊筐線符合設(shè)計(jì)要求。

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編輯、排版：王茜

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