自動化分裝投料系統設計與實現

蘇冠領

（廣西城市職業大學，崇左 532200）

目前，車間生產過程中的原裝分裝投料方式以人工和叉車工為主。這兩種生產方式存在施工效率低下、精確度不夠以及安全性較差等問題。在分裝至投料的過程中，數據采集方式主要是純人工采集，導致投料車間的信息化以及數據化程度較低，這樣在生產設備方面就容易出現獨立控制和信息孤島的問題。針對上述問題，設計一款自動化分裝投料機器人，專門用于生產投料車間。使用投料機器人在投料運輸、分裝以及投料的過程中實現自動化，達到智能車間的效果。智能分裝材料系統的投料智能化主要通過分裝投料自動化、系統檢測以及信息化的收集與處理實現。

1 自動化分裝投料系統總體設計要求

1.1 工作環境及工作內容

目前，車間生產過程中的原料投料方式存在效率低、精確度不夠、安全性差等不足，而且原材料在投料時容易出現揚塵的問題。針對上述問題，以滿足減少土建改動的需求為前提，以實現投料自動化為終極目標，可以選用機械化自動化的方案，即使用投料機器人，從配重方式、安裝位置以及除塵裝置等方面進行優化。使用自動投料機器人，可以實現分裝投料的無人化、自動化，一定程度上可以節省人力成本，提高生產過程的安全性，有利于保證投料車間的生產環境，如圖1所示。在投料車間中，自動投料機器人的工作內容主要有分裝投料和投料除塵。投料吸塵整個過程的實現主要是投料機器人接收到吸塵指令后執行指令，打開吸塵裝置完成吸塵的任務。

1.2 投料機器人的主要功能需求和技術指標

本文設計的投料機器人為單體化背負式自動化運輸投料機器人，在實際工作中利用投料器械的架構實現料品的分裝投料與自動投料。在不同的生產需求和實際工作環境下，投料機器人應具備以下不同的基本功能[1]。

（1）導引。規劃投料機器人的行走路線，保證其自動化完成工作過程中能夠沿著指定路線行走，并且能夠在各個工位之間穩定巡走。

（2）定位定點。投料機器人可以通過讀取提前設置在自動投料設備上的ID卡信息辨別工位上的站點位置，對投料機器人的各種指示進行準確的工位?？?。

（3）安全防護。增強投料車間的安全性，保障其投料運輸安全，同時保證投料機器人在運行過程中可以穩定且無故障運行，不會出現碰撞事故和傷人事故[2]。

（4）夾抱。此功能可以保證投料桶能夠拆分攜帶，確保投料機器人靈活地完成夾緊投料桶和松放投料桶的動作。

（5）負重和裝載。由于實際需要，投料機器人必須能夠負載200 kg的原料，加上投料機器人的自身質量，投料機器人要擁有足夠的空間用來負載。

（6）投料的翻轉。投料機器人會根據指示完成不同的動作，要求機器人能夠完成投料桶的翻轉和卸料動作，達到投料準確的目的，使得原材料能夠穩定地落入提取罐口。

（7）除塵和吸塵。投料間的衛生狀況對于投料間工人的身體健康有著重要的影響，為了保障工人的身體不受傷害，生產環境必須達到標準，所以投料機器人工作時會除塵和吸塵。

（8）其他。急停：機器人發生故障時可以及時自動停止，以免發生意外。工作狀態顯示：方便工人進行操作。報警：發生意外時，通過報警裝置讓工人及時發現并處理意外，以防造成更大的危害。防爆：當機器人內部設備出現問題時，不易發生爆炸，減少人員傷害的可能性。

1.3 內部布置

投料機器人系統呈現出U形，每個工位通過一個滾筒輸送線完成料筐傳輸。該輸送線路呈積放式，整個輸送過程的驅動系統是減速電機的鏈輪鏈條，通過變頻器可以調節傳輸的速度?？缮炜s擋停單元是每一個工位末端都存在的設計，目的是方便配合射傳感器對料筐實現擋停與放行的動作。工作站的外面設置了一些圍欄，目的是對工作站進行安全防護。

該系統給安全人員維修系統內部設施和處理故障方面帶來了極大的便利。根據生產線的走向，在輸送線的下方搭設料線纜橋架，在內部分開鋪設了控制線纜和動力線纜[3]。

1.4 設備參數

車間物流系統、供料系統和分裝投料系統相互協調進行工作，系統的料筐和臺車的加工制造都需要按照設計要求完成，詳情見表1。

另外，對輸送的節拍要求每個料筐投料質量為2 kg，在12 s內完成；輸送速度設計為速度可調，最大速度可達到20 m·min-1。投料精度由系統控制，誤差保證在±5%以內，人工設定投料量后由系統計量。

