升降橫移式包裝箱碼垛機(jī)的設(shè)計(jì)

陸 波，錢振華，陳曉東

（1.湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，浙江 湖州 313000；2.湖州銳格物流科技有限公司，浙江 湖州 313000）

1 引言

在日用品、食品等輕工行業(yè)的產(chǎn)品物流和運(yùn)輸過程中，往往需要對(duì)產(chǎn)品的包裝箱進(jìn)行碼垛，以便叉車搬運(yùn)。常見的碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)節(jié)機(jī)器人式[1]、橋式[2～3]、龍門式[4]等。關(guān)節(jié)機(jī)器人式碼垛機(jī)一般為四軸結(jié)構(gòu)，且均由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能適應(yīng)多種物料的搬運(yùn)碼垛，但一般一次只能抓取一件物料，效率較低。橋式和龍門式碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)上相類似，均采用起重橋結(jié)構(gòu)，活動(dòng)范圍大，承載能力強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)較笨重，占地面積大，不太適用于輕工行業(yè)。本文采用機(jī)械式升降橫移式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型碼垛機(jī)。該碼垛機(jī)具有占地面積小、碼垛效率高的特點(diǎn)，非常適用于輕工行業(yè)產(chǎn)品包裝箱的搬運(yùn)碼垛。

2 碼垛機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

包裝箱碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖中1為升降電機(jī)，通過鏈條傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)升降架的上下移動(dòng)；2 為橫移電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)氣爪機(jī)械結(jié)構(gòu)的橫向移動(dòng)；3 為框架，對(duì)整個(gè)碼垛機(jī)起支撐作用；4為升降架，上面安裝有橫移電機(jī)和機(jī)械手氣爪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)包裝箱的抓取和搬運(yùn)；5 為輸送線，用于將打包好的包裝箱輸送到碼垛機(jī)；6 為包裝箱；7 為整形臺(tái)，用于對(duì)包裝箱進(jìn)行規(guī)則排列和整理；8 為托盤，用于叉車叉取和搬運(yùn)；9為氣爪，用于抓取包裝箱。

圖1 碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)圖

該碼垛機(jī)的工作原理如下：

（1）通過輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)將包裝箱輸送至碼垛機(jī)整形臺(tái)，對(duì)包裝箱進(jìn)行整齊排列，三箱為一列，共排兩列；

（2）包裝箱整形完成后，橫移電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)升降架移動(dòng)至整形臺(tái)正上方；

（3）升降電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)升降架下降，到達(dá)抓取位置后氣爪動(dòng)作，同時(shí)抓取6只包裝箱；

（4）待氣爪抓取包裝箱后升降電機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)升降架上升；

（5）上升到位后橫移電機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)升降架橫向移動(dòng)到托盤上方；

（6）橫向移動(dòng)到位后，升降電機(jī)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)升降架下降，下降到位后氣爪釋放包裝箱；

（7）升降電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)升降架上升，到位后橫移電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)升降架回到整形臺(tái)上方，等待下次抓??；

（8）一個(gè)托盤的堆垛為9層，每層6只包裝箱，共計(jì)54只包裝箱。

3 碼垛機(jī)主要工作參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

碼垛機(jī)的升降采用了鏈條傳動(dòng)，鏈條的平均線速度[5]v1：

式中：

p—傳動(dòng)鏈輪的節(jié)距，mm；

z1—主動(dòng)鏈輪的齒數(shù)；

z2—從動(dòng)鏈輪的齒數(shù)；

n1—主動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)速，r/min；

n2—從動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)速，r/min。

升降電機(jī)選用了城邦CH3700型減速電機(jī)，功率為3.7KW，額定轉(zhuǎn)速1 400r/min，減速比為10:1。主動(dòng)鏈輪齒數(shù)z1為14，從動(dòng)鏈輪齒數(shù)z2為18，鏈條節(jié)距p為19.05mm。碼垛機(jī)的提升速度等于鏈條的平均線速度，因此，可根據(jù)式（1）計(jì)算出碼垛機(jī)的提升速度v1：

碼垛機(jī)氣爪結(jié)構(gòu)的橫向移動(dòng)采用齒輪齒條的傳動(dòng)方式，橫移電機(jī)軸上裝有齒輪，升降架上裝有齒條。橫移時(shí)，橫移電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒條可以看作一個(gè)齒數(shù)無(wú)窮多的齒輪的一部分，這時(shí)齒輪的各圓均變?yōu)橹本€，作為齒廓曲線的漸開線也變?yōu)橹本€。碼垛機(jī)氣爪結(jié)構(gòu)的橫向移動(dòng)速度v2與齒輪分度圓直徑d、轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系為：

式中:

m—齒輪模數(shù)，mm；

z—齒輪齒數(shù)；

n—齒輪轉(zhuǎn)速，r/min。

橫移電機(jī)選用了臺(tái)邦6IK200A 型減速電機(jī)，功率為400W，額定轉(zhuǎn)速1 400r/min，減速比為10:1。由于選用的齒輪模數(shù)m 為3mm，齒數(shù)z 為25，則可根據(jù)式（3）計(jì)算出橫移速度v2：

4 碼垛機(jī)的控制系統(tǒng)

根據(jù)包裝箱碼垛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和組成，設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

系統(tǒng)選用西門子CPU226 PLC作為控制核心，并采用EM223模塊作為外部輸入輸出信號(hào)的擴(kuò)展。該型PLC 技術(shù)成熟、可靠性高、價(jià)格適中，且具有一定的擴(kuò)展能力，主要用于控制升降電機(jī)變頻器、橫移電機(jī)變頻器、氣動(dòng)電磁閥組、升降電機(jī)編碼器信號(hào)的處理及其它外部I/O數(shù)字量的處理等任務(wù)[6]。

