非標(biāo)木工板自動(dòng)化分揀和碼垛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐陽(yáng)洋

（哈工大機(jī)器人（合肥）國(guó)際創(chuàng)新研究院，安徽 合肥 230601）

0 引言

隨著人們對(duì)家裝品質(zhì)要求的提高，越來(lái)越多的家庭選擇定制家具進(jìn)行裝修，造成生產(chǎn)廠家對(duì)非標(biāo)定制家具的加工、輸送、分揀機(jī)碼垛的勞動(dòng)強(qiáng)度增加、效率降低，并且容易出現(xiàn)加工錯(cuò)誤的產(chǎn)品，在與客戶交流及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝的觀察分析后，做出如下自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)。

1 設(shè)備組成

在現(xiàn)有工廠中，板材主要使用板式家具開(kāi)料機(jī)進(jìn)行加工，板材的上下料均由人工完成。本文設(shè)計(jì)的設(shè)備系統(tǒng)由上料機(jī)器人上料，板式家具開(kāi)料機(jī)加工后，通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)、輸送分揀機(jī)、緩存輸送機(jī)、碼垛整形輸送機(jī)、碼垛桁架機(jī)器人進(jìn)行輸送、分揀機(jī)整形碼垛，如圖1所示。

圖1 布局圖

2 工藝流程

根據(jù)客戶訂單，由上料機(jī)器人上料板材至板式家具開(kāi)料機(jī)，板式家具開(kāi)料機(jī)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)在上位機(jī)內(nèi)的圖紙及尺寸對(duì)板材進(jìn)行加工，加工后機(jī)器人上料至輸送分揀機(jī)并輸送至視覺(jué)系統(tǒng)處，經(jīng)過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)拍照掃碼并與系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的程序?qū)Ρ龋瑢宀妮斔椭林付ǖ姆謷M件處，并由分揀組件進(jìn)行阻擋分揀至緩存輸送機(jī)，緩存輸送機(jī)進(jìn)行端部對(duì)齊整形后送料至碼垛整形輸送機(jī)，碼垛整形輸送機(jī)通過(guò)PLC系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品兩側(cè)的整形對(duì)齊，完成后將由碼垛桁架機(jī)器人進(jìn)行抓取碼垛。

3 相關(guān)配套設(shè)備的設(shè)計(jì)及優(yōu)點(diǎn)

3.1 視覺(jué)系統(tǒng)

視覺(jué)系統(tǒng)選用智能相機(jī)進(jìn)行條碼的拍照并上傳至上位機(jī)進(jìn)行分析、比對(duì)，最終發(fā)出產(chǎn)品信息至PLC，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化輸送、分揀及碼垛的控制，拍照的速度快，系統(tǒng)直接讀取信息，不會(huì)發(fā)生人為判斷錯(cuò)誤的問(wèn)題。

3.2 分揀輸送機(jī)

采用滾珠鏈板式輸送機(jī)，如圖2所示，當(dāng)產(chǎn)品前進(jìn)方向有阻擋時(shí)，因?yàn)槟Σ亮σ约傲εc反作用力的原理，如圖3所示，滾珠會(huì)旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)產(chǎn)品向垂直方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)分揀。

圖2 鏈板式輸送機(jī)

圖3 分揀原理圖

3.3 分揀組件

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有3組分揀口，每口有3個(gè)分揀位置，共計(jì)包含9個(gè)分揀位置，滿足訂單內(nèi)大產(chǎn)品、小產(chǎn)品及大小產(chǎn)品混合碼垛時(shí)的分揀，整套系統(tǒng)中此處配合分揀輸送機(jī)將產(chǎn)品分揀至整形、碼垛的工序，分揀位置的工作選擇是由系統(tǒng)內(nèi)拍照后的信息發(fā)至PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)，準(zhǔn)確率及效率都有大幅提高。

3.4 緩存輸送線

此處對(duì)接分揀組件及分揀輸送機(jī)，每個(gè)分揀口可能會(huì)錯(cuò)時(shí)分出3件產(chǎn)品至碼垛位，設(shè)備實(shí)現(xiàn)將3件產(chǎn)品的前端對(duì)齊滿足后面碼垛的抓取，緩存輸送線會(huì)采用積放滾珠鏈板，如圖4所示，極大地減少了積放時(shí)對(duì)產(chǎn)品的磨損，同時(shí)降低了輸送傳動(dòng)電機(jī)的功率，節(jié)約能耗。

圖4 緩存輸送線

3.5 碼垛整形輸送機(jī)

