一种自动化分装投料系统设计

王 鹏

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110168）

1 生产工艺流程

该分装投料系统能够自动完成物料的拆叠盘、定量投料、信息绑定与追溯等工作，其主要由横移举升工位、拆叠盘工位、移载工位、定量投料工位、摊匀工位和料车移载工位组成，系统的每个循环都以人工将台车就位工序作为开始工序，以人工将满料台车取出工序作为结束工序，其工作流程如图1 所示。

2 系统布局

整个系统总体呈“U”形布置，如图2 所示，各个工位之间的料筐的传输由积放式滚筒输送线完成，滚轮直径为50 mm，由减速电机通过链轮链条驱动，通过变频器控制可以调节传输速度[1]。每个工位末端设计一组气动可伸缩挡停单元，与对射传感器配合实现料筐的挡停与放行。在工作站外侧使用围栏进行安全防护，在合适的位置设计安全门，方便人员进入整个系统内进行维修与故障处理。输送线下方根据生产线走向搭设线缆桥架，规格为200 mm×100 mm，动力线缆和控制线缆分开铺设在桥架内。

3 系统技术参数

该分装投料系统需要与供料系统和车间物流系统相互协调工作，系统应用的料筐和台车需要按照要求设计加工制造，投料系统相关技术参数如下。

设备尺寸（L×W×H）：9 000 mm×3 800 mm×3 000 mm。

节拍要求：每1 料筐在12 s 内完成投料，投料重量2 kg。

输送速度：最大可达到20 m/min，速度可通过变频器调节。

投料精度：投料量可人工设定，系统保证物料计量的精度，误差值控制在-5%～+5%，计量的物料量可实时上传到系统中。

图1 系统工作流程图

图2 系统三维布局图

料筐尺寸（L×W×H）：900 mm×900 mm×150 mm，在指定位置粘贴条码，供RFID Reader 读取。

台车尺寸（L×W×H）：1 100 mm×1000 mm×850 mm，在指定位置粘贴条码，供RFID Reader 读取。

4 系统组成及功能介绍

4.1 上下料横移举升工位

上下料横移举升工位设备主要由焊接钢架、气动举升单元、伸缩货叉等组成。举升气缸缸径为125 mm，竖向安装，气缸杆采用浮动接头方式与移动部件相连，配备单向节流阀，通过节流阀可以调节气缸升降速度。伸缩货叉为三段式，2 个方向都可运动，叉面尺寸900 mm×500 mm，满载移动速度30 m/min，可通过变频器调节，最大承重200 kg。举升单元与伸缩货叉相互配合，完成堆叠料筐在台车与拆叠盘工位之间的移位[2]。

4.2 拆盘工位

拆盘工位设备主要由抬升单元、可伸缩插脚和导向装置组成，对称分布在传输线左右两侧。抬升单元由2 个缸径为32 mm的气缸背对背串联组成，安装中需要增加气缸防转挡块，2 个气缸行程不同，通过逻辑控制能实现3 个不同的插脚达到不同的高度位置。插脚由气缸通过导向装置带动，完成伸出和缩回动作，导向装置由标准的双导轨双滑块结构组成。左右对称结构中的2 个相同动作气缸由一路压缩空气驱动，这样能够确保两侧机构动作一致同步。工作原理为抬升单元配合可伸缩插脚，将下面倒数第二层及以上料筐抬起，最下层料筐经输送线传递到一下工位，抬升机构下降，重复以上动作，从而实现将堆叠在一起12 层料筐依次拆成单层料筐。

4.2.1 移载工位

移载工位设备由滚筒输送机、气动举升单元、挡停机构组成。该工位的滚筒高度比上一工位低20 mm，工作流程是当接收到该工位有料筐流入的信号时，举升气缸伸出，2 根输送带运转，将料筐从上一工位移动到挡停位，气缸缩回，料筐落到滚筒输送线上，滚筒滚动将料筐移动到下一工位，完成料筐的90°转角自动输送。

