向科峰，毛森，羅于杰

鉻酸酐物料桶自動(dòng)緊箍封蓋機(jī)設(shè)計(jì)

向科峰，毛森，羅于杰

（西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

針對(duì)鉻酸酐有腐蝕性與有毒有害性，及其手動(dòng)封裝環(huán)境給人身體帶來安全隱患的問題，迫切需要設(shè)計(jì)一種安全、高效的鉻酸酐物料桶封裝工藝。提出一種基于三坐標(biāo)桁架的自動(dòng)封裝系統(tǒng)，其中機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取桶蓋完成桶蓋自動(dòng)上料的工序，螺桿和螺母供料器由重力效應(yīng)完成螺桿和螺母順序供料的工序，螺栓封蓋機(jī)構(gòu)完成螺栓緊固物料桶桶蓋的工序，從而實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)絎架封裝系統(tǒng)的自動(dòng)封裝功能，并通過數(shù)字模擬和試驗(yàn)的方式驗(yàn)證封裝工藝的合理性。在封裝環(huán)節(jié)，精密設(shè)計(jì)的螺栓封蓋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)供貨和高負(fù)載精確的螺栓封裝工藝。設(shè)計(jì)的自動(dòng)封裝系統(tǒng)的封裝速度高達(dá)1.2個(gè)/min，試驗(yàn)階段封裝成功率高達(dá)100%。該設(shè)備結(jié)構(gòu)合理，在保證鉻酸酐物料封裝質(zhì)量的前提下，合理規(guī)避了人工生產(chǎn)帶來的安全隱患，推動(dòng)了化工企業(yè)的自動(dòng)化進(jìn)程，為桶的自動(dòng)封裝提供了一種解決方案。

鉻酸酐；物料桶；自動(dòng)送料；螺栓封蓋

隨著社會(huì)生產(chǎn)效率的提高，企業(yè)對(duì)鉻酸酐原材料的需求不斷增加。鉻酸酐的毒性、氧化性等特性，對(duì)從事生產(chǎn)線相關(guān)工作的工人自身安全性構(gòu)成了安全隱患[1-2]。如鉻酸酐所具有的腐蝕性會(huì)對(duì)工人皮膚、呼吸道系統(tǒng)產(chǎn)生損害甚至有致癌的風(fēng)險(xiǎn)，且鉻酸酐的生產(chǎn)環(huán)境溫度較高、空氣干燥，不適宜工人長(zhǎng)時(shí)間在生產(chǎn)線上工作。隨著用工荒的逐漸顯現(xiàn)，研發(fā)一款智能封蓋系統(tǒng)代替人工成為擺在企業(yè)面前亟待解決的難題[3-5]。

在螺栓封裝工藝中，衛(wèi)道柱[6]設(shè)計(jì)了固定式二軸螺栓擰緊機(jī)，在擰緊螺栓時(shí)可以實(shí)現(xiàn)縱向方向的擰緊工作，但其只能針對(duì)螺距相對(duì)固定的一種螺釘進(jìn)行擰緊封裝。夏政誠[7]和繆冬梅等[8]在分析傳統(tǒng)鐵桶封裝方式基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)控制。王剛等[9]提出了一種水平擰螺釘機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了力矩控制自動(dòng)封裝。

在鉻酸酐封蓋工藝中螺桿與螺帽動(dòng)作空間有限，且封箍具有一定的機(jī)械剛性。目前，國內(nèi)外針對(duì)鉻酸酐物料桶的自動(dòng)封蓋工藝尚處空白。文中按螺栓封工藝要求，結(jié)合工作環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套基于三坐標(biāo)絎架結(jié)構(gòu)控制機(jī)械臂自動(dòng)取料、放蓋、壓箍和螺栓封蓋的工藝和系統(tǒng)。

1 原理方案設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)要求。鉻酸酐物料桶（以下簡(jiǎn)稱物料桶）在灌裝完成后由傳送帶輸送到封蓋機(jī)處，在物料桶機(jī)械精確定位基礎(chǔ)上進(jìn)行物料桶封蓋處理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝情況，位于絎架結(jié)構(gòu)上的機(jī)械臂在抓取桶蓋后要實(shí)現(xiàn)較高的放蓋定位精度，需要具備修正沿絎架移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生部分偏差的能力。螺栓封蓋機(jī)構(gòu)滿足緊箍力，螺桿與螺帽需設(shè)計(jì)自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)，且具有自動(dòng)擰螺栓功能。物料桶封蓋示意圖見圖1。

