崔世義， 陸宗學(xué)， 劉克松， 王萬海

（連云港杰瑞模具技術(shù)有限公司，江蘇連云港222006）

0 引言

自動(dòng)碼垛生產(chǎn)線是利用碼垛機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的一種裝備。該裝備的突出特點(diǎn)是通過程序?qū)ιa(chǎn)線的工作流程進(jìn)行自動(dòng)控制，具有故障報(bào)警、顯示和自動(dòng)連鎖停機(jī)功能，也可根據(jù)需求，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷和網(wǎng)絡(luò)化管理，是企業(yè)提高勞動(dòng)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人力投入，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的途徑之一。

碼垛機(jī)器人主要應(yīng)用于糧食、飼料、建材、石化、輕紡和煙草等行業(yè)，與周邊自動(dòng)化設(shè)備集成，組成機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化或無人車間。我國的碼垛機(jī)器人從1980年代開始起步，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握該機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、軟件控制與運(yùn)動(dòng)和軌跡規(guī)劃技術(shù)。

當(dāng)前國內(nèi)從事搬運(yùn)碼垛機(jī)器人研發(fā)和系統(tǒng)集成的單位超過200家，年機(jī)器人需求量為3500臺(tái)左右，其中國產(chǎn)機(jī)器人比例大概為20%，其余從日本、德國、美國、瑞典等國家引進(jìn)。從近兩年發(fā)展趨勢(shì)來看，對(duì)機(jī)器人碼垛生產(chǎn)線這類成套裝備的需求量仍將逐年大幅度增加。因此開發(fā)與設(shè)計(jì)以機(jī)器人應(yīng)用為主的自動(dòng)化成套設(shè)備具有實(shí)際意義。

整形輸送作為機(jī)器人碼垛生產(chǎn)線的關(guān)鍵部分，對(duì)生產(chǎn)線是否能夠穩(wěn)定生產(chǎn)起到關(guān)鍵作用。它主要作用是使料袋在輸送過程中被抖動(dòng)、壓實(shí)，使不規(guī)整的料袋通過整形后形成統(tǒng)一的規(guī)整形狀，再經(jīng)兩側(cè)擋板將料袋約束至一固定位置，便于機(jī)器人抓取和堆放，如果沒有整形這一措施，料袋極易被機(jī)器人手爪抓破，堆放的垛堆也不平整，易坍塌。

本文將從設(shè)計(jì)原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣與控制等方面，對(duì)整形輸送單元進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合實(shí)例，給出具體的計(jì)算與設(shè)計(jì)方法，供同行借鑒。

1 整形輸送的機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理

碼垛生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 碼垛生產(chǎn)線示意圖

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

整形輸送單元實(shí)現(xiàn)的目的是上下兩面整形，達(dá)到料袋表面平整、外形規(guī)矩的目的，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要由支撐框架、抖動(dòng)輥、傳送輥、展平輥、壓實(shí)輥、電機(jī)、減速機(jī)、鏈條鏈輪、傳動(dòng)軸、軸承，調(diào)節(jié)彈簧等組成，核心部分如圖2所示。

圖2 整形輸送結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

傳動(dòng)電機(jī)（固定在下方）通過鏈條驅(qū)動(dòng)傳送輥和抖動(dòng)輥，抖動(dòng)輥為方形結(jié)構(gòu)，料袋經(jīng)過抖動(dòng)輥時(shí)，將不停地上下振動(dòng)，使物料在料袋內(nèi)均勻分布；

壓緊電機(jī)（固定在上方）驅(qū)動(dòng)展平輥與壓緊機(jī)構(gòu)工作，相鄰展平輥之間留有比較大的間隙，料袋進(jìn)入整形工位后，展平輥拖動(dòng)料袋往前移動(dòng)的同時(shí)，對(duì)料袋上部物料進(jìn)行初步整形，再利用出口壓緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的擠壓，使物料袋向四周充分展開并壓實(shí)，再通過傳送輥傳送至下一工位，實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)化整形輸送的目的。

