碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)及電氣控制

1、碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)及電氣控制摘要 本文介紹了碼垛機(jī)械手的組成和作用，提出了機(jī)械手碼垛的成套基本方案，垛層排列方案的優(yōu)選，論述了機(jī)械手的控制方法，采用作圖法求解機(jī)械手的垂直升降運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)軌跡的修正，提高了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)柔性和抓載能力。關(guān)鍵詞 機(jī)械手 碼垛 物流 倉儲(chǔ)Electric control system of Robot Palletizer Xian Hwasun Packaging Technology Research InstituteZHANG You-liang GOU Xiang-min Abstract:This article introduces the struct

2、ure and function of Robot Palletizer,relate to the whole basic solution of system,Discuss the control method of robot,stack layer is optimize arranged ,the track of vertical lift motion is modified with the motion graphics representation , also improve the flexible of the motion and the ahold power

3、. Key words:robot, Palletizer,logistics, storage.隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，現(xiàn)代物流作為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的重要組成部分和工業(yè)化進(jìn)程中最為經(jīng)濟(jì)合理的綜合服務(wù)模式，正在全國范圍內(nèi)得以迅速發(fā)展。自動(dòng)化立體倉庫作為現(xiàn)代物流系統(tǒng)的重要組成部分，是一種多層存放貨物的高架倉庫系統(tǒng)，它是在不直接進(jìn)行人工干預(yù)的情況下自動(dòng)地存儲(chǔ)和取出物流的系統(tǒng)。碼垛機(jī)是完成自動(dòng)化立體倉庫中最重要的設(shè)備之一，是貨物堆放到立體倉庫的前端設(shè)備，它能夠把單一的物料碼放到一起，便于運(yùn)輸，提高了生產(chǎn)效率。它將已裝入容器的紙箱，裝入大袋的化工產(chǎn)品、水泥、糧食等按一定排列碼放在木質(zhì)（或塑

4、料）托盤上，進(jìn)行自動(dòng)堆碼，可堆碼多層，然后推出，便于叉車運(yùn)至倉庫儲(chǔ)存。可大大地減少勞動(dòng)人員和降低勞動(dòng)強(qiáng)度，是現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)發(fā)展的高科技產(chǎn)物，對提高生產(chǎn)率、降低成本有著重要意義。機(jī)械手碼垛機(jī)是目前占地最小、效率最高、適應(yīng)能力最強(qiáng)的碼垛機(jī)。在啤酒、飲料行業(yè)，可滿足4萬瓶/小時(shí)包裝生產(chǎn)線的碼垛需求。1.碼垛機(jī)械手的特點(diǎn)1.1碼垛機(jī)械手的主要組成及作用如圖1所示，碼垛機(jī)械手主要由機(jī)座、水平位移機(jī)構(gòu)、垂直位移機(jī)構(gòu)、抓頭機(jī)構(gòu)組成。機(jī)座的作用是固定機(jī)械手，與地面用螺栓連接，是機(jī)械手穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。水平位移機(jī)構(gòu)是由伺服電機(jī)M1驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手水平位移中主要克服機(jī)械手的動(dòng)慣量，伺服電機(jī)M1參數(shù)、運(yùn)動(dòng)曲線的選擇，對于機(jī)

5、械手平穩(wěn)快速運(yùn)行具有重要作用。伺服電機(jī)M1的運(yùn)行范圍360，在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高機(jī)械手的運(yùn)行效率，在不影響碼垛質(zhì)量、場地允許的情況下，建議M1的運(yùn)行范圍盡量小。圖1機(jī)械手基本組成圖1機(jī)座2伺服電機(jī)M1 3水平位移機(jī)構(gòu)4伺服電機(jī)M25平衡緩沖器6機(jī)械臂17伺服電機(jī)M2 8四連桿機(jī)構(gòu)9機(jī)械臂210伺服電機(jī)M4 11抓頭機(jī)構(gòu)垂直位移機(jī)構(gòu)是機(jī)械手的最重要的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，它由平衡緩沖器、伺服電機(jī)M2驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂1、伺服電機(jī)M3驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂2、四連桿機(jī)構(gòu)等組成。伺服電機(jī)M2和伺服電機(jī)M3按照一定的曲線同步運(yùn)行，PLC或伺服電機(jī)同步控制器利用CNC（運(yùn)動(dòng)計(jì)算語言）指令控制運(yùn)行，控制伺服電機(jī)M2和M3的運(yùn)動(dòng)過程

