瓦楞紙板定向卸垛機設(shè)計

朱旭陽， 唐正寧

(江南大學(xué) 機械工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122)

瓦楞紙箱因其具有價格低廉、抗壓性好且易于折疊運輸?shù)葍?yōu)點，常被用于食品、藥品和其他物品的包裝。瓦楞紙箱來料基本以瓦楞紙板垛的形式被運送至包裝生產(chǎn)線上，后由人工或機械卸垛并運送至成型機中成型為瓦楞紙箱。因瓦楞紙板生產(chǎn)廠家的碼垛工藝等原因，來料經(jīng)常存在一垛瓦楞紙板垛中夾雜不同朝向的瓦楞紙板，而瓦楞紙板多需以固定的朝向進入成型機，因此需要調(diào)整紙板方向。

目前，針對瓦楞紙板等板類物品的碼垛卸垛作業(yè)，工業(yè)領(lǐng)域多采用吸盤進行吸取并利用搬運輸送裝置將其轉(zhuǎn)移至目標(biāo)位置。吸盤能最大程度地降低物品損傷且能保證瓦楞紙板卸垛時的朝向，但其每次只能吸取單張箱板，因而卸垛效率較低[1-3]。除此之外，工業(yè)領(lǐng)域常用的卸垛末端執(zhí)行器還有夾爪式、夾板式和鏟式等，但都不能確保每次卸垛時抓取的瓦楞紙板朝向一致[4-8]。因而，簡單的機械搬運卸垛不能滿足生產(chǎn)需求，生產(chǎn)中基本采用人工卸垛作業(yè)，勞動強度大且效率較低。隨著機器視覺技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域也已出現(xiàn)碼垛卸垛與視覺檢測相結(jié)合的技術(shù)，這給瓦楞紙板的定向卸垛作業(yè)提供了新的思路[9-11]。

為降低定向卸垛作業(yè)的勞動強度及提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，針對瓦楞紙板來料以不同朝向堆疊的狀況，課題組提出一種瓦楞紙板定向卸垛機的設(shè)計方案及其工作流程。

1 設(shè)計要求與設(shè)計參數(shù)

瓦楞紙箱垛如圖1所示，其由4垛瓦楞紙箱物料錯綜堆疊而成并放置于托盤之上，每垛瓦楞紙板側(cè)面有顏色相間，并以顏色分隔為分界線將瓦楞紙板垛分為多份目標(biāo)瓦楞紙板垛。瓦楞紙板定向卸垛機每次抓取瓦楞紙板數(shù)量為一個目標(biāo)厚度且不超過40張。被抓取的瓦楞紙板長度為440～520 mm，寬度為910～1 270 mm。

圖1 瓦楞紙板堆垛方式Figure 1 Stacking method of corrugated cardboard stack

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 整機結(jié)構(gòu)及工作流程

瓦楞紙板定向卸垛機如圖2所示，主要由推紙板裝置、托紙板裝置、壓紙板裝置、吸紙板裝置、視覺檢測裝置、機器人、轉(zhuǎn)盤和機架等組成。

1—機器人；2—機架；3—壓紙板裝置；4—推紙板裝置；5—吸紙板裝置；6—托紙板裝置；7—轉(zhuǎn)盤；8—第2視覺檢測裝置；9—第1視覺檢測裝置。圖2 瓦楞紙板定向卸垛機整體設(shè)計Figure 2 Overall design of corrugated cardboard directional depalletizer

工作流程如下：

1) 載有瓦楞紙板垛的托盤被運送至轉(zhuǎn)盤之上；

2) 第1視覺檢測裝置采集第Ⅰ垛瓦楞紙板的側(cè)面圖像并判斷其疊層分界線，機器人根據(jù)圖像判斷的信號進行相應(yīng)動作；

3) 推紙板裝置擠壓第Ⅰ瓦楞紙板垛的上層目標(biāo)瓦楞紙板垛，使其呈向上傾斜狀態(tài)；

4) 托紙板裝置托起目標(biāo)瓦楞紙板垛，使得第Ⅰ瓦楞紙板垛上下層分離；

5) 第2視覺檢測裝置檢測上層目標(biāo)是否存在瓦楞紙板未被托起而遺留在下層，若存在遺留，則托紙板裝置放下目標(biāo)瓦楞紙板垛，重復(fù)一次步驟3)和4)操作；

