码垛机械手的设计及电气控制

码垛机械手的设计及电气控制摘要本文介绍了码垛机械手的组成和作用，提出了机械手码垛的成套基本方案，垛层排列方案的优选，论述了机械手的控制方法，采用作图法求解机械手的垂直升降运动轨迹和运动轨迹的修正，提高了机械手的运动柔性和抓载能力。关键词机械手码垛物流仓储ElectriccontrolsystemofRobotPalletizerXianHwasunPackagingTechnologyResearchInstituteZHANGYou-liangGOUXiang-min710014Abstract::ThisarticleintroducesthestructureandfunctionofRobotPalletizer,relatetothewholebasicsolutionofsystem,Discussthecontrolmethodofrobot,stacklayerisoptimizearranged,thetrackofverticalliftmotionismodifiedwiththemotiongraphicsrepresentation,alsoimprovetheflexibleofthemotionandtheaholdpower.Keywords:robot,Palletizer,logistics,storage.随着我国经济的持续发展和科学技术的突飞猛进，现代物流作为现代经济的重要组成部分和工业化进程中最为经济合理的综合服务模式，正在全国范围内得以迅速发展。自动化立体仓库作为现代物流系统的重要组成部分，是一种多层存放货物的高架仓库系统，它是在不直接进行人工干预的情况下自动地存储和取出物流的系统。码垛机是完成自动化立体仓库中最重要的设备之一，是货物堆放到立体仓库的前端设备，它能够把单一的物料码放到一起，便于运输，提高了生产效率。它将已装入容器的纸箱，装入大袋的化工产品、水泥、粮食等按一定排列码放在木质（或塑料）托盘上，进行自动堆码，可堆码多层，然后推出，便于叉车运至仓库储存。可大大地减少劳动人员和降低劳动强度，是现代工业社会发展的高科技产物，对提高生产率、降低成本有着重要意义。机械手码垛机是目前占地最小、效率最高、适应能力最强的码垛机。在啤酒、饮料行业，可满足4万瓶/小时包装生产线的码垛需求。1.码垛机械手的特点1.1码垛机械手的主要组成及作用如图1所示，码垛机械手主要由机座、水平位移机构、垂直位移机构、抓头机构组成。机座的作用是固定机械手，与地面用螺栓连接，是机械手稳定工作的关键。水平位移机构是由伺服电机M1驱动，机械手水平位移中主要克服机械手的动惯量，伺服电机M1参数、运动曲线的选择，对于机械手平稳快速运行具有重要作用。伺服电机M1的运行范围360°，在实际应用中，为了提高机械手的运行效率，在不影响码垛质量、场地允许的情况下，建议M1的运行范围尽量小。图1机械手基本组成图1机座2伺服电机M13水平位移机构4伺服电机M25平衡缓冲器6机械臂17伺服电机M28四连杆机构9机械臂210伺服电机M411抓头机构垂直位移机构是机械手的最重要的关键机构，它由平衡缓冲器、伺服电机M2驱动的机械臂1、伺服电机M3驱动的机械臂2、四连杆机构等组成。伺服电机M2和伺服电机M3按照一定的曲线同步运行，PLC或伺服电机同步控制器利用CNC（运动计算语言）指令控制运行，控制伺服电机M2和M3的运动过程，决定机械手上升下降柔性动作的效果。平衡缓冲器主要平衡机械臂和抓栽物体，同时对机械臂的过冲进行缓冲。四连杆机构作用是稳定抓头保持水平。抓头机构由抓头和驱动垛层旋转的伺服电机M4组成。一般情况下，伺服电机M4的运行和伺服电机M1的运行角度相同，但方向相反。垛层的排列、箱子的大小不同，所用抓头不同。1.2机械手码垛机的主要技术指标公称抓举重量300kg抓举次数700/小时运动轴数4轴水平位移角度360°抓头调整角度540°上下移动位移1800电机功率19KW2.机械手的控制2.1机械手的控制方案如图2所示，机械手的控制系统主要由G1（PLC）、G2人机界面、伺服电机M1-4、伺服驱动器A1-4、检测元件、执行元件等组成。PLC通过CANopen总线控制伺服驱动器A1-4对伺服电机M1-4的控制。图2机械手的控制方案方框图2.2机械手在码垛中的解决方案如图3所示，实际码垛过程中，托盘通过输垛链道将托盘送到B（中心）点，通过输箱链道将待抓箱子有规律的放到A（中心）点，O点是机械手的中心，机械手的作用是把码好的箱子以R为半径，旋转α角度，从A点移到B点，码放到需要的层数为止（一般为5或6层）。