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摘要：目的研究高效的、可集成于瓦楞紙箱生產線終端的瓦楞紙箱板自動碼垛裝置。方法通過對六自由度碼垛機器人和機械式碼垛裝置進行研究，在分析其優缺點的基礎上，結合企業的技術要求設計瓦楞紙箱板自動碼垛裝置。

在設計方案中采用AHP法，結合企業的要求和生產現場的狀況，選擇機械式碼垛設計方案。結果確定了新型瓦楞紙板箱碼垛成套裝置設計方案，論述了其工作原理并討論了關鍵裝置的設計要點，對抓取機械手的結構和運動軌跡進行了分析與優化。

結論該設計方案采用2 個機械手分別完成單層碼垛和整層抓取操作，設計合理，滿足企業的使用要求。

自動碼垛機按智能化水平分為機器人碼垛機和機械式碼垛機。瓦楞紙箱板自動碼垛機是將完成紙板成形印刷、模切、打捆后的瓦楞紙箱板碼放到托盤上，以解決人工碼垛勞動強度大等問題，并提高工作效率。

1 瓦楞紙箱板自動碼垛機設計技術要求

1.1 設計參數要求

參數要求：紙箱板的最小切長為488 mm，最大切長為 584 mm；最小切寬為 766 mm，最大切寬為 1114 mm；紙箱板的最小面積為0.182 m2，最大面積為0.321 m2；每平方米質量最小值為0.43 kg/m2，最大值為0.56 kg/m2）；每捆個數最少 20 個，最多 50 個；托盤尺寸的長×寬×高=1500 mm×1500 mm×250 mm；碼放速度為15～17捆/分；碼放高度應≤1900 mm。

1.2 紙箱板碼垛機設計特點

分析設計參數可以看出，待設計的紙箱板自動碼垛裝置應具有的特點：碼垛速度高，碼垛一捆紙箱板的時間為3.5～4 s；最大碼放質量大，依據紙箱面積、定量和每捆的個數，單捆最大碼放質量為18 kg，考慮工作系數，設計最大碼放質量為20 kg，即機械手的公稱抓取質量為20 kg；一層四捆的碼放質量為80 kg；最大碼放高度約為1900 mm；設備可靠性好，紙箱板在碼放過程中不能變形、破損；全自動碼放、安全、經濟、效率高。

1 瓦楞紙箱板自動碼垛機總體設計方案

2.1 堆碼方式的選擇

產品在托盤上堆碼的方式有 4 種：重疊式、交錯式、縱橫式和旋轉式，各種堆碼方式見圖1，要求托盤表面的利用率不低于80%。在選擇瓦楞紙箱板碼垛方式時，要結合紙箱板自動碼垛機的特點、托盤與產品的尺寸關系及不同碼垛方式的特點。該機因碼垛高度高、質量大，因此每層選擇穩定性較好的旋轉式，奇數層和偶數層選擇交錯跺的碼垛方式。

2.2 瓦楞紙箱板自動碼垛機設計方案

2.2.1 設計方案的選擇

自動碼跺裝置方案設計可以采用機器人碼垛和機械式碼垛（直角坐標機器人碼垛）2種方案，設計方案采用AHP法，從設備功能、工作性能、經濟性、可靠性等方面進行具體分析，并建立相應數學模型，結合企業的要求和生產現場的條件，選擇機械式碼垛設計方案（直角坐標機器人）。瓦楞紙箱板自動碼垛機工作原理見圖2。

2.2.2 工作原理與工作過程

工作過程為：碼放機械手1將在緩沖輸送裝置上待碼垛的單捆紙箱板抓起并上升，而后移動到單層碼放工位，在此工位位置下降，并按照預定的堆碼方式將紙箱板放到跺盤上，循環4次，完成一層紙箱板的碼垛。

機械手2按照旋轉跺奇數層和偶數層的碼垛規律，將機械手1碼放好的整層紙箱板碼放在托盤上，直到規定的層數，完成1次工作循環。該機如果只使用1個機械手，在技術上有2個難點：奇數層和偶數層紙板的碼放形式不同，機械手完成奇數層和偶數層碼放運動軌跡不同；隨著托盤上被碼放紙板的層數增加，機械手在z軸方向的向下運動（完成將紙板放在托盤上）的距離減小。

如果使用1個機械手，其運動復雜，將增加機械手運動控制的難度。使用2個機械手可將復雜的運動簡單化，機械手1只完成將4捆紙箱板碼放在跺盤上，每次工作循環的運動軌跡相同；機械手2的運動滿足奇數層和偶數層的碼放要求，以及改變機械手z軸方向的運動距離以適應碼放高度的變化。

文中碼垛機碼垛一捆紙板的時間約為 3.5～4 s，機械手1完成一個工藝循環所需的時間為14～16 s，機械手2完成一個工藝循環的時間約為4 s。依據企業車間預留的空間尺寸4 m×3 m×2 m，可選擇直線導軌的最大速度為 3～5 m/s，最大加速度為 50～100 m/s2，來滿足生產節拍的要求。

2.3 瓦楞紙箱板自動碼垛機設計要點

2.3.1 碼垛機械手類型選擇和運動軌跡分析

機械手的驅動方式有液壓、氣動和電動等3種方式。文中為防止紙箱板在碼放過程中被劃破或變形，采用夾托式手指形機械手，抓取時手指的位置應避開紙箱的切口位置。依據負載要求，該機的驅動裝置采用電動和氣動相結合的方式。機械手1和機械手2均可采用類似的結構。。

2.3.2 其他裝置設計與選擇電機、直線導軌、氣缸、減速器等裝置為標準件，在設計時依據參數計算選擇相應的型號。文中伺服電機采用交流伺服電機，其結構簡單、運行可靠，使用維修方便，也可以采用減速器和電機集成一體機。直線導軌選用鋁合金材質，要求具有耐蝕性、組裝容易、互換容易、運轉平穩、低噪音等特點。控制裝置應實現PC化、網絡化設計，并采用多傳感器融合技術

3、結語

紙箱板自動碼垛裝置采用框架結構，4根立柱受力、結構合理。使用雙機械手分別完成單層碼放、整層抓取碼垛工藝，動作協調平穩，滿足碼垛生產能力的需求。該設備適用高速、重載紙箱板碼垛，設計盡量采用標準化的元件，便于互換、減低設備成本。

來源：愛學術 侵刪

作者：徐雪萌，張永宇，張映霞，徐云（河南工業大學，鄭州 450007）

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