6) 壓紙板裝置壓緊目標(biāo)瓦楞紙板垛，使得目標(biāo)瓦楞紙板垛在壓紙板裝置和托紙板裝置之間被固定；

7) 目標(biāo)瓦楞紙板垛被機器人運送至傳送線上，解除壓紙板裝置和托紙板裝置對其的固定并等待進入下一工位，由此完成第Ⅰ垛瓦楞紙板上層目標(biāo)的卸垛作業(yè)；

8) 轉(zhuǎn)盤逆時針轉(zhuǎn)動90°并使得第Ⅱ垛瓦楞紙板對準(zhǔn)第1視覺檢測裝置，重復(fù)2)～7)以完成此垛的卸垛作業(yè)；

9) 轉(zhuǎn)盤逆時針轉(zhuǎn)動90°并使得第Ⅲ垛瓦楞紙板對準(zhǔn)第1視覺檢測裝置，重復(fù)步驟2)～7)以完成此垛的卸垛作業(yè)；

10) 轉(zhuǎn)盤逆時針轉(zhuǎn)動90°并使得第Ⅳ垛瓦楞紙板對準(zhǔn)第1視覺檢測裝置，壓紙板裝置下壓第Ⅰ瓦楞紙板垛，重復(fù)步驟2)～7)以完成第Ⅳ垛瓦楞紙板卸垛作業(yè)；

11) 吸紙板裝置吸取上述流程中可能遺留的瓦楞紙板，機器人將其運送至傳送線；

12) 重復(fù)以上流程以完成剩余目標(biāo)瓦楞紙板垛的卸垛作業(yè)。

2.2 視覺檢測裝置

為準(zhǔn)確對目標(biāo)瓦楞紙板垛進行卸垛搬運，需先判斷其側(cè)面的疊層分界線，并檢測目標(biāo)瓦楞紙板垛是否被完整取出。

視覺檢測裝置用于檢測疊層分界線及目標(biāo)的取出情況，主要由相機、光源、軸承座、同步帶組件、同步帶連接板組件、直線導(dǎo)軌組件、電機組件、直線滑臺組件和相機機架等構(gòu)成。如圖3所示，直線導(dǎo)軌安裝在相機機架立柱上，同步帶輪通過軸承座固定在相機機架上并與電機連接，同步帶連接板下板與直線導(dǎo)軌滑塊相連接，相機和光源安裝在同步帶連接板上板上，相機機架通過支架與直線滑臺組相連。

1—同步帶組件；2—相機機架；3—同步帶連接板上板；4—光源；5—軸承座；6—直線導(dǎo)軌組件；7—同步帶連接板下板；8—相機；9—電機組件；10—直線滑臺組件。圖3 視覺檢測裝置的結(jié)構(gòu)Figure 3 Structure of visual inspection device

由于相機的拍攝視野有限，故需相應(yīng)地改變相機的位置，使其能對各個分界線處進行準(zhǔn)確采相。此時，工控機根據(jù)設(shè)定的參數(shù)向電機發(fā)出信號，電機轉(zhuǎn)動帶動同步帶輪轉(zhuǎn)動，使得相機跟隨同步帶上下運動，以便到達合適位置進行采相。直線滑臺則根據(jù)激光傳感器的信號進行前后移動，以保證相機在采相時對焦準(zhǔn)確。為使得相機能夠清晰地對分界線處進行采相，可根據(jù)工作場地的實際情況添加光源器件，從而改善拍攝條件。

