化纖長絲智能物流工廠-碼垛龍門節(jié)拍計算及伺服電機(jī)的選型設(shè)計方法

趙 越，侯 偉，吳振強(qiáng)，滿運(yùn)超，姜天禹

（北自所（北京）科技發(fā)展有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著智能制造技術(shù)的高速發(fā)展，國內(nèi)的化纖行業(yè)正向著高度自動化智能化發(fā)展，各種類型的機(jī)械手廣泛應(yīng)用于各類自動化生產(chǎn)線中。其中龍門機(jī)械手作為一大類機(jī)械手，具有節(jié)能、高效、占地空間小，方便維修等一系列優(yōu)點(diǎn)。

化纖長絲絲錠碼垛龍門機(jī)械手指在化纖智能物流工廠包裝線中，化纖絲錠產(chǎn)品所采用的大包裝絲餅碼垛設(shè)備，通過設(shè)置于龍門碼垛機(jī)上的抓絲碼垛機(jī)械手和隔板機(jī)械手交替運(yùn)行，完成將絲餅由包裝線小輥道線上抓取，碼垛至木托盤線上，每層絲餅用隔板分隔的碼垛流程。

該龍門機(jī)械手的節(jié)拍計算，直接關(guān)系到化纖包裝線處理絲錠的能力，影響到化纖智能物流工廠的吞吐量。提高龍門機(jī)械手的工作效率及抓取碼垛精度，提高作業(yè)能力，顯得尤為重要。伺服電機(jī)的選型設(shè)計，作為龍門機(jī)械手的的重點(diǎn)設(shè)計工作，本文主要闡述了該類型龍門機(jī)械手伺服電機(jī)設(shè)計方法。

1 化纖長絲碼垛系統(tǒng)及碼垛龍門機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)及工藝流程

1.1 碼垛系統(tǒng)及碼垛龍門機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)與設(shè)備

化纖長絲碼垛系統(tǒng)主要包含碼垛龍門機(jī)、絲餅包裝線、木托盤及成品輸送線、底/隔板輸送機(jī)。碼垛龍門機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包括主體框架、水平行走小車、隔板機(jī)械手及其提升機(jī)構(gòu)、抓絲機(jī)械手及其提升機(jī)構(gòu)。化纖長絲碼垛系統(tǒng)詳細(xì)構(gòu)成及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 化纖長絲碼垛系統(tǒng)

1.2 工藝流程

化纖長絲碼垛系統(tǒng)布局如圖2所示，碼垛流程如表1所示。

表1 化纖長絲絲餅碼垛工藝流程

圖2 化纖長絲絲餅碼垛系統(tǒng)布局

首先，空托盤輸送至碼垛工位，同時水平小車在底板工位抓取底板，將底板放置于碼垛工位的托盤上，此時抓絲機(jī)械手將絲餅包裝線小輥道上的絲餅抓起，水平小車平移至放絲工位，將絲餅放至托盤的底板上，同時隔板機(jī)械手將隔板機(jī)內(nèi)的隔板抓起一個，而后水平小車平移到抓絲工位，再將小輥道上的絲餅抓起，同時將隔板放至托盤的絲餅上，循環(huán)N次動作直至將絲錠碼放N層，隔板碼放N層，碼垛完畢，碼好的整垛絲錠由木托盤及成品輸送線輸送至下一工位，至此整個碼垛循環(huán)結(jié)束，下一個空托盤進(jìn)入碼垛工位，進(jìn)行新一輪的絲餅碼垛。

2 化纖長絲碼垛工藝節(jié)拍計算

2.1 單個碼垛節(jié)拍總時長計算

化纖長絲產(chǎn)品自動化包裝線要求每日包裝量約X錠，每個成品垛碼垛層數(shù)為C層，每層B錠，每日工作21小時。

2.2 單個碼垛流程內(nèi)運(yùn)動節(jié)拍計算

2.2.1 運(yùn)動模型分析

根據(jù)碼垛系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及工作流程，得出碼垛龍門整個工作流程中的水平位移以及抓絲、隔板機(jī)械手的提升位移（如圖1所示）。

水平運(yùn)動：

采用了雙工位同步運(yùn)動小車的設(shè)計方式，由一臺減速電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條配合進(jìn)行水平移動。

