面向多规格周转箱垛的自动拆箱机构的设计与应用

周转箱作为物流活动中广泛依赖的集装单元，多年来一直存在着拆卸困难而且依赖人工、规格种类繁多，以及现有拆箱装置缺乏整体性和通用性等诸多问题，难以引入结构易调节、适用于多规格箱体、设备占地空间小以及拆卸环境要求低的自动拆箱机构。因此，本研究从当下拆箱装置的应用研发瓶颈出发，针对卷烟分拣线这种周转箱需求量大、易受箱盖干涉[1]的情况进行自主研究并开展试运行，借此探索行业拆箱机构的系统设计模型和研究方向。

卷烟分拣流程如图1所示。首先，根据订单需求进行件烟备货；备货完成后，皮带机将件烟按订单需求输送至条烟补货处，由补货小车将件烟推入到条烟分拣机，以完成烟仓补货。随后在条烟分拣环节，分拣机将零售户订单，将卷烟依次打出到皮带上，并于电子标签处，对不规则形状卷烟进行压单整形后进行自动合单。合单后的零售户订单经过精准识别，并进行基于卷烟品规的图像验证，随后经过条烟打码处完成打码，再进入包装机进行多个零售户卷烟的合包操作。合包后的卷烟被送至缓存工位，等待进入周转箱线输送的周转箱进行自动装箱，装箱完成后，在贴标机处进行贴标，随后周转箱下线。在自动装箱环节，周转箱输送线需要持续高效地供应周转箱。周转箱输送线实际运行情形如图2所示。

图1 卷烟分拣流程图

图2 周转箱线运行图

为了保障周转箱的顺利拆卸，降低员工劳动强度，满足箱数需求，所设计的拆箱机构需要适用于卷烟分拣线，且拆箱流程需要与分拣流程良好衔接。

本文设计的周转箱自动拆箱系统运行过程如下：人工推箱入跺位-夹持机构夹持-提升机构定位提升-箱跺高位静置-拨箱机构拨走被拆卸出的周转箱-箱跺下落，循环完成执行下一拆箱动作。

1．设计原则与思路

针对多规格周转箱拆卸中存在的问题，以拆卸环节顺利实施为关键点开展功能设计。在多规格周转箱拆卸过程中，存在难定位的问题。两个周转箱堆叠会因为规格差异导致嵌入过度、间隙过小而难以定位；同时，周转箱自身破损也可能导致嵌入过度，进而导致整体定位的偏差较大。因为规格差异、破损而导致的嵌入过度现象如图3所示。无论哪种情况，都会导致箱子堆叠后产生的高度上的误差，使得无法通过固定距离定位到箱子侧面的特定点（如侧面把手），从而导致箱子无法被提升机构拔出来。

考虑到物流中心现有的周转箱的高度范围集中在285～296mm，箱体侧盖凸起最高达25mm。整跺周转箱为多个箱体插入后叠加状态（如图3），其把手超出嵌入部分的尺寸范围集中在70～93mm。因此，选择将箱子堆叠产生的垂直方向的变量转移到一个能容纳该变量的部位，是本设计的解决办法，即侧面四角定位，而非把手定位等固定位置定位。

图3 多规格周转箱图

因此，本研究抛弃传统的从周转箱把手处进行定位提升的方式，从周转箱的把手侧箱体边沿进行四角定位，采用适用于多规格箱体的L型抓手提升方式，本着装置通用性强，结构易调节、简单经济的原则，开展后续设计研究。

2．组成与功能

如图4所示，多规格周转箱拆箱机由机架、提升机构、底箱夹持机构、安全装置、输送机构、控制系统和辅助装置组成。其中，机架为主体部分，作为整个拆箱机构的支撑部分。提升机构的主要功能是定位箱体边沿位置，并在气缸作用下完成升降与进退动作，从而保证提升机构抓手的抓取和上下移动。底箱夹持机构主要是在整跺周转箱进入到机架中后，会自动对底部周转箱把手间空隙进行夹持，使其余周转箱能够随着提升机构整体进行抬升。安全装置是在周转箱拆卸过程中，提供人工光电检测报警、电子面板处理功能。输送装置用于输送被拆卸下的周转箱。控制系统则是对拆箱装置的控制信号进行收集、处理、传达、监控等操作，以控制各机构的动作执行。

图4 系统结构图

3.工作原理

（1）提升抓取过程

操作者手动将整跺周转箱推入到机架中央位置。当拆卸工位的低位检测光电检测到箱体后，机构开始进入自动拆箱流程。此时，提升机构接收到系统命令，控制升降气缸驱动抓手进行前进动作，抓手定位到周转箱边沿的四个点位，然后执行上升动作。由于底部箱体被底箱夹持机构夹持，因此其余箱体也会被抬升。当底部箱体被输送机构送走后，提升机构执行下落动作，并在到达底部时自动松开抓手。

（2）底箱夹持过程

周转箱进入到指定工位时，底箱夹持机构自动执行夹持动作，此时夹持气缸一直保持夹持运行状态，直到提升机构将其余周转箱提升到最高位置后，底箱夹持机构执行松开动作，这时周转箱被拨箱机构送走，提升机构下落，完成整个拆卸动作。

