超低温冰箱多复合机械手设计研发

孙继成

（滁州创新自动化装备科技有限公司 滁州 239000）

引言

超低温冰箱，又称超低温冰柜、超低温保存箱。其应用领域包括：可适用金枪鱼的保存、电子器件、特殊材料的低温试验及保存血浆、生物材料、疫苗、试剂、生物制品、化学试剂、菌种、生物样本等低温保存。然而为了保证超低温冰箱内部温度，超低温冰箱发泡层、侧板厚度均大于普通冰箱，并且采用不同于普通冰箱的压缩机等部件，总体重量可以达到400 kg，在装配时候由于产品体积大，往往需要翻身、旋转及包装，导致需要大量装配人员，并且产品过重增加了装配人员的劳动强度，通常在安装底托、打包时候需要人员5-7人，并且人员操作经常出现磕碰、划伤等现象，由于该产品价格高、生产工艺特殊，一旦出现磕碰、划伤就导致了产品的报废，浪费了人力及物力。

综上所述，解决该产品的翻箱、旋转、上底托等问题成为生产商面临的迫切需求。本文主要对大型箱体多复合机械手的设计及研发进行了阐述，从而真正填补了该类设备研发的空白。

1 产品生产工序流程分析

部分超低温冰箱打包前道工序是安装箱体的上下门，超低温冰箱的体积大，用料厚导致了箱体的上下门尺寸同样比较大，重量比较重，所以箱体在安装门时需要口部向上，人工安装好门体之后由AGV小车将箱体输送到打包工序。

打包工序主要是为超低温冰箱安装脚轮、安装底托、封箱。在安装脚轮时需要将超低温冰箱由水平立箱成竖直（图1），安装底托时需要将超低温冰箱前面对着输送方向（图2），之后由操作人员安装脚轮，并将安装后的产品放到底托上面。

2 设备研究方案

针对上述超低温冰箱生产工艺的分析可以总结出超低温冰箱在打包、安装脚轮、封箱时需要的工序为箱体的立箱、箱体的提升、箱体的旋转、箱体的输送等。首先超低温冰箱安装上下门之后由AGV小车输送到打包区域，这时需要由输送类线体与AGV小车对接，产品在AGV小车输送过程中会产生相应的偏移，这就需要在输送类线体上面完成对中工序，对中时候线体需要一直输送，需要减少箱体与产品的摩擦。

当箱体对中结束后需要完成的动作是箱体的立箱，箱体对中后是平放的，需要将对中好后平放的箱体进行立箱，平放的箱体在立箱的时候需要按照高度的中心旋转，需要将箱体提升大于箱体旋转半径的高度，这样在旋转的时候箱体不会与输送线体碰撞。

箱体立箱之后人工需要安装脚轮，箱体由AGV小车输送到输送线体时是平放的，需要输送的线体很宽，但是立箱之后箱体在输送线体的上方中心位置，人工需要站在宽度很宽的输送线体上操作，增加了操作工的危险性，而为了避免这个危险性，需要将箱体移栽到宽度比较窄的操作平台或者输送线体的上方。

当箱体移栽到宽度比较小的操作平台或者输送线体上方时，脚轮存在前后的方向性，并且为了满足操作工安装的方便，需要保证箱体的门正对着操作工，而立箱后箱体的门与输送线体方向平行，需要将箱体进行旋转（图3）。

箱体旋转后人工将脚轮安装好，人工将底托放到箱体下方，箱体进行落降，与底托很好的配合，当安装好底托后需要将产品输送到封箱工位，这就确认了箱体移栽后的线体也是输送类线体。

