面向固定规格料筐的专用自动叠筐线设计与应用验证

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摘要：为节省料筐运输时的空间和成本，通常需对料筐进行堆叠，以减小运输体积。某公司料筐产量大且产能稳定，需要研制低成本专用自动叠筐线。本文先研究了自动叠筐方案和动作规划，对专用自动叠筐线进行了详细的结构设计，包括料筐的侧翻定位装置、窄带前翻装置与料筐倾斜升降装置；对专用自动叠筐线运行节拍进行分析；最后制作专用自动叠筐线样机进行试验，试验结果表明所研究的方案满足料筐输送间隔为7s的叠三筐要求。

关键词：料筐；叠筐；侧翻；前翻；节拍分析

作者：曹冲振 张肃仁 孙超 王凤芹 张萌

山东科技大学机械电子工程学院

一

引言

由于水果的种类、数量以及运输距离等因素差异，目前水果市场所需料筐种类繁多。同时，为节省料筐运输时的空间和成本，通常需对料筐进行堆叠以减小运输体积。某公司生产的料筐尺寸为长490mm、宽350mm、高280mm，其产量大且产能稳定，需要建设若干条低成本的专用自动叠筐线。

本文研究的叠筐线，料筐输送间隔ts=7s，料筐的自动叠筐方案初步采用专用自动叠筐线叠筐，即在叠筐工作区域（长度宽度内集成多个装置，完成三个料筐的叠筐动作。

二

固定规格料筐的专用自动叠筐方案设计

1.总体方案

专用自动叠筐线总体方案如图1所示，第一料筐倾斜下降后，第二料筐侧翻90°后对正并插入第一料筐，第三料筐对正并反扣在第二料筐上，叠筐完成后再把三筐水平输送至打包区。专用自动叠筐线主要包括缓存皮带段、侧翻定位装置、窄带前翻装置、料筐倾斜升降装置。专用自动叠筐线叠筐方案集成度高，通过3个装置之间相互配合，采用并行方式分别运行，料筐按顺序进行侧翻、定位、前翻等多项复杂动作。与机器人叠筐方案相比，专用自动叠筐线方案成本较低。

图1 专用自动叠筐线总方案

2.叠三筐动作规划

专用自动叠筐线的叠三筐工作流程如图2所示。

图2 专用自动叠筐线叠三筐流程

（1）第一料筐经导条缓存皮带线输送后，进入侧翻定位装置中；

（2）侧翻定位装置的直角臂翻转45°，使第一料筐底面和侧面紧贴直角臂内侧面；

（3）侧翻定位装置的直角臂复位，第一料筐姿态不变，且完成定位（料筐在专用自动叠筐线宽度方向上的位置确定）；

（4）第一料筐继续前移，经过窄带前翻装置后，进入料筐倾斜升降装置。同时，第二料筐进入导条缓存皮带线等待；

（5）料筐倾斜升降装置皮带正向转动一段距离，调整第一料筐位置。同时第二料筐进入侧翻定位装置；

（6）料筐倾斜升降装置电缸杆缩回，皮带线右端下降使皮带面倾斜，从而第一料筐倾斜放置等待第二料筐插入。同时侧翻定位装置直角臂翻转90°，且在翻转过程中，侧翻定位装置的平移电缸动作，将直角臂和第二料筐沿专用自动叠筐线宽度方向移动一段距离，因此侧向翻转90°后的第二料筐与第一料筐左右对中，使第二料筐能够准确插入到第一料筐中；

（7）第二料筐继续前移，经过窄带前翻装置后，利用初速度，以抛物线形式插入第一料筐中。同时侧翻定位装置的直角臂复位，第三料筐进入导条缓存皮带线等待；

（8）第三料筐前移，进入侧翻定位装置中。同时窄带前翻装置的直角臂前向旋转90°（逆时针旋转90°），此时直角臂短边竖直朝上，高于窄带输送面，而直角臂长边指向第三料筐，低于窄带输送面；

（9）与步骤（2）动作相同，侧翻定位装置的直角臂翻转45°，使第三料筐底面和侧面紧贴直角臂内侧面；

（10）与步骤（3）动作相同，侧翻定位装置的直角臂复位，第三料筐姿态不变，且完成定位（第三料筐在专用自动叠筐线宽度方向上的位置与第一料筐相同）；

（11）第三料筐前移，直到料筐前侧面与窄带前翻装置直角臂短边接触后停下；

（12）窄带前翻装置的直角臂前向旋转90°（逆时针旋转90°）。翻转过程中，直角臂短边和长边分别与第三料筐前侧面和底面贴合，从而带动第三料筐前翻90°；

（13）窄带正向移动，第三料筐前移，同时侧翻定位装置直角臂反向旋转180°（顺时针旋转180°），在直角臂旋转过程中，直角臂短边与第三料筐前侧面接触，从而抬起第三料筐，使其有前翻的趋势；