1.機(jī)械臂；2.絎架結(jié)構(gòu)；3.物料桶；4.螺栓封蓋機(jī)構(gòu)； 5.傳送帶。

2）主要技術(shù)參數(shù)。文中對(duì)灌裝完后的物料桶進(jìn)行自動(dòng)封蓋包裝機(jī)設(shè)計(jì)，所用材料為工業(yè)級(jí)鐵桶，主要技術(shù)參數(shù)：材質(zhì)為鋼材的螺栓封裝物料桶，容量為50 kg；不銹鋼材質(zhì)的外六角螺栓，尺寸為8 mm×70 mm；螺栓對(duì)物料桶的緊箍力要求載荷為600 N；設(shè)備對(duì)物料桶封裝速度要求不低于1個(gè)/min。

3）布局方式?？紤]封裝流水線作業(yè)需求，以桁架機(jī)械臂為封裝機(jī)構(gòu)主體系統(tǒng)對(duì)取蓋、放蓋、壓箍和螺栓封蓋等動(dòng)作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4）封裝方式。機(jī)器的封裝方式可分為定位與擰緊2個(gè)動(dòng)作，定位方式為桁架機(jī)械臂通過系統(tǒng)給出的、、3軸信息精準(zhǔn)取蓋，并準(zhǔn)確定位到物料桶上方，完成放蓋、壓箍等動(dòng)作；最后由螺栓封蓋機(jī)構(gòu)實(shí)施緊箍、螺桿螺帽的上料與擰緊動(dòng)作，完成整個(gè)封裝過程。

5）封裝工藝路線。在鉻酸酐物料封裝生產(chǎn)線中，工藝流程主要分為物料桶機(jī)械定位夾緊工藝、桶蓋定位與壓箍工藝、螺栓封裝工藝等3部分。首先，物料桶在完成鉻酸酐的裝料與定溫冷卻后，經(jīng)傳送帶運(yùn)送至系統(tǒng)夾緊區(qū)域，檢測(cè)到來桶后，機(jī)構(gòu)對(duì)桶進(jìn)行夾緊定位，同時(shí)，桁架控制云臺(tái)完成定點(diǎn)取蓋和放蓋；然后，桁架控制機(jī)械臂完成正心和壓箍動(dòng)作；最后，螺栓封裝機(jī)構(gòu)控制氣動(dòng)機(jī)構(gòu)緊箍，在螺桿與螺帽送料到位后，起動(dòng)馬達(dá)力矩模式實(shí)現(xiàn)對(duì)鉻酸酐桶的螺栓擰緊密封。具體工藝路線見圖2。

圖2 物料桶自動(dòng)封裝流程工藝

2 各功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)取蓋機(jī)構(gòu)和壓緊裝置

在現(xiàn)有工業(yè)機(jī)械手的抓取方式[8-9]基礎(chǔ)上，需考慮對(duì)蓋與箍的抓取、定位與置放需求。設(shè)計(jì)的機(jī)械臂取蓋機(jī)構(gòu)由機(jī)械臂與前端機(jī)械手組成，機(jī)械臂固定于云臺(tái)軸，具體機(jī)構(gòu)模型如圖3所示。

1.接近開關(guān)；2.封裝壓板；3.內(nèi)撐短爪； 4.箍緊長(zhǎng)爪；5.永磁鐵。

針對(duì)鉻酸酐桶蓋薄且表面壓字不平的特點(diǎn)，本機(jī)械臂前段取蓋裝置采用均布磁鐵吸盤來實(shí)現(xiàn)對(duì)鉻酸酐桶蓋的抓取。抓取系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)到指定位置后，磁鐵吸起桶蓋。經(jīng)計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，磁鐵吸力遠(yuǎn)大于桶蓋重量，根據(jù)永磁鐵磁力密度和永磁鐵的有效面積，永磁鐵磁力計(jì)算見式（1）。

式中：P為安全系數(shù)；0為真空磁導(dǎo)率；為永磁體表面積；為永磁體磁動(dòng)勢(shì)；為氣隙。

考慮鉻酸酐桶蓋呈圓盤形，為使得取蓋機(jī)構(gòu)能抓穩(wěn)鉻酸酐桶蓋，且使得鉻酸酐桶蓋中心與取蓋機(jī)構(gòu)中心一致，在取蓋機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)了氣缸驅(qū)動(dòng)的3支間隔均分的箍緊長(zhǎng)爪和4支間隔均布的內(nèi)撐短爪，實(shí)現(xiàn)抓取鉻酸酐桶蓋與箍的功能，以及實(shí)現(xiàn)內(nèi)撐箍的功能。箍緊長(zhǎng)爪在磁鐵吸起桶蓋后，收縮抓住桶蓋與箍，并在取蓋運(yùn)輸中保持桶蓋與箍的位置。在放下桶蓋時(shí)，內(nèi)撐短爪撐開箍圈以便壓緊裝置壓箍。箍緊力的計(jì)算見式（2）。