最后完成封箱、进行转运，该产品打包结束，由于箱体立箱与旋转要保证箱体的稳定性，并且安装脚轮时箱体不能发生相应的位移，所以需要真空系统进行辅助。

3 详细结构

通过上述方案的分析来确认夹抱机械手的结构，并且完成分析中的输送、对中、立箱、移栽等工序，其详细结构如下：

箱体由AGV小车输送到输送类线体上，我们常规的输送类线体包括皮带线、板链线、倍速线等，由于厂家对超低温冰箱外观要求较高，AGV小车上输送组件均采用输送皮带线，由于箱体输送到位后，需要对箱体初步定位，所以采用滚筒结构比较合理，并且为了不划伤箱体外观，需要采用包胶结构，由于箱体较长，最大产品可达2 m以上，但是单根滚筒如果长度大于1.5 m后同心度很差，为了保证输送的平稳将该长滚筒改成了2根1.2 m结构，采用一个动力传动，这样输送同心度好，输送平稳（图4）。箱体输送到位后前定位进行阻挡，左右进行对中，对中组件通过滚筒线的间距进行宽度方向上的调整。

图1 安装脚轮立箱示意图（立箱体90 °）

图2 安装底托示意图（立箱后的箱体旋转90 °）

图3 旋转后箱体与输送线体的位置示意

图4 宽度输送滚筒线示意

箱体对中好后需要对箱体进行立箱，由于箱体需要升降，箱体立箱采用左右夹抱结构，左右夹抱臂需要适应不同产品的大小，所以左右夹抱臂采用左右旋滚珠丝杆结构，由于产品参数变化大，左右旋丝杆采用伺服电机进行调整。当夹抱臂夹抱后需要将产品提升，提升后要保证产品不能有位移，这就需要采用真空吸盘将产品进行吸附，夹抱臂通过丝杆及伺服电机调整，但是调整后伺服电机无法对夹抱力进行保证，这就将夹抱臂与丝杆调整组件通过分层结构将其分开，上层为伺服电机及丝杆调整装置，下层则为气缸带动夹抱臂夹紧结构。当夹抱臂夹紧后需要对箱体进行立箱，立箱是将产品水平通过机构立箱为竖直，该机构采用气缸推动连杆，连杆带动转轴结构，该结构设计合理，充分利用气缸行程，保证翻转的准确性。

由于箱体立箱、安装脚轮都需要将箱体进行升降，该升降机构采用伺服电机带动齿轮齿条结构，伺服电机通过行星减速机旋转带动齿轮，齿轮与齿条进行相应位移，保证升降机构的平稳。由于产品的重量加上升降机构的重量很大，所以单独选用伺服电机配合行星减速机结构需要很大的速比及很大功率，为了解决该问题，在升降架左右两侧分别增加了两个升降气缸，不但保证了升降的平稳性而且也节省了安装空间，更节省了成本。

箱体在安装脚轮时需要进行移栽，移栽主要是将箱体在立箱、旋转后移动到移栽滚筒上方，方便操作人员安装脚轮，由于该立箱、旋转机构及箱体重量都比较大，所以移栽采用双同步结构形式，由伺服电机带动减速机及带轮轴的旋转进行实现产品的移栽。

箱体移栽后由于箱体侧面对着操作人员，人员无法安装脚轮，这时需要箱体90 °转向，箱体的90 °转向由气缸推动推杆，推杆与旋转轴连接，旋转轴与夹抱组件连接，当气缸伸缩后夹抱组件及箱体进行90 °转向。由于箱体及夹抱组件重量过大，完全靠一个旋转轴进行旋转时间久后可能会出现安全问题，会导致掉箱、轴断裂等现象，这时就考虑增加了安全组件，安全组件由几组滚轮，滚轮安装在旋转盘上，保证了使用的寿命及强度，并且保证操作人员安全（图5）。

配合夹抱组件的还需要由真空系统构成，由于夹抱时需要将吸盘内抽真空，这样才能保证箱体不会掉落，但是箱体重量过重导致所需要的吸盘就很大，需要很快的完成抽真空，就需要配合真空泵，但是当箱体需要释放的时候，吸盘过大也会出现另外的问题就是将吸盘内的真空取消，由于吸盘过大这就需要采用电磁阀将吸盘内通入空气，这就很好的解决了节拍的问题，保证安全准确放箱。

图5 旋转组件示意

图6 夹抱机械手整体示意

4 结论

通过对现有工序的分析，研制了可以很好实现超低温冰箱夹抱、翻转的设备，该设计结构合理，稳定性好，并且真正体现了减人增效的目的，填补了该类设备夹抱的研发空白。