2.3 推紙板裝置

推紙板裝置用于擠壓上層目標(biāo)瓦楞紙板垛，主要由推板、絲杠組件、直線導(dǎo)軌組件、氣缸組件、電機組件和推板機架等構(gòu)成，如圖4所示。

卸垛作業(yè)時，機器人動作，使得推板的底端與目標(biāo)瓦楞紙板垛的疊層分界線處于平齊狀態(tài)，以保證上層目標(biāo)瓦楞紙板垛被準(zhǔn)確擠壓。根據(jù)工控機信號，電機轉(zhuǎn)動并帶動絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠螺母從而帶動推板機架在直線導(dǎo)軌上運動，直至推板將要接觸瓦楞紙板垛處；接著氣缸帶動推板繼續(xù)朝紙板垛方向動作，讓推板輕微擠壓瓦楞紙板垛，使目標(biāo)瓦楞紙板垛上層為傾斜狀態(tài)便于被托起。因瓦楞紙板垛物料尺寸多樣，為滿足不同尺寸物料的卸垛需求，絲杠行程的選取需考慮瓦楞紙板垛的最大尺寸；同時安裝行程開關(guān)，保證運動不超出行程。為保證瓦楞紙板被推板擠壓時不受損傷，氣缸行程選取不應(yīng)過大，30～50 mm即可。

1—推板；2—推板機架；3—氣缸組件；4—直線導(dǎo)軌組件；5—絲杠組件；6—電機組件。圖4 推紙板裝置的結(jié)構(gòu)Figure 4 Structure of corrugated cardboard pushing device

2.4 托紙板裝置

托紙板裝置用于托起上層目標(biāo)瓦楞紙板垛，主要由升降擋板、鉤條、托板、齒輪齒條組件、直線導(dǎo)軌組件、氣缸組件、電機組件和托板機架等構(gòu)成。如圖5所示，電機與齒輪相連接，齒條固定于托板上，托板通過直線導(dǎo)軌組件與托板機架相連，鉤條位于升降擋板底端，升降擋板則垂直安裝在氣缸末端且通過直線導(dǎo)軌組件與托板機架相連。

為托起上層目標(biāo)瓦楞紙板垛，氣缸帶動升降擋板和鉤條向上運動。由于上層瓦楞紙板垛在升降擋板與推板之間被輕微擠壓為傾斜狀態(tài)，使得上層與下層瓦楞紙板垛之間產(chǎn)生間隙，鉤條在上升過程中于間隙處勾起上層瓦楞紙板垛，繼而電機轉(zhuǎn)動帶動齒輪齒條組件運動，托板則在齒輪齒條組件的作用下向間隙方向伸出并插入上層與下層的間隙之中，使得上層與下層瓦楞紙板垛分離。當(dāng)需將目標(biāo)瓦楞紙板垛運送至傳送線上時，電機反轉(zhuǎn)帶動托板回退，目標(biāo)下落至傳送線上。因需判斷被托起的瓦楞紙板垛是否被完全抓取，因此升降擋板的底端中央采用開口設(shè)計，以便視覺檢測裝置進行采相。為保證鉤條能夠順利勾起瓦楞紙板垛，在升降擋板上升到行程頂端時，鉤條底端相比于推板底端應(yīng)高出3～5 mm。

1—直線導(dǎo)軌組件；2—托板；3—齒輪齒條組件；4—電機組件；5—氣缸組件；6—托板機架；7—鉤條；8—升降擋板。圖5 托紙板裝置的結(jié)構(gòu)Figure 5 Structure of corrugated cardboard supporting device

2.5 壓紙板裝置

被托起的上層目標(biāo)瓦楞紙板垛需被壓緊固定，以防止在卸垛過程中發(fā)生散落。在第Ⅳ垛進行卸垛作業(yè)時，因其后側(cè)第Ⅰ瓦楞紙板垛已取走上層目標(biāo)，故第Ⅰ瓦楞紙板垛中下層瓦楞紙板垛會向上回彈并對前側(cè)瓦楞紙板垛的目標(biāo)分界線產(chǎn)生遮擋，使得推板不能對齊第Ⅳ瓦楞紙板垛的目標(biāo)分界線而進行擠壓作業(yè)，因此需對第Ⅰ瓦楞紙板垛進行按壓，以便推紙板裝置對第Ⅳ垛進行作業(yè)。

