大金属桶自动堆垛装备关键机构的技术研究.pdf

设备管理与维修2023 翼11（上）0引言大金属桶制作完成后，需要上下叠加地堆叠在一起，以节省空间，上下堆叠在一起的过程简称码垛或堆垛，而且桶制品的码垛夹持机构型式多样，结构复杂1-3。国内制桶企业所用的码垛装备基本从国外进口，一般采用换垛停机工作模式，单通道仅有 25耀30 桶/min 的产能，双通道则导致设备体积庞大、造价高，增加企业生产成本。近年来，我国码垛装备技术的研发虽然取得了很大进步，但与国外发达国家相比，还存在通用程度低、稳定性差等缺点，装备的性能和自动化程度仍有差距4-6。1问题1.1换垛停机传统的码垛装备在换垛过程中，抱桶夹块必须夹着原有垛体离开托桶板，卸垛后再返回来，换垛时间较长。在此过程中，各抱爪不能接收新的金属桶，托桶板不能持续接收前工序输送线带来的金属桶，即换垛过程中不能继续堆垛，前工序输送金属桶的机构也必须暂时停机，不仅影响堆垛速度，而且降低了制桶装备的生产效能7。1.2单层弹性抱爪现有码垛装备的单层弹性抱爪方式抑制了堆垛的速度，主要原因如下：（1）每叠放一个新的金属桶，抱桶夹块都必须经历水平张开、竖向下降、水平抱合、竖向上升的一系列循环动作过程，动作步骤过多、重复耗时。（2）水平气缸和竖向动作部件在时间上的配合要求精确度高，如果水平气缸过早或过慢打开、过早或过慢闭合，都可能造成撞桶或整垛掉落的事故。为确保各部件配合的精确度，不得不限制动作的速度，延长了执行动作时间。1.3工艺及装备衔接受限于现有堆垛设备的技术，金属桶自动堆垛装备的堆垛速度无法跟上整条生产线其他工位的速度，严重影响整体生产效能，因而需要突破传统设计，在考虑堆垛及换垛协同动作的同时，进一步优化整体设计。2自动堆垛装备不停机换垛机构整体设计思路为解决上述问题，设计金属桶自动堆垛装备工作原理如图1 所示，其中托举堆垛装置将抱送机构传来的罐桶竖向托起，在托桶板的上方设计两组弹性抱爪，第 1 组（上层）弹性抱爪夹块组件设有多个弹性抱桶夹块，且各个弹性抱桶夹块竖向高度位置相同并互相配合而实现夹住垛体；第 2 组（下层）弹性抱爪夹块组件的竖向位置低于第一组弹性抱爪夹块组件，同样设有多个弹性抱桶夹块，第 2 组（下层）弹性抱爪夹块组件的各个弹性夹块竖向高度位置相同且互相配合而实现抱住垛体。当水平开合驱动机构驱动第 2 组抱桶夹块组件的弹性抱桶夹块完全张开时，位于对应夹块组件中心轴线前方的弹性抱桶夹块与夹块组件中心轴线之间的横向距离，大于所堆垛的金属桶的桶底半径；当水平开合驱动机构驱动第一组抱桶夹块组件的弹性抱桶夹块完全张开时，位于对应夹块组件中心轴线后方的弹性抱桶夹块与夹块组件中心轴线之间的横向距离，大于所堆垛的金属桶的桶底半径。当托桶板自然上升，托起罐桶进入第 2 组（下层）弹性抱爪，弹性抱爪利用组件的弹性夹块与金属桶壁上缘的圆环形凸圈相结合而夹持（顶住）垛体，变主动夹持为被动夹持，从而简化堆垛过程动作，使各部件动作配合简单，堆垛过程不需水平夹持力与竖向抬升力在时间上的准确配合，也不需主动驱动抱桶夹块上下移动及水平移动，有利于提高堆垛速度。当托桶板托住垛体的金属桶达到设定数量后，第 1 组弹性抱爪能够抱住垛体离开托桶板，随即托桶板和第 2 组弹性抱爪可以进行新一轮的正常堆垛，即换垛过程中可以继续进行堆垛而无需停机；第1 组弹性抱爪抱住垛体离开托桶板将垛体放在左右托板上，可以返回原位而不影响第 2 组弹性抱爪的正常堆垛。3具体设计和功能实现3.1结构设计及工作原理码垛装置由托桶座及其驱动机构组成，托桶座竖向向上移动并托住垛体。堆垛装置还设有上、下两层弹性抱爪，上层弹性抱爪如图 2 所示，组件有 3 只弹性抱桶夹块，呈品字形分布，并且与垛体的水平距离相等；下层弹性抱爪如图 3 所示，组件有 6 只弹大金属桶自动堆垛装备关键机构的技术研究张添孝（广东省粤东技师学院，广东汕头515078）摘要：传统大金属桶生产线的堆垛装备由于采用换垛停机工作模式，生产效率较低，而采用双通道（即双堆垛机）方式，又会增加成本和占地面积。研究基于单通道模式，通过分析大金属桶竖向堆垛的协同工作机理，研发托桶座竖向自动移动装置，并进一步优化了弹性抱爪的弹性爪块结构，将主动定位夹桶方式创新设计为固定位置被动夹桶。