（14）第三料筐翻扣于第一料筐之上，并与第一料筐上下对齐；

（15）料筐倾斜升降装置电缸杆伸出，皮带线右端上升使皮带面水平，料筐倾斜升降装置复位，皮带正向移动输送三筐组。

三

专用自动叠筐线装置设计

1.侧翻定位装置设计

本设计采用辊式输送段来满足侧翻定位装置的输送功能[1]，将侧翻定位装置主体部分安装于辊式输送段的下方，利用辊筒间的空隙，伸出直角臂等构件对料筐进行侧翻，如图3所示。侧翻定位装置的具体结构如图3(a)所示，平移驱动选用磁耦合式无杆式气缸[2]，能够节省常规气缸缸体安装空间。平移模块具体结构如图3(b)所示，吊装框架与专用自动叠筐线侧边框栓接固定；侧翻模块通过直线导轨与平移模块滑动连接，驱动电缸为侧翻模块提供平移驱动力，使其沿专用自动叠筐线宽度方向做直线平移运动。

图3 侧翻与平移模块结构

侧翻定位装置的定位原理[3]。（1）第一料筐和第三料筐定位，根据图2专用自动叠筐线叠三筐流程，步骤①至步骤③、步骤⑧至步骤⑩分别详细阐述了第一料筐和第三料筐的定位方式，两个料筐定位方式相同：料筐进入侧翻定位装置之后，直角臂翻转45°，使料筐底面和侧面紧贴直角臂内侧面，然后直角臂复位，料筐姿态不变，而位置改变，即料筐在专用自动叠筐线宽度方向上的位置确定，第一料筐和第三料筐左右对中。（2）第二料筐定位工作原理如图4所示。图4(a)为第一料筐和第三料筐定位完成状态，料筐左侧紧贴直角臂，平移模块不动作。图4(b)为料筐侧翻过程中状态，此时平移模块不动作，对滑块施加驱动力，滑块水平右移，带动直角臂对料筐进行侧翻。图4(c)为第二料筐侧翻90°并且定位完成状态，第二料筐侧翻90°后，平移模块驱动侧翻模块整体右移，进行位移补偿，使第二料筐与第一料筐、第三料筐左右对中，即各料筐竖直面重合。

图4 第二料筐定位原理

图5 第二料筐位移补偿量分析

考虑到提高侧翻定位装置执行第二料筐时的效率，侧翻动作和平移动作可同步进行。第二料筐侧翻90°后需沿专用自动叠筐线宽度方向进行位移补偿，使其与第一料筐和第三料筐左右对中[4]。图5为第二料筐位移补偿量分析图。图5(a)为第一料筐和第三料筐定位完成状态，图5(b)为料筐的第二料筐侧翻90°状态，且平移模块未动作，根据两个状态下的料筐竖直中心面位置，可得

式中，W为料筐的宽度，mm；

H为料筐的高度，mm；

W1为侧翻前后竖直方向直角臂内侧面之间的距离，

经SolidWorks软件测量，W1=196.08mm。

两个状态下料筐竖直中心面间的距离∆x，第二料筐位移补偿量：

将W=350mm、H=280mm、W7=196.08mm代入式（2），得∆x=118.92mm。

2.窄带前翻装置设计

窄带前翻装置若采用辊式输送，前翻结构将只能安装于输送面上方，导致安装不便，并且没有合适的结构实现对料筐的前翻功能。本文提出直角臂前翻方案其工作原理如图6所示。图6(c)为直角臂待前翻状态，即第一料筐和第二料筐通过时，直角臂隐藏于输送面下方，窄带正向移动，料筐以原姿态通过；图6(b)代表直角臂前翻90°前状态，即第三料筐进入窄带前翻装置之前，直角臂提前从潜伏状态逆时针旋转90°，等待第三料筐进入直角臂内；图6(a)为直角臂前翻90°后状态，直角臂逆时针旋转，带动第三料筐前翻90°。

图6 前翻直角臂工作原理

图7 窄带前翻装置三维模型

考虑到窄带上下层间距仅为60mm，且窄带上下层之间设有窄带托板，导致直角臂的旋转轴安装空间受限，因此将旋转轴安装于窄带的正下方，窄带前翻装置结构如图7所示。

3.料筐倾斜升降装置设计

继侧翻定位装置和窄带前翻装置对三个料筐进行侧翻、定位、前翻动作后，最终在料筐倾斜升降装置处实现叠三筐。料筐倾斜升降装置采用六杆机构方案，如图8和图9所示，为六杆机构方案，其中杆AD为电缸，杆BC为皮带线，该方案在四杆机构的基础之上，添加连杆结构CDE，连杆结构两端分别与皮带线右端和机架铰接固定，而电缸直接驱动连杆铰接点D，从而实现皮带线右端升降。该方案标准电缸行程小于400mm，能够小幅降低驱动成本，并且装置依靠A点和E点进行支撑，整体稳定性高于四杆机构方案。

