格挡成形系统和格挡成形及装箱系统的制作方法

本发明涉及一种格挡成形系统和包含这种格挡成形系统的格挡成形及装箱系统。

背景技术：

随着机械手及自动化技术的普及，越来越多的生产线采用机械手实现自动化操作。但是，仍然有部分工序目前仍采用无法实现自动化操作，而是采用人工操作，从而影响了整个生产线的生产效率。

例如在乳制品包装行业或其他需要进行纸箱内作业的行业，包装箱开箱后至将奶包或其他物品装箱前，需要在包装箱内增加缓冲格挡。现有的缓冲格挡成形及装箱工序采用人工操作，成形后必须将其固定在模具上进行形状的保持，以防止格挡形变而无法进行下一道工序。此外，成形完毕后，还需要由另外一位工人进行空包装箱的抓取及缓冲格挡的装箱定位。此装箱工艺需要至少两名熟练操作及配合的工人合作完成。该工序之前的自动化开箱机目前已经达到了900箱/小时，大约4秒出产一个空箱。最多的时候需要安排3到4人同时配合作业才能跟上这一生产节拍。

这样，一方面严重阻碍了整个生产线的自动化过程，另一方面由于空间等的限制，也无法进一步提高生产效率。在其他工序的自动化程度和效率进一步提高的情况下，将会严重限制和阻碍生产效率的提高。此外，装箱质量也存在着如装箱后十字格挡中间单向倾斜等装箱不稳定的情况，从而在后续向箱内装载奶包的工序中由于十字格挡倾斜引起破包的现象。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种格挡成形及装箱系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种格挡成形系统，其特征在于，包括成形模组、伞形运动机构、成形提升机构和原料板存放单元，其中：原料存放单元用于存放成形格挡所需的原料板；成形模组包括用于成形的模具；伞形运动机构包括多个用于与原料板连接的成形连接机构和用于带动成形连接机构运动的驱动机构，其中驱动机构带动成形连接机构运动以使原料板形成为格挡；成形提升机构用于驱动成形模组和伞形运动机构接近和远离原料存放单元。

在一种实施方式中，驱动机构可以带动成形连接机构在远离原料存放单元运动的同时向伞形运动机构的中心移动。

在一种实施方式中，成形模组和伞形运动机构远离原料存放单元运动的方向与成形连接机构远离原料存放单元运动的方向相同。

在一种实施方式中，成形提升机构用于驱动成形模组和伞形运动机构上下运动，驱动机构可以带动成形连接机构在向下运动的同时向伞形运动机构的中心移动。

在一种实施方式中，所述模具为十字形框架。

在一种实施方式中，所述成形连接机构为成形吸盘。

通过将原料板提取与成形两者所在的功能模组的运动路径重合，从而缩短了总执行时间，提高了执行效率。此外，这种成形结构非常平衡，且通过采用垂直式布局，可以使得功能模块达到占空间较为紧凑的效果。

本发明还提供了一种格挡成形及装箱系统，其特征在于，包括如前所述的格挡成形系统以及用于装箱的机械手。

在一种实施方式中，机械手包括机械手本体及安装在机械手上用于提取成形好的格挡的夹具，其中夹具包括用于与机械手本体相连的 骨架以及用于提取格挡的多个提取连接机构。

在一种实施方式中，机械手还包括与骨架相连的可调式限位支架，提取连接机构设置在所述可调式限位支架上。

在一种实施方式中，格挡成形系统还包括格挡提取空间，并且在成形提升机构带动成形模组及伞形运动机构远离原料存放单元运动并留出格挡提取空间后，夹具进入格挡提取空间并通过提取连接机构提取格挡。

在一种实施方式中，在夹具提取格挡并离开格挡提取空间之后，机械手将把格挡装箱，与此同时，成形提升机构带动成形模组和伞形运动机构朝向原料存放单元运动开始下一个成形过程

