新闻动态   News
联系我们   Contact
搜索   Search
你的位置:首页 > 新闻动态 > 行业新闻

纸托盘自动组装设备机械结构设计

2019-10-30 10:11:39      点击:

0 引言

     包装行业在飞速发展的现代物流系统中有着举足轻重的地位,而包装设备的发展又制约着包装行业的兴衰。托盘为货物的自动化装卸、转运带来了极大的便利[1]。截止2017年12月,我国的托盘市场保有量已达到12.3亿片左右[2]。纸托盘作为众多托盘种类中的一种,具有易降解可再生,回收便利无污染,缓冲性能高质量轻等优点,得到了广泛使用。但是,由于托运产品的型号参差不一,造成当前纸托盘市场规格各异,大多数纸托盘都是按需定制,并没有统一标准[3]。目前,纸托盘的生产形式主要为手工、半自动化生产,效率低,托盘市场形成供不应求的局面。从降低劳动力成本,加快产品生产的角度考虑,纸托盘组装生产的机械化,自动化,柔性化成为未来发展趋势。

     在手工生产方式中,托盘底脚的涂胶搬运、托盘纸板及底脚的转移定位都需手工完成,托盘底脚分布定位使用类型标尺作为辅助工具,根据所要加工托盘种类的不同每次选用不同长度种类的类型标尺,利用类型标尺的长度组合测量出每个托盘底脚实际位置并放置托盘底脚。该种生产方式每一个托盘底脚的定位都需要使用一次或多次类型标尺,生产完成后需要手工转移托盘成品,且需要两人同时合作完成,加工流程复杂,耗时费力。安装完成后托盘底脚容易发生角度及位置偏转,造成产品质量问题。

     半自动化生产方式中托盘底脚的涂胶工作由手动改进为机器涂胶,托盘底脚的定位使用类型模板,有效地解决了托盘底脚角度旋转及所有底脚的整体定位问题,但是底脚及纸板转移动作、底脚分布过程依旧需要两人同时搬运,更换加工类型后必须调整或更换类型模板,类型模板的重新定位易造成底脚尺寸偏移,因此,虽然半自动化生产相较于手工生产方式解放了部分劳动程序,但并未能显著提高托盘加工效率、降低人工成本,托盘产品质量依旧难以保证。

     随着劳动力成本增加及产品质量、数量需求提高,托盘生产设备的自动化、柔性化成为必然发展趋势。本文结合实际生产需求,研制了全自动托盘生产设备,根据实际生产工艺需求,完成全自动托盘生产设备的模型设计,关键部件选型、仿真、气动回路的设计等,以及机械实体搭建。

1 托盘生产加工要求及工艺分析

     纸基平托盘简称纸托盘,国标GB/T 19450-2004中定义为用纸质材料做基材,经粘合联接、插接、钉合或一次成型工艺等制成的托盘。该标准中按照纸基材料不同将托盘分为瓦楞纸基托盘,蜂窝纸基托盘,复合纸基托盘及硬纸板类托盘,本文所述托盘种类为瓦楞纸基托盘,结构形式如图1所示。

     由托盘结构形式可知,瓦楞纸托盘主要由瓦楞纸板和托盘底脚两部分构成。托盘具体尺寸由瓦楞纸板尺寸决定,GB/T 2934-2007 中推荐托盘平面尺寸为 1 200 mm×1 000 mm、1 100 mm×1 100 mm两种,但实际生产中托盘尺寸基本由客户按需定制,种类繁多,并非标准类型,且托盘底脚数量及具体位置也存在差异,如图2所示,每种托盘样式根据托盘底脚之间a、b间隔尺寸的不同又分为具体不同型号,且每种具体型号托盘需求数量不固定,多为小批量需求。为保证纸板与托盘底脚之间连接可靠性,托盘底脚与纸板之间要求使用特殊白乳胶粘合。


     完成上图所示托盘型号的组装加工需要将托盘底脚及瓦楞纸板快速精准地转移至加工工位,并完成粘合。从运动方向来讲,需要X、Y两个方向。待加工完成后应及时将加工成品转移,为下一加工周期提供加工工位。加工工艺流程如图3所示。

     原纸进入生产车间后经纸板生产线加工成为指定尺寸瓦楞纸板,部分纸板进入底脚加工流程,底脚加工成型后经涂胶机完成涂胶工序后进入托盘加工工位;剩余纸板经堆垛转移进入托盘加工工位,在托盘加工组装工位完成底脚与纸板粘合;粘合后托盘成品经输出、堆码完成生产流程。本文设计的纸托盘自动组装设备主要完成图3中底角和纸板的粘合功能。

2 机械结构方案设计

     一台自动化设备主要由机械部分、控制部分、上位机软件部分3大模块组成[4-6]。其中,机械结构部分承载着设备的驱动、传动、执行等功能,是一台自动化设备的基础。因此,合理的机械结构设计对自动化设备的正常运行以及控制系统的简化有着至关重要的作用。根据加工需求,首先对全自动纸托盘生产设备机械结构部分进行整体方案设计。