據(jù)工作流程計算出水平小車行走位移，如表2所示。

表2 龍門碼垛工作流程中水平小車位移

提升運(yùn)動：

提升結(jié)構(gòu)采用了雙層聯(lián)動的設(shè)計方式，由減速電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條配合進(jìn)行提升下降，執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端位移為實(shí)際電機(jī)驅(qū)動齒條運(yùn)動位移的2倍，即S驅(qū)=1-2S末，節(jié)拍計算過程中提升機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)采用S驅(qū)進(jìn)行計算。

根據(jù)工作流程計算出隔板提升機(jī)構(gòu)和抓絲提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位移，如表3所示。

表3 龍門碼垛工作流程中隔板及抓絲提升機(jī)構(gòu)移（注：表中ΔS即為S末）

2.2.2 相關(guān)節(jié)拍計算公式及計算方法

整個節(jié)拍設(shè)計過程中使用了簡化的運(yùn)動模型，相關(guān)的計算公式[1]如下：

行程內(nèi)不能達(dá)到最大速度的三角形運(yùn)動位移：

行程內(nèi)可達(dá)到最大速度的梯形運(yùn)動位移：

單垛碼垛流程總時間：

其中，

當(dāng)行程內(nèi)不能達(dá)到最大速度，位移滿足SΔ(1，2，3……)時：

當(dāng)行程內(nèi)能夠達(dá)到最大速度，位移滿足ST(1，2，3……)時：

各變量含義：

行程內(nèi)不能達(dá)到最大速度時的三角形運(yùn)動位移：SΔ(1，2，3……)

行程內(nèi)可達(dá)到最大速度的梯形運(yùn)動位移：ST(1，2，3……)

滿足三角型運(yùn)動的加減速時間： tα(1，2，3……)

滿足梯形運(yùn)動的加減速時間： tA

滿足梯形運(yùn)動時的勻速運(yùn)動時間： tv(1，2，3……)

加速度： α

最大速度： VMAX

碼垛流程中單個抓取循環(huán)時間： t(1，2，3……)

碼垛流程中除電機(jī)驅(qū)動過程的其他總停留時間：t?？?/p>

由于底板抓取和木棧板換板時間重疊，換板時間可單獨(dú)估算。龍門抓絲機(jī)械手和隔板機(jī)械手抓取放置的動作在同一個時間段內(nèi)進(jìn)行，計算節(jié)拍時選取兩個提升機(jī)構(gòu)中時間較長的作為該時段的最終選定時間，作為每個單獨(dú)動作的節(jié)拍時間。

計算時，將所有計算的單獨(dú)動作時間（t(1，2，3……)包含提升動作與水平行走動作）和其他過程總停留時間（包含抓取機(jī)械手開合及信息交互時間）相加，要求得出的總時間小于3.1節(jié)拍總時長計算得出的單垛絲錠碼垛時間。

即要求t單碼≤t總。

通過節(jié)拍計算，最終選取出合適的水平運(yùn)動及提升運(yùn)動的最大速度和加速度，進(jìn)行動力學(xué)參數(shù)設(shè)計及減速電機(jī)選型。

3 伺服電機(jī)選型計算方法

碼垛龍門機(jī)設(shè)計中選取了減速電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條的傳動形式進(jìn)行設(shè)計。

減速電機(jī)選型過程中，根據(jù)第3章節(jié)拍計算中選取的速度加速度參數(shù)進(jìn)行計算，本文僅闡述減速電機(jī)參數(shù)設(shè)計計算和電機(jī)相關(guān)參數(shù)設(shè)計，不對減速機(jī)選型方法做出論述。

3.1 相關(guān)動力學(xué)計算公式

電機(jī)的選型過程中采用了簡化動力學(xué)模型的方式，需計算齒輪軸的輸出轉(zhuǎn)速、輸出功率和加減速過程中的轉(zhuǎn)矩，相關(guān)的基礎(chǔ)計算公式[1，2]如下：

在勻速、加速和減速階段中，齒輪軸所需的輸出轉(zhuǎn)矩：

其中：

勻速運(yùn)動時的齒輪軸扭矩： M齒輪軸勻速

齒輪驅(qū)動負(fù)載的重量： m

重力加速度： g

勻加減速運(yùn)動時的齒輪軸扭矩： M齒輪軸加減速

機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中的摩擦系數(shù)： μ

加減速過程中的加速方向受力： F

驅(qū)動齒輪自身旋轉(zhuǎn)需要驅(qū)動扭矩，由于所需驅(qū)動扭矩相對負(fù)載很小，暫忽略不計，若計算，可按下列公式進(jìn)行計算：

此次設(shè)計計算時忽略齒輪自身驅(qū)動扭矩，齒輪扭矩約等于伺服減速電機(jī)輸出扭矩，即：

3.2 水平小車動力學(xué)計算

水平行走機(jī)構(gòu)為雙工位單小車的模式，可簡化為齒條固定，電機(jī)及齒輪跟隨小車進(jìn)行水平移動的運(yùn)動模型，相應(yīng)的簡化模型如圖3所示。

