自动码垛利器——真空吸盘提升纸箱

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：真空吸盘提升码垛技术的研究，目的是建立提升运行系统，确定提升时所需吸附力，建立透气度、真空度、时间模型。图5-6-1纸箱搬运堆码操作流程提升运行系统的建立及所需吸附力的确定真空吸盘产生的压力与提升旋转系统无直接关系，只需满足W真空≥W所需，所以搬运提升旋转系统，可以简化为平动系统。即只考虑提升时的加速度和水平运动时的加速度。等待真空度检测信号，确保吸盘吸牢纸箱，用时t2。

纸箱堆垛是产品包装的最后环节，也是物流链的开端。

长期以来，在国内纸箱堆垛主要靠人工进行，随着“人口红利”的消失，产能产量的扩大，特别是有些有毒有害化工品或粉尘类产品的包装工位，戴着防毒面具码垛的情况已越来越少，很多工厂纷纷将“人工包装”升级为“自动线包装”，其末端往往有真空自动提升的工序，它可完成包装箱抓取、搬运、平移、升降等三维空间的一系列移载动作，并把包装件快速、准确地放置在预先设定的位置（如托盘）。

瓦楞纸板的表面，粗看很平整，但实际上它有很多空隙，当真空吸盘提升时，压缩空气会从空隙中泄漏，不能满足必要的吸附力，造成提升失败。

真空吸盘提升码垛技术的研究，目的是建立提升运行系统，确定提升时所需吸附力，建立透气度、真空度、时间模型。

如果纸箱毛质量额定时，那么已知真空泵抽速即所能达到的最大真空度，就可确定纸箱的最大透气度，反之，已知纸箱透气度，就可以确定所需要的最小真空度。

1.真空吸盘提升系统的建立及所需吸附力的确定

（1）包装箱的搬运与堆垛运动顺序

目前主流的机器人搬运顺序（见图5-6-1）：在初始位置，z轴下降至最小高度h，接触到纸箱，用时t1；等待真空度检测信号，确保吸盘吸牢纸箱，用时t2；在工作台上方，需要先提升至最高点H，z轴上升（H-h），加速度为a上升，用时t3；吸盘与被吸持物体作为整体做旋转运动，旋转角度为φ，旋转半径为r，重力加速度为g，吸持时间为t4；到达放置点，释放纸箱，用时t5，回到原始位置继续下一次循环。

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图5-6-1　纸箱搬运堆码操作流程

（2）提升运行系统的建立及所需吸附力的确定

真空吸盘产生的压力与提升旋转系统无直接关系，只需满足W真空≥W所需，所以搬运提升旋转系统，可以简化为平动系统。

即只考虑提升时的加速度和水平运动时的加速度。

根据目前主流的运行程序，确定提升运行过程（见图5-6-2和图5-6-3）。

（1）z轴下降，接触到纸箱，用时t1=200ms。

（2）等待真空度检测信号，确保吸盘吸牢纸箱，用时t2。

（3）z轴需要先提升至最高点，z轴上升250mm，加速度为3m/s2，用时t3=2000ms，停留t3′=5000ms。

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图5-6-2　系统运行时间-位移曲线

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图5-6-3　提升运动和水平运动时的受力分析

（4）水平运动1400mm，加速度为3m/s2，用时t4=2000ms，停留t4′=5000ms。

（5）下降，吸盘释放纸箱，用时t5=200ms。

提升运动时：

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水平运动时，吸盘与纸箱发生滑动摩擦的临界状态：

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式中：μ为摩擦因数，取0.6；确定最终吸盘所需的吸附力时，需考虑安全系数b，一般取2～3，以确保真空吸附力能满足运行时所需的吸附力，此处b=2。W2所需大于W1所需，得到W所需=2W2所需。

2.真空度-透气度-时间模型建立

真空系统就是抽除容器中的各种气体，可以把被抽容器中所产生的各种气体的流量称为真空系统的气体负荷。当真空泵启动之后，真空系统即对被抽容器抽气。根据动态平衡，可得真空系统抽气方程，见式（5-5）。

式中：V为被抽容器的容积；p为容器中的压力；Q为容器内气流量，包括放气流量Qf、渗透气流量Qs、蒸发的气流量Qz和漏气流量Ql；pS为真空系统将容器内气体抽出的气流量，故可进一步得到式（5-6）。(https://www.chuimin.cn)