式中：P為安全系數(shù)；為氣缸壓力；為氣缸推桿橫截面積；f為推桿與氣缸間摩擦阻力。

在取蓋運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械臂向下直線運(yùn)動(dòng)，在吸力范圍內(nèi)，永磁鐵吸力作用于鐵質(zhì)桶蓋，觸發(fā)接近開關(guān)，使機(jī)械臂停止下移，完成桶蓋抓取。同時(shí)保持桶蓋與箍在取蓋機(jī)構(gòu)上的位置，隨機(jī)械臂送蓋與箍至桶上方，完成取蓋。機(jī)械臂取蓋和箍方式如圖4所示。

在機(jī)械手前端設(shè)置有6個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)梯形壓板的壓緊裝置，以向下按壓金屬箍圈，使其套在桶蓋與桶口外邊緣。下壓力計(jì)算見式（3）。

式中：KP為安全系數(shù)；p為氣缸壓力；S為氣缸推桿橫截面積；Ff為推桿與氣缸間摩擦阻力；F磁為永磁鐵產(chǎn)生的磁力；F嵌為壓板向下運(yùn)動(dòng)將金屬箍套住桶蓋時(shí)所需克服的阻力。圖5為壓緊板的受力分析。

圖5 壓緊板受力分析

針對(duì)壓緊裝置向下運(yùn)動(dòng)，將金屬箍正確套入桶沿時(shí)存在較大受力的問題，為避免壓緊裝置發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，需進(jìn)行壓緊裝置受力分析。由于對(duì)壓緊裝置的載荷為氣缸氣體的推力×、壓板向下運(yùn)動(dòng)將金屬箍套住桶蓋時(shí)所需克服的阻力嵌和克服永磁鐵吸力產(chǎn)生的阻力磁，主動(dòng)載荷僅為氣缸推力，無其他主動(dòng)載荷，故無需考慮氣缸的受力問題，在文中僅針對(duì)關(guān)鍵件壓板進(jìn)行受力分析[10-12]。在SolidWorks Simulation分析軟件中建立壓板模型，壓板材料為鋁合金材料，它的牌號(hào)為X6030，對(duì)壓板施加相應(yīng)的約束，以四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2 mm，共得個(gè)31 944網(wǎng)格單元，25 554個(gè)節(jié)點(diǎn)。壓板一側(cè)施加相應(yīng)的縱向載荷，可得相應(yīng)的模擬計(jì)算結(jié)果，網(wǎng)格模型圖和靜應(yīng)力分析如圖6所示。經(jīng)分析壓塊在與氣缸推桿連接的孔位置較其他位置受力大，為最大受力處，但最大受力遠(yuǎn)小于材料屈服力，壓塊無結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象，故壓緊裝置運(yùn)行狀態(tài)正常，設(shè)計(jì)合理。

圖6 壓板應(yīng)力分析

2.2 桶蓋定位機(jī)構(gòu)

桶蓋取運(yùn)定位機(jī)構(gòu)由同步帶直線模組、鋁合金支架、機(jī)械臂等組成，見圖7。機(jī)械傳動(dòng)方式常用的有絲桿導(dǎo)軌傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、同步帶直線模組傳動(dòng)等，考慮到本裝置在能夠?qū)ξ锪贤吧w進(jìn)行取、運(yùn)的同時(shí)還要盡可能地簡(jiǎn)便、易于在不同場(chǎng)合下進(jìn)行組裝。本課題選用了同步帶直線模組，確保裝置的反應(yīng)速度與穩(wěn)定性，并且在組裝上采用雙軌傳動(dòng)。

如圖7所示，坐標(biāo)參考系位于圖右上角，雙軌直線模組1號(hào)通過螺栓連接安裝在底部支架上，此結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂方向的運(yùn)動(dòng)。雙軌直線模組2號(hào)方向垂直于地面并且與直線模組1號(hào)通過螺栓連接，此結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂方向的運(yùn)動(dòng)。直線模組3號(hào)方向平行于地面并且與直線模組2號(hào)通過螺栓連接，此結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂方向的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂通過螺栓與直線模組3號(hào)上的滑塊連接完成桶蓋抓取、運(yùn)送、封裝等一系列動(dòng)作。

