一種通用性高位碼垛機(jī)的研究開發(fā)

陳廣勝 史步海 張文祖 王 越

（1.清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東清遠(yuǎn)，511500；2.華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州，510641；3.金鑫（清遠(yuǎn)）紙業(yè)有限公司，廣東清遠(yuǎn)，511517）

碼垛機(jī)是自動化生產(chǎn)線中最常用的設(shè)備，它是將包裝好的產(chǎn)品按一定規(guī)律堆放在托盤（棧板）上，而且可以根據(jù)要求堆放多層，便于叉車搬運(yùn)存儲的一種設(shè)備[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展，不管大型制造企業(yè)還是中小型制造企業(yè)，對碼垛機(jī)的依賴越來越高，在食品飲料、化工、倉儲物流、機(jī)械制造等行業(yè)都廣泛應(yīng)用[2-4]。

目前制造企業(yè)常用的碼垛機(jī)主要有3 類[5-6]：第一類是橋式，自行搭建一個機(jī)械抓手，通過橋可在X/Y/Z 方向進(jìn)行運(yùn)動，把產(chǎn)品按要求進(jìn)行抓取堆疊；第二類是采用專用碼垛機(jī)器人，再結(jié)合實際生產(chǎn)搭建相關(guān)平臺，通過碼垛機(jī)器人進(jìn)行堆疊；第三類是高位碼垛機(jī)，是為了實現(xiàn)較大貨物多層堆疊，通常把貨物通過斜坡輸送機(jī)送到高處，通過棧板的上下運(yùn)行實現(xiàn)多層堆疊[7-8]。前兩類碼垛機(jī)比較靈活，體積小質(zhì)量較輕的產(chǎn)品應(yīng)用較多，但不適合高位堆疊。第三類碼垛機(jī)相對前兩類來說結(jié)構(gòu)簡單，效率高，是體積大和質(zhì)量大的產(chǎn)品常用的堆疊方法，一般由匯總輸送機(jī)、斜坡輸送機(jī)、轉(zhuǎn)位機(jī)、編組機(jī)、分層機(jī)、升降機(jī)、托盤倉、托盤輸送機(jī)、垛盤輸送機(jī)及高架平臺等部件組成[9-10]。由于采用了斜坡輸送機(jī)，不同規(guī)格的包裝箱對斜坡的坡度要求不同，限制了設(shè)備的通用性，設(shè)備體積龐大[11-12]。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)更簡單，人機(jī)交互方便的高位碼垛機(jī)，通過在清遠(yuǎn)市某紙業(yè)公司的應(yīng)用表明，該碼垛機(jī)比傳統(tǒng)的高位碼垛機(jī)工作效率更高，通用性更強(qiáng)，適合大體積的產(chǎn)品進(jìn)行高位碼垛。

1 工藝及高位碼垛機(jī)的要求

1.1 工藝說明

大體積產(chǎn)品碼垛一般都需要高位多層堆箱，這就要考慮多層堆箱的穩(wěn)定性和容量，為了提高堆箱的穩(wěn)定性，對產(chǎn)品在棧板上的擺放有一定的要求，以某品牌的A4 打印紙包裝箱為例，包裝箱主要分為5 包和10 包兩種規(guī)格，具體堆放示意圖見圖1 和圖2。用同一規(guī)格（1100×1100）cm 棧板堆疊時，有不同的堆疊規(guī)律，相鄰兩層采用交叉包裝箱的擺放方式。使堆疊后的包裝箱穩(wěn)定且不浪費(fèi)空間。

1.2 傳統(tǒng)高位碼垛機(jī)的問題及改進(jìn)思路

圖1 5包規(guī)格堆放示意圖

圖2 10包規(guī)格堆放示意圖

傳統(tǒng)高位碼垛機(jī)一般針對一種規(guī)格包裝箱進(jìn)行設(shè)計，通用性不強(qiáng)，在競爭激烈的產(chǎn)品市場，隨時會根據(jù)市場需求推出不同規(guī)格不同包裝的多樣化產(chǎn)品。由于傳統(tǒng)高位碼垛機(jī)采用斜坡輸送機(jī)，把包裝箱產(chǎn)品通過滾筒斜坡送至碼垛要求的最高處，當(dāng)包裝箱的質(zhì)量、包裝箱與斜坡接觸面積發(fā)生變化時，由于摩擦系數(shù)等問題，一種規(guī)格的斜坡無法輸送不同規(guī)格的包裝箱，導(dǎo)致無法對多種規(guī)格包裝箱進(jìn)行碼垛。對于一些表面比較光滑、摩擦系數(shù)較小的產(chǎn)品包裝箱，則需要坡度較小、長度較長的斜坡輸送機(jī)，大大增加了設(shè)備占地空間，不利于設(shè)備布置。