這個(gè)位置將是碼垛前的一道整形工序，在前面已經(jīng)將端面對(duì)齊，此處將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品2 側(cè)的對(duì)夾整形，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)正反向的絲桿，實(shí)現(xiàn)對(duì)中整形的功能，為后面的碼垛帶來(lái)便利及碼垛的整齊，輸送機(jī)選擇的輸送帶是與運(yùn)行方向有同軸的旋轉(zhuǎn)軸的滾珠鏈板，如圖5所示，對(duì)夾時(shí)同樣可減少產(chǎn)品的磨損和電機(jī)的功率。

圖5 碼垛整形輸送機(jī)

3.6 碼垛機(jī)械手

當(dāng)全部整形完成后，碼垛機(jī)械手上的Y軸行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)吸盤(pán)組件至吸取位置，Z軸是通過(guò)氣缸控制，會(huì)有3組獨(dú)立的升降吸盤(pán)組件，碼垛桁架機(jī)械手會(huì)根據(jù)PLC程序控制吸盤(pán)的升降及吸取碼垛，吸取時(shí)會(huì)根據(jù)PLC的信息選擇必要的吸盤(pán)都打開(kāi)，節(jié)約能耗。

3.7 控制系統(tǒng)

用戶將預(yù)設(shè)信息導(dǎo)入到上位機(jī)，產(chǎn)品上有條碼，在產(chǎn)品通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)時(shí)，視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)將產(chǎn)品信息傳輸至上位機(jī)，經(jīng)過(guò)上位機(jī)的運(yùn)算以及和預(yù)設(shè)信息的對(duì)比，發(fā)出指令到設(shè)備的PLC，輸送、分揀及碼垛設(shè)備會(huì)根據(jù)PLC的指令完成各自的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)。

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(xiàn)根據(jù)上文設(shè)備的設(shè)計(jì)速度分析計(jì)算節(jié)拍，見(jiàn)表1，對(duì)比人工完成量：

表1 節(jié)拍分析表

產(chǎn)品范圍為500-2 000mm長(zhǎng)，取中假設(shè)產(chǎn)品尺寸為1 000×1 000mm，產(chǎn)品間距1 000mm。

設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)：分揀輸送機(jī)V=30m/min=500mm/s，每組產(chǎn)品間距L=6 000mm；緩存輸送機(jī)V=30m/min=500mm/s，輸送距離L=2 000mm；碼垛整形輸送機(jī)V==60m/min=1 000mm/s，輸送距離L=3 000mm；產(chǎn)品在碼垛輸送機(jī)上整形伺服速度V=500mm/s,運(yùn)行距離L=200mm；碼垛桁架機(jī)械手Y 軸伺服運(yùn)行速度V=60m/min=1 000mm/s，運(yùn)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(chǎn)品分揀間隔時(shí)間：t=L/V=6 000/500=12s；

產(chǎn)品在緩存輸送機(jī)上運(yùn)行時(shí)間：t=L/V=2 000/500=4s；

產(chǎn)品在碼垛整形輸送機(jī)上運(yùn)行時(shí)間：t=L/V=3 000/1 000=3s；

產(chǎn)品整形時(shí)間：t=2×（L/V）=2×（200/500）=0.8s（整形后需復(fù)位）；

碼垛桁架機(jī)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(yùn)行時(shí)間t=L/V=3 000/1 000=3s；

由表6 分析后可得出設(shè)備29s 即可完成分揀、碼垛3㎡的木工板；

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

設(shè)備10h工作完成的產(chǎn)量遠(yuǎn)大于人工10h完成的工作量。

綜上，本文設(shè)計(jì)的設(shè)備可創(chuàng)造的效益遠(yuǎn)大于人工操作，同時(shí)極大地降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少職業(yè)病發(fā)生的概率，給企業(yè)可帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展以及中國(guó)人口紅利的漸漸消失，木工板加工由人工進(jìn)行搬運(yùn)、分揀及碼垛的工藝會(huì)因?yàn)閯趧?dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)環(huán)境惡劣等原因變成沒(méi)有員工愿意從事的工作，極大地影響了企業(yè)的發(fā)展，本文設(shè)計(jì)的設(shè)備具有：提高了產(chǎn)品的良率，降低整體成本；改善了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度及讓員工遠(yuǎn)離了粉塵大的環(huán)境，提高了生產(chǎn)效率；分揀和碼垛自動(dòng)化設(shè)備具有高效率、高自動(dòng)化程度、低維護(hù)成本、可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。

自動(dòng)化設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)將在定制家具生產(chǎn)領(lǐng)域中有著廣闊的前景。