图8 六杆机构方案

图9 料筐倾斜升降装置三维模型

连杆上方穿接轴，轴两端分别与皮带线右端铰接固定，因此皮带线右端单支撑改进为双支撑，同时双连杆下方也采用双支撑点结构，能够大幅提高料筐倾斜升降装置工作时整体稳定性。上连杆两铰接点C、D中心距离为下连杆两铰接点D、E中心距离为在图8(a)状态时，两连杆夹角为180°。

电缸所需行程计算。连杆杆长确定后，求得皮带线倾斜角度和3.29°状态下的电缸长度分别为585.78mm和917.94mm，选用行程为350mm的电缸，电缸头尾部铰接点之间的最小距离为584mm＜585.78mm，最大距离为934mm＞917.94mm，符合使用要求。

四

专用自动叠筐线并行节拍分析

在实际工作过程中，专用自动叠筐线采用并行运作方式，即多个动作可同时进行，与串联方式相比，并行方式用时少，但控制难度增大。结合图2专用自动叠筐线叠三筐流程，得到专用自动叠筐线所有叠筐动作与对应数值参见表1。

根据各动作时间和支线料筐输送间隔ts=7s，可知：

1.t1=5.67s＜ts=7s，第一料筐不影响第二料筐动作。

2.t2+t3=4.42s＜ts=7s，第二料筐插入第一料筐中且侧翻定位装置复位后，不影响第三料筐动作。

3.叠三筐完成后，需保证下一个叠三筐流程正常运行，专用自动叠筐线各装置需进行复位，复位动作主要是时间t5和t6对应动作，而t6＞t5，因此主要考虑时间t6对应动作，即前翻直角臂正转180°进入潜伏状态复位动作对下一个叠三筐流程的影响。

若下一个叠三筐流程的第一料筐定位完成后，保证其前进过程中不与前翻直角臂产生碰撞，则需满足以下关系：

将各时间参数代入式(3)中，不等式成立，即专用自动叠筐线可持续运作。

4.将第一料筐从缓存位置开始运行直到叠三筐完成时记为一个叠三筐流程总时间tz，可以得到：

将各时间参数代入式(4)中，计算得到tz=18.56s。

综上所述，料筐运行数据满足不等式t1＜ts、t2+t3＜ts、t4+t6＜ts+t7，专用自动叠筐线叠筐方案可满足支线料筐输送间隔ts=7s的叠三筐要求，并且一个叠三筐流程总时间tz=18.56s，小于21s。

五

专用自动叠筐线样机试验

专用自动叠筐线整机设计完成后，制作样机并进行试验。专用自动叠筐线样机主要测试过程如图10所示。专用自动叠筐线装配完成后，将各装置的驱动与控制系统连接，并运行预先设定的控制指令，检查空载情况下各动作的执行情况。在动作准确无误后将驱动分别安装到对应位置并与执行元件连接，将料筐按照7s间隔通过分流装置送入专用自动叠筐线，均能完成叠三筐，且叠三筐总时间tz=18.1s。

图10 专用自动叠筐线样机测试过程

经计算分析，三筐平放堆叠体积为使用叠三筐叠筐后堆叠体积为体积减小了0因此相比于三筐平放堆叠，叠三筐设计将节省33%的运输空间，即降低33%的运输成本。

六

总结

本文对固定规格料筐产量大且稳定、低成本的自动叠筐方案基础之上，对专用自动叠筐线的机械系统方案进行研究。首先，针对固定规格料筐产量大且稳定情况提出了专用自动叠筐线的设计要求和结构组成；其次，根据设计要求对侧翻定位装置、窄带前翻装置和料筐倾斜升降装置的详细机械系统方案进行分析和设计；再次，对专用自动叠筐线运行节拍进行分析，结果表明专用自动叠筐线能够满足支线料筐输送间隔ts=7s的叠三筐工作；最后对专用自动叠筐线样机进行了叠三筐试验验证，试验结果表明专用自动叠筐线符合设计要求。

参考文献:

[1] 顾潇, 郭文俊. 移置式带式输送机主要结构及关键技术分析[J]. 机电工程技术, 2019, 48(02): 29-31.

[2] 李楷敏. 磁偶式无杆气缸非线性位置伺服控制系统的研究[D]. 焦作市: 河南理工大学, 2022.

[3] 曹冲振, 孙超, 胡顺宇, 等. 侧向翻转定位机构及输送装置[P]. 中国, 202420857872.9, 2024-12-27.

[4] 廖俊鸿. 倒装装备覆晶臂伺服系统的定位控制[D]. 广州: 广东工业大学, 2020.

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编辑、排版：王茜

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