碼垛機(jī)器人在塑料箱搬運(yùn)中的應(yīng)用

　　在很多產(chǎn)品的生產(chǎn)線上，要把裝滿零件的朔料箱人工從傳送帶上搬運(yùn)到拖盤上。這些零件大多數(shù)是大批量金屬件，還有表面防護(hù)要求高的一些零件。每個(gè)工廠針對(duì)不同零件可能用幾種尺寸的朔料箱，每個(gè)裝好零件的箱子最重達(dá)50公斤。通常每分鐘1~3箱的速度從傳送帶上被運(yùn)送到拖盤前。這些箱子要人工搬下，碼垛到大約1200×1200mm的托盤上。根據(jù)箱子的尺寸每層要碼好4~6個(gè)箱子，整個(gè)托盤碼垛完的總高度大約1600mm。最復(fù)雜的情況下，為了節(jié)省空間和托盤上全部箱子的平穩(wěn)，要在每一層把部分箱子轉(zhuǎn)動(dòng)90度后碼垛，上下兩層間還要相互壓好。直角坐標(biāo)機(jī)器人非常適合這些重體力，高強(qiáng)度的搬運(yùn)工作。沈陽(yáng)萊茵機(jī)電有限公司為一些用戶完成了幾種不同的朔料箱搬運(yùn)機(jī)器人，下面就以為日本一大型企業(yè)設(shè)計(jì)制造的搬運(yùn)碼垛機(jī)器人為例來介紹。

1 任務(wù)要求
　　圖1是沈陽(yáng)萊茵機(jī)電按用戶要求設(shè)計(jì)的功能性，原理性的搬運(yùn)機(jī)器人示意圖。要求可以搬運(yùn)三種不同尺寸的箱子，箱子的具體尺寸分別是：650×450×200mm, 650×450×200mm和650×450×200mm。箱子和里面所裝的細(xì)長(zhǎng)金屬軸的總重量不超過30公斤。要每分鐘搬運(yùn)一箱，每天24小時(shí)，長(zhǎng)年工作。1200×1200mm的托盤要人工推入機(jī)器人工作范圍內(nèi)，每層碼好4個(gè)箱子，整個(gè)托盤碼垛完的總高度大約1650mm。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　圖1：三維碼垛機(jī)器人的右視圖
2 機(jī)器人設(shè)計(jì)選型
　　根據(jù)用戶要求萊茵機(jī)電設(shè)計(jì)和制造了圖2所示的一臺(tái)三維碼垛機(jī)器人。無論那種箱子每層都摞四只，所有箱子不用轉(zhuǎn)動(dòng)90度。還有上面箱子底部可以摞進(jìn)下面箱子的開口里，整摞箱子很重，很平穩(wěn)，所有不同層箱子間不用向砌磚墻式相互壓拉，所也手爪不需轉(zhuǎn)動(dòng)。下面是各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的選型結(jié)果：

　　水平運(yùn)動(dòng)X軸：采用兩根有效行程為2500mm的PAS44BB，
　　水平運(yùn)動(dòng)Y軸：采用壹根有效行程為1800mm的PAS44BB，
　　上下運(yùn)動(dòng)Z軸：采用兩根有效行程為1600mm的PAS42BB，
　　專用手爪：周文寶(ly_vision@163.com)自行設(shè)計(jì)制造的電動(dòng)手爪。　　　　　　　　　　 　　
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　圖2：試運(yùn)行完全滿足要求的碼垛機(jī)器人
X軸：
　　基本信息：連接板+線纜 + Y軸（電機(jī)+減速機(jī)+連接板+手抓+線纜）：Y軸70.02公斤，考慮安全系數(shù)按70公斤計(jì)算。

　　選擇兩根PAS44BB：有效行程1200mm，實(shí)際工作中走行距離最大450mm，最高運(yùn)行速度：1.5m/s, 平均速度：1m/s,加速度：7.5m/s2, 整個(gè)X軸自身重量約61公斤。X軸+Y軸+全部驅(qū)動(dòng)電機(jī)+負(fù)載等的全部重量約150公斤：

　　選型采用德國(guó)百格拉電機(jī)，考慮性價(jià)比可以采用日系同規(guī)格電機(jī)，所以采用松下1.5KW伺服電機(jī)。它的最大出力為21.5Nm,, 額定出力為7.15Nm。通過德國(guó)NEUGART公司PLE120/8 減速機(jī)來帶動(dòng)X軸滑塊水平運(yùn)動(dòng)。

　　負(fù)載/驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比3.8, 所需最大出力為：6.49Nm，最高轉(zhuǎn)速為每分2787轉(zhuǎn)，電機(jī)最大出力：21.5Nm，安全系數(shù)為231%。

　　伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：11.2KGcm2。

Y軸：
　　基本信息：手爪+負(fù)載+連接板+線纜 最大重量15公斤，考慮足夠的安全系數(shù)，按25公斤計(jì)算。

　　選擇兩根PAS42BB：有效行程1400mm，最高運(yùn)行速度：2.5m/s, 平均速度：2.0m/s, 加速度：16.97m/s2, 整個(gè)Y軸，吸盤和負(fù)載等總重量70.02公斤。

