直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人在物流行業(yè)的應(yīng)用

　　前言：很多產(chǎn)品裝入紙箱后從傳送帶上被抓起來(lái)按一些規(guī)則碼放到托盤(pán)上，所要搬運(yùn)碼垛的紙箱尺寸和重量隨產(chǎn)品不同而變化，最快每1~2秒就要搬運(yùn)一個(gè)紙箱。而托盤(pán)尺寸從歐洲標(biāo)準(zhǔn)尺寸到1.6*1.6m的幾種。如何采用機(jī)器人對(duì)這些紙箱快速，整齊，有序地碼垛是實(shí)現(xiàn)高效工廠(chǎng)自動(dòng)化的關(guān)鍵之一。沈陽(yáng)萊茵機(jī)電17年來(lái)從代理德國(guó)機(jī)器人產(chǎn)品到建立中德合資企業(yè)在國(guó)內(nèi)組裝多種型號(hào)的直角坐標(biāo)機(jī)器人。并借鑒德國(guó)BergerLahr和Roboworker公司的很多成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了多種紙箱，塑料箱，塑料桶等的搬運(yùn)碼垛機(jī)器人。這些搬運(yùn)碼垛和拆垛機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)、精益生產(chǎn)流程、設(shè)備的選型和生產(chǎn)節(jié)拍平衡上等，充分考慮了技術(shù)上的先進(jìn)性、生產(chǎn)上的實(shí)用性、在使用中的長(zhǎng)期可靠性，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)性方面具有良好的性?xún)r(jià)比。本文以國(guó)內(nèi)一著名生產(chǎn)食品企業(yè)的實(shí)際工況要求為例，介紹直角坐標(biāo)機(jī)器人在紙箱搬運(yùn)、碼垛中的應(yīng)用。
一、基本要求
1、適用產(chǎn)品（紙箱外形尺寸）
　　產(chǎn)品 　　 長(zhǎng)　　　　　　寬　　　　　　高
　　A　　　34.5CM 　　　19.2CM 　　　9.5CM
　　B　　　33CM 　　　　23.7CM 　　　9.5CM
　　C　　　37.5CM 　　　23CM　　　　11.5CM
　　D　　　37CM 　　　　24.5CM 　　　10CM
　　E　　　36.5CM 　　　22.5CM 　　　10CM
　　F　　　30.5CM 　　　18.7CM 　　　13CM
2、節(jié)拍分析
　　搬運(yùn)碼垛的平均速度達(dá)到2.2秒/箱。
3、基本信息及要求
　　1） 單箱重量≤5KG，一次搬運(yùn)五箱，一次總搬運(yùn)重量≤25KG。
　　2） 托盤(pán)尺寸1100*1100，碼垛完了托盤(pán)上紙箱最高處到地面≤1900mm。
　　3） 傳送帶高度為700mm, 上面最矮紙箱正上面到地面高度為795mm。
　　4） 碼放方式的要求是在托盤(pán)尺寸內(nèi)每層盡可能多的擺放紙箱，托盤(pán)四周的紙箱僅可能平穩(wěn)，要保證運(yùn)輸過(guò)程中平穩(wěn)不倒。而碼好的托盤(pán)每?jī)蓪蛹埾溟g要向砌磚墻那樣，盡可能相互壓住和咬和。這樣才能保證碼滿(mǎn)紙箱的托盤(pán)（最高1.9米）在運(yùn)輸過(guò)程中平穩(wěn)。
二、技術(shù)方案
　　1、總體說(shuō)明 根據(jù)設(shè)計(jì)原則及產(chǎn)品生產(chǎn)概況，確定本機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
　　1）整套機(jī)器人系統(tǒng)采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中X、Y、Z三軸為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)單元，A軸為吸盤(pán)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，還包括吸盤(pán)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。
　　　　　　
                 　　　　　　圖1：4軸直角坐標(biāo)機(jī)器人碼垛，綠色部分是傳送帶，粉色表示托盤(pán)傳送機(jī)構(gòu)
　　2）為確保機(jī)械強(qiáng)度要求，Y、Z采用雙直線(xiàn)單元，X軸采用雙滑塊直線(xiàn)單元。直線(xiàn)單元由高強(qiáng)度同步帶傳動(dòng)，采用高精度伺服電機(jī)及減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)，單軸的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，以及在1450*1200*1900空間范圍內(nèi)的聯(lián)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)精度0.1mm。Z軸負(fù)載總重25kg。
　　3）吸盤(pán)旋轉(zhuǎn)軸可根據(jù)實(shí)際擺放要求，實(shí)現(xiàn)吸盤(pán)系統(tǒng)的-90~+90度旋轉(zhuǎn)、定位。
