基于UG 的縱向自動碼垛機的設計

秦建國，張旭東

（內蒙古工業大學機械工程學院，內蒙古，呼和浩特 010051）

目前，小型碼垛普遍采用人工碼垛方式，效率低、人工成本高、工作環境惡劣及安全生產隱患多等問題突出。本文通過設計一個碼垛烘干一體機，將原來使用人工進行碼垛的流程簡化，減少人工的使用，實現自動化碼垛過程，效率更高，可以降低產品生產的成本[1]。

1 碼垛烘干一體機的設計

碼垛機構是碼垛烘干機最重要的結構之一，而設計實現碼垛功能時，應該充分考慮理想的碼垛效果，還需要考慮托盤的尺寸規格，托盤是物流產業中最為基本的集裝單元和搬運器具[2]。

1.1 設計思路

產品在托盤上堆碼的方式有4 種：重疊式、交錯式、縱橫式和旋轉式，要求托盤表面的利用率不低于80%[3]。而具體碼垛的方式則要根據產品的形狀尺寸選定，產品單個尺寸的長寬高為595mm×595mm×95mm，如圖1 所示，設計為垂直縱向碼垛，10 個產品為一垛，總高 0.95m。

常見碼垛機結構有關節機器人式、橋式、龍門式等[4]。機器人碼垛結構一般是多軸結構組成，適合多種尺寸規格的產品進行碼垛，但每次只能進行一個碼垛，且碼垛的速度不快；對于橋式、龍門式的碼垛機機構，一般較少用于小型紙質產品的碼垛。目前，大多數碼垛裝置都是針對于大尺寸、表面光滑的工件，末端采用普通吸盤或者特制的末端執行機構[5]。根據本產品的形狀特點，本文設計了一種新型的縱向碼垛機，可以實現逐個連續碼垛。

圖1 產品包裝成品圖

1.2 碼垛機的整體結構

碼垛機的整體結構如圖2 所示，圖中1 為導桿氣缸，通過導桿的伸縮帶動連接的整型板橫向運動；圖中2 為整型板，在氣缸的驅動下橫向夾緊疊垛產品；圖中3 為整體機架，由鋁型材搭配構成；圖中4 是推出平臺，用于堆放碼垛好的疊垛，圖中5為轉板裝置，進行單向回轉運動；圖中6 為超越離合器，保證轉板裝置只能單向運動；圖中7 是暖風機，通過電熱提供暖風；圖中8 是空氣噴嘴，將暖風機的暖風排出；圖中9 是普通氣缸，在氣動作用下使托盤縱向運動將單個產品依次推入轉板裝置中；圖中10 是托盤；圖中11 是無桿氣缸，可以實現縱向運動，帶動連接的推出板，將碼垛完成的產品整垛推出；圖中12 為推出板，進行縱向運動，將碼垛好的產品推出碼垛機；圖中13 是直線導桿，其上的滑塊與推出板相連，進行橫向進給運動。

圖2 碼垛機主要結構圖

1.3 碼垛機的工作流程

（1）普通氣缸開始向上運動，所連接的托盤以及托盤上的產品向上運動。

（2）上升中的產品上表面與轉板的下表面相接觸時，驅使轉板向兩側旋轉，當普通氣缸的上行行程結束后，此時產品接觸的擋板旋轉達到45°位置，產品與擋板不再接觸，此時產品下表面與擋板上表面接觸。

（3）普通氣缸開始下降行程，回到原始位置，由于轉板只能單向旋轉，此時產品在與托盤不相互接觸時也會在轉板上保持靜止，不發生掉落，從而完成一次碼垛的運動。

（4）在碼垛同時，暖風機開始工作，將產生的暖風經過空氣噴嘴輸出，對紙盒烘干。

（5）經過若干次的碼垛后，產品疊垛到達預先設計高度，此時整型裝置的導桿氣缸帶動整型板進行縱向運動，對疊垛進行整齊，整齊后氣缸回到初始位置。

（6）挺多無桿氣缸連接的推出板將整齊后的疊垛沿推出平臺推出，推出后，無桿氣缸回到初始位置，完成一次完整的碼垛烘干過程。

2 主要結構工作原理

2.1 轉板結構原理

超越離合器具有改變速度、防止逆轉、間歇運動的特點[6]。本設計的創新之處在于針對產品的特性設計了一種新型的轉板結構，通過轉板結構和單向超越離合器的功能可以實現縱向對產品的碼垛。