通過對高位碼垛機(jī)的包裝箱提升裝置進(jìn)行改造，使用垂直提升代替斜坡輸送，能很好地解決斜坡無法滿足多規(guī)格包裝箱提升的問題。在保證效率的情況下，如何配置和改造提升裝置是設(shè)計高位碼垛機(jī)能否成功的關(guān)鍵。

2 高位碼垛機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

圖3 為高位碼垛機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。高位碼垛機(jī)主要部件有：匯總輸送機(jī)、轉(zhuǎn)位機(jī)、編組機(jī)、分層機(jī)、垛盤輸送機(jī)等。

圖3 高位碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖（轉(zhuǎn)位、編組、分層）

匯總輸送機(jī)是將生產(chǎn)線上包裝好的產(chǎn)品匯總成一條傳輸線，主要由滾筒和電機(jī)組成。轉(zhuǎn)位機(jī)是把箱子編號根據(jù)堆箱規(guī)律對部分長方體的包裝箱調(diào)整方向的機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向原理如圖4所示。當(dāng)需要箱子轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向氣缸推出，箱子碰撞突出機(jī)構(gòu)時，在滾筒旋轉(zhuǎn)的推力下實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，如果不需要轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向氣缸縮回，箱子保持方向前進(jìn)。

編組機(jī)的功能是根據(jù)堆箱規(guī)律，對于并排同方向的2 個（或4 個）箱子進(jìn)行編組，編組后進(jìn)入分層機(jī)，主要由推柱和擋板組成。推柱的作用是把同組的第一個箱子推到靠邊，利用擋板阻擋箱子前進(jìn)，等第二個箱子到來后一起送到分層機(jī)。

分層機(jī)是把編組機(jī)送來的箱子進(jìn)行處理，把一層的箱子根據(jù)要求進(jìn)行擺放，擺好一層箱子后，把整層箱子推進(jìn)垛盤輸送機(jī)，主要由滾筒和推板組成。根據(jù)箱子擺放規(guī)律，當(dāng)有1/2 層箱子時推一半行程，等另一半層箱子到來之后一起送到垛盤輸送機(jī)。

圖4 轉(zhuǎn)位機(jī)功能示意圖

圖5 垛盤輸送機(jī)功能示意圖

垛盤輸送機(jī)是把擺放好的一層箱子輸送到棧板上，實現(xiàn)包裝箱垂直提升的功能，主要是由一塊可上下移動和左右移動的送箱板組成，由兩臺電機(jī)進(jìn)行控制，如圖5所示。當(dāng)送箱板移到棧板上方時，利用由氣缸控制的擋板把箱子擋住，送箱板后撤，箱子就落到棧板上層，實現(xiàn)了送箱功能。

3 高位碼垛機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件配置

系統(tǒng)以PLC 為控制核心，結(jié)合人機(jī)交互HMI 方便操作與參數(shù)修改，主要通過三相異步電動機(jī)、氣缸和各種傳感器實現(xiàn)系統(tǒng)功能，總體控制方案見圖6。PLC 選用了三菱FX3U-32MT 型號，晶體管輸出型，主要控制變頻器、電磁閥和控制電機(jī)的繼電器，接收各種開關(guān)信號和用于檢測的傳感器信號；選用了昆侖通態(tài)TPC7062KX 觸摸屏，用于給下位機(jī)發(fā)出指令，同時也對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，還能顯示系統(tǒng)故障報警信息；在控制終端執(zhí)行部件中，選用了伺服電機(jī)控制垛盤輸送機(jī)的輸送板升降運(yùn)動，輸送板的升降是本系統(tǒng)中位移精度要求最高的，送每一層箱子均要參照棧板上現(xiàn)有貨物的高度，又不能離開現(xiàn)有貨物太高，太高容易卸箱子時不穩(wěn)，出現(xiàn)箱子移位對不齊等異常情況。而輸送板的水平移動不需要多段位控制，只要用限位器進(jìn)行定位即可，采用三相異步電動機(jī)通過繼電器實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。輸送機(jī)的滾筒采用變頻器控制，方便根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整速度，采用三菱FR-E700-1.5K-CHT 變頻器。分層機(jī)滾筒電機(jī)采用三相異步電動機(jī)通過減速箱進(jìn)行低速運(yùn)行即可。