在一种实施方式中，所述提取连接机构包括在一条对角线上设置的两个提取吸盘和在另一条对角线上设置的两个吹气喷嘴。

在一种实施方式中，该系统还包括设置在输送线上的来料触发单元和编码器模组，其中来料触发单元用于识别空箱何时进入跟踪段，编码器模组则用于确定空箱是否到达机械手的操作范围，以便机械手将格挡放入空箱中。

在一种实施方式中，该系统还包括设置在输送线入口处的跟踪段入口限位单元以及随着输送线移动方向在限位单元之后设置的侧向柔性挡板。

在一种实施方式中，侧向柔性挡板是两层或者多层的。

通过多任务功能将格挡成形中的原料板拾取、原料板定位、格挡成形工序与装箱过程中的格挡提取、空箱抓取、格挡装箱工序并行执行以缩短工序耗时。同时，尽可能将机械手与成形单元并行执行任务执行时不同阶段的干涉区域限制到最小，使在不同的并行任务高速执行过程中机器手尽可能接近成形单元的运行区域，减少了并行任务间工序传递(例如从格挡成形工序到格挡提取工序)的等待时间。

此外，通过采用近距离传感器触发和短跟踪窗口实现机械手装 箱起始点到装箱终点的最小距离，配合柔性挡板产生的箱外间隙以及通过机械手来确定格挡在装箱前的倾斜度从而产生箱内间隙，并配合具有较高加速的机械手(例如abb的irb120，其0到1米/秒加速时间为0.07秒)，从而在由于输送线挡板摩擦、输送线表面震动、箱子惯性位移等形成的误差到达装箱极限前成功完成装箱和手臂的离箱动作，可以显著提升速度，降低人力成本并消除人工折纸成形及装箱质量不稳定的情况。

附图说明

图1示出了根据本发明一种实施方式的格挡成形系统主体部分的示意图；

图2示出了根据本发明一种实施方式的成形模组的示意图；

图3示出了根据本发明一种实施方式的伞形运动机构的示意图；

图4以示例的形式示出了根据本发明一种实施方式的格挡成形过程；

图5示出根据本发明一种实施方式的格挡成形系统的示意图；

图6示出了根据本发明的一种实施方式，机械手与格挡成形系统配合的一种示例；

图7示出了根据本发明的一种实施方式，机械手上从格挡成形系统提取格挡的示意图；

图8示出了根据本发明的一种实施方式的机械手提取装置与成形后的格挡接合的示意图；和

图9示出了根据本发明一种实施方式的装箱系统与生产线配合的示意图。

具体实施方式

以下参考附图，给出了本发明的可选实施方式的具体描述。

图1示出了根据本发明一种实施方式的格挡成形系统主体部分 的示意图。格挡成形系统100包括成形模组110、伞形运动机构120、成形提升机构130和原料板存放单元140(见图5)。

如图2所示，成形模组110包括用于成形的模具111和用于支撑和固定模具111的模具支撑结构112。在图示的实施方式中，模具111为十字形框架。如图3所示，伞形运动机构120包括多个可以用于与原料板180连接的成形吸盘121和用于带动成形吸盘121运动的驱动机构122，其中驱动机构122可以带动成形吸盘121在向下运动的同时向伞形运动机构120的中心移动，多个成形吸盘121连接到相应的气路以吸附到原料板上或者从原料板分离。图4示出一种具体的成形过程。如图4(1)所示，成形好的原料板180(例如纸板)的四个角分别被成形吸盘121吸附住，从而将原料板放置于模具111的上方。如图4(2)所示，随着驱动机构122带动成形吸盘121在向下运动的同时向伞形运动机构120的中心移动，原料板沿着预设的折痕逐渐形成所需的形状。应当理解，尽管前述使用了成形吸盘121，但是也可以使用其他形式的能够连接到原料板上的提取机构。

