面向圆柱形产品的自动装箱移动平台设计

胡锦程

（大连市金州高级中学，辽宁 大连116100）

1 研究背景

随着产业结构升级和居民消费水平的提升，生产包装领域对于工业自动化的需求逐渐加强。工业自动化生产线可解决传统手工包装劳动强度大、效率低、成本高等问题，具有智能化、多功能和高效率等优点。矿泉水瓶、薯片盒等圆柱形产品在生活中随处可见，数量大、应用广，面向圆柱形产品的自动装箱移动平台在工业自动化中呈现出广阔的应用前景。

2 总体方案设计

2.1 技术路线

针对实际商业运行生产线的可靠性、智能化和模块化的工作特征，设计完成研究过程的技术路线。首先，通过大量文献的阅读了解自动装箱移动平台的研究背景和工程意义，掌握整体的发展趋势，重点面向于现有技术的不足之处开展创新性的研究。其次，根据实际生产中的运行情况，设计总体功能方案，自动装箱移动平台应该包括双层移动模块、传送带装置、传感检测系统和控制系统等基本功能模块。再次，对于移动平台的双层移动结构进行重点设计，双层移动结构是整个自动装箱平台的结构基础。接下来，在基础结构之上设计分系统装置，主要包括了传送带装置、气缸压紧装置和其他部件。优异的性能需要可靠的数据进行保证，因此对关键部件的受力情况进行了分析。最后，根据整体设计情况和实际运行环境对于模型进行修正，完成面向圆柱形产品的自动装箱移动平台的设计。

图1 技术路线图

2.2 系统组成

本文研究的自动装箱移动平台由机械系统、控制系统和传感检测系统三大部分组成。其中，机械系统包括第一层移动装置、第二层移动装置、传送带装置和气缸压紧装置等；控制系统主要由西门子S7-1200 系列PLC 控制器组成，该系列控制器具有模块化、结构紧凑和功能全面等特点；传感检测系统主要由光电传感器和到位开关等组成，光电传感器用于检测生产环节之间的产品移动位置情况，到位开关用于防止电机驱动下的执行机构超出行程范畴的意外情况。

图2 系统组成图

在机械系统中，第一层移动装置主要由电机驱动下的丝杠导轨组成，用于提供移动平台一个移动的自由度；第二层移动装置垂直于第一层移动装置，同样采用了结构可靠、控制方便的丝杠导轨机构，为移动平台提供了一个竖直方向的自由度。传送带装置可在装箱完毕后将包装箱输送至下一生产环节，气缸压紧装置可在自动装箱操作过程中固定纸箱。

3 移动平台的双层移动设计

为了提高自动装箱生产线的适应性和降低对于装箱前一环节的影响，设计原则是保持输送端产品状态不变，通过移动包装纸箱完成整个装箱过程。结合生产的实际情况，设计采用如图3 所示的装箱流程。

图3 装箱流程示意图

其中，包装纸箱采用工厂实际应用的内嵌网格布置的瓦楞纸箱。圆柱形产品通过输送环节源源不断的输送进入包装环节，要求瓦楞纸箱通过Z 轴的上下移动配合Y 轴的前后移动逐层完成装箱，然后通过X 轴的左右移动将纸箱输送至下一生产环节。因此，要求自动装箱平台具备三个方向的自由度。X 轴方向的运动主要用于完成装箱后的输送工作，并不直接参与装箱操作，可采用传送带装置。Y 轴和Z 轴的运动直接用于装箱操作，可利用滑块导轨和滚珠丝杠的组合设计完成这两个自由度的双层移动平台。

图4 双层移动平台示意图

双层移动平台示意图如图4 所示。其中图4（a）为第一层移动平台示意图，底部支座1 和支座2 都选用型材组成，结构牢固、拆装便捷；在支座1 上部安装两组滑块导轨，由两根导轨和四个滑块组合而成，用于支座2 的移动导向；同时在支座1 上设计有电机1 和滚珠丝杠，用于驱动支座2 在导轨上移动。图4（b）为第二层移动平台示意图，其以支座2 作为核心框架，通过两组电机丝杠和两组滑块光杆连接和驱动支座3，支座3 采用铝合金材料，强度高质量轻；第二层移动平台主要实现升降的驱动，负载的重力长期作用于电机驱动，为了减轻电机负担，两根丝杠采用具备自锁功能的梯形丝杠。这样，相对于图3，第一层移动平台可以实现瓦楞纸箱的前后移动，即Y 轴的运动，第二层移动平台可以实现瓦楞纸箱上升和下降，即Z 轴的运动。

