张明松，李晓维，程炼兵

(三峡大学机械与动力学院，湖北宜昌 443002)

0 引言

卷烟加工生产过程中需将装箱的烟丝倒入生产线输送带上，以进入下一步的卷烟生产工艺。由于烟丝包装箱通常为纸质包装箱，而且重量近200 kg，体积也较大，长宽高约1 200 mm×850 mm×800 mm，刚度差，易变形，如果采用人工倒料则不仅效率低下，而且工人劳动强度也大，若采用机械倒料作业，不仅可以减轻工人劳动强度，提高劳动生产效率，还能降低生产成本。

生产线上的翻箱倒料模式归纳起来主要有机器人翻箱倒料模式、龙门式翻箱倒料模式、追踪式翻箱倒料模式、AGV翻箱倒料模式、堆垛机翻箱倒料模式五种，其各自的特点如表1所示［1］。

表1 翻箱倒料模式特点比较

目前在一卷烟生产线已实现机械化翻箱，即由原来开口朝上完成开口朝下倒扣于输送带上，现需将处于倒扣状态的纸质箱内的烟丝倒出，采用现有的翻箱倒料机械，功能上有冗余，也不经济，因而需设计一种经济适用的倒料机械。笔者根据实际生产情况设计了一种新型倒料机械实现了相应功能及经济性要求。

1 方案原理分析

考虑实际生产情况，设计过程中主要考虑以下几个方面的问题:①物料箱由输送带输送至指定位置，并在原地完成卸料，且仍然由该输送带输送至下一道工序;②物料箱输送至指定位置时已完成翻箱工作，即物料箱处于开口朝下的状态;③物料箱为纸质箱，考虑到环保及成本要求，倒料过程中物料箱不得损坏，确保物料箱可重复利用;④倒出物料后的纸质箱须放于指定位置，不得留在输送带上，以方便工人回收;⑤设备具有较高的安全性、可靠性及生产效率。

由以上设计要求并参考现有产品设计思路，根据仿生学原理参考人体搬运货物的运动特征提出如图1所示的设计方案。其基本运行原理为:当物料箱位于提升卸料机的下方时，物料箱夹持机构张开，悬臂向下运动到指定位置，然后物料箱夹持机构将物料箱夹紧，悬臂向上运动至一定距离将烟丝倾倒在输送带上，当烟丝被全部倒出后，物料箱夹持机构向右运动一定距离，到达指定位置后张开将空物料箱放在指定位置，之后物料箱夹持机构向左返回，提升卸料机重复之前的动作进入下一个生产节拍。

图1 提升卸料机原理图

2 方案关键技术分析

由以上现场生产环境条件及机构原理设计分析可知，需要重点解决以下几个关键技术:①纸质物料箱夹持机构设计满足作业可靠性高，纸质物料箱可回收重复利用;②立柱及悬臂结构设计具有强度高、刚性好等特点，确保整个装置运行稳定可靠。

2．1 物料箱夹持机构设计

机械夹持机构又可称为机械手，主要是通过模拟人手或其他生物的抓取机体来实现对物料的抓取操作。目前在工业领域对机械手进行了较为系统的研究和总结［2］，如图2 所示为几种常见的机械手［3］，在抓紧物体时机械手和物体之间的保持一定的压力，然后机械手通过摩擦力的作用将物体抓起。

图2 几种常见的机械抓手

但文中所给生产条件要求将纸质物料箱抓起的同时能够将箱内的物料倒出，而且物料箱不能被损坏。考虑图2中第三种情况，即直线平动式抓手，被抓物受力情况如图3所示。

图3 受力示意图

设物料箱所受的摩擦力为f，正压力为P，重力为G，物料箱质量为m，重力加速度为g，机械手与物料箱之间的静摩擦系数为μ(0＜μ＜1)，则当物料箱被抓起时有:

由式(2)可以看出，若采用类似图2中的机械手，则作用在物料箱上的正压力将大于物料箱的重力，由前述可知物料箱重达200 kg，而物料箱又为纸质箱，刚度差，如此大的正压力一方面容易导致物料箱的严重变形而损坏物料箱;另一方面由于正压力太大，箱内物料也难以落出，所以难以保证机械手作业时的可靠性。

基于以上分析，设计了一种新型机械抓手机构，如图4所示，主要由导轨、滑块、丝杠、夹板、抓板、抓钉、步进电机等几部分组成。当机械抓手工作时，两夹板在丝杠的驱动下通过滑块沿导轨相向运动，由抓板将物料箱夹紧，然后抓钉在步进电机的驱动下扎进纸质物料箱中，从而实现机械手对物料箱的抓取操作;当要释放物料箱时，各部件逆序依次反向动作即可完成对物料箱的释放操作。