图5示出根据本发明一种实施方式的格挡成形系统的示意图。成形提升机构130包括双向可调限位底座(优选带双向缓冲组件)、随动式导向系统和浮动式直线气动系统，用于带动成形模组110、伞形运动机构120上下运动。双向可调限位底座是指在由额外的驱动部件来驱动的前提下，通过对两个终点位置的缓冲组件位置的调节来使得这个机构双向可调节限位。随动式导向系统是相对于固定式导向件而言，导向系统和导向轴运动，而滑动部件固定。浮动式直线气动系统是指系统被固定成具有一定程度的自由度，用以吸收整个机构装配的误差。当然应当理解，成形提升机构130的结构不限于此，其也可以采用能实现类似功能的其他形式。

如图5所示，在一个完整的成形过程中，先由成形提升机构130将成形模组110和伞形运动机构120向上驱动，到达原料板存放单元140。此时，伞形运动机构120上的多个(例如四个)成形吸盘121 的位置高于模具111或者至少与其齐平，以便能吸住原料板180。待成形吸盘121抓取到原料板之后，驱动机构122带动成形吸盘121在向下运动的同时向伞形运动机构120的中心移动，原料板沿着预设的折痕逐渐形成所需的形状。为了节约时间，与此同时，成形提升机构130带动成形模组110和伞形运动机构120向下运动，以便留出格挡提取空间150。将原料板提取与成形两者所在的功能模组的运动路径重合，从而缩短了总执行时间。此外，这种成形结构非常平衡，且通过采用垂直式布局，可以使得功能模块达到占空间较为紧凑的效果。

在一个现场测试中，在来料不稳定的情况下，成形偏移率小于1/1000。该结构的零件更换难度较低，其最薄弱部件更换时间小于10分钟，可在较短的时间完成紧急的维修处理。因此，上述结构在成形稳定性、结构耐用性和高速执行方面都取得了非常好的效果。

尽管前述以立式局部的形式描述了整个成形系统，但是应当理解，在模组之间相互位置关系不变的前提下，也可以采用其他水平或倾斜式布局。

图6示出了机械手200与格挡成形系统100配合的一种示例，图7示出了机械手200从格挡成形系统100提取格挡的示意图，图8示出了机械手上的夹具与格挡接合的示意图。机械手200包括机械手本体及安装在机械手上用于提取成形好的格挡的夹具210，其中夹具210包括用于与机械手本体相连的骨架211、与骨架211相连的可调式限位支架212以及设置在支架212上用于提取格挡的多个提取吸盘213。可调式限位支架212可以用于调节吸盘的倾斜角和距离水平中心的位置。倾斜角用于定义成形格挡向心的倾斜度，该倾斜度用于扩大格挡在装箱过程中的与箱体内侧面的间隙。距离水平中心的位置用于定义成形过程的起点和变形总量，用以控制纸板成形的速率和成形质量。应当理解，尽管前述使用了提取吸盘213，但是也可以使用其他能够连接到原料板上的提取连接机构。

在成形提升机构130带动成形模组110及其上的格挡和伞形运动 机构120向下运动并留出格挡提取空间150后，机械手200驱动夹具210进入格挡提取空间150，多个提取吸盘213因此吸附在格挡上方。此时，吸附在格挡下方的成形吸盘121将释放格挡，以便机械手200将已成形格挡取出并装箱。

可替换地，图中所示的四个提取吸盘213的位置设置成一条对角线上设置两个提取吸盘213，而另一条对角线上则设置两个吹气喷嘴。采用轻量化的单对角线限位式真空吸盘夹具来提取格挡，以实现格挡的形状保持和装箱点限位功能，同时另外一条对角线安装吹气喷嘴，从而形成单边的装箱余量并在格挡装箱时配合机械手第六轴的转动消除高速装箱过程中由于误差累计造成的对纸箱和格挡之间摩擦力过大的现象，从而减少装箱不良(格挡箱内位置不良以及格挡形状不良)。