从图3可以看出，机械手与码垛中心距OB，机械手与抓箱中心距OA相等，对于同一个码垛场合，是一个常数R，输垛链中心线与抓箱中心距离L。根据sinα=L/R，计算出α的角度，α即为水平位移机构的旋转角度，K1*α为伺服电机M1的旋转角度（K1为减速机的图3机械手堆垛水平位移图减速比）。为了是垛位摆正，抓头机构旋转-α，伺服电机M4旋转-K2*α（K2为减速机的减速比）。2.3机械手垂直升降的控制2.3.1作图法求运动轨迹机械手在码垛过成中，载重量比较大，伺服电机克服物体的动惯量比较大。为了很好的解决这个问题，我们采取分步运行，水平位移和垂直上下位移交替进行，增加了机械手动作的稳定性和协调性。从图3可以看出，机械手与抓头中心距恒定不变，对于伺服电机M2和伺服电机M3的运动只要保证抓头机构垂直升降，利用作图法求出伺服电机M2和伺服电机M3的运动轨迹。图4是机械手抓头机构垂直下降300，机械臂1和机械臂2的摆动角度，求出伺服电机M2和伺服电机M3的运动角度。图中L1为机械图4机械臂1和机械臂2运动位移示意图臂1的长度，L2为机械臂2的长度，L为机械手与抓头的中心距。抓头从C点移动到D点，伺服电机M3从A点移动到B点，机械臂1顺时针旋转45.1-21.2=23.9°，机械臂2逆时针旋转79.2-72.6=6.6°。伺服电机M2顺时旋转K1*23.9个脉冲数，伺服电机M3逆时旋转K2*6.6个脉冲数（K1、K2是减速机减速比与伺服电机旋转一周的脉冲数的乘积），不难看出，伺服电机M2是机械手上升下降的主驱动，伺服电机M2、M3以M2为主驱动的主从同步运行。在相同的时间内，伺服电机M2顺时旋转K1*23.9个脉冲数，伺服电机M3逆时旋转K2*6.6个脉冲数。伺服电机M3主要作用是调整抓头上升下降，伺服电机M3主要作用是调整抓头的垂直度。2.3.2伺服电机M2、M3的运动轨迹修正假设M2的运行速度是V，那么M3的运行速度是K2*6.6/K1/23.9*V，在同一时间内，抓头准确下降到D点，在运行过程中，抓头的运动轨迹不是一个直线，是一个曲线，有时可能还会影响到抓垛过程，也显得伺服电机M2、M3的运动轨迹不协调，柔性较差。我们对运动过程在150处作图，发现M3的运动轨迹差别比较大，如图5是伺服电机M2、M3的运动轨迹曲线图，对M3的运动轨迹进行修正，M3以两段速度与M2同步运行，通过修正后，抓头运行轨迹基本上是一个直线，达到预期的效果。图5伺服电机M2、M3同步运行曲线示意图3.垛层的排列形式和相关参数计算啤酒、饮料、调味品的装箱，大多采用3x4的12瓶包装，箱子的长宽比为4：3，这样就决定了垛层的箱子排列必然是3箱或4箱的组合。以啤酒包装为例，箱子的长度为300，宽度为225，箱子高度300，毛重14.5Kg。3.1每层10箱的排列每层10箱的排列是334或433的排列，每层重量145Kg，占地面积750x900，每垛5层，层高1500，垛重725Kg，不超过机械手抓载能力，采用1.5吨的叉车运输有点浪费，此方案不是最优。3.2每层11箱的排列每层11箱的排列是344或443的排列，每层重量159.5Kg，占地面积825x900，每垛5层，层高1500，垛重797.5Kg，不超过机械手抓载能力，采用1.5吨的叉车运输有点浪费，此方案不是最优。3.3每层14箱的排列每层14箱的排列是3344或4433的排列，每层重量203Kg，占地面积1050x900，每垛5层，层高1500，垛重1015Kg，不超过机械手抓载能力，采用1.5吨的叉车运输比较适中，此方案比较优选。3.4每层16箱的排列每层16箱的排列如图6所示，每层重量232Kg，占地面积1050x1050，每垛5层，层高1500，垛重1160Kg，不超过机械手抓载能力，采用1.5吨的叉车运输比较适中，此方案比较优选。本方案的缺点是每层的箱子排列控制比较烦琐，易损坏包装箱，对机械手的抓载能力要求高。图6每垛层16箱排列示意图4.结束语利用机械手码垛的主要优点是码垛整体，故障率低，需要操作人员少。机械手是一种简单的专用机器人，在我国内，码垛机械手还是空白，只有少量的用于装配线的机械手，机械手在国内市场有很好前景。为了保护设计者和生产厂家的利益，本文对重要数据进行了处理，对于关节减速机、伺服电机参数选型没有说明，但不影响对码垛机械手的原理论述，请读者谅解。