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1、一种冷柜箱体自动化提箱、翻转一体机的研制及应用 李维春 郭树明 河南新飞电器有限公司 摘 要： 本文详细介绍了一种冷柜箱体自动化提箱、翻转一体机的设计及应用。为了实现抬箱岗位由人工操作改为机械自动操作的目标, 对其工序动作进行了科学分析, 对各动作的机械实现方案进行了筛选评估, 设计制作了一种自动化提箱、翻箱一体机, 并对其进行了合理科学的气路部分设计及自动化电气设计, 使该一体机通过自动识别实现了自主夹箱、抬箱、翻箱、移动、放箱, 完全实现了抬箱岗位自动化的目标, 减轻了工人的劳动强度, 减少了员工数量, 提高了效率, 也为其他生产线冷柜箱体的提箱、翻箱岗位的自动化提供了有价值的解决方法。关
2、键词： 提升装置; 夹紧机构; 旋转机构; 托定位机构; 移动装置; 气动装置; Development and application of a refrigerator box suitcase, flip machine automationLI Weichun GUO Shuming Henan Frestech Electrical Appliance Co., Ltd.; Abstract： This paper introduces the design and application of a refrigerator box suitcase, flip machine au
3、tomation. In order to achieve lift box posts by manual operation to mechanical automatic operation of the target, we carried out a scientific and carefull analysis of the action process, careful screening of the evaluation of the action of the mechanical scheme, design a kind of automatic suitcase,
4、turning box machine, and has carried on the reasonable and scientific gas path design and electrical design automation. The machine through the automatic recognition to achieve the self clamping box, lift the box, turn mobile, fully automated target, reducing the number of employees, enhance the eff
5、iciency and greatly reduce the labor intensity of the workers, also for other rebuil automation production line of the suitcase, rollover positions provides a solution with value.Keyword： Lifting device; Clamping mechanism; Rotating mechanism; Support positioning mechanism; Mobile device; Pneumatic
