基于并联机器人的立式袋装箱线

陈 羿 姜卫国

CHEN Yi 1，2 JIANG Wei－guo 1，2

（1.武汉人天包装技术有限公司，湖北 武汉 430205；2.中南包装机械研究所，湖北 武汉 430205）

（1.Wuhan Rentian Packaging Technology CO.，LTD.，Wuhan，Hubei 430205，China；2.Zhongnan Institute of Packaging Machinery，Wuhan，Hubei 430205，China）

中国现有的立式袋装箱生产线，自动化程度较低，且存在立式袋排列杂乱、落位不准、装箱数量不准、故障率高等问题，故一直没有得到广泛的应用。目前国外在机器人软袋装箱上有一定的应用，受限于生产环境，软袋的样式、排列方式等因素使用范围较窄。国外机器人软袋装箱普遍采用真空吸盘吸取软袋的方式来拾袋，这种拾袋方式容易出现掉袋、漏袋的现象。在粉尘多的环境下，真空系统和真空元器件很容易堵塞，导致生产线停机频繁，维护时间长成本高，生产效率低。

目前中国现有立式袋装箱线设备尚未针对上述并联机器人软袋装箱存在的缺陷，对并联机器人进行局部改进。由此可见，并联机器人装箱线可以对抓手结构进行适当改造以便适应立式袋多元化的装箱形式和排列方式。

1 立式袋装箱生产线原理及结构

1.1 立式袋装箱排列方式

由于立式袋本身形状的特点，对装箱的排列要求较高。要求在横向（X）上头对头排列，在纵向（Y）上依次重叠排列，以达到纸箱容积的最大利用率，见图1。

图1 立式袋排列样式Figure 1 Pattern of pouch bags

在X方向上头对头重叠放置，在Y方向上重叠放置，整个放置次序按图1所示排列方式依次放入箱中，放满10包为1层，放满4层为1箱。按上述排列方法可以最大限度地利用纸箱容积放置立式袋，节约纸箱成本，同时在纸箱码垛时，受压不容易变形。对于不同的规格，层数不同，每层包数不同，本排列方式同样适用。

1.2 立式袋装箱工艺流程

图2是立式袋装箱工艺流程：由开箱封底机生产出空箱，经过空箱输出和空箱定位传输流程，同时水平自动给袋机生产出立式袋；经过立式袋输送环节，由并联机器人将立式袋抓起并放入空箱内，装好袋的成品箱经流水线输出，最后完成折盖封箱。图2方框内内容为重点工艺部分，详细说明见图3。

图2 立式袋装箱工艺流程Figure 2 Technical process of carton packaging line for vertical pouch

图3是立式袋装箱工序：立式袋和空箱均按图示运行方向运输，并联机器人将包1抓起，逆时针方向旋转90°，放入箱内1位置；并联机器人将包2抓起，顺时针方向旋转90°放入箱2位置。如此依次将立式袋抓入箱中，直至箱满，在整个装箱过程中，立式袋和空箱均保持匀速。

图3 立式袋装箱工序Figure 3 Procedure of vertical pouch carton packaging

1.3 立式袋装箱原理

图4为目前市场上通用并联机器人示意图。

图4 并联机器人主视图Figure 4 Main view of parallel robot

由图4可知，并联机器人连接法兰和旋转轴在第1、2、3轴的驱动下，在规定范围内可以在X、Y、Z三坐标系空间内移动，同时旋转轴在第4轴驱动下做绕Z轴的顺时针或逆时针旋转运动［1］。

这种运动方式显然不能满足立式袋装箱的工艺要求，由图3可知，立式袋不仅需要在X、Y、Z三坐标系空间内移动，同时需要绕X 轴方向的正、反旋转运动［2，3］。

如图5所示，在机器人连接法兰上固定安装座，在机器人轴和中轴上分别安装一对圆锥齿轮，在第4轴的驱动下，中轴就可完成绕X轴方向的正、反旋转运动，经过上述改进后，完全满足图3所示工艺要求。

图5 机器人改进说明Figure 5 Introduction of improved parallel robot

1.4 并联机器人立式袋装箱生产线的结构

图6是并联机器人立式袋装箱布置图，装箱线主要设备包括纸箱供给装置1、立式袋输送装置2、纸箱定位传输装置3、并联机器人4以及翻转抓手5等部分。供箱系统产出空箱，经过纸箱供给装置1传输，并将空箱送入纸箱定位传输装置2。同时立式袋在立式袋输送装置3上匀速运行，并联机器人4用翻转抓手5同步将立式袋装入箱内，完成装箱全过程。

