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 Electric control system of Robot Palletizer Xian Hwasun Packaging Technology Research Institute ZHANG You liang GOU Xiang min 710014 Abstract This article introduces the structure and function of Robot Palletizer relate to the whole basic solution of system Discuss the control method of robot stack layer is optimize arranged the track of vertical lift motion is modified with the motion graphics representation also improve the flexible of the motion and the ahold power Key words 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 M1 3 水平位移机构 4 伺服电机 M2 5 平衡缓冲器 6 机械臂 17 伺服电机 M2 8 四连杆机构 9 机械臂 210 伺服电机 M4 11 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 19KW 2 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 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 sin L R 计算出 的角度 即为水平位移机构的旋 转角度 K1 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 伺服电机 M4 旋 转 K2 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 750 x900 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 1050 x900 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 1050 x1050 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