6、，決定機(jī)械手上升下降柔性動(dòng)作的效果。平衡緩沖器主要平衡機(jī)械臂和抓栽物體，同時(shí)對機(jī)械臂的過沖進(jìn)行緩沖。四連桿機(jī)構(gòu)作用是穩(wěn)定抓頭保持水平。抓頭機(jī)構(gòu)由抓頭和驅(qū)動(dòng)垛層旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)M4組成。一般情況下，伺服電機(jī)M4的運(yùn)行和伺服電機(jī)M1的運(yùn)行角度相同，但方向相反。垛層的排列、箱子的大小不同，所用抓頭不同。1.2機(jī)械手碼垛機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)公稱抓舉重量300kg抓舉次數(shù) 700/小時(shí)運(yùn)動(dòng)軸數(shù)4軸水平位移角度360抓頭調(diào)整角度540上下移動(dòng)位移1800電機(jī)功率19KW2.機(jī)械手的控制2.1機(jī)械手的控制方案如圖2所示，機(jī)械手的控制系統(tǒng)主要由G1（PLC）、G2人機(jī)界面、伺服電機(jī)M1-4、伺服驅(qū)動(dòng)器A1-4、檢測

7、元件、執(zhí)行元件等組成。PLC通過CANopen總線控制伺服驅(qū)動(dòng)器A1-4對伺服電機(jī)M1-4的控制。圖2機(jī)械手的控制方案方框圖2.2機(jī)械手在碼垛中的解決方案如圖3所示，實(shí)際碼垛過程中，托盤通過輸垛鏈道將托盤送到B（中心）點(diǎn)，通過輸箱鏈道將待抓箱子有規(guī)律的放到A（中心）點(diǎn)，O點(diǎn)是機(jī)械手的中心，機(jī)械手的作用是把碼好的箱子以R為半徑，旋轉(zhuǎn)角度，從A點(diǎn)移到B點(diǎn)，碼放到需要的層數(shù)為止（一般為5或6層）。從圖3可以看出，機(jī)械手與碼垛中心距OB，機(jī)械手與抓箱中心距OA相等，對于同一個(gè)碼垛場合，是一個(gè)常數(shù)R，輸垛鏈中心線與抓箱中心距離L。根據(jù)sin=L/R，計(jì)算出的角度，即為水平位移機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，K1*為伺服

8、電機(jī)M1的旋轉(zhuǎn)角度（K1為減速機(jī)的圖3機(jī)械手堆垛水平位移圖減速比）。為了是垛位擺正，抓頭機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)-，伺服電機(jī)M4旋轉(zhuǎn)-K2*（K2為減速機(jī)的減速比）。2.3機(jī)械手垂直升降的控制2.3.1作圖法求運(yùn)動(dòng)軌跡機(jī)械手在碼垛過成中，載重量比較大，伺服電機(jī)克服物體的動(dòng)慣量比較大。為了很好的解決這個(gè)問題，我們采取分步運(yùn)行，水平位移和垂直上下位移交替進(jìn)行，增加了機(jī)械手動(dòng)作的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性。從圖3可以看出，機(jī)械手與抓頭中心距恒定不變，對于伺服電機(jī)M2和伺服電機(jī)M3的運(yùn)動(dòng)只要保證抓頭機(jī)構(gòu)垂直升降，利用作圖法求出伺服電機(jī)M2和伺服電機(jī)M3的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖4是機(jī)械手抓頭機(jī)構(gòu)垂直下降300，機(jī)械臂1和機(jī)械臂2的擺動(dòng)角度，