图6 生产线平面布置图Figure 6 Layout plan of production line

2 主要结构设计

2.1 纸箱供给装置

图6中纸箱供给装置1为纸箱链板输送线。

根据目前盐业单线生产线的产量来匹配送箱链板机。通常自立袋一条线产量为60～80包／min，每箱装自立袋为40包。纸箱长度为0.42 m，纸箱的输送需满足上述装箱要求。下面以上述要求为例，计算链板机的速度。

设Q为自立袋产量（范围60～80包／min），S为每箱所装自立袋包数。B为每分钟必须提供的箱数，为保证纸箱供应，纸箱供应数量必须大于生产所需，则有：

Q取最大值＝80包／min，S＝40包，代入式（1）得：

B＝2箱／min

作为纸箱储备，通常会有一定纸箱的储存量，因客户的需求而不同，一般为生产所需的1.2倍。不妨设储备系数k＝1.2，G为实际每分钟供箱数，则有

由式（2）可知，已知纸箱长度和实际每分钟供箱数，可求链板机的线速度。不妨设l为纸箱的长度（m）；V1为链板输送的线速度（m／min）；

将l＝0.42，G＝2.4代入式（3）可得

V1＝0.42×2.4＝1 m／min

如图6所示，纸箱供给装置链板输送线的长度按客户现场要求而定，其展开长度为5 m，已知单个纸箱重量为0.5 kg。

不妨设链板输送线长度为L （m），单个纸箱重量为g （kg），链板所受负载为F （kg），则有

将上述值代入得：

根据上述所求链板机的线速度V1、负载F和链板机长度L，以及纸箱尺寸及方案几何尺寸的要求，可选购纸箱供给装置。

2.2 立式袋输送装置

图6所示中立式袋输送装置2为立式袋链板输送线。

立式袋输送线输送的为自立袋盐包，立式袋盐包长0.18 m，宽0.12 m，高0.04 m，单个盐包重0.4 kg。已知该链板机的长度为4 m，盐包沿长度方向运输。

盐包在输送过程中一般要求每2个盐包之间有1个盐包长度的间隔，以方便光电的检测和抓取盐包。本机间隔长度为0.04 m［4］。

不妨设ly为盐包长度（m）；lj为盐包间隔长度（m）；ll为链板机长度（m）；V2为链板机的线速度（m／min）。已知Q为自立袋产量（范围60～80包／min），为保证产量，链板机必须每分钟输送Q个lj＋ly的长度，则有：

Q 取最大值＝80包／min，ly＝lj＝0.18 m，代入式（5），则有：

V2＝80×（0.18＋0.18）

V2＝28.8 m／min

不妨设单个纸箱重量为gj（kg），链板所受负载为Fj（kg），则有，计算负载Fj，就是计算在V2速度下，链板输送线上所运行的盐包总数的重量。

将gj＝0.4，ll＝4，ly＝lj＝0.18 m代入式（6），得

根据上述所求链板机的线速度V2、负载Fj和链板机长度ll，以及立式袋盐包尺寸及图6布置图中几何尺寸的要求，可选购纸箱供给装置。

2.3 纸箱定位传输装置

如图7所示，纸箱由推块推送，避免了纸箱传递过程中出现打滑等现象，使运送精确，便于机器人装箱［5］。

图7 纸箱定位装置视图Figure 7 View of carton positioning device

为方便纸箱进入挡块之间的空档，一般L2比纸箱长40 mm，则有：

已知l＝0.42代入式（7），得

L2＝（0.42＋40÷1 000）＝0.46 m

链板机的速度为了匹配产能，见式（1），应满足B＝2箱／min的运输速度。

不妨设V3为定位传输链板输送的线速度（m／min）。

V3＝2×0.46＝0.92 m／min

如图7所示，链板机长度为3.3 m，其上可放置7个纸箱，机器人从左数第3箱开始装箱，这样在输送链上始终有2个空箱和5个满箱的负载。不妨设F3为定位传输链板输送负载（kg）；P1为图7所示线上空箱个数；P2为图7所示线上满箱个数，则有