6、device; 1 引言冷柜生产过程中, 箱体部分在发泡后需要从箱体线转移到总装线, 冷柜的底面部分还需组装各零部件, 因此箱体需要翻转 180, 以便员工顺利完成组装操作。一般这条生产线需要配备三个操作工, 其中两人互相配合从箱体板链线一起抬起箱体, 移动 1.5 米后翻转 180 度、再移动 1.5 米距离, 另一人放箱托, 三人共同配合将箱体放置到总装线上, 两人每班每条生产需要抬 1200 台, 平均每台箱体重 25 公斤, 每班两员工共计需抬 30 吨左右的重量, 还要来回移动距离 7.2 千米, 操作工劳动强度非常大, 员工抱怨较多, 更换也较频繁, 如此, 不仅该岗位人员不好安排
7、, 而且还影响到生产的顺利进行。冷柜作为一种大批量生产的产品, 使用机器自动提箱、翻转、移动是解决该问题的必由之路。2 设计方案总体制定通过详细了解抬箱岗位的员工需求, 对该岗位员工的抬箱动作进行了细化分解和科学分析, 对各种型号冷柜箱体的形状、结构、大小进行统计分析以及对该岗位现场进行实际测量考察, 得出了以下初步设想:(1) 对目前的箱体线和总装线不做大的改动;(2) 通过支架实现在箱体线和总装线之间的上空进行箱体翻转、传送;(3) 动力方面尽可能多使用气缸来实现 (可充分利用工厂的集中供气) ;(4) 抬箱使用机械手臂实现夹持并要求有强的可靠性;(5) 翻转结构尽量简单轻巧、平稳、可调、
8、有效;(6) 控制部分使用主要以 PLC 实现。3 自动化提箱、翻转一体机设计3.1 机械部分设计提升装置是一种提起夹子和冷柜箱体的装置, 它保证了冷柜箱体和地面有足够的高度, 使得箱体可以顺利的翻转而不碰到地面。为了能够实现此动作, 设计出如下方案:(1) 通过电机动力, 并链条连接夹子提升;(2) 通过气缸动力, 并气缸杆连接夹子进行提升;(3) 通过液压缸动力, 并气缸杆连接夹子进行提升。通过从经济性, 难易度, 周期性, 可靠性以及车间实际情况等方面对以上方案进行综合评价, 得出了更加简单有效的第二方案。最终设计加工过程如下:提升装置包括主气缸, 主气缸链接在法兰盘上, 法兰盘固定在小
9、车上顶板上, 气缸杆贯穿小车顶板并联接加长杆;导套以法兰盘分别联接在主气缸的左右两边, 导柱分别在两个导套中;气缸加长杆和两导柱同时在各轴线方向法兰盘连接在支撑框上, 从而保证了整个支撑框上下自由提升运动。夹紧机构是保证自动化一体机的关键部分, 每班 1200 台的夹持量, 它的稳定性和可靠性决定了冷柜箱体的质量, 其左右两夹臂必须同步向中间运动或同步向两侧张开, 才能使冷柜箱体的夹持受力更加平衡对冷柜箱体无损伤。为此, 设计出以下方案:(1) 普通电机通过丝杆连接带动两个夹臂;(2) 使用两个气缸各连一个夹臂实现动作;(3) 伺服电机连接滚珠丝杆带动两夹臂实现夹持动作;(4) 一个气缸通过链
10、条链轮和夹臂连接实现夹持动作。通过模拟试验, 得出的第四个方案结构简单、加工方便、成本低、控制灵活可靠。其设计加工过程如下:夹持装置包括支撑框、支撑框通过法兰和提升主气缸连接, 两边联接板和导柱联接;支撑框中间下部装有一夹紧气缸, 两端固定有一链轮, 链条通过链轮、两夹臂形成闭环连接;夹紧气缸和闭环链条连接;两夹臂分别固定在两个对称的夹臂固定板上, 夹臂固定板分别和两滑块配合固定并与支撑框的滑轨相配合。旋转机构可使冷柜箱体平稳灵活的翻转 180 度, 其结构的好坏直接决定着翻转的效果, 对于翻箱机设计的成败来说是至关重要的, 因此, 经过生产线员工、机修工、技术人员的共同讨论, 提出三个方案并
11、进行了简易装置模拟试验, 最终确认主动臂使用气缸为动力, 齿轮、齿条为旋转机构, 从动臂使用设计为吸盘通过万向节和旋转轴连接。其设计加工过程如下:旋转机构包括气缸连接座, 旋转气缸尾部通过轴铰接在气缸连接座上, 旋转气缸杆头部通过螺丝和齿条连接;齿条限位块和齿条一面配合;齿条和齿轮啮合, 齿轮安装在旋转轴一端上, 并连接在转动座上, 转动座通过螺栓固定在夹臂下端部;两旋转轴的另一端部通过凹凸球形面万向节配合连接夹臂手 (使得夹臂手在有一定万向角度, 保证了夹箱的可靠性) 。一边是主动旋转臂, 另一边是被动旋转臂, 共同组成了旋转臂, 如图 1 所示。移动装置是实现整个夹具装置、提升装置和旋转装