图4 机械抓手

2．2 立柱及悬臂结构设计

立柱和悬臂结构设计中，有箱型结构和桁架结构两种方案可供选择［4－7］，考虑经济适用性因素，文中采用桁架结构设计，如图5所示。

图5 立柱悬臂结构

立柱主要由底座、桁架、提升电机座、导轨垫块、链轮座等几部分组成。其中底座部分向右伸出，以增强立柱在提升卸料机工作时的稳定性;立柱右侧上方焊接有导轨垫块用于安装纵向导轨，该结构设计既可减小导轨安装面的加工面积，同时亦可提高导轨连接部分的可靠性。

悬臂整体呈三角形，其上附有吊耳、竖板、导轨垫块、水平电机座等结构，其中吊耳与竖直提升链相连，用于提升悬臂;竖板用于安装滑块，与立柱上的导轨一起组成滑动副;为减小水平导轨安装面的加工面积，在悬臂焊件上焊接有导轨垫块，水平电机座用于安装水平链驱动电机和水平链轮座。

3 工作过程分析

如前所述，提升卸料机主要由立柱、悬臂、机械抓手三部分构成，如图6所示为提升卸料机的装配图，该装置通过PLC编程进行控制，其控制过程如下。

图6 提升卸料机装配图

(1)机构复位 提升卸料机启动，PLC向各驱动电机发出复位指令，各运动机构复位，如图6位置B所示，各个运动部件的停止位置由安装在固定位置的电容接近开关产生触发信号，进而由PLC发出相应指令。

(2)机械抓手抓取物料箱 首先PLC向安装在立柱上的提升电机发出动作指令，提升电机通过提升链带动悬臂向下运动至位置A时安装在立柱下端的电容接近开关产生触发信号，当PLC接收到触发信号后发出停止指令，提升电机停止转动，悬臂停止运动，接着PLC向机械抓手上方的步进电机发出动作指令，步进电机通过丝杠驱动机械抓手夹板相向运动压紧物料箱，接着PLC再向四个抓钉组件步进电机发出动作指令，抓钉在步进电机的驱动下扎进纸质物料箱中，至此机械抓手完成对物料箱的抓取操作。

(3)卸料 PLC控制器向提升电机发出动作指令，提升电机通过提升链带动悬臂向上运动，由于物料箱的开口已朝下且处于打开状态，物料在重力作用下被倒出物料箱，实现卸料，当悬臂运动至B位置时，安装在立柱上方发电容接近开关产生触发信号，PLC接收到触发信号后对提升电机发出停止指令，悬臂停止运动。

(4)释放空物料箱 PLC向安装在悬臂上的水平驱动电机发出动作指令，水平驱动电机通过水平链带动机械抓手向右运动至C位置时，安装在悬臂右端的电容接近开关产生触发信号，PLC接收到触发信号后向水平驱动电机发出停止指令，机械抓手停止运动，接着PLC向抓钉组件中的步进电机发出动作指令，抓钉在步进电机的驱动下反向运动退出纸质物料箱。PLC再向机械抓手上方步进电机发出动作指令，步进电机通过丝杠驱动机械抓手张开，物料箱在重力作用下落在指定位置，实现物料箱的释放操作。

(5)机械抓手归位 PLC向安装在悬臂上的水平驱动电机发出动作指令，水平驱动电机通过水平链带动机械抓手向左运动至B位置时，安装在悬臂左端的电容接近开关产生触发信号，当PLC接收到触发信号后向水平驱动电机发出停止指令，至此提升卸料机完成一个工作循环，接着各机构重复上述动作进入下一个工作循环。

4 结语

调研了卷烟生产线上装箱烟丝卸料的难题，结合现有的卸料设备设计思想及现场生产情况设计了一种新型提升卸料机，解决了以下几方面的问题。

(1)设计了一种新型机械手机构，实现了在抓紧力比较小的情况下对物料箱的抓取操作同时能够保证卸料过程的完成。

(2)对立柱悬臂结构进行了设计，具有强度、刚度好，经济适用等特点。

(3)对提升卸料机的工作过程进行了详细的分析，为提升卸料机的控制过程提供了依据。

(4)通过对所设计提升卸料机的试制验证了该设计是合理的可行的。

［1］ 杨锦鹏，高 晟．箱式储丝系统中的五种翻箱倒料模式分析［J］．物流技术与应用，2013(1):86－88．

［2］ 加藤一郎．机械手图册［M］．上海:上海科学技术出版社，1979．

［3］ 张建新，昝银忠，贾章伟．自主机器人抓取机构设计与研究［J］．机电研究及设计制造，2010(3):71－73．

［4］ 卢素玲．悬臂起重机应用与研究进展［J］．焦作大学学报，2011(7):101－102．

［5］ 沈 黎．臂行式悬臂起重机桥架装配质量的控制［J］．起重运输机械，2012(12):96－99．

［6］ 于兰峰，王金诺，郑杰民，等．塔式起重机静态刚度现状与分析［J］．起重运输机械，2004(7):1－4．

［7］ 吴淑芳，苏铁熊．基于改进遗传算法的悬臂起重机悬臂梁优化设计［J］．机械设计与研究，2014(8):156－159．