在制药行业流水化生产线生产过程中，充分利用自动化机构是十分有必要的——自动装盒机是用于药品外包的关键设备，现已发展成为高度自动化设备，但小盒上料仍采用人工方式，增加生产成本，影响整线效率，本次设计涉及自动上盒机械手的抓取及输送机构，并输送到小盒料仓。机械手采用PLC控制动作，如此实现针对制药车间内的高效包装。
在自动化加工、装配生产线中，能自动完成将工件向加工或装配机械供给并上料的装置，称为自动上料装置。包装机械在我国制药行业的使用前景越来越广阔，药品包装机械的种类也日趋繁多，自动装盒机是其中较为复杂的设备之一。现代的药品自动装盒机是集机、电、光、气于一体的功能多样化、高度自动化的包装设备，所以任何工位的设计都会影响自动装盒机自身设备的使用效率。
现世界上先进、成熟的自动装盒机最快速度可达到450盒/min，装盒机自身预留小盒料仓1.5-2.0 m，大约存放800个小盒。假定纸盒每一托纸盒250个，那么大约需要人工2次/min的频率搬运上料，是一项重复而繁重的作业。所以，为了提高生产率、减轻作业者的劳动强度，实现纸盒上料自动化是迫在眉睫的工作。
“工业4.0”的推动将突破传统行业界限，催生制造业颠覆性的变革，全面提升制造业的水平，同时医药行业也因此面临着一场巨大的变革，制药设备自动化水平的提升、减少人为干预、降低人员成本等问题亟待需要解决。本文研究的自动上盒装置是从自动装盒机中分离出来的一个模块，主要是针对上盒工作，实现料盒的吸取、运送以及上盒过程的自动化。实现的关键在于利用机器人技术、智能传感技术实现去人工化，在合规的条件下节约成本、提高效率。
自动上盒装置设计
工业机器人的应用
智能制造的推进，“机器换人”在制造业已是大势所趋。工业机器人的运用范围越来越广泛，已经成为引领工业4.0进程的动力，引进工业机器人技术可实现生产的自动化，提高生产效率。使用工业机器人操作具有很多优势，主要体现在以下4个方面。
节约成本：机器人可以24 h进行操作。生产线只需一人看管或一人同时看两台甚至更多台机器，有效节省人工费用。另外，采用工业机械手操作的模式，自动流水线更能节省厂地，使整厂规划更小更紧凑精致。
生产效率高：工业机器人生产一件产品耗时是固定的。同样的生存周期内，使用机械手的产量也是固定的，不会忽高忽低。并且每一批产品生产时间是固定化，产品的成品率也高，可保证整条生产线的综合效率。
安全系数高：采用工业机器人生产，可以更大程度保障工人的工作安全性。不会出现由于工作疏忽或者疲劳造成的工伤事故。在需要倒班的生产车间中，晚上更容易出现生理性疲劳，导致发生安全事故，使用工业机器人则可确保安全生产。另外，有些较为危险的工种，采用工业机器人操作，重复作业精确度高，稳定性好，安全性更强。
便于管理：以往企业中很难精确的保证每天的生产量，因为总会有一些员工偷懒。而作为监管人员每天的事情非常多，很难时时刻刻去抓员工有没有好好做事。使用机械手生产后，用工人员减少，员工管理更方便了。
本次自动上盒装置设计考虑到生产线连续生产、设计装置能够连续稳定运行、完全替代人工操作等方面，在机构设计关键部位采用工业机器人的方式。
工作流程设计
一般供应商提供的小盒的包装方式为360×360×350 mm的纸箱，内小盒排列方式为2列×4层，每一箱重量大约15 kg，具体排列方式见图1。
图1 纸箱内小盒排列方式
本次自动上盒装置的设计，在最大程度上降低人为干预的基础上采用2台工业机器人的方式。第一台工业机器人(ER30，中空臂，负载30 kg，水平臂展2 033 mm)，主要实现包装纸箱的搬运以及开箱过程;另一台工业机器人(ER16，中空臂，负载16 kg，水平臂展2 101 mm)主要实现每列小盒的搬运及上料过程。2台机器人相互协调配合，完成整个上料过程。具体工作流程如下：
(1)ER30机器人通过夹具下方成像装置及吸盘将纸箱从托盘相应位置吸取放入变位机上;(2)ER30机器人同时完成切换模具、弹出刀片和开箱过程;(3)执行开盖动作，完毕后给出信号;(4)ER16机器人与变位机通过随动，并借助成像检测通过夹具将一列纸盒夹持后，机器人将爪子提升到完成预转点;机器人底部腰座旋转，将纸盒向料仓方向转运过去;在机器人底部腰座旋转的同时，根据料仓预放位置调整机器人小臂的伸展幅度;(5)ER16机器人经过预放点运行到此纸盒的放置点吸盘释放开，放置纸盒;(6)ER16机器人放置完一列纸盒后，运动到下一个预抓点，如此周而复始的循环;(7)当ER16机器人检测到此纸箱内纸盒已完，机器人会发出此箱结束信号;(8)当下一箱纸箱到位后，ER16机器人又进行抓取工作。
