基于同步帶傳動(dòng)的高位袋裝碼垛機(jī)設(shè)計(jì)

張建強(qiáng) 陳 星 劉智鵬

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東 廣州 510800)

目前倉庫碼垛袋裝貨物常采用人工碼垛或碼垛機(jī)械人進(jìn)行碼垛，人工碼垛存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低問題，而品牌眾多的碼垛機(jī)器人(日本FANUTC、安川，德國的KUKA，美國的Boston Dynamics，以及瑞士的ABB)普遍存在單價(jià)過高、維修成本高、維修周期長等問題，這些碼垛機(jī)器人在中國企業(yè)應(yīng)用較少。

高位袋裝碼垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉庫的重要組成部分，通常為了節(jié)約儲(chǔ)存空間，碼垛機(jī)能夠以其自動(dòng)化且能夠?qū)崿F(xiàn)對袋裝物料的規(guī)則堆碼，實(shí)現(xiàn)合理擺盤，符合行業(yè)生產(chǎn)需要，降低了自動(dòng)化成本，讓大中小企業(yè)都能更好地享受低成本、高速和穩(wěn)定的自動(dòng)化碼垛。研究擬以袋裝物料裝盤碼垛為例，設(shè)計(jì)一種基于同步帶傳動(dòng)的高位袋裝碼垛機(jī)，在滿足企業(yè)生產(chǎn)作業(yè)需求的同時(shí)，高位袋裝碼垛機(jī)還具有造價(jià)相對較低、碼垛速度快、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，能大程度上節(jié)省人力，也能降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

1 物料、托盤介紹及碼垛要求

1.1 托盤和袋裝物料的尺寸和重量

應(yīng)用在該款碼垛機(jī)的托盤尺寸為1 500 mm×1 300 mm×140 mm，托盤的單個(gè)重量為40 kg，托盤的寬度方向有兩個(gè)貫通的開槽方便叉車進(jìn)行貨物運(yùn)輸。托盤尺寸示意見圖1。

圖1 托盤尺寸圖

袋裝物料選用的尺寸約為750 mm×550 mm×150 mm，單包物料重量約為40 kg。

1.2 袋裝物料的碼垛要求

碼垛搬運(yùn)行業(yè)對袋裝物料的碼垛排放的形狀是有特定的要求[1]，在行業(yè)當(dāng)中通常使用以下4種垛型：平齊式碼放、正反交錯(cuò)碼放、旋轉(zhuǎn)交錯(cuò)碼放、縱橫交錯(cuò)碼放。

1.2.1 平齊式碼放 貨物在托盤上朝著一個(gè)方向并排并列從最底層碼放到最頂層的形式，如圖2所示。其特點(diǎn)是擺放形式整齊，貨物的4個(gè)邊角對齊，承受載荷大，但會(huì)由于貨物層與層之間無法嚙合，使得貨物之間失去對應(yīng)關(guān)系，容易引起垛型分離，牢固性變差。

圖2 重疊式碼放示意圖

1.2.2 一正一反分割碼放 同層不同行的貨物一正一反地分列碼放，層與層之間貨物反向堆放，如圖3所示。其特點(diǎn)是上、下層之間各呈方向咬合，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性較強(qiáng)。但由于4個(gè)邊角不能一一對應(yīng)，在托盤上無法達(dá)到平衡重量，削弱了托盤承重能力。

圖3 正反交錯(cuò)碼放示意圖

1.2.3 回旋首尾交接碼放 此方式每層貨物均呈風(fēng)車型，層與層之間貨物一一對應(yīng)堆疊，互相咬合交叉，如圖4所示。其特點(diǎn)是貨物在托盤上碼放穩(wěn)定性高，層與層之間的交叉呈正方形垛，貨垛更加牢固，但增加了碼放難度，且由于中間存在空位，造成托盤裝載能力下降。

1.2.4 橫豎交替碼放 此方式是將托盤上層與下層之間貨物擺放呈90°角堆放，即一層橫向放置，一層縱向放置，

圖4 旋轉(zhuǎn)交錯(cuò)碼放示意圖

如圖5所示。其特點(diǎn)是適合碼放呈正方形貨垛，貨物之間的相互交錯(cuò)增加了摩擦力和咬合力，層與層之間聯(lián)系密切，增加貨垛牢固性。

圖5 縱橫交錯(cuò)碼放示意圖

該款碼垛機(jī)額定工作效率為≥400袋/h，碼垛層數(shù)8～10層，垛型要求牢固、定量、整齊、以及方便堆放和運(yùn)輸。同時(shí)對于碼放的形狀有著咬合強(qiáng)度高和穩(wěn)定性強(qiáng)的要求，同時(shí)根據(jù)行業(yè)的一般標(biāo)準(zhǔn)，選擇正反交錯(cuò)碼放的垛型[2]。

