摩托车包装箱堆垛系统的分析与设计
摘 要：文章通过实例探讨了摩托车包装箱堆垛问题的解决方案，并做了基本结构设计描述。这个方案已在江门豪爵摩托车有限公司应用，取得较为满意的效果。希望通过对这套方案的分析与探讨，能对同类产品的设计起到参考作用。
关键词：堆垛；机械手；程序控制；编码系统
引言
在摩托车生产过程中，由于包装箱体积较大也较重，搬运和储存问题尤为突出。通常摩托车成品用纸箱包装，包装箱最重可达150kg。在产品存放期间，由于堆垛方式不正确，导致产品被压坏或使包装箱变形的情况时有发生。为此，针对产品特点，制定了三种不同的堆垛方式，如图1所示。（注：文章实例为江门豪爵摩托车有限公司的产品）
1 堆垛系统的方案制定
当产品打包下线后，需要用机械手将包装箱从装配线上搬到“底托”上，并按图1中的其中一种方式堆垛。“底托”上堆满后，用叉车运到库房。
2 机械手的布局与设计
2.1 机架
由7根立柱和一个平台构成。平台高度要满足夹臂在堆三层时有足够的上升空间，平台长和宽要能使旋转平台有一定的转动空间。立柱布局，一面三个，另一面四个。分别满足叉车进出和线体的沿伸。为使机架在设备运行时保持稳固，立柱上均设计有斜梁。平台周边装有防护栏确保维修人员的安全。
2.2 平移小车
平移小车沿导轨在平台上左右移动，它承载着夹臂和包装箱的全部重量。小车的移动靠电机和同步带的牵引。为防止小车脱轨，小车底部有防翻机构，导轨端部设有限位装置，防止小车过冲。
2.3 夹臂部分
夹臂部分结构如图3所示。这部分是整个系统的核心部分，它有四个动作，分别叙述如下：
（1）升降运动。小车上的减速电机带动齿轮转动，齿轮带动齿条及导杆上下移动，导杆两侧装有直线滑轨为其导向。减速机选用蜗轮蜗杆型式，具有自锁功能，它能保证在断电时产品不致掉落。
（2）开合动作。如图3所示，两只夹臂开合由一支气缸完成。由于包装箱是纸箱，不能夹得太紧，主要重量还是靠下面的钩板承受。因包装箱是停在两夹臂的中心位置，要求两个夹臂必须同步移动。实现这个动作采用同步机构。
（3）包装箱翻转动作。包装箱在滚筒线上是竖立状态，如果堆垛时需要平放，则必须绕水平轴线翻转90°。翻转机构如图4所示。动作过程如下：气缸推动齿条，齿条推动齿轮转动，齿轮与夹板固连。夹板和包装箱一起转动。为防止包装箱转过90°后掉落，夹板一侧有钩板钩住箱子。
（4）向两侧平移到“旋转平台”上部。如图2所示，夹臂随小车一起移动，每次移动的距离不同。对于每一种产品、每一种堆垛方式、每一个堆垛步骤，夹臂所停位置必须准确，这些在控制程序中已经设定好了。通过编码器系统确定小车移动的距离。一般情况下能把位置精度控制在1～2mm范围内。3 旋转平台的设计
3.1 旋转平台左右各一个，交替使用
其结构如图5所示。上面为正方形，用于放置“底托”，四个角有限位块，以保证“底托”能准确定位。下面是转轴、摩擦轮和驱动机构等。
设计过程中，考虑平台上堆满包装箱时，平台很重、惯性很大、起动困难、停止时有很大冲击力导致刹车困难。这种冲击常会把传动机构零件损坏。这是一个难度较大的技术问题。问题1，转盘驱动该采取何种方式呢？过去转盘常用链条、齿轮和同步带等传动，链条和同步带常会断裂，齿轮也容易断齿。通过分析比较，选择了摩擦轮传动方式。具体结构如图5所示。
3.2 平台下面是一个圆盘，周边与摩擦轮接触
摩擦轮用聚氨酯材料制作，有一定硬度和耐磨性。摩擦轮直接装在减速机输出轴上。为了保证摩擦轮对圆盘有足够的正压力，减速机装在可以摆动的架子上，用弹簧提供拉力，使摩擦轮压紧圆盘。同时，在转盘基座上设置了限位装置以细调转角，安装油压缓冲器以吸收能量。
这种传动方式，很好的解决了转盘的冲击问题，使设备能平稳的起停，安全可靠，且无噪声。
4 滚筒线
4.1 由于机械手每次都会停在这段滚筒线中心位置，要求不管箱子大小如何变化，必须在X和Y两个方向居中，如图6所示。在Y方向只要在线体两边增加导向，迫使箱子移动到线体中间即可。在X方向定位颇有难度。问题2：如何使长度不同的箱子，中心（1/2长度处）始终与夹臂中心对齐。
如果在线体末端装阻挡显然不行，因为阻挡器的位置必须随箱子长度变化而改变，操作很不方便。为此，设计了一套计长装置，如图6所示。该装置能自动测量箱子长度，并能控制箱子中心到达夹臂中心点时立刻停止。
4.2 计长装置的工作原理如下
（1）如图6所示，包装箱从线体左端进入，在线体入口处安装1号光电开关，在夹臂中心位置安装2号光电开关。两套光电开关和线体减速机上安装的编码器等组成一个测量系统。（2）当箱子通过1号光电时，箱子头、尾各取一个信号。通过这两个信号的时间点就能计算出箱子长度，这个数据被暂存。（3）当箱子前端通过2号光电时，又记下第三个时间点，从此点开始，只要再往前走箱子长度的一半线体就停止。（4）在箱子通过2号光电开关之前，系统已把箱子长度换算成减速机轴的转数。
4.3 这里叙述一下编码器计数原理
在这段线体的减速机轴端装有一圆盘形感应片，圆盘外圈有二十个均匀分布的锯齿缺口，圆盘转动时，每转过一个齿，U型光电感应器就会发生一个脉冲。每个脉冲对应线体上包装箱走过的一段距离。圆盘上锯齿越密，即圆周被等分得越细，计长精度就越高。因此，通过光盘转过的圈数及齿数就能计算出箱子在线体上走过的距离。反之，知道箱子需要移动的距离，也就能计算出圆盘要转的圈数和齿数。这一系统可精确地控制箱子位置，很好地满足了对箱子的定位要求。
4.4 滚筒线第三个功能，把箱子顶起
5 结束语
分析这套系统的结构设计，除了普通的结构和传动方式以外，它的突出特点是巧妙地利用了转盘摩擦传动和数码计长技术，能很好地适应产品规格的频繁变化，具有一定的先进性和实用性。从实际运用的情况看，这套堆垛系统圆满地解决了摩托车包装箱的堆垛问题。不仅堆垛速度可与流水线同步，而且还能连续作业。通过两年的应用，已经取得了良好的经济效益和社会效益。过去，堆垛工序需要四个强壮劳力，现在无需人工操作，全部实现了自动化。不仅节约了劳动成本，降低了劳动强度，也提高了该企业自动化的整体水平。希望通过长期使用，不断改进，使这套技术日臻完善。也希望这套技术能对其它产品堆垛问题的解决有所裨益。
作者简介：张渭涛（1958，2-），男，汉族，原籍：陕西省宝鸡县，本科，工程师，现从事自动化设备的开发与设计工作。