1.機(jī)械臂；2.支架；3.1號(hào)雙軌直線模組；4.2號(hào)雙軌直線模組；5.3號(hào)雙軌直線模組。

機(jī)械進(jìn)行定位時(shí)，機(jī)械臂通過3個(gè)直線模組步進(jìn)電機(jī)的控制輸出可以實(shí)現(xiàn)、、3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)在不同場(chǎng)景下機(jī)械臂對(duì)桶蓋的抓取與運(yùn)輸，整體布局方式見圖8。

圖8 桶蓋定位機(jī)構(gòu)布局方式

2.3 螺栓封蓋機(jī)構(gòu)

常用的開口鐵桶的密封方式有鴨舌封蓋、螺栓封蓋等。本文選用螺栓封蓋的方式，其螺栓連接有著加工、選用簡(jiǎn)單、連接緊密、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。螺栓在物料桶上的裝配位置如圖9箭頭所指位置。

螺栓封蓋機(jī)構(gòu)由螺桿供料器、夾持機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)氣缸、螺母供料器、磁耦式氣缸、氣動(dòng)風(fēng)批、螺栓放置平臺(tái)、磁吸擰緊套筒等組成，構(gòu)造見圖10。螺栓放置平臺(tái)部分固定在底板前方；擰緊機(jī)固定在底板上方，其擰緊端軸線與螺栓放置托板軸線共線；螺桿傳送機(jī)構(gòu)固定在擰緊機(jī)的左段，由夾持氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、磁偶式無桿氣缸組成；氣缸之間由金屬連接件進(jìn)行連接。螺桿與螺母?jìng)魉蜋C(jī)構(gòu)位于整體結(jié)構(gòu)的兩端進(jìn)行原料供給。機(jī)械工作時(shí)各部件位于如圖10所示的初始位置，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)蓋到位并將箍圈壓緊后，夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行取料動(dòng)作，之后磁偶式無桿氣缸運(yùn)動(dòng)到指定位置，旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)90°將螺栓放入放置平臺(tái)。擰緊機(jī)構(gòu)通過氣缸推進(jìn)逐漸靠近螺桿，靠近后磁吸套筒將整個(gè)螺帽吸入擰緊機(jī)端口內(nèi)腔，便于螺桿在擰緊過程中不滑落。至此完成鉻酸酐桶的螺栓封蓋操作。

圖9 螺栓在物料桶上的裝配位置

此螺栓聯(lián)接不受工作載荷，但會(huì)受到預(yù)緊力的作用。由第四強(qiáng)度理論可得預(yù)緊力的計(jì)算式見式（5）。

式中：為螺栓小徑；為螺栓許用應(yīng)力。

螺栓自動(dòng)裝夾機(jī)構(gòu)由滑動(dòng)導(dǎo)軌、旋轉(zhuǎn)氣缸、手指式氣缸、螺桿、螺帽自動(dòng)供料器組成?；瑒?dòng)導(dǎo)軌控制裝夾機(jī)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)；通過旋轉(zhuǎn)氣缸和手指式氣缸控制螺桿的裝夾動(dòng)作；螺桿、螺帽自動(dòng)供料器則通過電機(jī)振動(dòng)及重力效應(yīng)完成自動(dòng)供給。

1.螺桿供料器；2.夾持機(jī)構(gòu)；3.旋轉(zhuǎn)氣缸；4.螺母供料器；5.磁偶式氣缸；6.氣動(dòng)風(fēng)批；7.螺栓放置平臺(tái)； 8.磁吸擰緊套筒。

封蓋機(jī)構(gòu)經(jīng)過夾持、運(yùn)送、封裝等一系列運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)物料桶的螺栓封裝，如圖11所示。

圖11 螺栓封裝過程

3 虛擬裝配及仿真

在自動(dòng)取蓋機(jī)構(gòu)、桶蓋定位機(jī)構(gòu)、螺栓封蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成以后，對(duì)三大機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化建模，總體裝配見圖12。通過對(duì)自動(dòng)緊箍封蓋機(jī)的各個(gè)零部件進(jìn)行虛擬裝配，在此基礎(chǔ)上對(duì)所設(shè)計(jì)的自動(dòng)緊箍封蓋機(jī)設(shè)備的組裝合理性進(jìn)行了分析和論證，根據(jù)設(shè)計(jì)的封蓋動(dòng)作流程，對(duì)該流程的封裝進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)[13-14]。試驗(yàn)證明，各個(gè)部分運(yùn)行正常，不存在相互干涉的情況，各個(gè)部分的連接也很好，能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)鉻酸酐原料桶的取蓋、運(yùn)輸、定位、封裝等功能。