分别将已知P1＝2，P2＝5，g＝0.5，s＝40，gj＝0.4代入式（9）得：

F3＝2×0.5＋5×（0.5＋40×0.4）＝83.5 kg

根据上述主要参数V3、F3、L2和方案所确定的几何位置尺寸可选购纸箱定位传输链板输送线。

2.4 并联机器人的选取

并联机器人的选取要求为4轴机器人，可根据实际要求空间运动范围、运动速度、负载大小、定位精度等参数选取。本线选取的是IRB360并联机器人。

2.5 翻转抓手工作原理

翻转抓手视图见图8。工作原理：左夹板17、右夹板18装在气爪13上，这样通过气爪13的打开和合拢用于夹持和放开自立袋，气爪13固定在摆臂14上，摆臂14通过平键C12与中轴8连接，中轴8的往复转动将带动气爪13往复转动。中轴8两端分别装有角接触球轴承A9、角接触球轴承B16，以承受中轴8旋转带来的轴向力和径向力，两端轴承分别装在左立板15、右立板10上。圆锥齿轮A6通过平键5与机器人轴3连接，底部装有单向推力球轴承4以克服旋转产生的轴向力，圆锥齿轮B7通过平键B11装在8上，一对齿轮相互啮合［6］，这样当机器人轴3沿Z轴往复旋转时，带动气爪13沿X坐标往复旋转。同时机器人法兰1沿迪卡尔坐标系的空间移动，也带动气爪13以同样方向和距离的移动。

按上述结构的设计，气爪能完成立式袋的抓取、翻转的功能，配以并联机器人的空间位置移动和第4轴驱动，能准确地按前述的排列要求将立式袋放如箱内，如此往复抓取、翻转、放置，直至完成整个装箱全过程。

图8 翻转抓手视图Figure 8 View of rotating gripper

本线主要参数：功率为4.5 kW，气压为0.6 MPa，耗气量为200 L／min，满足产能为立式袋4 800包／h的装箱。

3 试验分析

本生产线在盐业立式袋装箱的现场进行了试机，生产现场有两条手工线和这条立式袋装箱线，经过了长达6个月试机。参数比较见表1。

表1 立式袋装箱线与手工装箱线成本对比分析Table 1 The cost comparison and analysis of automatic carton packaging line for vertical pouch and manual carton packaging line

通过上述对比，本生产线可节省人员4人，按4人的用人成本来算，一年可收回机器成本。更为主要的是减少了人为因素造成的产品错误率，避免了环境对人员的伤害。国外的软袋装箱线由于受立式袋形状和使用环境的限制，目前在盐业行业无明确的应用。

4 结束语

本研究提出了基于并联机器人的立式袋装箱线，将并联机器人用于立式袋装箱，扩大了并联机器人在包装行业的应用范围，同时也解决了立式袋排列次序复杂，定位要求高，自动化程度要求高的难题。本立式袋装箱生产线的研制成功，很好地解决了自立袋装箱由人工转为自动化装箱的问题。对于自立袋装箱的难点一个在于软袋形状的不规则性，另一个难点是自立袋装箱排列的规则性、复杂性高，要求模仿人手的精巧性。这也是国外软袋装箱生产线无法在盐业自立袋装箱领域使用的原因。

本线针对上述两个难点做针对性设计和研究，引入并联机器人作为装箱的主要功能部件，并将其中间轴更改为抓手翻转轴的驱动轴，这对并联机器人是创新性改进，由于该改进的成功，从而使抓袋的方式和自立袋规则排序得已实现，配以气动夹爪，可以完成稳定的立式袋装箱。本线的自立袋的装箱设计是按4 800包／h的产能匹配，本线具有很高的扩展性，在未来对于高产能的匹配，可以在同样的布局方式下增加一个并联机器人装箱，其它不需做大的改变，只需按产能重新匹配输送机参数，这样一条高速的集成线可以代替两条手工线。抓取式的自立袋装箱生产线拾取方式适用范围广，不仅在盐业自立袋，还可以推广在食品、医药等行业的软袋包装，对传统的吸盘拾取的方式在稳定性、拾袋准确性有明显的优势，可以预见该生产线在未来有很好的应用前景。

本线也存在着一些缺陷，如局部零件抗腐蚀性较差，在使用6个月后会出现腐蚀现象，在今后改进中须采用抗腐蚀材料如304、316L或非金属材料［7］替换。

1 王朋，段志善，贺利乐，等.新型六自由度并联机器人工作空间分析［J］.机械科学与技术，2007（4）：5～10.

2 潘芳伟，卢菊洪，贺利乐.基于模糊遗传算法的新型六自由度并联机器人运动学分析［J］.机床与液压，2009（1）：35～38.

3 高峰，杨加伦，葛巧德.并联机器人型综合的GF集理论［M］.北京：科学出版社，2011：41～47.

4 王玉新.机构创新设计方法学［M］.天津：天津大学出版社，1996：80～95.

5 胡宗武，徐履冰，石来德.非标准机械设备设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2002：288～313.

6 高德.包装机械设计［M］.北京：化学工业出版社，2005：120～132.

7 金国珍.工程塑料［M］.北京：化学工业出版社，2001：438～463.