　　4）吸盤(pán)系統(tǒng)由5個(gè)吸盤(pán)組構(gòu)成，每組有4個(gè)吸盤(pán)，吸取1個(gè)紙箱。每組吸盤(pán)均可通過(guò)電磁閥進(jìn)行分控，可單獨(dú)吸取或釋放紙箱。（布局圖如圖2）考慮到紙箱的透氣性，真空度一般在-40kPa~-50kPa之間，根據(jù)參數(shù)單個(gè)吸盤(pán)垂直的吸力為56.6N，4個(gè)吸盤(pán)的吸力226.4N,考慮運(yùn)輸過(guò)程中一定的加速度和安全系數(shù)，每1組吸盤(pán)完全可以吸住單個(gè)重量≤5KG的紙箱，并高速運(yùn)動(dòng)。吸取和釋放的時(shí)間小于200ms（ 吸盤(pán)的詳細(xì)選型可以與沈陽(yáng)萊茵機(jī)電陳紹博13940002980聯(lián)系）。
　　5）設(shè)計(jì)帶抓取工作區(qū)，通過(guò)傳感器計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到待抓取數(shù)量時(shí)，擋板將傳送帶紙箱擋住，再由氣缸將紙箱推頂緊。如圖3所示：
　　　　　　
　　6）直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)單元都配有限位和零位開(kāi)關(guān)，保證運(yùn)動(dòng)安全和準(zhǔn)確。
　　7）增加多個(gè)傳感器信號(hào)，檢測(cè)生產(chǎn)線(xiàn)及機(jī)器人的動(dòng)作狀況，并及時(shí)反饋給控制系統(tǒng)。
　　8）設(shè)置安全隔離網(wǎng)（或光電對(duì)射傳感器），保證在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)人員的安。9）在整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)有總控制工作站，用于輸入生產(chǎn)數(shù)及記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)等。
2、工藝流程適應(yīng)不同尺寸的箱子，初步設(shè)計(jì)了5種不同的碼垛樣式，現(xiàn)在舉其中一例介紹工藝流程。
　�。�1）機(jī)器人在初始位置等待抓取信號(hào)初始位置設(shè)定：傳送帶或工作臺(tái)上待抓取5個(gè)紙箱的中心位置可以設(shè)為機(jī)器人的初始位，大約在1100*600*900mm處。工作過(guò)程描述：
　　1）包裝箱通過(guò)傳送帶輸送到指定位置，氣缸頂緊，通過(guò)傳感器給出控制系統(tǒng)到位信號(hào)。
　　2）控制系統(tǒng)得到機(jī)器人系統(tǒng)的零位信號(hào)后，發(fā)出抓取信號(hào)。
　�。�2）紙箱的抓取（吸�。┰诔跏嘉恢�，Z軸下降50-100mm，接觸到紙箱后，電磁閥接通抽真空，真空度檢測(cè)信號(hào)反饋給系統(tǒng)，確保吸住紙箱，總用時(shí)400ms。
　�。�3）紙箱的碼垛過(guò)程（多次釋放過(guò)程）第一次釋放：紙箱被吸住后， X、Y、Z軸可聯(lián)動(dòng)運(yùn)行到指定位置，隨后Z軸下降100mm，電磁閥斷開(kāi)，根據(jù)要求釋放某幾個(gè)吸盤(pán)。第二次釋放：由于不同碼垛規(guī)格，5個(gè)紙箱不一定一次都放下，所以再第一次釋放后還需提升Z軸，X、Y軸以及A軸聯(lián)動(dòng)到指定位置，再釋放吸盤(pán)。根據(jù)實(shí)際情況，最多可能需要3次釋放吸盤(pán)才能完成一次碼垛。
　�。�4）機(jī)器人系統(tǒng)空載返回初始位置機(jī)器人放下紙箱后，X、Y、Z快速聯(lián)動(dòng)返回至初始位置，通過(guò)傳感器反饋給控制系統(tǒng)到位信號(hào)。三、碼垛順序和時(shí)間節(jié)拍分析1、碼垛順序分析由于紙箱的外形尺寸不同，萊茵公司設(shè)計(jì)了5種碼垛規(guī)格，現(xiàn)以其中一例詳細(xì)介紹碼垛的順序及過(guò)程。
　　1）吸盤(pán)每次抓取5個(gè)紙箱，圖中數(shù)字代表第幾次抓取。
　　2）按次序碼垛，從第一層至第三層（位置可根據(jù)實(shí)際優(yōu)化）
　　3）受托盤(pán)尺寸和紙箱尺寸的限制，有時(shí)一次抓取的5個(gè)紙箱要分兩到三次在不同的位置擺放。
　　4）如此類(lèi)推一層層碼放到總高度達(dá)到要求為止。
　　　　　　
2、時(shí)間節(jié)拍分析
　　根據(jù)之前的分析，紙箱碼垛越高所用時(shí)間越多，那么我們把5個(gè)紙箱搬運(yùn)到托盤(pán)上紙箱的最高層最遠(yuǎn)處位置，并完成3次釋放，只要到達(dá)這個(gè)位置11秒內(nèi)順利完成，那么就能滿(mǎn)足其它所有位置的搬運(yùn)。下面是完成一次搬運(yùn)的完整運(yùn)動(dòng)順序：
　　1）機(jī)器人在初始位置，Z軸下降50mm，接觸到紙箱，用時(shí)200ms
　　2）等待真空度檢測(cè)信號(hào)，確保吸盤(pán)吸牢紙箱，用時(shí)200ms