　　選型采用德國(guó)百格拉電機(jī)，考慮性價(jià)比可以采用日系同規(guī)格電機(jī)，所以采用松下1.5KW伺服電機(jī)。它的最大出力為21.5Nm,, 額定出力為7.15Nm。通過德國(guó)NEUGART公司PLE80/3 減速機(jī)來帶動(dòng)Y軸滑塊水平運(yùn)動(dòng)。

　　負(fù)載/驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比3.4, 所需最大出力為：6.9 Nm，最高轉(zhuǎn)速為每分2787轉(zhuǎn)，電機(jī)最大出力：21.5Nm，安全系數(shù)為209.7%。

　　伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：11.2KGcm2。

Z軸：
　　基本信息：手爪+負(fù)載+連接板+線纜 最大重量15公斤，考慮足夠的安全系數(shù)，按25公斤計(jì)算。

　　選擇兩根PAS42BB：有效行程1400mm，最高運(yùn)行速度：2.5m/s, 平均速度：2.0m/s, 加速度：16.97m/s2, 整個(gè)Y軸，吸盤和負(fù)載等總重量70.02公斤。

　　選型采用德國(guó)百格拉電機(jī)，考慮性價(jià)比可以采用日系同規(guī)格電機(jī)，所以采用松下1.5KW伺服電機(jī)。它的最大出力為21.5Nm,, 額定出力為7.15Nm。通過德國(guó)NEUGART公司PLE80/3 減速機(jī)來帶動(dòng)Y軸滑塊水平運(yùn)動(dòng)。

　　負(fù)載/驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比3.4, 所需最大出力為：6.9 Nm，最高轉(zhuǎn)速為每分2787轉(zhuǎn)，電機(jī)最大出力：21.5Nm，安全系數(shù)為209.7%。

　　伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：11.2KGcm2。

手爪
　　負(fù)載10公斤，真空吸盤架等，考慮安全系數(shù)按20公斤核算。選用松下400W伺服電機(jī)，配德國(guó)NEUGART 法蘭盤輸出減速機(jī)，速比為32，輸出扭矩可達(dá)41Nm。按電機(jī)3000轉(zhuǎn)/分鐘，減速機(jī)輸出1.56轉(zhuǎn)/秒，那么轉(zhuǎn)過90度所需時(shí)間不到0.4s，而且C軸可以與X、Y軸聯(lián)動(dòng)，時(shí)間可不計(jì)。

3 控制系統(tǒng)選擇
　　控制系統(tǒng)選用德國(guó)Engelhardt公司的F44四軸四連動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)。F44的X Y Z三個(gè)軸分別控制機(jī)器人的X軸，Y軸和Z軸，U軸控制電動(dòng)手爪。4個(gè)驅(qū)動(dòng)器等放置在一個(gè)小電箱里。

4其它手爪及應(yīng)用
　　沈陽(yáng)萊茵機(jī)電還為一些用戶設(shè)計(jì)制造了一些其它要求的朔料箱搬運(yùn)機(jī)器人。其機(jī)器人本身主要考慮整體的平穩(wěn)性，可靠性，滿足行程和搬運(yùn)節(jié)拍要求。但手爪是這類碼垛機(jī)器人的難點(diǎn)，要根據(jù)不同箱子的重量及可以抓取的位置，允許的工作空間來設(shè)計(jì)對(duì)于的手爪。圖3是一次可以抓取九只朔料箱的手爪系統(tǒng)，同時(shí)還可以抓四只朔料箱，整個(gè)手爪可以轉(zhuǎn)動(dòng)，便于排放碼垛。圖4是一次可以抓取兩只朔料箱的手爪系統(tǒng)。
　　　　　　　　
　　這里必須注意手爪不僅要根據(jù)具體使用情況和具體要求來設(shè)計(jì)，還要與朔料箱被抓取前的位置擺放及擺放精度來定。特別是多個(gè)朔料箱要同時(shí)被抓取時(shí)，各部分配合更是非常重要的。詳細(xì)的資料請(qǐng)沈陽(yáng)萊茵機(jī)電的叢大蔚先生聯(lián)系。

5 應(yīng)用結(jié)果及展望
　　設(shè)計(jì)制造出來的搬運(yùn)碼垛機(jī)器人要先在萊茵機(jī)電內(nèi)部裝配調(diào)式，然后試運(yùn)行搬運(yùn)工作。所有出廠的機(jī)器人和生產(chǎn)線都必須要先在萊茵機(jī)電工廠內(nèi)先裝配調(diào)式，試運(yùn)行，待全部功能都滿足設(shè)計(jì)要求后才能再拆卸后打包運(yùn)送到最終用戶。這臺(tái)朔料箱搬運(yùn)碼垛機(jī)器人試運(yùn)行效果很好，各個(gè)軸工作行程，速度，加減速都超過原設(shè)計(jì)指標(biāo)，而且運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲低。全部傳感器保證了搬運(yùn)過程步步環(huán)環(huán)相扣，確保機(jī)器人安全可靠地搬運(yùn)。朔料箱搬運(yùn)碼垛機(jī)器人可以應(yīng)用到各種零件的自動(dòng)裝箱及箱子的搬運(yùn)碼垛。通過更換手爪還可以搬運(yùn)各種紙盒箱，其它的包裝物品和大型產(chǎn)品。還可以為很多小工業(yè)零件，化妝品，工藝品，藥品，家電等產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，檢測(cè)，裝配等過程中進(jìn)行碼垛，供料，下料，檢測(cè)，裝配，擰螺絲，壓入，打標(biāo)等任務(wù)。