4.2.2 定量投料工位

定量投料工位设备由不锈钢料仓、皮带提升机、自动开闭收集槽、自动称重系统和往复落料机构组成。不锈钢料仓为喇叭口形状，作为人工投料缓存使用，容积为1.5 m3。皮带提升机长度为5 m，与地面倾斜60°安装，皮带面宽度为600 mm，每隔200 mm 均布隔板，驱动电机在顶部，通过变频器可自动控制皮带提升机的运转速度。收集槽口下部有一个可旋转挡板，可旋转挡板的旋转中心轴由一个在90°范围内往复旋转的摆动气缸来驱动，可控制收集槽口的开闭。智能秤体安装在收集槽下面，秤面尺寸为500 mm×500 mm，可精确称量掉落下来的物料重量，称重精确度为0.1%，并可以与PLC 通信，实时传输数据。往复落料机构的2 个口字形腔体经由气缸带动做往复运动，运动行程为500 mm。工作原理为人工将物料投入料仓中，皮带提升机带动物料提升到物料收集槽内，料仓底部称重模块自动计量落料重量，当达到设定值时，系统自动控制槽口处的阀门关闭，往复落料机构动作将秤面上的物料推落到料筐中，RFID Reader 将相关信息写入料筐标签中[3]。

4.2.3 摊匀工位

摊匀工位设备由导向机构、电机丝杠驱动单元、电机同步带驱动单元、旋转机构和刮板组成，工作原理为电机丝杠驱动移动组件沿X 和Z 方向运动，电机同步带驱动刮板沿Y 方向运动，旋转机构驱动刮板90°旋转，刮板移动行程覆盖整个料筐，刮板高度可自动调节，从而实现将成堆物料均匀摊平。

4.2.4 叠盘工位

叠盘工位与拆盘工位的设备组成相同，功能相反，能够将单层料筐依次堆叠成12 层，工作原理为插脚先将该工位最下边一层的料筐抬起，然后下一个料筐自动传入该工位，插脚下降，料筐堆叠在一起后，重复插取料筐动作，从而实现自动叠盘功能。

4.2.5 料车移载工位

料车移载工位设备主要由钢结构框架、驱动单元、抓取机构、升降机构、RFID 读取器等组成。钢结构框架呈门字形，两侧支腿通过化学螺栓固定在地面上，横梁上方为双导轨三滑块结构。驱动单元为减速电机通过齿轮齿条结构驱动滑台板移动，移动有效距离为2 m，横梁两端有限位开关控制滑台到位停止。通过抓取机构、升降机构、驱动单元相互配合，实现台车由上料区域自动移载至下料区域，安装在上下料区域的RFID读取器能够自动读取台车的条码信息，并实时上传至PLC 与料筐绑定。

5 电控系统

分装投料控制系统的核心选用可编程控制器（PLC）控制，选用触摸屏作为人机界面（HMI），利用变频器调节输送线速度和生产节拍，使用RFID 技术绑定物料信息。并具有空料筐信息判定、空料筐与台车信息绑定等功能。控制系统通过光电传感器、接近传感器及RFID 标签获取信息反馈，经由PLC 程序驱动相应机构完成自动化分装投料工作，电气控制系统与其他系统的上位机通过以太网通信。控制系统具有手动与自动2 种工作模式，手动/自动模式通过选择开关完成模式切换[4]。正常生产时使用自动工作模式，分装投料设备自动完成称重、拆叠盘、信息绑定、报警提示等功能。当分装投料设备出现故障或需要调试时，使用手动工作模式，手动工作模式可分别驱动各个独立动作单元。

6 结语

在该自动化分装投料系统中，综合应用了自动化传输、自动称量、传感器识别、信息读写、数据采集、气动控制、PLC控制等相关技术，提高了物料分装作业的生产效率和计量精确度，通过实际的生产应用，达到了预想的设计要求。