2 組成以及功能介紹

2.1 上下料橫移舉升工位

上下料橫移舉升工位由伸縮貨叉、氣動舉升單元及焊接鋼架構成，如圖2所示。舉升單元呈豎向安裝，采用了浮動街頭和連接移動部件的安裝方式，而且設有單方向流動的節流閥，用來調節氣缸的升降速度。伸縮貨叉可以朝兩個方向進行運動，貨叉尺寸為900 mm 500 mm。如果負載量達到頂峰，伸貨叉的移動速度可以達到30 m·min-1。變頻器可以用來調節伸貨叉的速度和尺寸，伸縮貨叉最高可以承受200 kg的質量。堆疊料筐要想能夠在拆疊盤工位和堆疊料筐之間移位，必須使舉升單元和伸縮貨叉之間相互配合[4]。

2.2 拆盤工位

拆盤位設備主要由導向裝置、可伸縮插腳以及抬升單元構成，主要分布在傳輸線的左右兩側，且呈對稱狀，如圖2和圖3所示。兩個氣缸對應串聯結，形成了抬升單元。兩個氣缸的缸徑均為32 mm，在安裝過程中需要增加氣缸來防護轉檔。因為兩個氣缸的行程不同，要使3個不同的插腳達到不同的高度位置，可以通過邏輯控制的方式實現。插腳伸出和縮回動作的完成，主要利用氣缸通向導向裝置。標準的雙導軌機制和雙滑塊結構可以構成一個完整的導向裝置。前文提到的呈現左右對稱的兩個氣缸，通過壓縮空氣完成驅動動作，可以實現兩側機構的動作達成一致。最底層的料筐要傳輸到下面的工位，首先要經過輸送線路，然后要把倒數第2層及其往上的料筐抬起，降低抬升機構，并進行兩個動作的重復，最終把堆疊在一起的兩層料筐按照順序拆成單層的料筐。

圖2 上下料橫移舉升工位

圖3 拆盤工位

2.2.1 移載工位

移載工位設備主要由擋停機構、滾筒輸送機以及氣動舉升單元構成。移載工位滾筒的高度相較于上一個工位低20 mm，一旦接收到這個工位有任何料筐流入的信息時，伸出舉升氣缸，運轉兩根傳送帶，把料筐自動移動到擋停位并縮回氣缸，然后料筐落到滾筒的輸送線上面，并且移動到下一個工位，即可完成料筐和自動輸送。

2.2.2 定量投料工位

定量投料工位設備主要由不銹鋼料倉、皮帶提升機、自動開閉收集槽以及往復落料機構構成。不銹鋼料倉的形狀為喇叭口形，可以容納1.5 m3的投料。皮帶的寬度為600 mm，每隔200 mm安裝一個隔板，在頂部設置了驅動電機，驅動電機的提升運轉速度通過變頻器調節?？尚D的擋板安置在收集槽口下部，在其中心軸90°范圍內有一個擺動氣缸，通過驅動可以控制收集槽口的開關[5]。收集槽下端安裝有智能秤，其表面尺寸為500 mm 500 mm，可以稱量從上方掉下來的物料。在往復機構中，有兩個口字形腔體可以帶動氣缸做往復運動，路程約500 mm。工作人員把物料加入料倉，皮帶提升機驅動物料升到收集物料的槽內，然后智能秤可以稱量落入的物料質量。達到設定的數值以后，系統會關閉自動槽口的閥門。一直重復這個動作，最后由相關設備讀取信息。

2.2.3 攤勻工位

攤勻設備由導向機構、電機滾珠絲杠傳動模塊及其旋轉結構、刮板等部件組成。電機絲推動運動部件向z方向和x方向運動，電機同時向y方向推動刮板行進，然后旋轉機構推動刮板旋轉90°。刮板行程包含所有的料筐，可根據刮板的高寬比自動均勻鋪展物料。

2.2.4 疊盤工位

與拆盤工位的作用相反，與機械設備結構相同，單面料筐可按順序堆疊成12層。它將最下層的料筐抬起，然后自動轉移到另一個料架上，降低插腳，將料架疊在一起，之后不斷插入和取出料架，實現全自動堆垛的功能。

2.2.5 料車移載工位

物料車轉運過程的機械設備主要由輕鋼結構、推動模塊、抓取機構、起升機構及其條碼讀取器組成。鋼架為門形，兩側支腿用螺栓固定于地面，然后雙導軌三滑塊結構分布在橫梁的上方。根據傳動齒輪的齒條和小齒輪結構，可以推動減速機上的工作臺滾動，可滾動的合理距離為2 m。橫梁的兩端可以控制滑臺的啟動與停止。驅動單元和升降機構還有抓取機構相互配合，可以把臺車上面的物料移動到下面的物料區，然后讀取器讀取臺車上的條碼信息，并及時上傳到可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）與料筐進行綁定。

3 結語

自動化分裝投料系統綜合運用了諸多技術，包括自動化傳輸、自動稱量、傳感器識別、信息讀寫、數據采集、氣動控制以及PLC控制等技術。這些技術可以有效解決分裝投料過程中遇到的各種難題，提高分裝物料的計量精度和生產效率，值得在實際生產中廣泛應用。