　　3）在工作臺(tái)上方，Z軸從800mm需要先提升至最高點(diǎn)。Z軸上升1050mm，最高速度F = 620mm/s，加速度=2.06m/s2，平均速度F = 530mm/s， 用時(shí)2000ms
　　4）X軸，Y軸和Z軸聯(lián)動(dòng)，同時(shí)運(yùn)動(dòng)到最遠(yuǎn)處。 其中X軸運(yùn)動(dòng)1400mm，Y軸運(yùn)動(dòng)少于800mm，Z軸升高100mm。由于X軸運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)，速度高，這里僅分析X軸的運(yùn)動(dòng)就可以。X軸運(yùn)動(dòng)1400mm，最高速度F = 820mm/s，加速度=2.75m/s2，用時(shí)2000ms
　　5）吸盤(pán)釋放紙箱，到此完成第一次放置紙箱， 用時(shí)200ms
　　6）Z軸上升100mm，最高速度F = 670mm/s，加速度=4.44m/s2， 用時(shí)300ms
　　7）X軸、Y軸和A軸聯(lián)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)位置，同時(shí)吸盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)90度。 其中X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)400mm（例子），運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)，平均速度F = 500mm/s，用時(shí)800ms
　　8）Z軸下降100mm，最高速度F = 670mm/s，加速度=4.44m/s2，用時(shí)300ms
　　9）吸盤(pán)釋放紙箱，到此完成第二次放置紙箱，用時(shí)200ms
　　10）Z軸再上升100mm，最高速度F = 670mm/s，加速度=4.44m/s2，用時(shí)300ms
　　11）X軸和Y軸聯(lián)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)位置。其中X軸和軸運(yùn)動(dòng)400mm（例子），平均速度F = 500mm/s，用時(shí)800ms
　　12）Z軸下降100mm，最高速度F = 620mm/s，加速度=4.44m/s2，用時(shí)300ms
　　13）吸盤(pán)釋放紙箱，到此完成第三次放置紙箱，用時(shí)200ms
　　14）X軸和Y軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)回到抓取紙箱處。其中X軸運(yùn)動(dòng)大約800mm，運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)，速度高，這類(lèi)僅分析X軸的運(yùn)動(dòng)就可以。X軸運(yùn)動(dòng)800mm，最高速度F=1140mm/s，加速度=3.81m/s2，用時(shí)1000ms 由于已沒(méi)有負(fù)載了，所有運(yùn)動(dòng)速度完全可以塊些。
　　15）Z軸下降1050mm，返回初始位置。最高速度F=620mm/s，加速度=2.06m/s2，用時(shí)2000ms
在極限情況下，碼垛5個(gè)紙箱，總體用時(shí)10.6s，平均2.12s/箱，滿(mǎn)足要求。
3、實(shí)際優(yōu)化節(jié)拍：
　　1）第二次搬運(yùn)最高層的位置時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)距離近了，搬去和運(yùn)動(dòng)回來(lái)可以再節(jié)省1s
　　2）在工作臺(tái)一下區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)3軸聯(lián)動(dòng)，可以節(jié)省Z軸上升或下降時(shí)間2-3s
　　3）碼垛5個(gè)紙箱，一般情況下，只需2次釋放就可以全部放置完畢，這樣還可以節(jié)約1.3s
四、結(jié)論
　　經(jīng)過(guò)反復(fù)的抓取釋放及碼垛實(shí)驗(yàn)，本套機(jī)器人系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)平均1.94s/箱的搬運(yùn)碼垛速度。沈陽(yáng)萊茵機(jī)電十幾年來(lái)為一些用戶(hù)做了一些搬運(yùn)和碼垛機(jī)器人，從中積累了一些經(jīng)驗(yàn)。從這些多年的搬運(yùn)和碼垛應(yīng)用中可以看出合資公司生產(chǎn)的機(jī)器人達(dá)到了德國(guó)原廠(chǎng)的質(zhì)量，不僅具有很好的性?xún)r(jià)比、易操控、易維護(hù)、貨期短、而且可靠性高、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。今天萊茵機(jī)電能幾乎能提供各種紙箱，塑料箱，塑料桶等產(chǎn)品的搬運(yùn)，碼垛等。按要求提供各種結(jié)構(gòu)形式，多種規(guī)格，不同托盤(pán)供給方式的搬運(yùn)碼垛機(jī)器人，可以應(yīng)用包裝、各種生產(chǎn)過(guò)程中物流、倉(cāng)儲(chǔ)、機(jī)床上下料等行業(yè)。