1.主体结构设计

机架是主体结构，作为主要承受负载的部分，需要满足承力强、便于装卸、结构经济安全、可靠性较高的设计要求，因此，机架采用防倒跺结构和不锈钢材质。

2.底箱夹持机构设计

底箱夹持机构，底箱夹持机构用于对整跺周转箱最底部的周转箱夹持或松开。当拆卸工位光电检测到箱体时，位于侧面的底箱夹持机构夹住最底部的箱子，以便于该箱跺剩余的箱子能够被提升机构提到空中，而后夹持机构松开，被拆卸的箱子离开拆卸工位，到斜坡皮带上。

其具体结构组成如图5所示：

图5 底箱夹持机构

底箱夹持机构包括夹持机构和输送机构。其中夹持机构由一组完全对称的L型手爪、驱动组件构成。夹持手爪采用工字型加强筋结构[2]，工字型上部分可定位到最底部箱体上沿，下部分可定位到最底部箱体把手处空隙，增加定位能力。驱动组件包括夹持器气缸、驱动连杆、承载夹持机构的横向导轨等。 

3.提升机构设计

提升机构设于底箱夹持机构的上方，提升机构用于对位于最底部周转箱上方的周转箱夹持或松开，用于对整跺周转箱中除最底部的周转箱之外的其余周转箱提升或下移，其中提升机构夹持或松开的作用部位位于周转箱把手侧面的箱体两边沿处。

其具体结构组成如图6所示：

图6 提升机构

提升机构包括提升组件和驱动组件。其中提升组件由两组完全对称分布的提升手臂和提升手爪构成；驱动组件由1组提升驱动气缸、1组夹持驱动气缸及相应的连接杆组构成，还包括承载提升机构运行的横向导轨和纵向导轨。

4.主要结构参数设计

（1）气缸

根据气缸执行行程和箱体尺寸质量，计算得出气缸组需要满足的参数要求，结合各品牌产品性能和价格因素，确定最终选择如下：气缸型号为某品牌63-300-20，缸径63mm，气缸组执行三个气缸联动，最大行程分别为50mm、100mm、300mm，理论提升力为1870N，工作压力保持在0.2~1.0MPa。

（2）导轨

根据提升机构提升力范围（20～400N）计算导轨的具体参数。根据该直线导轨选型手册，进行选择，由于现场周转箱规格不一，存在箱体嵌入过量导致的摩擦力增大等情况，设计最终参数如下：提升机构单边导轨设计参数为四方型，最大行程640mm，额定载荷3668N，底箱夹持机构单边导轨设计参数为四方型，最大行程160mm，额定载荷3668N。

（3）提升机构、底箱夹持机构参数计算

由气缸参数可知，根据箱体尺寸可测定提升机构采用L型双边四手爪的抬升形式，对箱体进行纯机械四角定位。底箱夹持机构为工字型的加强筋设计机构。两者缸径均为63mm，气缸完全输出力为1870N，完全满足拆卸需求。

 5.控制系统设计

控制系统在拆箱过程中起着关键作用，其由某品牌PLC可编程控制器32MT/ES-A、伺服控制器模块、某品牌传感器E3Z-T81、某品牌气缸、继电器、24V电源、空开等组成，并配备现场6bar 10mm气管气源。

 6.主电路设计

PLC可编程控制器连接着伺服控制系统模块、2个伺服电机、安全装置、限位光电、气缸组，是该拆箱机构的控制中心，通过程序设置接收、传达与处理[3]拆箱过程中传感器采集到的信号，以实现自动化的集成拆箱过程。其中，伺服控制模块控制三个伺服电机，分别是控制伺服电机1以实现拆箱工位皮带机运转、伺服电机2以实现斜坡皮带机运转、伺服电机3以实现棍柱机运转，最主要的是伺服模块控制的两套联动气缸组，控制提升驱动气缸组以实现提升机构的运动、控制夹持器气缸组以实现底箱夹持机构的运动。控制流程框图[4]绘制如图7所示。

图7 控制流程图

本文所设计的多规格周转箱自动拆箱机构在天津物流中心库区1号分拣线进行了4次实际应用测试（每次1小时）。现场应用测试图、成品系统运行图分别如图8和图9所示。应用测试结果如表1所示。由表中可知，采用本文所设计的自动拆箱机构，其拆箱效率更高，能100%满足实际供箱需求；而采用人工拆箱方式，4次均不能满足实际供箱需求，四次的平均满足率仅为94%。此外，由于实际供箱存在短暂需求高峰，人工拆箱经常发生“断供”现象。测试发现，平均每小时发生7.75次周转箱断供；而采用自动拆箱机构，即使在需求高峰期也不会发生断供。

图8 系统测试图

图9 系统运行图

表1 实际测试效果表

研究人员经过对行业现有拆箱装置的研究，确定了小型立体化的自动拆箱设计实施方案，通过总体设计，自主设计了通用性强的提升装置和夹持装置，能够有效应对多种规格的周转箱，并进行了控制系统的逻辑设计和模块设计，针对性完成了机械结构设计和电控控制系统设计。

根据设计方案，研究人员完成了设备加工和组装调试，从实际周转箱补给线运行的测试结果可看出，该设备效率高、稳定性高。周转箱供箱效能提升，人工劳动强度降低，因人工体力耗费大、人工拆箱能力不足、箱体嵌入后拆卸困难等原因导致的周转箱线“断供”现象得到解决。对行业拆箱机构模型的成熟起到了很大的推动和探索作用，真正实现自主化创新，通过建起来、引出去的形式与社会发展互助互进，真正践行推动绿色循环物流水平高质量发展再进一步。