2 高位袋裝碼垛機(jī)方案設(shè)計(jì)

2.1 碼垛機(jī)功能確定總體模型

該款碼垛機(jī)具有的主要功能為：托盤儲(chǔ)存功能、貨物抬升功能、托盤自動(dòng)進(jìn)給功能、托盤抬升功能、貨物自動(dòng)碼放功能[3]。

2.1.1 托盤存儲(chǔ)功能 碼垛機(jī)是全自動(dòng)的碼垛設(shè)備，需要具有將托盤存儲(chǔ)的功能縮短人工干預(yù)的周期，提高碼垛機(jī)的生產(chǎn)效率。

2.1.2 貨物抬升功能 該款碼垛機(jī)為高位碼垛機(jī)，貨物的編碼高度必須大于最大的層數(shù)高度，利用重力的作用將貨物逐層堆垛。

2.1.3 托盤自動(dòng)進(jìn)給功能 根據(jù)自動(dòng)化設(shè)備的要求，需要托盤從存儲(chǔ)區(qū)到工作區(qū)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)移和定位。

2.1.4 托盤抬升功能 由于貨物是在固定的高度經(jīng)過重力作用最終完成碼放的，這就要求貨物下降的高度不能太高而且是固定不變的，以達(dá)到質(zhì)量統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此托盤需要抬升的高度必須隨著工作過程不斷變化。

2.1.5 貨物自動(dòng)碼放功能 這是碼垛機(jī)的核心功能，試驗(yàn)選擇的垛型為正反交錯(cuò)碼放，貨物需要有90°的旋轉(zhuǎn)，因此該功能要實(shí)現(xiàn)貨物在預(yù)定地點(diǎn)和預(yù)定姿態(tài)投放。

2.2 碼垛機(jī)模塊化處理

機(jī)械設(shè)計(jì)中的模塊化應(yīng)用是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中最常見和最廣泛的設(shè)計(jì)方法[4]。在碼垛機(jī)的整體設(shè)計(jì)中應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)方法，其第一步即對碼垛機(jī)各模塊進(jìn)行科學(xué)劃分，在劃分好模塊后需要確定模塊的具體功能，普通的模塊功能都比較單一，但有些模塊需具備多種功能來滿足現(xiàn)實(shí)使用的需求。同時(shí)在組裝過程中應(yīng)確保模塊的完整性和獨(dú)立性，因而在后期的保養(yǎng)和維修過程中能夠及時(shí)更換，保證生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)效率。最終根據(jù)市場調(diào)研和對碼垛機(jī)功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，完成劃分模塊的檢驗(yàn)。

根據(jù)上述內(nèi)容，碼垛機(jī)可以大致的分為托盤儲(chǔ)存模塊、托盤抬升模塊、3軸移動(dòng)平臺(tái)編碼模塊、送料模塊、輸送帶模塊。碼垛機(jī)的整體示意圖如圖6所示。

1. 送料模塊 2. 托盤抬升模塊 3. 3軸移動(dòng)平臺(tái)編碼模塊 4. 輸送帶模塊 5. 托盤儲(chǔ)存模塊

圖6 碼垛機(jī)整體示意圖

Figure 6 Overall sketch of palletizer

3 堆疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

堆疊機(jī)構(gòu)核心組成部分是3軸移動(dòng)平臺(tái)編碼模塊，該模塊主要是依靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶傳動(dòng)在X軸、Y軸上平移以及Z軸的90°旋轉(zhuǎn)，其中X軸的導(dǎo)軌安裝在托盤抬升模塊的碼垛機(jī)機(jī)架頂部，如圖7所示。

1. 伺服電機(jī) 2. 沿Y軸移動(dòng)同步帶 3. 沿X軸移動(dòng)同步帶

Figure 7 Schematic diagram of the coding module of the three-axis mobile platform as a whole

