块状物料机器手抓取式装箱机设计

李 响 马 永 何 偲 王 汀 牛雅宁 赵 伟

（武汉人天包装技术有限公司，湖北 武汉 430205）

块状物料机器手抓取式装箱机设计

李 响 马 永 何 偲 王 汀 牛雅宁 赵 伟

（武汉人天包装技术有限公司，湖北 武汉 430205）

为实现食品包装过程自动化，设计抓取式装箱机，用于多种物料装箱，特别是用于块状物料装箱。详细介绍各部件的工作原理及控制方法，重点介绍机器人的结构特点。经测试，机器人抓取速度可以达到2s/次。

抓取式装箱机；机器手；控制系统

目前，中国自动化装箱生产线大多为跌落式装箱和侧推式装箱，但随着食品包装产品形式的多样化，越来越多的食品包装物既不适合跌落式装箱又不适合侧推式装箱，导致该类食品包装物装箱生产线大部分工作仍需人工操作。在发达国家，该类食品包装物自动化装箱生产线已经得到实质性突破，即机器人装箱；而对于中国食品生产厂家，采用机器人装箱设备成本过高［1－4］。为此设计一种以机器手为主体的抓取式装箱机，要求整机工作效率高、适应性广、调整方便、成本适中、便于制造，可有效地解决快速、灵活的多种物料装箱的问题，以提高中国包装生产线的自动化水平。

1 抓取式装箱机中国应用现状

目前，中国可以称之为抓取式装箱机的大致有4种，分别用在不同的条件下：

（1）啤酒、饮料等行业［5］抓取式装箱机。这种装箱机专门用于啤酒饮料等瓶状物料的装箱，采用普通电机和连杆等机械结构，运动轨迹固定，抓取夹具固定，运动速度较慢，可以多箱同时装箱，在啤酒饮料行业应用非常有效，但不太适用于其它物料装箱。

（2）坐标式机器手装箱机。这种装箱机的机器手采用伺服电机驱动的直线运动机构为主要组成部件，一般由两个或三个轴（即两个或三个直线运动机构）组成，可以实现两个或三个坐标上的直线运动。这种装箱机灵活性强，可以适应多种规格的物料和纸箱，设计和加工均较简单，非常适合于一般用户，中国多家厂商均可生产。但是这种机器手不利于做曲线运动，在高速运行的情况下性能较弱，不过因其价格较低，通常可用数量来弥补速度的不足。

（3）机器人装箱机（即空间连杆并联机器人）。这是一种高速的并联多关节机器手装箱机，其速度可以达到120次/min，在国外广泛应用于物料分拣、搬运、装盒。中国有厂家研发这种机器手并将其用于装箱，其装箱动作频率快，用于物料分拣时很有优势。但是它负载较轻，通常一次只能抓取一个物料且对物料的重量有要求，另外其结构复杂，要求制造精度高，成本也高，因此，在中国没有形成大规模应用。

（4）集成通用关节型机器人装箱机。因采用通用关节型机器人，所以运行稳定，定位精确。但是通用关节型机器人其主要功能应用在焊接、涂胶等通用领域，所以定位精确度超出包装行业需要，且速度上有所不足，成本也较高，因此应用也不普遍。

综上所述，所需抓取式装箱机必须具备一种高速、灵活的机器手，成本适中并便于在中国设计制造，整机必须与机器手相配，速度快且便于调整以适应不同的物料和纸箱。

2 抓取式装箱机结构设计

抓取式装箱机主要由4个部分组成：机架、机器手、纸箱输送和定位机构、物料排列机构。首先，纸箱输送和定位机构将前端输送过来的封好底面的纸箱输送到装箱工位，将纸箱撑开，保持箱页呈向外撑开状态。同时，物料排列机构将输送来的物料改变运行速度，拉开物料之间的距离，然后将拉开距离的物料排成指定装箱行数，并在装箱工位上进行定位。最后再由抓取机器人将物料从物料排列和定位机构上抓取装入纸箱中。装箱完毕后，纸箱输送和定位机构将装有物料的纸箱送出。