对于一个设计、加工制造良好的真空系统，抽气方程（5-6）中的放气Qf、渗气Qs、蒸汽Qz和漏气Ql的气流量都是微小的。对于纸箱、纸板等具有一定透气度的材料，气体渗透泄漏量较大，不能忽略，所以在计算抽气量时需要考虑纸板的渗透泄漏量。

纸板的透气度D是指在规定的条件下，在单位时间和单位压力差情况下，单位面积的纸或纸板所通过的平均空气量。纸板透气的泄漏量Q为：

式中：p为真空系统内的压强；A为吸盘有效面积；D为纸板的透气度；Δp为真空系统的内外压差。

将式（5-7）代入式（5-5）中得到：

压强由大气压p0变为p，t为达到p的时间，即为抽真空时间。代入式（5-8）得：

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式中：t为抽真空所需要的时间，s；D为纸板透气度，m/（Pa·s）；V为真空容积，m3；A为真空吸盘有效面积，m2；S为真空泵抽速，m3/s；p为真空吸盘内最终达到平衡的压强，Pa；p0为标准大气压，Pa。

其中p，D，t未知，由于抽真空的时间太小，一般为0.2s左右，难以检测，所以需要对时间t做进一步安全系数处理，即在理想情况下，不考虑纸板透气度，真空系统的气体负荷主要是容器内原有的空间大气，得到抽气方程：

压强由大气压p0变为提升所需的最低压强p1时，抽真空时间t0为：

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由于纸板具有透气度，存在一定的泄漏量，所以达到平衡压强时的时间会延长，加入安全系数b，得到抽真空时间t：

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将t代入式（5-12）中得到最终的真空度-透气度数学模型方程：

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式中：D为纸板透气度，m/（Pa·s）；A为真空吸盘有效面积，m2；S为真空泵抽速，m3/s；b为安全系数；p0为大气压强，Pa；p所需为提升所需要的压强，Pa；p为真空吸盘内最终达到平衡的压强，Pa。

其中，吸盘的有效面积一般为最大尺寸的80%，真空度一般取最大值的90%，安全系数一般取2～3，以确保真空吸附力能满足运行时所需的吸附力。

需要说明的是，真空吸附时瓦楞纸板面纸的品种不同，会造成真空保压效果差异很大，国产纸一般纤维短、填充料多、紧度大、高压气体泄漏少，而高档进口纸则正好相反（如美卡）。

3.实际应用

已知真空泵抽速及所能达到的最大真空度，根据式（5-16）可以得到所能吸附的最大透气度的纸箱；已知所吸附的纸箱透气度，根据式（5-16）可以得到吸附该纸箱所需要的最小真空度。

按照上述计算公式和实践验证可得：化工厂常用的25kg装粉料纸箱，如采用最常见的吸盘与真空泵，提升时间为7s，单箱毛质量小于30kg，则纸箱的透气度应保证小于3.5μm/（Pa·s）。

目前笔者单位研制开发了一种“防透气涂布瓦楞纸箱”的新技术——在纸箱表面涂布一层防透气涂料，使纸箱外表面形成一层阻隔膜，改变纸板透气性，效果显著，成本低廉，具有很好的推广价值。

涂布原理是整卷原纸的表面，定量涂上特种防透气涂料，经过可调压力滚轮挤压，高温烘干，涂料中的有效成分被纸张表面吸收，在纸张的浅表层形成了一个新的物质层，涂料中的水分则在烘干时蒸发。原纸表面的涂层厚度可控、精确、均匀，与原纸结合牢固，可有效改变原纸表面的物理与化学性能。

目前，经过涂布处理的真空提升纸箱已大量应用在国内各类自动包装线上，还源源不断地出口发达国家（见图3-2-3九箱提升和图5-6-4单箱提升）。

4.结语

该款新产品与传统人工操作相比，具有显著优势，实现自动无人化生产、保障操作者安全、提高生产效率、节省劳动力、降低包装成本等方面都有积极作用，被越来越多的客户所认可和使用。

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图5-6-4　单箱提升

自动码垛利器——真空吸盘提升纸箱

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