圖2 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

提升電機(jī)采用西門子MM440 變頻器控制，功率為4KW；橫移電機(jī)同樣采用西門子MM440 變頻器控制，功率為0.55KW。西門子MM440變頻器是專門針對(duì)需要更加廣泛的功能和更高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。這些高級(jí)矢量控制系統(tǒng)可確保一致的高驅(qū)動(dòng)性能，即使發(fā)生突然負(fù)載變化時(shí)也是如此。該變頻器帶有一個(gè)集成制動(dòng)斬波器，即使在制動(dòng)和短減速斜坡期間，也能以較高的精度工作，在升降電機(jī)編碼器的配合下，完全能滿足堆垛高度的位置控制。

人機(jī)界面（HMI）選用了步科（Kinco）MT4414TE觸摸屏，可供操作人員對(duì)碼垛機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作控制和監(jiān)控。該控制系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定性好、成本相對(duì)低廉、易于操作和維護(hù)的特點(diǎn)。

碼垛機(jī)控制系統(tǒng)的PLC 程序采用模塊式編寫，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主程序和多個(gè)子程序。子程序有：升降控制子程序、橫移控制子程序、整形臺(tái)控制子程序、氣爪抓箱控制子程序、報(bào)警和安全處理子程序等。碼垛機(jī)控制系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)主程序主要負(fù)責(zé)碼垛機(jī)控制程序啟動(dòng)和控制參數(shù)初始化，并根據(jù)不同的工作模式調(diào)用各個(gè)子程序。

各個(gè)子程序的功能如下：

（1）升降控制子程序：對(duì)升降電機(jī)變頻器進(jìn)行控制，并對(duì)升降電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行處理，精確控制機(jī)械手氣爪的上下位置；

（2）橫移控制子程序：負(fù)責(zé)橫移電機(jī)變頻器的控制，并通過檢測(cè)左、右減速和極限限位開關(guān)信號(hào)來控制機(jī)械手氣爪的左右位置；

（3）整形臺(tái)控制子程序：負(fù)責(zé)對(duì)輸送線送來的包裝箱進(jìn)行規(guī)則排列，形成3′2 結(jié)構(gòu)，以便機(jī)械手氣爪的抓??；

（4）氣爪抓放控制子程序：負(fù)責(zé)對(duì)氣爪電磁閥組進(jìn)行控制，控制機(jī)械手氣爪對(duì)包裝箱的抓、放；

（5）報(bào)警和安全處理子程序：負(fù)責(zé)電機(jī)故障、氣爪故障、編碼器信號(hào)故障、超程故障等的判斷和處理。

圖3 碼垛機(jī)控制系統(tǒng)工作流程圖

5 碼垛機(jī)的保養(yǎng)與維護(hù)

該碼垛機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)穩(wěn)定性較高，因此保養(yǎng)與維護(hù)較為方便，主要涉及以下幾個(gè)方面：

（1）做好碼垛機(jī)保養(yǎng)與維護(hù)的記錄和歸檔，將技術(shù)保養(yǎng)的項(xiàng)目?jī)?nèi)容規(guī)范化。碼垛機(jī)設(shè)備的保養(yǎng)規(guī)范是指對(duì)機(jī)械技術(shù)保養(yǎng)要求的規(guī)定。包括定期檢查傳動(dòng)鏈條和齒輪齒條的潤(rùn)滑狀態(tài)，并根據(jù)需要添加潤(rùn)滑油/脂；定期檢查機(jī)械手氣爪機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，防止異物、水等進(jìn)入氣動(dòng)回路等。并根據(jù)不同保養(yǎng)項(xiàng)目?jī)?nèi)容和要求進(jìn)行保養(yǎng)并做好記錄，建立相應(yīng)的設(shè)備檔案，為今后保養(yǎng)和判斷機(jī)械狀況以及維修提供可靠的依據(jù)。

（2）對(duì)操作人員及保養(yǎng)維護(hù)人員進(jìn)行培訓(xùn)，確保各項(xiàng)工作能按操作規(guī)程進(jìn)行。碼垛機(jī)的操作人員及保養(yǎng)維護(hù)人員應(yīng)當(dāng)經(jīng)過嚴(yán)格操作培訓(xùn)，持證上崗，熟悉碼垛機(jī)的構(gòu)造、原理、性能等，按碼垛機(jī)操作規(guī)程進(jìn)行操作、保養(yǎng)和維護(hù)。

（3）由于碼垛機(jī)采用了多種精密傳感器以及控制設(shè)備，工作環(huán)境需確保干燥。如運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)器電氣設(shè)備部分有水漬，應(yīng)立即停機(jī)并切斷電源，及時(shí)將水漬清理干凈，清理完成后方可重新啟動(dòng)碼垛機(jī)。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式升降橫移式結(jié)構(gòu)的碼垛機(jī)。該機(jī)的升降機(jī)構(gòu)采用了鏈條傳動(dòng)形式，升降速度可達(dá)0.62m/s；橫移機(jī)構(gòu)采用了齒輪齒條傳動(dòng)形式，橫移速度達(dá)0.55m/s。碼垛機(jī)控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、變頻器、氣動(dòng)電磁閥組、編碼器等組成，并采用模塊化方式編寫了系統(tǒng)控制程序。在實(shí)際使用中，該碼垛機(jī)工作穩(wěn)定性高，操作與維護(hù)方便，工作效率較高，廣受企業(yè)好評(píng)。