2 主要元器件的選型與計(jì)算

2.1 已知條件

碼垛效率：15個(gè)/min，料袋高度為0.8 m，單個(gè)質(zhì)量為m1=40 kg。

2.2 其它參數(shù)求解

1）物料傳送速度v和傳送輥直徑Ф的確定。

物料最小連續(xù)傳送速度v＝15×0.8=12 m/min，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)由于裝袋及縫包是間斷性的，為保證充分供料，發(fā)揮機(jī)器人最高效率，實(shí)際傳送速度選取時(shí)要大于此最小速度（約是最小速度的2～3倍），我們選取傳送速度（v=30m/min）

和傳送輥直徑（Ф=60 mm）。

2）傳送輥轉(zhuǎn)速n1的確定。

3）傳送輥對(duì)物料袋做功功率P1的確定。

式中：F1為物料和傳送輥慣性力；F2為物料袋和傳送輥相對(duì)于機(jī)架的滾動(dòng)摩擦力；f為滾動(dòng)摩擦因數(shù)，取f=0.1；m1為袋裝物料質(zhì)量，m1=40 kg；m2為傳送輥和鏈條總質(zhì)量，m2=70 kg；m3為展平輥總質(zhì)量，m3=50 kg；a為加速度，取1 m/s2（相對(duì)于電機(jī)在0.5 s內(nèi)從零轉(zhuǎn)速起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速）。

由此可計(jì)算出：

4）傳送輥所需功率P2的確定。

傳送輥對(duì)物料傳送做功時(shí)，由于傳送輥與抖動(dòng)輥之間采用的是鏈條傳動(dòng)，兩兩之間傳送效率為ηa=0.95（查資料所得），現(xiàn)這部分共有14個(gè)輥?zhàn)?，其合?jì)效率為ηb=η13a=0.9613=0.5，另外抖動(dòng)輥產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)也要損失部分功率，以及克服空氣阻力時(shí)也要損失部分功率，取傳送帶總效率為η1=40%。由此可計(jì)算出

式中η2為減速機(jī)與傳送輥之間的鏈條傳動(dòng)效率。

6）減速機(jī)輸入功率P4（即電機(jī)輸出功率）的確定。

5）減速機(jī)輸出功率P3的確定。

式中η3為減速機(jī)傳動(dòng)效率。

7）傳送輥轉(zhuǎn)矩M1的確定。

2.3 電機(jī)選型

根據(jù)不同電動(dòng)機(jī)的使用特性，結(jié)合本傳送性質(zhì)以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的條件，選用三相籠型異步電動(dòng)機(jī)作為傳送帶的驅(qū)動(dòng)元件，選擇西門子電機(jī)有限公司與江蘇貝得電機(jī)股份有限公司合資公司生產(chǎn)的三相交流低壓鼠籠電機(jī)，其型號(hào)為1LG0 083-4AA（依據(jù)以上計(jì)算，電機(jī)功率取1.5倍的安全系數(shù)），銘牌參數(shù)如下：額定功率為0.75 kW，額定電壓為220VD/380VY，額定轉(zhuǎn)速為1 380 r/min，功率因數(shù)為0.75，額定電流為2.05 A，額定轉(zhuǎn)矩為5.2 N·m。

2.4 減速機(jī)選型

1）WB系列微型擺線減速機(jī)具有機(jī)型小、速比高的特點(diǎn)，經(jīng)久耐用，而且使用維修方便，是化工、紡織、輕工業(yè)等行業(yè)的首選設(shè)備。