貨物由輸送帶和平臺(tái)的同速運(yùn)動(dòng)過程中，從輸送帶的末端轉(zhuǎn)移到3軸移動(dòng)平臺(tái)上，平臺(tái)在PLC的控制下將指定的貨物運(yùn)送至指定的位置后，由氣缸將合頁打開，貨物經(jīng)重力的作用完成碼垛。為了保證碼垛的精度和編程的方便性，采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力來源[5]。

3.1 X、Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分析

在X、Y軸上采用同步帶傳動(dòng)，同步帶傳動(dòng)是一種嚙合型的帶傳動(dòng)[6]。同步帶的內(nèi)表面等距分布著橫向齒和同步帶輪的齒槽相對應(yīng)，通過兩齒之間的嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)。該種傳動(dòng)方式?jīng)]有傳統(tǒng)帶傳動(dòng)的相對滑動(dòng)，能夠保證傳動(dòng)比。

同步帶的本體是聚氨酯或氯丁橡膠，具有彈性，同步帶的負(fù)載層采用的是伸縮率很小的鋼絲或者玻璃纖維壓鑄成型，在同步帶工作時(shí)受到拉力和應(yīng)力作用的伸縮率非常小，保證了同步帶的節(jié)距保持不變，使得同步帶和帶輪能夠正常嚙合獲得準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。

碼垛機(jī)的3軸移動(dòng)平臺(tái)中X和Y軸的傳動(dòng)，通過同步帶與移動(dòng)平臺(tái)的固定來實(shí)現(xiàn)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，如圖8所示，固定板的作用是將同步帶和平臺(tái)實(shí)現(xiàn)連接起來。

1. 傳送帶 2. 固定塊 3. 轉(zhuǎn)盤

3.2 繞Z軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3軸移動(dòng)平臺(tái)的第3軸為繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°的旋轉(zhuǎn)軸，根據(jù)垛型的要求貨物需要有交錯(cuò)90°的碼放位置。由于平臺(tái)需要將貨物旋轉(zhuǎn)后放下，所以3軸移動(dòng)平臺(tái)最上層的圓盤必須整體旋轉(zhuǎn)，但會(huì)導(dǎo)致需要旋轉(zhuǎn)的圓盤面積較大。圓盤的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)的方式最終鎖定在齒輪傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)中，進(jìn)行二選一。

齒輪傳動(dòng)的方案需要將齒條安裝在圓盤上，或者將圓盤進(jìn)行激光切割，在圓盤的邊緣制成齒輪模樣，在這個(gè)方案當(dāng)中圓盤的加工費(fèi)用高昂。

同步帶傳動(dòng)方案中，電機(jī)直接連接同步帶輪，將同步帶剪斷，同步帶的兩端用螺絲固定在圓盤上，并將同步帶繞過電機(jī)的同步帶輪。利用同步帶和圓盤相對靜止，電機(jī)帶動(dòng)同步帶來實(shí)現(xiàn)圓盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[7]。同步帶的布局簡圖如圖9所示。

1. 同步帶 2. 球閥氣缸 3. 圓管門

4 高位碼垛機(jī)上同步帶輪選型分析

同步帶輪傳動(dòng)是靠同步帶齒與同步帶輪齒之間的嚙合實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，兩者無相對滑動(dòng)，而使圓周速度同步，故稱為同步帶傳動(dòng)。在堆疊機(jī)構(gòu)中，同步帶在伺服電機(jī)帶動(dòng)下長距離的傳動(dòng)過程也能具有比較高的精度，比較低廉的成本，綜上所述碼垛機(jī)的3軸移動(dòng)平臺(tái)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)選擇同步帶傳動(dòng)。如圖9所示，設(shè)計(jì)中所用同步帶輪所處的位置在可移動(dòng)轉(zhuǎn)盤，可移動(dòng)轉(zhuǎn)盤兩個(gè)動(dòng)作需要使用到同步帶輪，即轉(zhuǎn)盤對物料的旋轉(zhuǎn)擺放及水平輸送，從而實(shí)現(xiàn)在堆垛板對物料進(jìn)行自動(dòng)規(guī)則堆疊。因此，在可移動(dòng)轉(zhuǎn)盤上實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)動(dòng)作進(jìn)行運(yùn)動(dòng)計(jì)算分析，根據(jù)運(yùn)動(dòng)所需條件進(jìn)行同步帶輪選型[8]。