将弹性抱爪设计成上下两层，上层弹性抱爪抱住垛体离开托桶板时，下层弹性抱爪继续新一轮的正常堆垛，从而完成不停机换垛。通过与前道生产设备的柔性结合，大金属桶堆叠速度达到 50 桶/min，生产效能提升显著。关键词：码垛；换垛不停机；高效；自动化中图分类号：TH246文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.11.50骳髈髕设备管理与维修2023 翼11（上）性抱桶夹块，各夹块竖向高度位置相同，且能相互配合而实现抱住垛体。每个抱桶夹块对应配套有水平气缸，气缸的延伸动作控制弹性爪块，向垛体的径向运动（图4）。每个弹性爪块还对应设有爪块支座、径向导轨，爪块支座能径向滑动地安装在径向导轨上；爪块支座与对应的水平气缸活塞杆末端固定连接在一起，每个弹性爪块利用转轴能转动地安装在对应爪块支座上，且弹性爪块的转轴方向为垛体的切向；每个弹性爪块在靠近垛体中心轴线一侧的上角部形成为仰角，每个爪块支座还安装有对弹性爪块施加弹力的复位弹簧、限制弹性爪块转动幅度的限位构件；复位弹簧对弹性爪块施加力矩的方向是使弹性爪块的仰角角点向更靠近垛体中心轴线的方向移动；当复位弹簧处于常态时，弹性爪块的仰角角点位于弹性爪块转轴的内侧上方；当弹性爪块的仰角角点受到桶壁圆环形凸圈的向下压力时，限位构件对弹性爪块施加的阻力方向是限制弹性爪块的仰角角点向下摆动。3.2关键技术及功能动作（1）堆垛过程上下两组弹性抱爪的协调配合。在堆垛过程中，下层弹性抱爪利用带有仰角的弹性爪块与金属桶壁上缘的圆环形凸圈相结合而夹持垛体，因而使堆垛过程动作简单，各部件动作配合简单，堆垛过程不需水平夹持力与竖向抬升力在时间上的准确配合，也不需主动驱动弹性爪块上下移动及水平移动，有利于提高堆垛速度。当托桶板托住垛体的金属桶达到设定数量后，由上层弹性抱爪抱住垛体离开托桶板到达接垛板上方，随即托桶板和第二组抱桶夹块组件可以进行新一轮的正常堆垛，即换垛过程中可以继续进行堆垛而无需停机；上层抱桶夹块组件在接垛板上方放下码垛金属桶后，返回原位而不影响下层抱桶夹块组件的正常堆垛。上层 3 对弹性抱爪呈品字形分布，内部设计带弹簧装置，当桶口上升到上层弹性抱爪时，各抱爪受力往上摆动，让开空间使桶口高过抱罐爪约10 mm，然后托桶伺服电机反转，托盘向下返回到等待下一个金属桶。此时已叠好金属桶跟着下降到桶口落在 3 对抱桶爪（弹簧自动复位）中，达到整垛金属桶能稳妥在堆叠架上（图 5）。（2）关键核心零部件的模型设计和仿真运动分析。弹性抱爪开合用凸轮等关键核心零部件采用 3D 设计软件进行模型设计和仿真运动分析，合理计算设计零件外形，再将模型数据直接导入数控加工机床进行加工，减少零件加工误差。凸轮采用上下异动中走丝线切割加工，一次性完成多曲面上下异形的外形曲面加工，使加工精度达到依5 滋m，表面粗糙度臆0.8 滋m。加大凸轮与滚子的接触面，从而达到运送夹罐过程中动作柔顺和精准，不抖动，低噪声。（3）采用位置传感器以及检测开关等检测元件，配合产品规格参数，由可编程逻辑控制器通过计算后，由伺服电机等执行机构对罐高机构、检测架机构、托举堆垛机构、二次接垛机构进行自动调整，以提高操作的简便性。由可编程逻辑控制器和人机操作界面对不同规格产品的生产参数进行实时记录，在下次生产相同规格产品时，由系统分配生产参数，以实现生产参数调整的简便性。4试机运行及性能指标整机系统装配完成后通电试机，首先系统参数复位，上、下两层弹性抱爪臂处于初始合拢状态，此时皮带输送机将上游的金属桶送至托桶板上面，然后由竖向自动移动装置带动托桶板及金属桶上升，在金属桶上升至下层弹性抱爪设定位置的过程中，金属桶的圆环形凸圈顶开弹性抱爪的爪块后被其复位后夹持，托桶板则返回初始位置继续接桶。循环以上步骤，使新的金图 1改进的金属桶自动堆垛装备的工作原理图 2堆垛装置上层弹性抱爪图 3堆垛装置下层弹性抱爪图 4弹性爪块图 5大金属桶堆垛机工作现场骳髈髖设备管理与维修2023 翼11（上）属桶推动原有金属桶同步上升，新金属桶顶开下层弹性抱爪的爪块并被其夹持住，当所夹持的桶数达到设定数量，托桶板在运送最后一只金属桶时，连同之前的桶垛整体向上提升至新的设定高度（对应上层弹性抱爪），并使最后这只桶顶开上层弹性抱爪的爪块并被其夹持住（即桶垛被夹持）。