在机械手200从成形系统100提取格挡之后，机械手200将把格挡放在随输送线移动的空箱中。以下将结合附图具体描述。与此同时，格挡成形系统将开始成形下一个格挡。

如图7所示，机械手200首先从成形系统100提取格挡。待空箱随着输送线移动至机械手附近时，机械手检测并将格挡装箱。具体而言，如图9所示，在输送线300上设置来料触发单元302和编码器模组304，其中来料触发单元302用于识别空箱何时进入跟踪段，编码器模组304则用于确定空箱是否到达机械手200的操作范围，以便机械手200将格挡放入空箱中。

此外，为了防止空箱在与输送方向垂直的方向(以下简称为“横向”)上过度偏移但又不影响空箱随着输送线向前移动，还可以在在输送线入口处设置跟踪段入口限位单元301，并可以随着输送线移动方向在限位单元301之后设置侧向柔性挡板303。如果在横向上对空箱限制过紧，则可能导致空箱无法随输送线向前移动；如果在横向上对空箱限制过松，则可能导致空箱偏转或者在横向上过度偏移。因此，本发明提出采用柔性挡板，优选地，可以采用两层或 者多层柔性挡板，以更好地定位空箱，避免其翻转或者横向偏移。

由于输送线表面不具备限位和分隔能力，从而会在来料进入输送线跟踪区域前便形成了在输送方向的较大误差，从而影响装箱动作。为了解决前述问题，通过采用近距离传感器触发和短跟踪窗口实现机械手装箱起始点到装箱终点的最小距离，配合柔性挡板产生的箱外间隙以及通过机械手来确定格挡在装箱前的倾斜度从而产生箱内间隙，并配合具有较高加速的机械手(例如abb的irb120，其0到1米/秒加速时间为0.07秒)，从而在由于输送线挡板摩擦、输送线表面震动、箱子惯性位移等形成的误差到达装箱极限前成功完成装箱和手臂的离箱动作。

以上分别描述了格挡成形系统100、装箱系统以及两者之间的一些配合。本发明还提出，通过多任务并行进行来提高整个生产线的效率。

具体而言，通过多任务功能将格挡成形中的原料板拾取、原料板定位、格挡成形工序与装箱过程中的格挡提取、空箱抓取、格挡装箱工序并行执行以缩短工序耗时。同时，尽可能将机械手与成形单元并行执行任务执行时不同阶段的干涉区域限制到最小，使在不同的并行任务高速执行过程中机器手尽可能接近成形单元的运行区域，减少了并行任务间工序传递(例如从格挡成形工序到格挡提取工序)的等待时间。

此外，由于轻型机械手(0.6米左右工作域)不用于长行程运动(用于原料板拾取的例如300mm以上直线往复加减速运动)和高速往复运动(格挡成形所需高速往复加减速运动)，可在通过并行工序来缩短工艺总耗时的同时，减少安装在机械手200上的夹具需要执行的工序数量，从而降低安装在机械手上的夹具重量、尺寸和复杂程度，间接提高夹具可靠性和机械手负载状态下的加速度能力。

由于本发明采用来料输送线跟踪，成形与装箱并行任务的自动 化处理方式，且具有产能扩展能力，一旦增加生产线上的成形及装箱系统数量，纸箱线的生产瓶颈将立刻前移至上一道工艺环节，可显著降低人力成本并消除人工折纸成形及装箱质量不稳定的情况。

在一种实验结果中，单套系统成形及装箱速度约900箱/小时，可以在无人的情况下完成纸质缓冲格挡的折纸成形及装箱处理。在动力系统由气动执行器变更为以电力为驱动的高速直线执行器后，该系统对应同样的应用，速度提升到约1200箱/小时。

虽然已参照本发明的某些优选实施例示出并描述了本发明，但本领域技术人员应当明白，在不背离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上对其做出各种变化。