4.1 繞Z軸方向旋轉(zhuǎn)的同步帶及帶輪選型計(jì)算

旋轉(zhuǎn)方向設(shè)計(jì)要求：帶動(dòng)物料需要力196 N，轉(zhuǎn)盤直徑1.45 m，轉(zhuǎn)動(dòng)半圈需要同步帶輪持續(xù)工作1 s。

(1) 設(shè)計(jì)功率：按式(1)計(jì)算。

Pd=KA×P，

(1)

式中：

Pd——設(shè)計(jì)功率，kW；

KA——載荷修正系數(shù)；

P——傳遞功率的功率，kW。

傳遞功率的功率按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：

P——傳遞功率的功率，kW；

F——帶動(dòng)物料需要力，N；

v——速度，m/s；

η——工作效率。

根據(jù)式(2)求得：P=0.32 kW。同步帶普通每天使用8～10 h，查表取載荷修正系數(shù)KA=1.9，根據(jù)式(1)求得：Pd=0.6 kW。

(2) 帶型選擇：根據(jù)式(1)求得的結(jié)果和帶輪轉(zhuǎn)速n=30 r/min，查表優(yōu)選8M圓弧齒同步帶輪。

(3) 帶輪齒數(shù)z及節(jié)圓直徑d1：根據(jù)帶速v和安裝尺寸允許，查表選擇同步帶輪齒數(shù)z=22，節(jié)距pb=8 mm。根據(jù)式(3)求得節(jié)圓直徑d1=56 mm。

(3)

式中：

d1——節(jié)圓直徑，mm；

z——同步帶輪齒數(shù)；

pb——節(jié)距，mm。

(4) 帶速v：根據(jù)式(4)求得帶速v=0.087 m/s。

(4)

式中：

v——速度，m/s；

d1——節(jié)圓直徑，mm；

n——轉(zhuǎn)速，r/min。

(5) 基準(zhǔn)額定功率P0：由z=22，d1=56 mm，n=30 r/min查表得P0=0.07 kW。

(6) 帶寬bS：嚙合修正系數(shù)KZ查表可取1.0，帶長修正系數(shù)KL查表可取1.02，基準(zhǔn)帶寬bS0=20 mm。根據(jù)式(5)求得bS≥33.17 mm。

(5)

式中：

bS——帶寬，mm；

bS0——基準(zhǔn)帶寬，mm；

Pd——設(shè)計(jì)功率，kW；

KL——帶長修正系數(shù)；

KZ——嚙合修正系數(shù)；

P0——基準(zhǔn)額定功率，kW。

因此選定旋轉(zhuǎn)方向同步帶輪：帶輪型8M圓弧齒同步帶輪，節(jié)圓直徑56 mm，齒數(shù)22，帶輪總寬33.17 mm。

4.2 水平同步帶及帶輪選型計(jì)算

水平方向設(shè)計(jì)要求：帶動(dòng)物料移動(dòng)需要力100 N，向前2 m所需時(shí)間2 s。

(1) 設(shè)計(jì)功率：根據(jù)式(2)求得P=111.11 W。根據(jù)每天工作16 h的工作情況，查表取載荷修正系數(shù)KA=1.9，根據(jù)式(1)求得設(shè)計(jì)功率Pd=211.11 W。

(2) 帶型選擇：根據(jù)Pd=211.11 W和帶輪轉(zhuǎn)速n=100 r/min，查表可選5M圓弧齒同步帶輪。

(3) 帶輪齒數(shù)z及節(jié)圓直徑d1：根據(jù)帶速v和安裝尺寸允許，z盡可能選擇較大值，通過查表選擇，齒數(shù)z=20，節(jié)距pb=5 mm，根據(jù)式(3)求得，節(jié)圓直徑d1=31.83 mm。

(4) 帶速v：根據(jù)式(4)得帶速v=0.17 m/s。

(5) 基準(zhǔn)額定功率P0：由z=40，d1=31.83 mm，n=100 r/min查表得P0=0.035 kW。

(6) 帶寬bS：嚙合修正系數(shù)KZ查表可取1.0，帶長修正系數(shù)KL查表可取1.02，基準(zhǔn)帶寬bS0=9 mm。根據(jù)式(5)得bS≥9.20 mm。