图1 抓取式装箱机Figure 1 Sketch map of grasp－type packing machine

2.1 物料排列机构工作原理

物料排列机构的作用是将物料排成指定装箱行数，并在装箱工位上进行定位。物料从分流皮带处进入，在分流皮带处拉开距离并进行计数，然后进入排列皮带，排列皮带上面的摆杆机构左右摆动，把相同数量的物料分配到排列挡板的不同档位中，在所有的档位都排满了以后，阻挡气缸向下运动，对下一循环的第一列进行阻挡，短暂的时间间隔为机器手抓取赢得时间，然后再进行下一循环。

图2 物料排列机构示意图Figure 2 Sketch map of arrange materiel mechanism

2.2 纸箱输送和定位机构设计和工作原理

纸箱输送和定位机构的作用是将开箱封底机开好的纸箱输送到装箱工位并精确定位。传统的方法大致有3种：

（1）将纸箱放在输送带上，靠输送带的摩擦力带动纸箱前进。在工作工位处设置阻挡装置，将纸箱阻挡在合适的位置。工作完成后放开阻挡装置，纸箱向下一个工位运动。

（2）输送带（或链条）上设置有挡块，挡住纸箱后面，推动纸箱向前运动。输送带（或链条）通过控制可以在工作位置精确停止。在工作工位处也设置了阻挡装置，防止纸箱向前窜动。工作完成后放开阻挡装置，输送带（或链条）运动，带动纸箱向下一个工位运动。

（3）输送带（或链条）上设置有成对的挡块，分别挡住纸箱的前面和后面，输送带（或链条）通过控制可以在工作位置精确停止。工作完成后输送带（或链条）运动，带动纸箱向下一个工位运动。

以上3种方式，前2种启停过程较为复杂，时间长，不利于纸箱反复启停，不适合高速工作；第3种虽然可以方便的启停，但纸箱长度发生变化时，挡块的间距调整极为不便。为适应食品包装快速、灵活的需要，有必要设计一种输送机构，可以使纸箱快速、反复启停，同时纸箱规格调整方便。

如图3所示，大链轮1、4通过轴承套在被动轴上，大链轮2、3做成一体，也用轴承套在被动轴上。大链轮13、15、16用键连接在主动轴上，大链轮14用轴承套在主动轴上。小链轮9、12通过轴承分别套在2根固定轴上，小链轮10、11通过轴承连接在滑块18的2根轴上。滑块18套在2根导杆17上，通过转动丝杆19可以让滑块左右移动。链条5、8为输送链条，上面装有卡子，负责向前推箱，链条7为输送链条，上面也装有卡子，负责限制纸箱前端位置。链条6为传动链条，负责动力传动。

图3 链轮调节机构示意图Figure 3 Sketch map of the sprocket adjustment mechanism

主动轴运动时，带动大链轮13、16运动，继而带动传动链条5、8向前运动，推动纸箱前进。同时主动轴带动大链轮15运动，通过中间一系列小链轮的传动，带动大链轮2运动，大链轮2、3是一体的，因此大链轮3也运动，带动输送链条7运动，限制纸箱位置。

当纸箱的长度尺寸发生变化时，转动丝杆19，带动滑块18横向运动，也就带动小链轮10、11横向运动，按图示链条绕法，链条长度不会发生变化，但是会使大链轮2发生一定转动，从而带动大链轮3发生一定转动，因此，输送链条7会与输送链条1、4发生一定的相对运动。这样，纸箱前、后卡子之间的距离会发生变化，从而达到适应不同尺寸纸箱的目的［6］。

2.3 机器手设计

机器手的可选方案有关节型和坐标型两种，关节型机器手便于完成更圆滑的轨迹，从速度和视觉效果上都优于坐标式机器人。从成本上考虑，为在中国自动化生产线上普及机器手装箱，不宜采用通用关节型机器人，而应考虑结构更加简单一些的机器手。事实上，在国外也有许多厂家这样做，他们都有一些自制的关节型机器手，用来完成装箱、搬运这样的简单工作。如图4所示为本装箱机的机器手结构，属于两轴类关节型机器手，直线运动机构带动滑块和横梁上下运动，旋转运动机构固定在横梁上，带动摇臂作旋转运动，抓手支架固定在连杆2上，横梁、连杆1、连杆2和摇臂组成一个平行四边形机构［7］，使抓手支架在运动中始终保持垂直状态。不同的夹具装在抓手支架的底部，通过两个轴的联合动作，完成抓取、装箱的工作，在食品行业通常使用气动吸盘夹具［8］。图5所示为机器手的运动轨迹。