壓紙板裝置用于對瓦楞紙板垛進行按壓，主要由前側(cè)壓紙板、后側(cè)壓紙板、氣缸組件和壓板機架等構(gòu)成，如圖6所示。前側(cè)壓紙板和后側(cè)壓紙板分別與氣缸進行連接。當(dāng)前側(cè)氣缸活塞伸出時，帶動前側(cè)壓紙板下移，使其輕輕壓在被托起的目標(biāo)瓦楞紙板垛上，目標(biāo)瓦楞紙板垛就被固定在前側(cè)壓紙板和托板之間，然后轉(zhuǎn)移至傳送線上。對第Ⅳ垛進行卸垛作業(yè)時，后側(cè)氣缸活塞伸出從而帶動后側(cè)壓紙板下移，后側(cè)壓紙板按壓第Ⅰ瓦楞紙板垛的下層，使得推板能夠?qū)R第Ⅳ垛瓦楞紙板垛的目標(biāo)分界線，方便卸垛作業(yè)。由于推板需經(jīng)過第Ⅰ瓦楞紙板上方垛并對第Ⅳ垛瓦楞紙板垛進行擠壓，因此后側(cè)壓紙板需設(shè)計在推板的兩側(cè)，以防對推板動作產(chǎn)生干涉。因壓紙板采用不銹鋼材料，其底端光滑且較為鋒利，為增大摩擦力并防止壓紙板對瓦楞紙板產(chǎn)生損傷，故在其底端粘貼硅膠墊。

1—壓板機架；2—前側(cè)壓紙板；3—氣缸組件；4—后側(cè)壓紙板。圖6 壓紙板裝置的結(jié)構(gòu)Figure 6 Structure of corrugated cardboard pressing device

2.6 吸紙板裝置

在卸垛作業(yè)中，為應(yīng)對目標(biāo)瓦楞紙板垛存在單張遺留未取的情況，需對單張瓦楞紙板進行拾取轉(zhuǎn)移。

吸紙板裝置用于吸取轉(zhuǎn)移瓦楞紙板，主要由吸盤、氣缸組件和吸紙機架等構(gòu)成。如圖7所示，吸盤安裝于氣缸的末端。

1—氣缸組件；2—吸紙機架；3—吸盤。圖7 吸紙板裝置的結(jié)構(gòu)Figure 7 Structure of corrugated cardboard suction device

當(dāng)對瓦楞紙板進行吸取時，機器人下移，氣缸活塞桿伸出并將吸盤降至瓦楞紙板上，對瓦楞紙板進行吸取并由機器人轉(zhuǎn)移至輸送線。為減小吸盤下降到瓦楞紙板的距離，設(shè)計時選用較小行程的氣缸。在吸取單張遺留瓦楞紙板時，應(yīng)在4垛瓦楞紙板垛的同一層完成目標(biāo)瓦楞紙板垛卸垛作業(yè)后進行吸取，吸盤到瓦楞紙板之間的距離則由機器人進行補償。

3 結(jié)論

課題組提出了一種瓦楞紙板定向卸垛機的設(shè)計方案及卸垛方法。在瓦楞紙板以不同朝向堆疊的情況下，該設(shè)計方案能夠?qū)崿F(xiàn)對不同目標(biāo)厚度的瓦楞紙板垛進行抓取，并使每垛的瓦楞紙板都以相同的朝向進入下一工位。相比目前的瓦楞紙板卸垛設(shè)備，該設(shè)備因加入了視覺檢測裝置，故能準(zhǔn)確識別瓦楞紙板垛的疊層分界線，使其對作業(yè)時的卸垛位置能夠做出準(zhǔn)確判斷。面對目前飲料行業(yè)中存在的瓦楞紙板定向卸垛需求，本設(shè)計能夠應(yīng)對不同規(guī)格的瓦楞紙板來料，滿足了企業(yè)的生產(chǎn)需求，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。而如何對設(shè)備進行優(yōu)化，減小其占地面積，使其更適合舊的包裝生產(chǎn)線的改造，可進一步研究。