4 分系统装置的设计

4.1 传送带装置

根据自动装箱流程的设计，装箱移动平台应该具备沿着X、Y 和Z 三个坐标轴移动的自由度，其中通过双层移动的设计已经完成了Y 轴和Z 轴的运动，X 轴的运动将采用传送带装置，把装箱完成后的纸箱输送至下一环节。如图5 所示，整个传送带装置安装于支座3 上，由电机4 带动同步带驱动整个传送带运动。常见的传送带电机驱动部分经常选用平带或者三角带，本装置设计为同步带，整体框架结构由型材组成，具有结构紧凑和牢固轻巧的特点，同步带和传送带的配合使用既保证了持续稳定的驱动力，又可以利用传送带的打滑特性防止操作异常导致的电机堵转。

图5 传送带装置示意图

4.2 气缸压紧装置

当进行自动装箱操作时，位于传送带上的瓦楞纸箱接收上一环节的产品进行入纸箱，此过程要保证纸箱位置固定，从而保证装箱操作的顺利进行。因此，设计了用于在装箱过程中压紧纸箱的气缸压紧装置，气缸具有控制方便、结构紧凑的显著优点，广泛应用于各类生产线中。选用SMC 系列的短行程气缸，配合具有条纹凸起的压板组合成使用有效的压紧装置。当产品进入纸箱时，气缸动作使得压板压紧纸箱，当装箱完成纸箱需要输送至下一环节时，气缸恢复压板松开纸箱。

图6 气缸压紧装置示意图

5 关键部件的性能分析

为了保证整个装箱系统运行的可靠性，需要对系统中的关键部件进行驱动能力的设计与校核。整个系统存在三个自由度的运动，其中Y 轴和X 轴只在水平面运动，而Z 轴运动在竖直面上，驱动部件的损耗更严重，尤其是竖直布置的两个梯形丝杠。因此，本文对梯形丝杠受力进行了重点分析。

螺杆选用材料为Q325；螺母选用铸造锡青铜。根据丝杠螺母的工作状态，在自动装箱的工作情况下，螺纹牙经常发生剪切和挤压破坏，螺母材料强度低于螺杆，故只需要校核螺母螺纹牙的强度。分析整套装箱平台的重量和负载情况，梯形丝杠主要承受的有支座3、传送带装置和气缸压紧装置重量以及工作状态下的整箱产品重量，选取安全系数为1.2，总重量为120kg，具体负载重量如表1 所示。

表1 丝杠螺母负载重量

经过实际生产商家的调研和以往设计经验，对于两套丝杠螺母支撑120kg 的重量，选取直径14mm，螺距3mm 的丝杠，根据装箱情况设计丝杠长度470mm，螺母工作高度为50mm。

如果将一圈螺纹沿着螺母的螺纹大径D（单位为mm）处展开，则可视作宽度为πD 的悬臂梁。假设螺母每一圈螺纹所承受的压力为F/u，并作用在以螺纹中径D2为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面的剪切强度条件为：

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式中：

F——丝杠螺母承受的压力，Nm；

b——螺纹牙根部的厚度，mm，对于矩形螺纹，b=0.5P，对于梯形螺纹，b=0.65P，对于30°矩形螺纹，b=0.75P，P 为螺纹螺距；

[τ]——螺母材料的许用应力，MPa。

将参数代入式（1）中，可得出：

根据机械设计手册可知， 青铜的许用应力为30～40MPa，0.34MPa＜30～40MPa，剪切强度满足要求条件。

螺纹牙危险截面的弯曲强度条件：

[σb]——螺母材料的许用弯曲应力，MPa；其他变量同剪切强度条件公式。

将参数代入式（3）中，可得出：

根据机械设计手册可知，青铜许用弯曲应力为40～60MPa，0.969MPa＜40～60MPa，弯曲强度满足条件。

6 结论和展望

本文设计了一款面向圆柱形产品的自动装箱移动平台，将传统手工装箱操作改进为机器自动操作，可以自动完成圆柱形产品的装箱操作过程。整个移动平台以双层移动设计为基础框架，以传送带装置和气缸压紧装置等作为辅助功能，对于关键部件进行了严谨的设计计算，在理论上保证了平台的稳定性。本设计降低了对于装箱前一部生产环节的依赖，具有广泛的适应性，可以实现球筒、滤芯等圆柱形产品的自动装箱，具有良好的应用前景和重要的商业价值。

由于研究时间有限，本文的研究还有一些需要进一步深入设计的方面。检测传感中传感器的型号和布局形式有待进一步考虑。本设计控制系统采用的是西门子S7-1200 系列PLC 控制器，对于控制器的控制流程和控制梯形图尚需编制完善。且气动系统的设计可以考虑并入实际生产线的其他环节中，使得整个生产线采用一套气动系统，进一步达到降低成本的目的。