2）確定減速比 i。

取減速比i=9，減速機(jī)輸出扭矩。

M2＝電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩×i=5.2×9=46.8 N·m

本案選擇上海諾廣機(jī)械有限公司生產(chǎn)的WB系列微型擺線減速機(jī)，其型號(hào)為WB100-WD-9-750。

3 電氣及控制設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

整形輸送電氣控制主要是電機(jī)的控制。整形輸送的運(yùn)行均是由電機(jī)傳動(dòng)完成，并裝有光電開關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)有料包堆積時(shí)，將停止輸送線的運(yùn)行。由于各個(gè)電機(jī)功率都比較小（0.55 kW、0.75 kW），采用接觸器直接啟動(dòng)。為了方便以后功能的擴(kuò)展，采用西門子小型PLC，其主控單元為CPU 224XP CN，并選用北京昆侖通泰的MCGS觸摸屏進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。電氣控制圖形如圖3所示。

圖3 電器控制圖

其中M1、M2為電機(jī)1和電機(jī)2；KM1和KM2為啟動(dòng)電機(jī)的接觸器；Q1和Q2為電機(jī)保護(hù)器，具有電機(jī)的短路保護(hù)、過載保護(hù)、缺相保護(hù)。右圖為200PLC，Q1、Q2為電氣保護(hù)器的常開輔助觸頭，對(duì)應(yīng)于PLC的I0.0和I0.1；P1為光電開關(guān)，當(dāng)有料袋傳送到整形工位時(shí)，P1通，即PLC輸入I0.3閉合；KM1和KM2為接觸器線圈，當(dāng)PLC的輸出Q0.0和Q0.1有輸出時(shí)，KM1、KM2得電，接觸器主觸頭閉合，電機(jī)啟動(dòng)。

3.2 PLC及觸摸屏程序設(shè)計(jì)

西門子200PLC編程可以用梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）以及語句表（STL）3種語言，這里僅使用梯形圖來編程。程序利用PLC內(nèi)部線圈M點(diǎn)來模擬繼電-接觸器系統(tǒng)中的中間繼電器，它是中間操作狀態(tài)，或存取其他相關(guān)數(shù)據(jù)。程序主要實(shí)現(xiàn)整理電機(jī)和整理輸送電機(jī)的啟停，并利用中間點(diǎn)M以及后面的觸摸屏實(shí)現(xiàn)電機(jī)的手動(dòng)控制及自動(dòng)控制?？刂瞥绦蛞妶D4所示。

圖中M0.0和M0.1為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制按鍵，由觸摸屏控制，當(dāng)有手動(dòng)按鈕M0.0按下時(shí)，即有上升沿，M0.6 置 為 1，M0.7復(fù)位為0；電機(jī)保護(hù)器合上時(shí)，I0.0閉合，此時(shí)通過按鈕M1.0 驅(qū)動(dòng) Q0.0，即可點(diǎn)動(dòng)控制電機(jī)。當(dāng)自動(dòng)運(yùn)行M0.1按下時(shí)候，M0.7置為 1，M0.6 復(fù) 位 為0，如果整形工位沒有料袋，則I0.3沒有閉合，其常閉點(diǎn)閉合，電機(jī)啟動(dòng)；若整形工位有料袋，I0.3閉合，則其常閉點(diǎn)斷開，電機(jī)停止，防止料袋堆積。

圖4 控制程序梯形圖

觸摸屏的編程采用專門的MCGS組態(tài)軟件，按鈕、開關(guān)、指示燈已經(jīng)是編寫好的控件，直接將控制信號(hào)與PLC控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)即可。這里不是本文重點(diǎn)，僅給出整條輸送碼垛線的編程畫面，如圖5所示。

圖5 觸摸屏監(jiān)控畫面

4 結(jié)語

本文通過對(duì)整形輸送單元的機(jī)械結(jié)構(gòu)、主要元器件的選型與計(jì)算以及電氣控制設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用給出了具體的計(jì)算與設(shè)計(jì)方法，為機(jī)器人自動(dòng)化碼垛行業(yè)從業(yè)人員提供了設(shè)計(jì)參考。

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