马桶包装箱翻转码垛机械手的设计应用

卞东龙，孟凡召，何运丽

(山东华宇工学院机械工程学院，山东 德州 253034；德州市工业机器人控制重点实验室，山东 德州 253034)

0 引言

在卫浴陶瓷生产行业，马桶作为生活必需品占有很大的比重。据前瞻产业研究院发布的《马桶行业市场前瞻与投资规划分析报告》数据统计，2011年，我国马桶产量为3 272万个；2015年，我国马桶产量为7 029万个，2016年，我国马桶产量达到了7 404万个，产量还会逐年增长。

卫浴生产车间经过产品设计、浆料调配、釉料配置、注浆成型、修坯、检坯、施釉、装窑、烧成、检验、包装、入库等步骤，完成了马桶制作的全部环节，其中包装-入库环节中，马桶包装箱的码垛仍然需要人工完成，码垛现场如图1所示。

图1 码垛现场Fig.1 Stacking site

由于马桶自身形状不规则性，在码垛中需要进行翻转动作。人工码垛存在以下几个问题：其一，马桶外形为不规则形，为了减少占地和运输空间，需要将马桶包装箱翻转180°码垛。其二，一般马桶包装箱单重60 kg，产品尺寸较大，一个人搬运缓慢，效率低。其三，包装生产线为多款产品共线，并非所有产品均需翻转，种类较多且杂，若采用单一的翻转机械手，使用率低。其四，产线末端需将共线的多款产品分拣到托盘上，再码垛，搬运码垛跨度大。其五，工作人员存在自身疲劳等因素，在搬运时可能出现意外，造成产品损坏，甚至造成人员受伤。其六，人工码垛规则性不强，码垛过程中可能会发生坍塌，造成生命财产的损失。

为了改善上述问题，研发了一款马桶包装箱翻转码垛机械手系统。相对于传统的人工码垛过程，该机械手实现了马桶包装箱翻转码垛的自动化，从根本上避免了翻转码垛对码垛人员生命的潜在威胁。该装置集合机械设计、控制系统编程、气压传动、传感器等多领域的先进技术设计而成，实现了生产车间翻转码垛自动化及人工远程操控，对于将人工从繁重的劳动中解放出来及提高车间翻转码垛的效率有着重要意义。

1 马桶包装箱翻转码垛机械手系统的结构及工作原理

1.1 结构设计

马桶包装箱翻转码垛机械手系统由驱动轨道系统、气动升降系统、气动翻转系统、气动夹紧系统、空气净化系统及控制系统等组成。其中驱动轨道系统包括1605型号步进电机，导轨采用高精度丝杠导轨，共三组驱动轨道系统；气动翻转系统由两组气缸及连接三角架组成。根据产品特点和使用要求，通过计算设计合适尺寸的设备型材支架、气动夹紧翻转机构及气动提升机构，并进行气缸、三角架等选型，以满足使用需求。其整体结构如图2所示。

1.丝杠导轨 2.1605步进电机 3.工件夹具 4.夹紧气缸 5.三角架机构 6.升降气缸 7.翻转气缸 8.翻转气缸图2 马桶包装箱翻转码垛机械手系统结构示意图Fig.2 Structure diagram of toilet packing box turnover stacking manipulator system

1.2 控制系统设计

该码垛控制系统包括PLC可编程控制器、机械手控制器、触摸屏、工控机、信号输人/输出模块(包括模拟量和数字量)、伺服驱动系统。PLC可编程控制器既接收触摸屏和工控机发出的信号，机械手控制器回传机械手运行状态的信号和传感器采集的信号，又向机械手控制器发出码垛的相关指令，向继电器发出控制指令；机械手控制器和PLC可编程控制器通信，互相传递信号来控制机械手的移动。

1.3 翻转机构的设计

翻转机构如图3示，设计有两个平行并列的气缸和一个特制三角架(等边三角形)。两个翻转气缸通过可转动连接件，和上方机架连接固定，其中左侧气缸连接三角架左侧点，右侧气缸连接三角架右侧点。预翻转状态为左侧伸长，右侧收缩，工作时左侧收缩，右侧伸长，带动连接在三角架上的连接杆，曲柄本体，实现180°翻转。夹紧机构设有三个红外感应器，感应夹紧气缸夹具行程范围是否有马桶包装箱，传回PLC控制系统，系统回馈是否夹紧。

1.可转连接件 2.连接杆 3.连接杆 4.曲柄本体 5.连接轴承 6.红外感应器 7.夹紧气缸 8.红外感应器图3 翻转机构示意图Fig.3 Structure diagram of turnover mechanism

1.4 马桶包装箱翻转码垛机械手的工作流程

为了实现马桶包装箱翻转码垛的工序，采用了气缸夹紧，气缸翻转的方法，配合气缸升降、高精度步进电机移动方式，完成一个马桶包装箱的翻转码垛，周而复始完成整个翻转码垛工作。

翻转码垛过程为：装置提前规定好移动路线，步进电机驱动机械手部件前往生产线终点，等待马桶包装箱到达指定位置，操作人员按下升降气缸按钮，升降气缸运作，机械手装置下移，到达指定高度，红外识别是否预定位置是否有马桶包装箱，合理计算体积、位置，自主选择最佳角度，夹紧气缸进行移动定位，伸出合适的预夹紧距离，系统自发启动，夹紧气缸启动，气缸夹紧马桶包装箱。按下翻转动作按钮，完成翻转动作的气缸、三脚架部件按照设定好的行程启动，左侧气缸收缩，右侧气缸伸长，实现三脚架、夹紧气缸、马桶包装箱整体翻转180°，实现翻转码垛工序。再次按下升降气缸按钮，升降气缸收缩，机械手装置及马桶包装箱上移，按照原本设定好的行进路线，选择合适的位置进行合理摆放。

2 马桶包装箱翻转码垛机械手系统的应用特点

采用五轴设计，解决了翻转码垛困难及跨度大的问题。降低了劳动强度，提高了生产效率。采用机械化设备，降低了废品率。采用独特的翻转设计结构，结构简单小巧，占用空间小，重量轻便。工件夹具的一组夹臂活动设置并通过夹紧驱动气缸驱动，其利用杠杆原理实现工件的快速夹紧和松开。翻转机构采用双气缸拉动曲柄连杆，通过双气缸与三角支架的配合结构实现了小气缸大扭矩，用于工件的翻转。各组件之间装配方式灵活，可以根据产品的重量特点选用不同压力参数的气缸。

3 总结

介绍了一款新型马桶包装箱翻转码垛机械手系统，完成了卫浴产品马桶最后一步工序——翻转码垛，代替原有的人工搬运，实现了工序的自动化、智能化。高效的机械手操作简单，完全可以替代人工工作，为生产线整体加快了速度，提高了效率。随着国内机械产品技术的不断成熟，机械产品中加入了计算机编程的元素，使用更加方便，效率更高。相比之下，人工工作的短板越来越突出，效率低下，人工成本较高，不利于企业的发展。传统的人工将逐渐被高效方便的智能机械所取代，传统产业机械化也会有更好的发展应用前景。未来，机械手必然将广泛应用于传统人工产业，其发展趋势是资本最大价值化，最大效率化。效率低、耗资大的人工将逐渐被效率高，耗资小的机械工作慢慢取代，慢慢改进。机械时代已初步来临，利用机械自动化来代替人工是未来企业发展的必然趋势。