一种自动纸箱分料装置

一种自动纸箱分料装置

高倩芸,罗盛恺,王玮,李斌,栾俊杰,侯俊杰

上海烟草集团有限责任公司上海烟草储运公司 上海市宝山区  200439

摘要：针对产品装箱自动化水平低的问题，设计一种基于履带式AGV的自动纸箱分料装置，目的是避免人工分类纸箱并搬运储存效率低、劳动强度大的问题。首先，对产品自动装车和纸箱分料进行需求分析；其次，确定装置运行环境和履带式底盘搭建整体方案；最后，设计纸箱分料机构，并结合装车时间计算得出码垛方式，便于后期码垛，并结合立体视觉辅助装置进行检测运输状态。分析结果表明：纸箱分料装置设计后，能够准确的分拣产品包装箱，达到了降低劳动强度的需求，并提高产品装箱运输效率。

关键词：自动装车；纸箱分料；自动化水平；辅助检测装置

An automatic carton distributing device

Abstract: Aiming at the low level of product packing automation, an automatic carton sorting device based on crawler AGV is designed to avoid the problems of low efficiency and high labor intensity in manual sorting, handling and storage of cartons. Firstly, the demand analysis of automatic product loading and carton distribution is carried out; Secondly, the running environment of the device and the overall scheme of crawler chassis construction are determined; Finally, the carton material distribution mechanism is designed, and the stacking mode is calculated in combination with the loading time, which is convenient for later stacking, and the transportation status is detected in combination with the stereo vision auxiliary device. The analysis results show that after the design of the carton sorting device, the product packing boxes can be sorted accurately, the labor intensity can be reduced, and the product packing and transportation efficiency can be improved.

Keywords: Automatic loading; carton piding; automation level; auxiliary detection device

随着物流的发展，包装纸箱作为辅助行业也得到了快速发展。产品生产加工的最后一道工序是纸箱包装，通过对产品进行包装后，生产制造过程才算完成，在此过程中堆积的产品货物箱的运输和搬运也是物流生产线核心的流程[1-2]。现今，国外利用多技术融合提高自动化仓库的搬运效率[3]。我国在智能物流产线上起步稍晚，但是已经研究了较智能的物流产线，并成功开发了运用于实践的搬运技术，极大的提高生产效率[4-5]。虽然这种搬运方式装载稳定，抗干扰能力也很强，但是在搬运过程中智能化程度还有待提高，还存在无法自动纸箱分料的缺陷[6-7]。现阶段，各制造企业所使用的设备都所差无几，真正能解决自动纸箱分料是非常可贵的，也是大型制造企业亟待解决的问题。本文为了解决在产品加工完成后，需要对产品包装并装箱，装箱完成后，人工将不同类别的纸箱搬运至纸箱储存区，然后码垛以便于后续装车，效率低，劳动强度大的问题，提出基于履带式的自动纸箱分料装置，进一步提高了自动化水平，提高产品生产效率。

1  自动纸箱分料装置需求分析

精准描述制造企业对基于履带式小车的自动纸箱分料装置的需求，能够快速高效的进行自动纸箱分料装置的设计。自动纸箱分料装置包括满足在基础条件下进行、履带式小车整体设计方案、自动纸箱分料装置设计、满足装车条件和视觉辅助装置的需求。在满足设计的前提条件下，还应满足装置的安全性和遭受意外事故损害的可能性小。纸箱分料机构，通过输送机构输送纸箱，并将纸箱分料至纸箱储存区，便于后续的码垛工序，提高码垛效率，降低了劳动强度。

1.1  工作环境及技术条件

在自动纸箱分料机构运行过程中，履带式AGV小车的运行环境是比较苛刻的，需要满足环境温度、环境湿度和地面承重等工作环境及条件，在满足前提条件下才能更好的进行纸箱分料，保证装置的正常运行。具体如表1所示。

