碼垛機器人在塑料箱搬運中的應用

　　在很多產品的生產線上，要把裝滿零件的朔料箱人工從傳送帶上搬運到拖盤上。這些零件大多數是大批量金屬件，還有表面防護要求高的一些零件。每個工廠針對不同零件可能用幾種尺寸的朔料箱，每個裝好零件的箱子最重達50公斤。通常每分鐘1~3箱的速度從傳送帶上被運送到拖盤前。這些箱子要人工搬下，碼垛到大約1200×1200mm的托盤上。根據箱子的尺寸每層要碼好4~6個箱子，整個托盤碼垛完的總高度大約1600mm。最復雜的情況下，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動90度后碼垛，上下兩層間還要相互壓好。直角坐標機器人非常適合這些重體力，高強度的搬運工作。沈陽萊茵機電有限公司為一些用戶完成了幾種不同的朔料箱搬運機器人，下面就以為日本一大型企業(yè)設計制造的搬運碼垛機器人為例來介紹。

1 任務要求
　　圖1是沈陽萊茵機電按用戶要求設計的功能性，原理性的搬運機器人示意圖。要求可以搬運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長金屬軸的總重量不超過30公斤。要每分鐘搬運一箱，每天24小時，長年工作。1200×1200mm的托盤要人工推入機器人工作范圍內，每層碼好4個箱子，整個托盤碼垛完的總高度大約1650mm。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　圖1：三維碼垛機器人的右視圖
2 機器人設計選型
　　根據用戶要求萊茵機電設計和制造了圖2所示的一臺三維碼垛機器人。無論那種箱子每層都摞四只，所有箱子不用轉動90度。還有上面箱子底部可以摞進下面箱子的開口里，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，所也手爪不需轉動。下面是各個運動軸的選型結果：

　　水平運動X軸：采用兩根有效行程為2500mm的PAS44BB，
　　水平運動Y軸：采用壹根有效行程為1800mm的PAS44BB，
　　上下運動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)自行設計制造的電動手爪�！　　　　　　　　　� 　　
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　圖2：試運行完全滿足要求的碼垛機器人
X軸：
　　基本信息：連接板+線纜 + Y軸（電機+減速機+連接板+手抓+線纜）：Y軸70.02公斤，考慮安全系數按70公斤計算。

　　選擇兩根PAS44BB：有效行程1200mm，實際工作中走行距離最大450mm，最高運行速度：1.5m/s, 平均速度：1m/s,加速度：7.5m/s2, 整個X軸自身重量約61公斤。X軸+Y軸+全部驅動電機+負載等的全部重量約150公斤：

　　選型采用德國百格拉電機，考慮性價比可以采用日系同規(guī)格電機，所以采用松下1.5KW伺服電機。它的最大出力為21.5Nm,, 額定出力為7.15Nm。通過德國NEUGART公司PLE120/8 減速機來帶動X軸滑塊水平運動。

　　負載/驅動電機轉動慣量比3.8, 所需最大出力為：6.49Nm，最高轉速為每分2787轉，電機最大出力：21.5Nm，安全系數為231%。

　　伺服電機的轉動慣量為：11.2KGcm2。

Y軸：
　　基本信息：手爪+負載+連接板+線纜 最大重量15公斤，考慮足夠的安全系數，按25公斤計算。

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

　　選型采用德國百格拉電機，考慮性價比可以采用日系同規(guī)格電機，所以采用松下1.5KW伺服電機。它的最大出力為21.5Nm,, 額定出力為7.15Nm。通過德國NEUGART公司PLE80/3 減速機來帶動Y軸滑塊水平運動。

　　負載/驅動電機轉動慣量比3.4, 所需最大出力為：6.9 Nm，最高轉速為每分2787轉，電機最大出力：21.5Nm，安全系數為209.7%。

　　伺服電機的轉動慣量為：11.2KGcm2。

Z軸：
　　基本信息：手爪+負載+連接板+線纜 最大重量15公斤，考慮足夠的安全系數，按25公斤計算。

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

　　選型采用德國百格拉電機，考慮性價比可以采用日系同規(guī)格電機，所以采用松下1.5KW伺服電機。它的最大出力為21.5Nm,, 額定出力為7.15Nm。通過德國NEUGART公司PLE80/3 減速機來帶動Y軸滑塊水平運動。

　　負載/驅動電機轉動慣量比3.4, 所需最大出力為：6.9 Nm，最高轉速為每分2787轉，電機最大出力：21.5Nm，安全系數為209.7%。

　　伺服電機的轉動慣量為：11.2KGcm2。

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

3 控制系統(tǒng)選擇
　　控制系統(tǒng)選用德國Engelhardt公司的F44四軸四連動數控系統(tǒng)。F44的X Y Z三個軸分別控制機器人的X軸，Y軸和Z軸，U軸控制電動手爪。4個驅動器等放置在一個小電箱里。

4其它手爪及應用
　　沈陽萊茵機電還為一些用戶設計制造了一些其它要求的朔料箱搬運機器人。其機器人本身主要考慮整體的平穩(wěn)性，可靠性，滿足行程和搬運節(jié)拍要求。但手爪是這類碼垛機器人的難點，要根據不同箱子的重量及可以抓取的位置，允許的工作空間來設計對于的手爪。圖3是一次可以抓取九只朔料箱的手爪系統(tǒng)，同時還可以抓四只朔料箱，整個手爪可以轉動，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具體使用情況和具體要求來設計，還要與朔料箱被抓取前的位置擺放及擺放精度來定。特別是多個朔料箱要同時被抓取時，各部分配合更是非常重要的。詳細的資料請沈陽萊茵機電的叢大蔚先生聯(lián)系。

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