此时，下层弹性抱爪臂向外张开，支撑上层弹性抱爪及桶垛的滑动支座在驱动机构作用下，沿水平导轨移至处于同样高位的接垛板上方，准确定位后，弹性抱爪臂张开，桶垛被卸在接垛板上，并由接垛板下降后运走。而此同时，下层弹性抱爪臂合拢，开始新一轮堆垛，而上层弹性抱爪在返回过程中，抱爪臂始终处于张开状态，在到达初始位置后才合拢，等待新的堆垛到来。通过逐步同步提速，最终堆叠速度达到 50耀52 桶/min，各机构动作协同而紧凑，设备整体运行平稳。4.1堆垛装备改造后达到的性能（1）堆叠前无论桶体焊缝和提梁在任何位置，码垛后焊缝整齐、提梁方向一致，二次接垛功能实现不停机换垛，换垛不占用时间，堆垛速度能跟上整条生产线的速度，从而提升了整条线的生产效率。（2）采用凸轮往复式送桶机构，动作平稳柔和、速度快、噪声低、经久耐用，堆垛速度能达到 50 桶/min，适合国内外目前所有生产线配套速度。（3）采用伺服控制曲线动作升举和柔性皮带传动堆叠，动作柔顺、控制精准。（4）故障自诊功能，采用联动控制，实现工控无缝对接，支持以太网和远程控制。4.2堆垛装备的具体参数实测（1）适用罐径 272耀310 mm。（2）生产能力 H260耀380 50 桶/min（矮罐）/H380耀46045 桶/min（高罐）。（3）适合罐高 260耀460 mm。（4）堆叠最高高度 2700 mm。（5）最快堆叠速度 50 桶/min。经过试机运行及性能指标测试，新一代不停机换垛机构自动堆垛装备，克服以往堆垛装备通用适配程度低、与前道工序的柔性兼容及稳定性差等缺点，在性能和自动化程度上有很大提高，符合设计和使用要求。5结束语通过分析大金属桶竖向堆垛的协同工作机理，将主动定位夹桶方式设计为固定位置被动夹桶，将弹性抱爪设计成上、下两层，实现不停机换垛，与前道生产设备的柔性结合，实现大金属桶堆叠速度达到 50 桶/min，生产效能提升显著。大金属桶全自动码垛装备关键技术研发是金属罐装机械行业亟待解决的关键共性技术问题，对实现进口设备替代，减少生产企业设备的购置成本，以及提升整条生产线的效能至关重要。同时，也促进了包装机械行业提高自主创新能力，对我国食品、化工等包装机械行业发展起到很好的促进作用。参考文献1张文强，吴兴云，王学春，等.一种码垛机夹桶夹具 P .CN201721755110.4，2017-12-15.2齐继阳，张艳琼，张宇超，等.一种塑料桶堆垛机器及堆垛方法 P.CN202010503509.3，2020-06-05.3岳强.桶箱一体抓手及码垛机器人 P.CN201820347176.8，2018-03-14.4李西刚.自动化立体仓库中堆垛机结构设计与控制技术研究 D.沈阳：沈阳理工大学，2014.5许哲，牟晓华，魏鹏，等.基于 ADAMS 与 ANSYSWorkbench 的码垛装备运动特性仿真分析 J.制造业自动化，2015，37（23）：5-7.6 周晓辉.一种桶状包装物自动化生产线 P.CN201520398833.8.2015-06-11.7 黄锐彬，林国阳.金属桶自动堆垛设备的二次翻转机构 P.CN201710529299.3，2017-07-01.编辑李波0引言秦山第三核电厂从加拿大引进的 70 万级重水堆机组，具有不停堆换料的特点，实现该功能的核心部件为装卸料机。通过 Y 方向运动，桥架系统将装卸料机定位到不同高度的反应堆通道上完成换料操作。桥架位于不可达区域，其正常工作的条件之一是不能倾斜，因此在桥架上安装了一个倾斜探头来监测其桥架倾斜仪探头失效分析及改造张泰，周建平，靳瀚博（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴314300）摘要：桥架倾斜仪探头输出信号频繁漂移导致机组换料期间经常性出现换料中断或换料计划调整。通过大量的数据采集分析，确认原有的倾斜仪探头存在严重的温漂缺陷。结合国外经验及电厂实际情况，制定对原型号探头换型的方案。经过离线及在线验证，新型号探头工作情况良好，未再出现同类型故障，保证了电厂长期、稳定、安全换料。关键词：核电厂；桥架倾斜仪；信号漂移中图分类号：TP204文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.11.51骳髈髗