因此選定旋轉(zhuǎn)方向同步帶輪：帶輪型5M圓弧齒同步帶輪，節(jié)圓直徑63.66 mm，齒數(shù)20，帶輪總寬9.20 mm。

5 主軸的有限元分析

碼垛機(jī)的主軸是整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中最主要的承重結(jié)構(gòu)，利用SolidWorks Simulation對托盤抬升模塊的主軸進(jìn)行靜應(yīng)力及有限元分析[9]。SolidWorks在具有非常完善的零件建模功能之外，還有同樣方便設(shè)計(jì)師的零件裝配功能。在使用SolidWorks的裝配模塊時(shí)可以對零部件進(jìn)行關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)修改。裝配體的運(yùn)動(dòng)可以通過配合關(guān)系來實(shí)現(xiàn)，在軟件當(dāng)中能夠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)而對零部件的運(yùn)動(dòng)過程中可以完成動(dòng)態(tài)的零部件干涉檢測和間隙檢測。托盤提升模塊的模型就是一個(gè)比較大裝配體，如圖10所示，在該裝配體當(dāng)中托盤架在機(jī)架當(dāng)中上下運(yùn)動(dòng)，在托盤運(yùn)動(dòng)的上下限位能夠直觀地看出托盤是否具有干涉現(xiàn)象。

1. 托盤架 2. 機(jī)架 3. 主軸 4. 電機(jī)

5.1 前處理

(1) 將機(jī)架導(dǎo)入SolidWorks Simulation模塊中，新建算例靜應(yīng)力并添加上述參數(shù)，結(jié)果如圖11所示。

圖11 新建算例

(2) 設(shè)置主軸的材料。材料為45#鋼，45#鋼的物理屬性如圖12所示，彈性模量為2.09×1011N/m2，泊松比為0.269，中抗剪模量8.23×1010N/m2，屈服強(qiáng)度355 MPa，熱膨脹系數(shù)為1.17×10-5K。

(3) 固定主軸。主軸是由兩個(gè)固定在碼垛機(jī)的機(jī)架上的球面軸承固定，主軸固定的位置如圖13所示。

(4) 確定外部載荷。主軸的載荷由兩部分組成，扭矩和徑向壓力，其中扭矩為工作扭矩1 496.55 N·m，徑向壓力為1 494 617 N/m2，作用的位置如圖14所示[10]。

(5) 網(wǎng)格劃分。在SolidWorks Simulation中具有非常強(qiáng)大的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能，并且可以微調(diào)網(wǎng)格的大小和類型如圖15所示。

5.2 碼垛機(jī)主軸有限元分析

在靜應(yīng)力分析的算例當(dāng)中，計(jì)算出結(jié)果包括了應(yīng)力、位移和應(yīng)變[11]。如圖16所示，最小應(yīng)力為1.940×103N/m2，最大應(yīng)力為1.227×108N/m2。根據(jù)有限元分析得到，碼垛機(jī)主軸的設(shè)計(jì)是符合要求的，對于軸承受的彎矩過大時(shí)會(huì)出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象，可以將軸承支撐的位置盡量靠近徑向壓力的作用位置上。

圖12 45#鋼的物理屬性

圖13 主軸夾具設(shè)置

Figure 13 Spindle fixture settings

圖14 外部載荷示意圖

圖15 主軸網(wǎng)格劃分

Figure 15 Dividing spindle mesh

圖16 主軸有限元分析結(jié)果

6 結(jié)論

(1) 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的袋裝碼垛機(jī)依靠堆疊機(jī)構(gòu)以同步帶傳動(dòng)的方式按照場合要求逐層堆疊碼放袋裝物料，這種傳動(dòng)方式由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過模塊化設(shè)計(jì)為袋裝物料的碼垛提供一種可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)堆垛且能根據(jù)袋裝物料形狀的不同來合理調(diào)整擺放位置，能夠滿足碼垛行業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)要求，輕松實(shí)現(xiàn)碼垛的各種跺型需求。

(2) 設(shè)計(jì)仍然有一些不足，例如整機(jī)設(shè)計(jì)的重量較大，對于產(chǎn)能小的企業(yè)倉庫并不適用。但在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮了其在自動(dòng)立體倉庫的實(shí)用性價(jià)值，以及碼垛機(jī)的應(yīng)用方法當(dāng)中，依靠高位袋裝自動(dòng)堆垛的方法解決袋裝物料分類碼垛問題。