3.2 伺服系統(tǒng)的選型

在硬件設(shè)計中，伺服系統(tǒng)的選型是重點(diǎn)，伺服系統(tǒng)要控制輸送板精準(zhǔn)升降，是負(fù)載最大的一環(huán)節(jié)，輸送總質(zhì)量為：

圖6 系統(tǒng)總體控制方案

M=m·N+M鐵

式中，m為每箱質(zhì)量；N為每層的箱子數(shù)量；M鐵為輸送板結(jié)構(gòu)質(zhì)量，為280 kg。

5包裝的A4紙包裝箱，每一箱的質(zhì)量為12.7 kg，每層的質(zhì)量為：

M5=m·N+M鐵=12.7×16+280=483.2 kg

10 包裝的A4 紙包裝箱，每一箱的質(zhì)量為25.4 kg，每層的質(zhì)量為：

M10=m·N+M鐵=25.4×8+280=483.2 kg

為方便計算，忽略摩擦，總質(zhì)量以M=490 kg計算。

系統(tǒng)傳輸使用齒輪齒條傳動，選用了齒輪分度圓直徑d=0.075 m（模數(shù)2.5、齒數(shù)30），由于該工序的速度要求不高，選用減速比i為10的減速器。按電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min計算。

最高速度為：

勻速時克服重力的驅(qū)動力為：

F勻=-Mg=-490×9.8=-4802 N

勻速時轉(zhuǎn)矩為：

按加速時間0.4 s計算，則上升加速度為：

上升加速時電機(jī)驅(qū)動力最大值為：

上升加速時轉(zhuǎn)矩最大值為：

負(fù)載慣量為：

經(jīng)減速器折算后電機(jī)慣量為：

伺服電機(jī)的選取符合額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、負(fù)載慣量等參數(shù)要求[13-14]，上述參數(shù)是在忽略了齒輪、減速器等傳動效率和摩擦力的情況下進(jìn)行估算的，額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩的選取應(yīng)該略大一點(diǎn)，且要留有余地，電機(jī)慣量應(yīng)符合負(fù)載慣量＜3 倍電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的要求[15-16]，通過電機(jī)手冊查找，選用臺達(dá)ECMC-FW1830SS 伺服電機(jī)，該電機(jī)額定功率3 kW，額定轉(zhuǎn)速1500 r/min，額定轉(zhuǎn)矩19.1 N·m，大于18 N·m；最大轉(zhuǎn)矩為57.3 N·m，轉(zhuǎn)子慣量（帶剎車）0.00571 kg·m2均滿足要求。

4 高位碼垛機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 PLC編程控制

整個系統(tǒng)的控制主要分成3部分：初始化、手動控制和自動控制。在初始化部分主要是上電時的設(shè)備檢測，看各個部件是否在初始狀態(tài)，各傳感器狀態(tài)是否正常，如果有異常情況則通過HMI 進(jìn)行報警顯示。沒有異常情況則進(jìn)入工作模式選擇，具體系統(tǒng)控制程序流程圖見圖7。

圖7 系統(tǒng)控制程序流程圖

手動控制部分主要用于設(shè)備的調(diào)試與故障檢測，通過對系統(tǒng)各個動作的單獨(dú)控制與運(yùn)行，對系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整（包括參數(shù)調(diào)整），或當(dāng)出現(xiàn)故障時，也可以通過手動控制容易查找出故障點(diǎn)。

自動控制部分是系統(tǒng)的核心控制部分，是系統(tǒng)正常工作時的控制程序。采用分段控制模塊設(shè)計，由匯總輸送機(jī)子程序、轉(zhuǎn)位機(jī)子程序、編組機(jī)子程序、分層機(jī)子程序和垛盤輸送機(jī)子程序等5 個子程序組成。5 個子程序?qū)?yīng)5 個系統(tǒng)工序，它們之間相互聯(lián)系，配合完成碼垛功能。