9、求出伺服電機(jī)M2和伺服電機(jī)M3的運(yùn)動(dòng)角度。圖中L1為機(jī)械圖4 機(jī)械臂1和機(jī)械臂2運(yùn)動(dòng)位移示意圖臂1的長度，L2為機(jī)械臂2的長度，L為機(jī)械手與抓頭的中心距。抓頭從C點(diǎn)移動(dòng)到D點(diǎn)，伺服電機(jī)M3從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，機(jī)械臂1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45.1-21.2=23.9，機(jī)械臂2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)79.2-72.6=6.6。伺服電機(jī)M2順時(shí)旋轉(zhuǎn)K1*23.9個(gè)脈沖數(shù)，伺服電機(jī)M3逆時(shí)旋轉(zhuǎn)K2*6.6個(gè)脈沖數(shù)（K1、K2是減速機(jī)減速比與伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)的乘積），不難看出，伺服電機(jī)M2是機(jī)械手上升下降的主驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)M2、M3以M2為主驅(qū)動(dòng)的主從同步運(yùn)行。在相同的時(shí)間內(nèi)，伺服電機(jī)M2順時(shí)旋轉(zhuǎn)K1*23.9個(gè)脈沖數(shù)

10、，伺服電機(jī)M3逆時(shí)旋轉(zhuǎn)K2*6.6個(gè)脈沖數(shù)。伺服電機(jī)M3主要作用是調(diào)整抓頭上升下降，伺服電機(jī)M3主要作用是調(diào)整抓頭的垂直度。2.3.2伺服電機(jī)M2、M3的運(yùn)動(dòng)軌跡修正假設(shè)M2的運(yùn)行速度是V，那么M3的運(yùn)行速度是K2*6.6/K1/23.9*V，在同一時(shí)間內(nèi)，抓頭準(zhǔn)確下降到D點(diǎn)，在運(yùn)行過程中，抓頭的運(yùn)動(dòng)軌跡不是一個(gè)直線，是一個(gè)曲線，有時(shí)可能還會(huì)影響到抓垛過程，也顯得伺服電機(jī)M2、M3的運(yùn)動(dòng)軌跡不協(xié)調(diào)，柔性較差。我們對運(yùn)動(dòng)過程在150處作圖，發(fā)現(xiàn)M3的運(yùn)動(dòng)軌跡差別比較大，如圖5是伺服電機(jī)M2、M3的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖，對M3的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行修正，M3以兩段速度與M2同步運(yùn)行，通過修正后，抓頭運(yùn)行軌跡基本

11、上是一個(gè)直線，達(dá)到預(yù)期的效果。圖5伺服電機(jī)M2、M3同步運(yùn)行曲線示意圖3.垛層的排列形式和相關(guān)參數(shù)計(jì)算啤酒、飲料、調(diào)味品的裝箱，大多采用3x4的12瓶包裝，箱子的長寬比為4：3，這樣就決定了垛層的箱子排列必然是3箱或4箱的組合。以啤酒包裝為例，箱子的長度為300，寬度為225，箱子高度300，毛重14.5Kg。3.1每層10箱的排列每層10箱的排列是334或433的排列，每層重量145Kg，占地面積750x900，每垛5層，層高1500，垛重725Kg，不超過機(jī)械手抓載能力，采用1.5噸的叉車運(yùn)輸有點(diǎn)浪費(fèi)，此方案不是最優(yōu)。3.2每層11箱的排列每層11箱的排列是344或443的排列，每層重量1

12、59.5Kg，占地面積825x900，每垛5層，層高1500，垛重797.5Kg，不超過機(jī)械手抓載能力，采用1.5噸的叉車運(yùn)輸有點(diǎn)浪費(fèi)，此方案不是最優(yōu)。3.3每層14箱的排列每層14箱的排列是3344或4433的排列，每層重量203Kg，占地面積1050x900，每垛5層，層高1500，垛重1015Kg，不超過機(jī)械手抓載能力，采用1.5噸的叉車運(yùn)輸比較適中，此方案比較優(yōu)選。3.4每層16箱的排列每層16箱的排列如圖6所示，每層重量232Kg，占地面積1050x1050，每垛5層，層高1500，垛重1160Kg，不超過機(jī)械手抓載能力，采用1.5噸的叉車運(yùn)輸比較適中，此方案比較優(yōu)選。本方案的缺點(diǎn)是每層的箱子排列控制比較煩瑣，易損壞包裝箱，對機(jī)械