2.2 推出裝置原理

推出裝置主要由無桿氣缸帶動推板，沿直線導軌進行往復運動，依靠摩擦力將整個產品的疊垛推出。本設計為2s 完成一次往復，通過無桿氣缸上的行程開關設置相應的行程，為了保證在推出過程中疊垛不發生倒塌，需要對推出裝置的運動特性進行分析。

3 碼垛烘干一體機的動力學及有限元分析

3.1 轉板結構的設計及有限元分析

因為轉板承受一定的載荷，因此有必要對轉板進行結構分析，確定轉板的材料結構是否能到達到設計的標準，我們采用UG 中的有限元模塊，對轉板的主要受力結構長支撐板進行有限元分析。分析結果如圖3 所示：

圖3 轉板靜態受力變形圖

3.2 有限元分析結論

由于轉板是左右對稱結構，我們對一側的轉板進行力的載荷的施加，施加載荷為60N，方向為豎直向下，在螺栓連接處施加固定約束，最大形變集中在支撐板連接處，約為0.077mm，整體變形非常微小，可以認為長支撐板的結構符合設計要求。

3.3 耐久性分析

轉板在工作時，所承受的最大載荷也成周期性變化，每個周期T 是碼垛一次完成的時間。

安全系數合理選擇原則是：在安全可靠的情況下，盡可能選擇較小的安全系數。根據經驗數據法選取安全系數，如果材料性能數據可靠，載荷和應力計算準確，可取[S]=1.23~1.3[7]，確定安全系數為1.3。對于塑性材料，當其達到屈服而發生顯著的塑性變形時，即喪失了正常的工作能力，所以通常取屈服極限作為極限應力;支撐板材料使用塑性材料，在進行耐久性分析時，設置使用屈服極限。

綜上所述，給有限元模型指派材料為Iron_40，周期T=60s，安全系數確定為1.3，設定循環的次數為100000 次，基于以上參數我們進行耐久性的分析。

圖4 疲勞安全系數結果圖

圖5 疲勞失效指數結果圖

3.4 耐久性分析結論

根據分析結果，強度安全系數最小為103.66，最大為232676，云圖的分布情況為，右邊緣處的強度先降低，其他位置的強度降低較??；疲勞安全系數最小為167.479，最大為1088270，云圖分布情況顯示，支撐板不會發生疲勞失效；疲勞失效指數最小為 4.29782×10-6，最大為 0.00946437，根據判斷標準，強度安全系數大于1，表明支撐板的強度滿足要求，疲勞失效指數小于1，表明支撐板在劃分的有限元單元中，不會有單元出現疲勞損壞的情況，說明支撐板的結構設計以及材料選擇達到設計目的。

3.5 疊垛的運動仿真

疊垛在被推出時，最下層的產品被推出板推動帶動整體疊垛推出，推出時的行程由兩段組成，第一段，底層產品與作為支撐的產品相互接觸，此時兩者的動摩擦系數為0.2，在二段，底層產品與推出平臺相接觸，此時兩者的動摩擦系數為0.12，可以得出，第一段所受的摩擦力最大，底層產品與上層產品分離的趨勢也越大，簡化模型得，若在第一段情況下，整體疊垛不發生相對位移，就可以保證疊垛在推出過程中不倒塌。

圖6 疊垛各產品位移疊加圖

圖7 疊垛各產品速度疊加圖

在仿真模型中，疊垛中的各個產品可設置為帶摩擦的滑動副，而最底層的產品可視為主動件，需要添加驅動函數，利用step 函數時間設定為1.3 秒，行程設定為1000mm，最終求解得到以上曲線圖。

3.6 運動仿真結論

為了直觀地判斷疊垛中的各個產品是否發生相對位移，將疊垛中的十個產品的運動曲線圖疊加，疊垛中的其他產品與底層產品的運動曲線相一致，說明疊垛在運動中，在同一時刻具有相同的運動特性，表明疊垛在推出過程中不會發生傾倒。

4 結 語

本文所述的碼垛烘干機構，通過設計的轉板裝置，可以實現產品逐層自動碼垛，相比人工碼垛，碼垛機可以快速完成產品碼垛，大大提高企業的生產效率，轉板碼垛結構更適合產品的特殊形狀，造價更低，并通過有限元分析仿真等手段，驗證了設計的合理性和可靠性。