圖3 水平小車簡化運(yùn)動模型

初步選取齒輪模數(shù)m，齒數(shù)Z，分度圓直徑d，

計算減速電機(jī)輸出軸最大轉(zhuǎn)速：

根據(jù)簡化的運(yùn)動模型，可進(jìn)行扭矩計算：

計算出電機(jī)軸及轉(zhuǎn)速各狀態(tài)下扭矩值：

計算最大點(diǎn)電機(jī)功率：

3.3 提升機(jī)構(gòu)動力學(xué)計算：

抓絲及隔板機(jī)械手提升下降結(jié)構(gòu)，采用了內(nèi)外雙層提升臂聯(lián)動運(yùn)行，驅(qū)動齒輪的電機(jī)固定于水平滑動小車上，外提升臂設(shè)置有滑輪，內(nèi)提升臂、夾具及負(fù)載通過鏈條由外提升臂的滑輪最終與水平滑動小車相連接，當(dāng)外提升臂上升時，內(nèi)提升臂同時上升，內(nèi)提升臂及重物的提升距離、速度、加速度均為外提升臂的2倍。

機(jī)械手提升下降過程簡化運(yùn)動模型如圖4所示。

圖4 抓絲/隔板機(jī)械手提升下降簡化模型

提升過程中齒輪承受的扭矩最大，根據(jù)簡化的運(yùn)動模型，對提升過程中的扭矩進(jìn)行計算，計算出理想狀態(tài)的相關(guān)數(shù)值：

可計算出各狀態(tài)下電機(jī)軸扭矩：

計算最大點(diǎn)電機(jī)功率：

3.4 電機(jī)發(fā)熱效驗(yàn)

整個龍門工作過程中，電機(jī)的工作形式為變動負(fù)載連續(xù)工作制，選取電機(jī)時可采用等效轉(zhuǎn)矩法進(jìn)行電機(jī)發(fā)熱效驗(yàn)[1]，要求等效轉(zhuǎn)矩小于等于選取電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。選取電動機(jī)時可以先計算出一個周期內(nèi)的等效扭矩，然后選取電動機(jī)的額定扭矩。

圖5 等效轉(zhuǎn)矩法轉(zhuǎn)矩示意圖

3.5 借助輔助工具繪制電機(jī)特性曲線

設(shè)計過程中使用了倫茨公司《DSD輔助設(shè)計軟件》選取輔助工具進(jìn)行電機(jī)M-n特性曲線的繪制[3]，該輔助軟件可以通過輸入設(shè)計參數(shù)，生成M-n特性曲線，與選取的電

取輔助工具進(jìn)行電機(jī)M-n特性曲線的繪制[3]，該輔助軟件可以通過輸入設(shè)計參數(shù)，生成M-n特性曲線，與選取的電機(jī)M-n特性曲線進(jìn)行對比，方便工程師在選型過程中對選取的電機(jī)進(jìn)行判斷，確定選取的電機(jī)是否合適。圖6為選取水平行走小車伺服電機(jī)的M-n特性曲線圖示例。

圖6 某電機(jī)M-n特性曲

圖中實(shí)際工況要求的扭矩轉(zhuǎn)速特性基本包含在連續(xù)額定電流特性曲線內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于極限扭矩轉(zhuǎn)速特性曲線的范圍，實(shí)際工況的最大工作點(diǎn)也在合理的范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

本文對化纖長絲碼垛龍門的研制過程中的伺服電機(jī)參數(shù)計算選型進(jìn)行了詳細(xì)的論述，主要圍繞結(jié)構(gòu)、工藝流程、以及水平及提升方向兩種應(yīng)用場景的伺服減速電機(jī)展開，結(jié)合化纖長絲智能物流行業(yè)特點(diǎn)，對碼垛龍門機(jī)的相關(guān)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行研究。

此次對新型高速碼垛龍門的研制，補(bǔ)充了我司在化纖長絲自動化智能物流工廠中的關(guān)鍵設(shè)備，大大提高了包裝物流線碼垛工位的物料處理能力，此系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際加工生產(chǎn)以及現(xiàn)場使用，運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，各項(xiàng)效率指標(biāo)均已滿足設(shè)計需要。