以10包規(guī)格奇數(shù)層的箱子（堆箱規(guī)格見圖2）為例，匯總輸送機(jī)送來的箱子經(jīng)傳感器進(jìn)行編號（通過計數(shù)器C0進(jìn)行計數(shù)實現(xiàn)編號），根據(jù)箱子序號，轉(zhuǎn)位機(jī)判斷是否需要調(diào)整箱子方向，奇數(shù)層的③④⑤⑥號箱子需要轉(zhuǎn)方向，偶數(shù)層的則是①②⑦⑧號箱子需要轉(zhuǎn)向。編組機(jī)把同方向相鄰的箱子進(jìn)行處理，如把①②號箱子擺齊（通過推桿把箱子并列）后一起送到分層機(jī)。分層機(jī)把前兩組箱子（①②③④號）按規(guī)則擺放完成后，通過推板半推后，等待后兩組箱子（⑤⑥⑦⑧號）進(jìn)入分層機(jī)，然后把整層箱子推到垛盤輸送機(jī)。最后由輸送機(jī)把箱子送到棧板完成碼垛，如圖8所示。

圖8 10包規(guī)格奇數(shù)層各工序控制流程圖

垛盤輸送機(jī)的輸送板由伺服電機(jī)控制升降運(yùn)動，由異步電機(jī)控制水平運(yùn)動，控制流程如圖9所示，啟動初始化時，把碼垛的層數(shù)N 以及每層的高度H默認(rèn)值導(dǎo)入程序，也可以通過觸摸屏進(jìn)行修改相關(guān)參數(shù)。初始化后伺服電機(jī)執(zhí)行原點(diǎn)回歸指令，用C表示已完成堆疊的情況，先把N 的值賦給C，每完成堆疊一層C值減1。每層要提升的距離h可表示為：

伺服電機(jī)的定位是通過脈沖數(shù)控制，再通過反饋給伺服驅(qū)動器的信號對電機(jī)的輸出軸進(jìn)行修正[17]。如輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)為n0，旋轉(zhuǎn)一圈提升的高度為h0，則每層提升所需脈沖數(shù)n為：

圖9 垛盤輸送機(jī)控制流程圖

4.2 HMI設(shè)計

該碼垛機(jī)選用了昆侖通態(tài)TPC7062KX 觸摸屏，利用MCGS 嵌入式版7.7（1.7）軟件進(jìn)行畫面設(shè)計，見圖10 和圖11。設(shè)計設(shè)備窗口，選擇串口父設(shè)備，再添加設(shè)備三菱FX 系列編程口，把CPU 類型設(shè)置為FX3UCPU；根據(jù)畫面控制要求及PLC 的程序，在實時數(shù)據(jù)庫中添加需要控制或監(jiān)控的變量，并與PLC軟元件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。調(diào)試好后下載到觸摸屏即可。

圖10 系統(tǒng)初始化完成

圖11 自動運(yùn)行（5包）界面

5 應(yīng)用效果

高位碼垛機(jī)在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，由于市場需求的多樣化，產(chǎn)品包裝規(guī)格多樣化。以A4 打印紙生產(chǎn)為例，市場上常見的包裝就有5 包、8 包和10 包1 箱的規(guī)格。在清遠(yuǎn)市某紙業(yè)有限公司，以前主要生產(chǎn)10 包1 箱的A4 打印紙，由于市場發(fā)展的需要，現(xiàn)在生產(chǎn)5 包1 箱和10 包1 箱兩種規(guī)格產(chǎn)品，原來設(shè)計的高位碼垛機(jī)采用傳統(tǒng)的斜坡輸送方法，對5 包1 箱規(guī)格產(chǎn)品進(jìn)行碼垛時，該規(guī)格的產(chǎn)品在斜坡輸送時由于坡度太大，箱子打滑不能上去，無法實現(xiàn)碼垛功能。

采用本方案重新設(shè)計高位碼垛機(jī)，取消了斜坡輸送的工序，對不同規(guī)格的包裝箱具有同樣的碼垛能力。經(jīng)過測試，平均每箱所需時間約為3 s。結(jié)果表明，高位碼垛機(jī)的各方面性能均能滿足生產(chǎn)需求。一套高位碼垛機(jī)可滿足多規(guī)格產(chǎn)品的碼垛要求。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計的碼垛機(jī)通過清遠(yuǎn)市某造紙廠的實際應(yīng)用表明，該碼垛機(jī)能高效實現(xiàn)高位碼垛，對不同規(guī)格產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換控制靈活方便。該系統(tǒng)不采用斜坡輸送機(jī)，對不同包裝和不同質(zhì)量的產(chǎn)品均有很好的適應(yīng)性。通過觸摸屏的監(jiān)控與控制，對系統(tǒng)的操控和設(shè)備調(diào)試都有很好的幫助。該碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡單，成本低，對紙箱包裝的產(chǎn)品碼垛有較好的通用性。