表1  工作环境及条件

Tab.1 Working environment and Conditions

满足工作环境是纸箱分料装置运行的前提，在满足环境的前提条件下，还应满足技术条件。需要有稳定的履带式底盘，进一步搭建操作平台；驱动电机选用直流伺服电机，减速机选用多级行星减速机；电气箱及操作系统设置在容易维护的安全位置，控制箱内部要有线号标识，接近开关采用欧姆龙，开关电源采用明纬低压开关电源，提供48V、24V、12V、5V稳定直流电压；整机采用48V，150AH锂电池供电；同时具备220V AC拖线供电功能，以备特殊场景下使用。

1.2  履带底盘搭建

履带式底盘能够搭建一个较大的操作台，也能堆放较多的装箱后的产品，有较大的操作空间，这也是自动纸箱分料装置的运作前提。橡胶履带底盘由底盘结构主要由两个橡胶履带总成、总成U型架、横梁连接、下平板及上平板组成，上平板需根据实际要求及上部装载部件安装尺寸进行设计和制造，具体如图1所示。履带总成由履带、驱动轮、托带轮、张紧装置、导向轮、支重轮、履带梁组成。

图1  履带式底盘示意图

Fig.1 Crawler chassis schematic

车体钢架采用优质槽钢或方管制造，结构设计合理，承重能力强，在保证承载强度基础上，尽量减轻结构的自重。车体采用箱型梁的设计结构，方便检修、拆装，使用寿命长，台面变形小，可以有效保证台面钢板的平整度，保证载重的安全系数不低于125%，以此保证平台安全。驱动电机选用直流伺服电机，减速机选用多级行星减速机。

2  自动纸箱分料装置的设计

产品运输线设计了一种纸箱分料机构，通过输送机构输送纸箱，并将纸箱分料至纸箱储存区，便于后续的码垛工序，提高码垛效率，降低了劳动强度，包括安装底座、滚筒输送机构、输送皮带机以及升降机构。滚筒输送机构固定安装在安装底座上，通过安装在滚筒输送机构侧面的输送电机为其工作提供动力，输送皮带机设置在滚筒输送机构的滚筒间隙内，通过连接架与安装在安装底座上的升降机构保持连接，以此搭建一个自动纸箱分料装置。

2.1  自动纸箱分料装置设计方案

为了实现自动分料的目的，本文提供如下技术方案：纸箱自动分料装置，设计了安装底座、滚筒输送机构、输送皮带机以及升降机构。滚筒输送机构固定安装在安装底座上，通过安装在滚筒输送机构侧面的输送电机为其工作提供动力；输送皮带机设置在滚筒输送机构的滚筒间隙内，通过连接架与安装在安装底座上的升降机构保持连接；升降机构包括升降电机、传动轴、第一连杆以及第二连杆。升降机构里的升降电机安装在安装底座上，通过皮带的带轮传动机构与转动安装在安装底座上的传动轴保持连接，第一连杆的一端与传动轴连接，另一端与第二连杆铰接，第二连杆远离第一连杆端部与连接架铰接。这种自动纸箱分料机构，其特征在于连接架底部固定安装有与安装底座滑动连接的第一导向杆。还装有挡料板提高安全性，挡料板与升降机构的第二连杆保持连接。在连接的前提下，挡料板底部固定安装有与安装底座滑动连接的第二导向杆，第二导向杆远离挡料板端部固定安装有与第二连杆铰接的连接板。然后进一步设置在滚筒输送机构侧面的输送导向板。具体自动纸箱分料机构结构如图2所示。

图2  自动纸箱分料装置结构图

Fig.1 Structure diagram of automatic carton distributing device

这就是安装底座、滚筒输送机构、输送皮带机以及升降机构的连接方式，通过梳理各机构的关联关系确定自动纸箱分料装置的结构，进步设计纸箱分料装置的运动方式。

2.2  自动纸箱分料装置的工作原理

自动纸箱分料装置使用时，输送电机驱动滚筒输送机构工作，带动纸箱行进，其中升降机构的升降电机带动传动轴转动，带动第一连杆转动，并带动第二连杆绕其与第一连杆的铰接轴转动，并带动第二连杆运动，第二连杆顶升连接板竖直上升，挡料板随之上升，将纸箱挡住，随后另一所述升降机构工作，带动输送皮带机上升，将纸箱顶起并输送至纸箱储存区。自动纸箱分料装置如图3所示。