图4 机械手示意图Figure 4 Sketch map of robot arm

图5 机械手运动轨迹示意图Figure 5 Sketch map of running robot arm trajectory

该机器手的抓取方式是一次抓取一层，通过参数的精确调整，物料重量在3kg以下速度可以达到2s/次，运动过程精确平稳。

3 控制系统设计

3.1 整机控制系统

根据此机器的系统工艺要求，整个系统可以分为两个部分：纸箱输送部分、分列抓取部分。

（1）纸箱输送部分：在16号大链轮上装有旋转编码器，它使得输送链条每次都会在行走固定的距离后停止。在抓取机构放置位置，有一个光电传感器，当链条行走固定距离后停下时，此处如果有纸箱，光电传感器开关量发生变化。通知抓取部分纸箱到位。

（2）分列抓取部分：排列挡板的前段（即物料排列机构1）处安装了光电传感器。前一个传感器具有计数分列功能，对物料根据客户要求将物料分成每列几个，共分几列。

通过排列挡板前段的传感器计数，达到每列数量后，物料排列机构3的左右摆动，将物料分成规定列。当接到输送部分纸箱到位信号后，并且每列数量达到了，抓取机构进行抓取，把这层物料放入纸箱中。

整个装箱工艺流程见图6。

图6 装箱工艺流程图Figure 6 Work flow chart of packing

3.2 控制系统方案

根据工艺要求，各气缸均采用装有永久磁环的气缸。抓取部分垂直轴和旋转轴都采用伺服电机，分流皮带和摆杆机构都采用步进电机。其中分流皮带是两个步进电机共用的一个PLC脉冲输出，控制它们的启停。排列皮带和纸箱输送部分的电机都是普通的三相异步电机。

机器手抓取式装箱机总功率为5kW，以纸箱中每层码放4包（个）物料计算，最高速度为7 200包/h，与国外同类设备比较，在相同速度下成本仅有一半左右。综上所述，机器手抓取式装箱机工作效率高、定位装箱准确度高、适应性广、调整方便、成本适中、便于制造，可满足国内食品包装生产线连续工作需求，在装箱领域处于国内领先水平，与国内外同类设备相比性价比高。

1 叶晶晶.现代系列化包装的战略与作用［J］.上海包装，2009（8）：13～15.

2 张耀权.中国包装工业的现状及发展趋势［J］.包装世界，2009（4）：6～8.

3 肖衡.挑战中的我国包装机械企业发展对策［J］.包装与食品机械，2009（4）：50～52.

4 上海市机器人协会.服务机器人技术发展趋势［J］.机器人技术与应用，2009（3）：5～11.

5 张有良.可编程多功能装箱机的设计和电气控制［J］.包装与食品机械，2009（4）：1～3.

6 高德.包装机械设计［M］.北京：化学工业出版社，2005：122～125.

7 路懿.用CAD约束和尺寸驱动技术分析平面机构的运动［J］.计算机辅助设计与图形学报，2002，14（10）：972～976.

8 彭芳，施长浩，钟炜.基于PLC的气动吸盘式物料传送装置［J］.机电工程，2009（10）：109～110.

The design of robot arm grapping case packer for block material

LI Xiang MA Yong HE Cai WANG Ting NIU Ya－ningZHAO Wei

（Wuhan Rentian Packaging Technology CO.，LTD.，Wuhan，Hubei430205，China）

In order to realize the automation of packing process，we designed grapping case packer，which is especially suitable for block material.In this article，we will introduce the work principle and control way of each part，and the characteristics of robot is the key point of it.After tested，the speed of robot grapping can reach 2seconds/time.

grapping case packer；robot arm；control system

10.3969 /j.issn.1003－5788.2010.05.031

李响（1975－），男，武汉人天包装技术有限公司工程师，硕士。E－mail：tolix＠126.com

2010－05－10