     根据托盘加工工艺流程,针对加工托盘的类型,由模块化设计思路确定全自动托盘生产设备的机械结构整体方案,其空间结构分布如图4所示。

     进板部分能够暂存由纸板加工车间堆码完成的成堆纸板,并将纸板自动分离后根据组装部分实际需求输送到指定加工位置。对进板部分要求纸板输送稳定并达到加工速度要求,纸板分离过程中避免出现纸板重叠输出现象。

     进块部分需要将纸块生产加工工序堆垛整齐的底脚纸块输送到组装部分初始取块位置。分析每种托盘类型,在X方向最多存在5组底脚,部分类型只有3组底脚,Y方向每组底脚最多 3 块托盘底脚,部分类型每组 2 块托盘底脚,因此根据每种加工类型型号需求,需要在X方向设置5组进块机构,每组进块机构同时向初始取块位置输送3块托盘底脚。纸块输送过程中完成对托盘底脚涂胶流程,为纸板与纸块的组装粘合提供必要条件。对进块部分要求纸块输送流畅,避免出现卡块现象;涂胶均匀,避免胶量不均对取块动作造成影响。纸块被取出后进块部分能够及时将纸块补充到初始取块位置,避免因缺少纸块而影响加工效率。

     堆垛部分完成成品托盘的堆垛及输出转移功能。对堆垛部分要求堆垛过程平稳,避免因运动剧烈而造成在组装部分还未粘合可靠的成品托盘底脚位置偏移,产生不良产品。产品堆垛完成后还需进一步将堆垛后产品输送到压力机,为产品定型。

     组装部分完成纸板由进板位置到加工位的输送定位、纸块由取块位置到加工位的输送定位、成品托盘的输出转移功能。本文重点研究该全自动托盘生产设备中的组装部分,由组装部分加工需求设计其机械结构方案如图5所示。


     该结构形式能够完成不同型号托盘的加工作业。支撑机架采用矩形钢管焊接而成,具有结构稳定可靠的特点。为减轻机架负载、便于安装、减少加工变形,机架以上的支撑部分选用高强度铝型材。为提高作业效率,同时适应不同的托盘类型,机架上方设置5组具有相同结构的机械手,每组机械手能够同时在初始取块位置取出3块托盘底脚纸块,并分别在Y方向逐一放置至瓦楞纸板相应位置。机械手结构为气缸结合吸盘形式,具体设计如图6所示。该机械手由3条气立可NQDK-25X50-SD2+PA40薄型多固气缸并排组成,该气缸是一款小体积、缸杆不可回转、双向控制气缸。其内径25 mm,行程50 mm,显著特点是气缸缸杆为中空结构,可直接作为真空通道,缸杆末端使用管螺纹连接直径为40 mm吸盘用于吸附纸块,缸杆不可回转特性能够保证机械手安装纸块角度精度。3条气缸及3个吸盘分别通过独立电磁阀控制,既能够统一控制也能够分别独立动作。气缸及吸盘控制电磁阀安装于机械手后方随机械手一起运动,相关电缆、气动管路放置于随动拖链中。

     5组相同的机械手分别安装在5组相同型号的同步带模组上,每组机械手结构在进块方向的往复运动由伺服电机驱动同步带模组完成,用于相邻托盘底脚Y方向距离尺寸的实现,同步带模组具体结构形式如图7所示。


     每组同步带模组使用螺纹连接固定在门形支架结构,每组门形支架结构能够在进板方向通过直线导轨移动以适应不同托盘产品X方向尺寸的更改,X方向的移动通过固定在门形支架结构上的伺服电机经减速器连接齿轮齿条提供动力。结构形式如图8所示。

     纸板的输送及托盘成品的转移由传送带完成,传送带由3条窄带组成并由伺服电机通过减速器联结辊轮驱动,具体结构形式如图9所示。为避免纸板传送过程中与传送带产生相对移位,传送带上开有吸风孔,由吸风形成负压,增大纸板与传送带之间的摩擦力,减小相对滑动。

     为避免高速移动时因纸板的惯性位移影响产品X方向精度,机构整体设置精确定位装置,该装置由光电开关配合阻挡机构完成。阻挡机构由气缸及挡板组成,具体结构形式如图 10 所示。气缸往复运动带动挡板绕固定轴转动,气缸到达行程末端时挡板旋转至阻挡位。加工开始后,阻挡机构位于阻挡位,当光电开关检测到纸板到达加工位,立即通知控制系统停止传送带电机运行,阻挡机构阻止纸板的惯性位移,实现精确定位,确认纸板静止后,阻挡机构恢复原始状态。完成本次加工后,光电开关检测到成品从组装部分完全转移出,阻挡气缸动作,阻挡机构转换至阻挡工作位置,为下一次加工流程提供条件。