图3  自动纸箱分料装置

Fig.1 Automatic carton distributing device

该自动纸箱分料装置适用于产品加工装箱完后的工作中，能够代替人工将产品包装箱搬运到货物储存区，然后再进行码垛工序，能够快速的同时解放劳动力。根据设定的方案，确定好安装位置，底座安装在履带式底盘上，通过选定的输送电机为滚筒输送机构工作提供动力。确定好动力源之后，先设置了滚筒输送机构侧面的输送导向板，对纸箱的输送导向，避免纸箱在输送过程中放生偏移。然后通过连接架与底座上的升降机构保持连接，连接架与第一导向杆之间安装有滑轨，两者是滑动连接的，设置的目的在于，第一导向杆对连接架的竖直滑动导向，提高运动精度。

该装置还设置挡料板，挡料板与其中一所述升降机构的第二连杆保持连接，设置的目的在于，升降电机带动挡料板竖直上升，将纸箱挡住，便于输送皮带机上升，将纸箱输送至纸箱储存区，提高自动纸箱分料装置的精度。

2.3  装车时间与立体视觉辅助装车系统

经过履带式底盘平台的搭建和自动纸箱分料装置的方案设定后，分料后配合码垛方式和码垛时间来提高产品运输效率，在码垛过程中，还需要用视觉传感器进行视觉对位，提高码垛安全性。码垛方式有旋转交错式、正反交错式和纵横交错式这三种可以选择。旋转交错式每层码垛时改变方向90°形成搭接，根据产品的抗压强度来选择此种码垛方式，产品抗压能力强则可以选择，以此保证粉料装置的稳定性；正反交错式各层间的搭接良好，货物稳定性高，很适用于履带式的底盘平台上；纵横交错式适用于奇偶数层按不同的方向进行码垛，在本方案中不适用。选取正反交错的方式进行码垛，再确定自动纸箱分料装置的分料的速度和抓取的箱数，3箱/次和2箱/次抓取计算，机器人抓取速度8-10s/次，每小时1000-1100箱。方案可采用正反交错式码垛，提前计算好码垛方式再进行机器人码垛，可采用视觉校正。确定了码垛方式之后，还需要进行视觉对位，在保证产品完整的同时，保障自动纸箱分料装置安全运行。视觉传感器采用单目、双目和红外夜视传感器，单目视觉传感器先识别到产品包装箱然后再测距，根据产品包装纸箱的大小和高度计算问题和传输过程中纸箱到的移动时间；双目视觉传感器先进行距离测量，再识别物体能够很清楚识别出20米以内的视觉范围；红外夜视传感器是对单目和双目的补充，能够在昏暗的环境检测出纸箱的位置和移动速度。结合码垛方式、分料装置抓取时间、分料装置抓取速度和视觉辅助进行产品纸箱的搬运过程优化，设计出了一种自动纸箱分料装置，节省时间，解放劳动力，提高产品搬运效率。

3  结论

自动纸箱分料装置通过对环境和技术条件的确定，搭建好产品堆放、输送和分料的工作台。设计自动纸箱分料装置，结合滚筒输送机构、输送皮带机以及升降机构进行设计，并确定码垛方式和分料装置抓取时间，在视觉对位的前提下进行码垛。不仅节省了产品搬运费用，还有效利用空间时间，更通过各机构之间的配合提高运动精度，用视觉传感器精准定位，提高效率的同时保障搬运生产线的安全。自动纸箱分料装置极大提高产品箱搬运效率，使工作人员能更轻松，物流产线更安全。

参考文献

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