1.桶蓋定位機(jī)構(gòu)；2.螺栓封蓋機(jī)構(gòu)；3.固定夾爪機(jī)構(gòu)； 4.自動(dòng)取蓋機(jī)構(gòu)。

鉻酸酐自動(dòng)緊箍封蓋機(jī)的運(yùn)行效率的校核由運(yùn)行周期p確定[15]，運(yùn)行周期p需考慮2個(gè)部分：一個(gè)是基本工藝時(shí)間k，另一個(gè)是輔助時(shí)間f。輔助時(shí)間f又可以分為2個(gè)部分，分別是空行程時(shí)間d，停歇時(shí)間0，即：

理論生產(chǎn)率：

式中：k由包裝過程的相關(guān)工藝參數(shù)確定；d根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定，可以通過高速而平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來縮短；0通過工藝合理的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖設(shè)計(jì)。經(jīng)計(jì)算可知此封蓋機(jī)效率不小于1.2個(gè)/min，符合企業(yè)生產(chǎn)要求。

4 結(jié)語

針對(duì)鉻酸酐物料在生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中可能出現(xiàn)的包裝破損、環(huán)境污染等問題，依據(jù)最低環(huán)境污染和最可靠性設(shè)計(jì)理念提出桁架式機(jī)械臂物料桶封裝的解決方法。針對(duì)物料封裝制定了集物料封裝、運(yùn)輸為一體的鉻酸酐物料自動(dòng)封裝工藝和各功能模塊機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過數(shù)字模擬仿真驗(yàn)證工藝的合理性，設(shè)計(jì)了一種鉻酸酐自動(dòng)封裝包裝工藝方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)主要包括：

1）自動(dòng)化的程度高。桶身的運(yùn)送與桶蓋的封裝過程完全由機(jī)器實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)50 kg物料桶的自動(dòng)封蓋，只需人工進(jìn)行桶蓋的裝填，設(shè)備可按照設(shè)定的程序進(jìn)行更改調(diào)試。

2）設(shè)備的設(shè)計(jì)可靠、緊湊。在確保運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)空間的前提下，對(duì)各機(jī)構(gòu)間的裝配位置進(jìn)行了布局優(yōu)化，尤其是在考慮誤操作的情況下，對(duì)因動(dòng)作順序顛倒而產(chǎn)生的干涉部分進(jìn)行優(yōu)化處理，提高了設(shè)備的可靠性。

3）實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的控制。采用傳感器對(duì)桶身、桶蓋、桶箍進(jìn)行了精準(zhǔn)定位，有效檢測(cè)物料桶與機(jī)械臂的位置，利用步進(jìn)電機(jī)精確控制直線模組上滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。

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Design of Automatic Cover Bolting and Packaging Machine for Chromic Anhydride Material Drums

XIANG Ke-feng, MAO Sen, LUO Yu-jie

(School of Manufacturing Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology, Sichuan Mianyang 621010, China)

The work aims to design a safe and efficient packaging process for chromic anhydride material drums to address the corrosive and toxic nature of chromic anhydride, as well as the safety hazards it poses to human health in the manual packaging environment. An automatic packaging system based on three-coordinate truss was proposed, in which the mechanical arm automatically grabbed the drum cover to complete the automatic charging process of the drum cover, the screw and nut feeder completed the sequence feeding process of the screw and nut by gravity effect, and the bolt capping mechanism completed the bolting of the material drum cover, so as to realize automatic packaging of the three-coordinate quilted packaging system. The rationality of the packaging technology was verified by digital simulation and experiment. In the packaging, the bolt capping mechanism of precision design realized automatic supply and high load accurate bolt packaging process. The designed automated encapsulation system achieved a packaging speed of up to 1.2 units per minute, with a 100% success rate during the experimental phase. The equipment structure is reasonable. Under the premise of ensuring the quality of chromic anhydride material packaging, it reasonably avoids the safety risks caused by artificial production, promotes the process of automation in chemical enterprises, and provides a solution for automatic packaging drums.

chromic anhydride; material drum; automatic feeding; bolt capping

TB486+.1

A

1001-3563(2023)15-0161-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.15.021

2023?05?17

工信部綠色制造系統(tǒng)集成項(xiàng)目（17zg0102）

向科峰（1978—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榫G色制造、圖像檢測(cè)技術(shù)等。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