3 气动回路设计

     该设备共使用5组相同结构机械手用于拿取托盘底脚纸块,拿取动作使用真空吸附配合气缸运动的动作形式,每一组机械手使用3组结合吸盘的气缸。气缸往复运动通过两位五通电磁阀控制,吸盘动作通过两位三通电磁阀控制。设计每组机械手气动回路如图11所示。

     为避免管路长度对拿取动作延时,将电磁阀全部置于机械手后方,随机械手同步运动,如图6所示。吸盘动作包括吸附及放置两个步骤,需要高压及真空两种不同气源提供吸气吹气两个过程。为避免吸附过程中,工业现场灰尘及纸屑对电磁阀及管路的堵塞,在吸盘回路中加入真空过滤器。

     每组机械手中的3个吸盘的吸气吹气动作和气缸动作必须使用相应数量的电磁阀控制,但是由于取块机械手和相应控制电磁阀同步运动导致移动部件空间狭小,因此,设置四路两位三通电磁阀作为吸盘相关动作控制,将其中一个电磁阀反装使用作为吹气电磁阀,如图 11 气动回路所示。机械手气动回路电磁阀布置实物图如图 12 所示。

     吸气动作时,吹气电磁阀关闭,1、2、3号吸气电磁阀开启用于单独控制 1、2、3 号吸盘吸气动作;吹气时,若1、2、3号吸气电磁阀关闭,吹气电磁阀打开,则3个吸盘同时吹气,若吹气电磁阀打开,1 号吸气电磁阀关闭,2、3号吸气电磁阀闭合,则1号吸盘吹气,2、3号吸盘吸气;3个吸盘的其他吸气吹气组合形式同理。为避免高压气源吹气力度过大,在吹气电磁阀进气端安装节流阀,调节吹气气压。


4 实验

     对全自动托盘生产设备机械结构及控制系统软硬件安装、调试、运行,投入生产使用。整机实物图如图13所示。

     机械结构主要为进板机,进块机及组装机3部分,堆码机构暂未投入使用,产品成品输出后人工堆码。组装机部分中采用带有绝对值编码器类型的伺服电机,开机启动后,模组X方向位置及机械手Y方向位置都由编码器自动获取,整机无需进入调零状态,模组及机械手根据加工托盘类型直接运动至指定取块绝对位置后进入下一步加工动作,正常加工过程中根据取块位置做相对运动,停机后整机保持停机状态,模组及机械手无需多余运动,便于使用操作。机械手运动按照自动加工流程中设定的位置0→位置1→位置2→位置3→位置0方式循环往复运动。图中速度为0时,机械手执行取块和放块动作,通过移动游标显示分析可得,机械手放块时间不大于1.1 s,在位置0处取块时间较长,用时1.8 s左右,本次整个加工流程时间往复运动时间11.418 s。

     设备整体调试完成并投入实际生产后,每天连续工作10 h,正常加工使用中未出现重大设备异常,控制系统运行正常;更换托盘加工类型及增加加工类型操作过程运转正常,达到预期柔性生产目的;生产效率大幅提高,定位精度 1 mm 以内,最低生产效率 6 个/min,全天产量至少3 000个;整机运行达到预期设计目标。

5 结束语

     针对企业实际生产中对托盘产品需求量大、种类繁多、自动化程度低、生产标准不统一等现状,设计了全自动托盘生产设备的研究与开发实现,利用模块化思想确定全自动托盘生产设备的机械结构整体方案,对整体方案中的各部分结构做出详细的功能分析,对整体结构方案中的关键部件选型设计并做出性能分析。该设备现已投入实际生产应用,并具有生产效率高,加工产品柔性大,加工尺寸精度稳定,成本低,易操作使用等特点,切实为企业解决实际生产加工中资源浪费严重,用工短缺等问题。

参考文献:

[1] 孔栋. 浅议国内纸托盘热点技术 [J]. 中国包装工业, 2015(14): 83-84.

[2] 吴菁芃, 孙熙军. 托盘行业:趋势喜人,标准先行,数据为王 [J]. 物流技术与应用, 2018,23 (05):78-79.

[3] 李太平. 建立我国物流托盘共用系统面临的问题与对策[J]. 华东经济管理, 2006, 20(5):85-89.

[4] 段铁群. 机械系统设计 [M]. 北京:科学出版社,2010.

[5] 高安邦. 机电一体化系统设计禁忌 [M]. 北京:机械工业出版社, 2008.

[6] 刘新福,刘春花,綦耀光.煤层气井排采系统有杆泵运行特性分析 [J].机械工程学报,2017,53 (8):195-200.

[7] 潘小青.国外包装机械的发展现状 [J]. 山东工业技术,2016(12):215-215.

[8] 李光,韩芮.“工业4.0”视阈下智能包装装备发展趋势[J].包装学报,2018,10(1):34-41.

[9] 唐唤青,吕建华.我国包装机械的现状与发展趋势[J].中国包装工业,2015(18):81-82.

     文章版权属泰州市金奥纸业有限公司所有,专业研发、生产、销售试纸PH试纸PH精密试纸定性滤纸定量滤纸、檫镜纸等产品。