图2 整体方案三维图
图3 流程逻辑控制图
上盒机构本体设计
机构本体设计是指各零部件尺寸和零部件之间配合问题的设计，以及各元器件(包括电动机、传感器、气缸、吸盘等等)的选用和设计。原则上，各机械手的轨迹范围不应该相互重叠，如因机构设计需求实在无法避免时，则应该保证任意两机械手不会在同一时间内到达同一区域。
工件的上料通常是指将定向排列好的工件装入加工机械夹具中的作业，是自动上料装置中最为复杂的一环。本次上盒机构的设计，关键在于根据纸盒的形状、重量、特性及加工机械的夹具等选择最适当的上盒方法。
由于该上盒装置零部件较多，系统比较庞大，为了便于表达和理解，本文将对关键工位进行设计和叙述。本次设计中所夹持转运的纸盒的上料是较为困难的。首先必须保证薄片纸盒能被有效、稳定地夹持;其次还必须解决如何放料的问题。
纸箱有无及位置检测
该系统通过工业2D相机自动检测人工所运送的托盘上纸箱位置，工业相机在整个系统中就像人的眼睛，对看到的物体进行成像，能区别各种各样的东西。被摄物体的图片经过光学镜头聚焦到相机芯片上，在驱动电路提供的驱动脉冲下相机完成光电荷的转换、存储、转移和读取，从而将光学信号转换为电信号输出，从而进行控制。本次设计将工业相机安装在工业机器人末端，这样在吸取纸箱时能时刻检测纸箱的有无及精准地判断位置。
取箱机构
吸取机构的主要作用是取箱，即从人工放置的托盘上吸取纸箱，提起后通过运送到变位机上，待纸箱内纸盒被完全取走后返回至初始位置开始下一个周期的取箱工作，因此主要设计以下3个方面的内容。
(1)吸盘的设计
真空吸盘分为无动力和有动力两类：无动力真空吸盘又称自吸式真空吸盘，它由吊钩带动活塞杆抽真空，结构简单且无噪声，但是一般只能吸附很轻的物体;有动力真空吸盘通过真空泵或者真空发生器获得真空，结构复杂且有噪声，但由于其吸附力大可靠性高而被普遍使用。
考虑到纸箱重量较大且吸盘吸住纸箱后，需要保证纸箱不掉落，故需要较大的吸力，故设计由四个吸盘组成的吸盘组，如图4所示。
图4 取箱机构设计
(2)吸盘位置的确定
当四个吸盘都接触到料盒后，应使机器人停止向下运动，等待吸盘抽真空。这里主要是设计一个安装在吸盘架上的行程开关，当四个吸盘都接触到纸箱后，行程开关被压下，发送信号给PLC，控制机器人停止向下运动，并且锁定当前的位置。
(3)开封装置设计
待取箱机构将纸箱放置在变位机对应位置上，开始执行开箱程序。具体机构如图5所示。
图5 开封装置设计
装置中的刀片通过气缸弹出，刀片开箱的位置通过成像检测系统识别确定，保证开箱精度。刀具选用白钢刀，定制胶带开封刀，比传统刀具效果更加。气缸选用多轴气缸，多轴气缸自带导向轴，可承受一定负载径向力和轴向力，便于切割。
图6 切刀闭合状态：零位状态
图7 切刀弹出状态：工作状态
开封机构运动控制包括：切刀装在多轴气缸上，通过气缸运动弹出和收回; 遵循人机安全性。气缸通过磁性开关给信号到PLC 与机器人进行通讯，确保每次拆封胶带后切刀回零位状态。(零位状态时切刀缩在金属防护罩里面)。
上盒机构
上盒机构的主要功能是将从已经撑开的纸箱内夹取一列纸盒，并运送到一个料仓位置，该部分主要设计夹盒装置。
考虑到小盒在纸箱内部放置的特殊性，夹盒装置选用气动手爪，气动手爪是模拟人的手指抓紧工件，以实现机械手动作的气缸。夹具整体采用铝型材框架，减轻额外负载。夹爪采用全气缸驱动，单边气缸分步夹紧。由于小盒的表面比较光滑，为了防止在小盒被夹紧运行过程中滑落，夹爪板镶嵌硬橡胶增大摩擦力。同时安装工业相机进行成像，确保物料在整个运送过程中的稳定性，具体结构如图8所示。
图8 上盒夹具机构
总结
在当今工业发达国家，自动上料装置在各类制造业中比比皆是，生产过程的自动化不仅大大提高了生产率，把人们从繁重的劳动中解脱出来;而且对提高产品质量，降低成本、促进产业结构的合理化起到了积极的作用。在医药行业，包装机器人在现代工业中的应用越来越广，实现自动上盒不仅能提高精度，而且能减小设备大小、降低成本，提高设备综合效率，这已是未来的发展趋势。
本文作者系扬子江药业集团常州紫龙工程设备部项目处职员。
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