12、置的运动, 保证冷柜箱体从总装线到包装线的关键。经过论证, 可以使用带减速器的三相电机配合链条来实现, 具体步骤如下:运动小车包括小车平台、小车平台有 8 个运动小车轮, 其中 4 个轮进行左右运动, 另四个为安全保护轮, 起到小车安全作用。电机固定在小车平台上, 导向链轮和电机轴过渡配合, 链轮通过两个导向链轮和支架上电机链条配合;弹簧限位装置固定在支架两端保证小车的到左右极限位的安全。托定位机构包括定位架, 定位架固定在总装板链线上, 两定位气缸分别固定在定位架上, 并处于箱托的中下部, 结构如图 2 所示, 其中:1-支架、2-链条固定块、3-小车平台、4-电机、5-导向链轮、6-电机链
13、条、7-导轨、8-限位装置、9-导柱、10-主气缸、11-导套、12-小车运动轮、13-小车限位轮、14-连接杆、15-支撑框、16-链轮固定架、17-夹臂链轮、18-导柱固定法兰、19-夹臂链条、20-滑轨、21-直线滑块、22-夹臂链条固定柱、23-夹臂、24-气缸连接座、25-旋转气缸、26-夹臂手、27.转动座、28-齿条、29-齿轮、30-定位架、31-定位气缸、32-板链侧板、33-限位块、34-旋转轴、35-夹臂连接板、36-夹紧气缸、37-支撑框连接板、38-齿条限位块、39-万向节、40-箱体线、41-总装线。图 1 主动旋转臂示意图 下载原图图 2 自动化一体机示意图 下载
14、原图3.2 气动部分的设计该自动化一体机除小车运动使用电机带动以外, 其他部分运动的动力全部由气缸提供, 要想使得各运动可靠、平稳, 并在长时间的工作中保证冷柜箱体的质量, 气动设计, 特别是主气缸和夹子气功的动作必须安全可靠。首先主气缸上下运行平稳, 冲击不能太大, 我们在进出气口各采用一个先导式单向节流阀, 不仅能够实现在运动过程的平稳, 而且还可以在突然停电停气的极端情况下保持夹具装置的稳定;夹子气缸选用三位带中位保压功能的气阀, 并在进气口接入一调压阀, 中位保压阀可确保在突然无气的情况下冷柜箱体不从夹子中间脱落, 给操作工人提供充足的时间进行人工处理, 避免了冷柜箱体废品的产生, 调
15、压阀可实时调整夹子气缸的压力, 保证夹具夹力适合每一台冷柜箱体, 确保冷柜箱体不被夹坏, 气路设计如图 3 所示。3.3 自动化电气部分设计机械、气动部分完成后, 要实现自动化操作, 电气设计是实现此装置自动化最主要的部分。根据任务及分解的动作流程, 选用如图 4 所示的 PLC 控制。根据输入输出点数, 选择欧姆龙 CPM1A-40CDR 及加一个扩展模块。设计中最关键的一点是, 为了保证在自动运行过程中冷柜箱体不被自动装置碰坏, 在输入部分增加了五组保护对射光电保护开关并编辑在程序中, 使得在自动装置在运行过程中一旦有不满足条件的情况出现, 自动化一体机就会停止, 确保了产品安全和操作工的
16、安全。这样的电路设计, 结构简单、维护方便、成本低并能很好的实现自动化及安全性要求, 同时还为操作工的操作提供了方便。4 自动化一体机的生产使用使用时开启箱体线和总装线, 调整好夹子气缸压力, 准备好箱托。如图 5 所示, 工作时, 首先复位使小车运行到两箱体线和总装中间, 在控制柜上拨到自动开关上, 开动箱体板链线和总装板链线, 当箱体板链线箱体到位后, 冷柜箱体提箱、翻箱自动化一体机上小车就自动运行过去, 主气缸落下, 夹紧气缸动作, 带动夹臂合起, 夹臂手夹紧冷柜箱体, 主气缸抬起并移动到两板连线中间位置停止, 同时旋转气缸动作, 带动齿条, 使得齿轮旋转 180停止, 若总装线挡托位置有冷柜箱体, 则小车在两板连线中间位置等待, 若总装线挡托位置无箱, 则小车就运行移动到总装线上方, 主气缸落下到主气缸中间位置的同时夹臂手开始松开, 冷柜箱体自由落到箱托上, 夹臂手松开, 此时定位气缸动作, 释放箱托运行, 随后小车再向相反的方向移动, 若箱体线有箱小车直接过去夹箱, 若无箱, 小车在两板链线中间位置停止等待冷柜箱体到位
