陸 波，錢振華，陳曉東

（1.湖州職業(yè)技術學院 機電與汽車工程學院，浙江 湖州 313000；2.湖州銳格物流科技有限公司，浙江 湖州 313000）

1 引言

在日用品、食品等輕工行業(yè)的產品物流和運輸過程中，往往需要對產品的包裝箱進行碼垛，以便叉車搬運。常見的碼垛機結構有關節(jié)機器人式[1]、橋式[2～3]、龍門式[4]等。關節(jié)機器人式碼垛機一般為四軸結構，且均由交流伺服電機驅動，能適應多種物料的搬運碼垛，但一般一次只能抓取一件物料，效率較低。橋式和龍門式碼垛機結構上相類似，均采用起重橋結構，活動范圍大，承載能力強，但結構較笨重，占地面積大，不太適用于輕工行業(yè)。本文采用機械式升降橫移式結構，設計了一種新型碼垛機。該碼垛機具有占地面積小、碼垛效率高的特點，非常適用于輕工行業(yè)產品包裝箱的搬運碼垛。

2 碼垛機的結構和工作原理

包裝箱碼垛機結構圖如圖1所示。圖中1為升降電機，通過鏈條傳動驅動升降架的上下移動；2 為橫移電機，用于驅動氣爪機械結構的橫向移動；3 為框架，對整個碼垛機起支撐作用；4為升降架，上面安裝有橫移電機和機械手氣爪機構，實現(xiàn)對包裝箱的抓取和搬運；5 為輸送線，用于將打包好的包裝箱輸送到碼垛機；6 為包裝箱；7 為整形臺，用于對包裝箱進行規(guī)則排列和整理；8 為托盤，用于叉車叉取和搬運；9為氣爪，用于抓取包裝箱。

圖1 碼垛機結構圖

該碼垛機的工作原理如下：

（1）通過輥子輸送機將包裝箱輸送至碼垛機整形臺，對包裝箱進行整齊排列，三箱為一列，共排兩列；

（2）包裝箱整形完成后，橫移電機反轉，驅動升降架移動至整形臺正上方；

（3）升降電機反轉，驅動升降架下降，到達抓取位置后氣爪動作，同時抓取6只包裝箱；

（4）待氣爪抓取包裝箱后升降電機正轉，驅動升降架上升；

（5）上升到位后橫移電機正轉，驅動升降架橫向移動到托盤上方；

（6）橫向移動到位后，升降電機反轉驅動升降架下降，下降到位后氣爪釋放包裝箱；

（7）升降電機正轉驅動升降架上升，到位后橫移電機反轉，驅動升降架回到整形臺上方，等待下次抓?。?/p>

（8）一個托盤的堆垛為9層，每層6只包裝箱，共計54只包裝箱。

3 碼垛機主要工作參數設計計算

碼垛機的升降采用了鏈條傳動，鏈條的平均線速度[5]v1：

式中：

p—傳動鏈輪的節(jié)距，mm；

z1—主動鏈輪的齒數；

z2—從動鏈輪的齒數；

n1—主動鏈輪的轉速，r/min；

n2—從動鏈輪的轉速，r/min。

升降電機選用了城邦CH3700型減速電機，功率為3.7KW，額定轉速1 400r/min，減速比為10:1。主動鏈輪齒數z1為14，從動鏈輪齒數z2為18，鏈條節(jié)距p為19.05mm。碼垛機的提升速度等于鏈條的平均線速度，因此，可根據式（1）計算出碼垛機的提升速度v1：

碼垛機氣爪結構的橫向移動采用齒輪齒條的傳動方式，橫移電機軸上裝有齒輪，升降架上裝有齒條。橫移時，橫移電機驅動齒輪作回轉運動，齒條可以看作一個齒數無窮多的齒輪的一部分，這時齒輪的各圓均變?yōu)橹本€，作為齒廓曲線的漸開線也變?yōu)橹本€。碼垛機氣爪結構的橫向移動速度v2與齒輪分度圓直徑d、轉速n之間的關系為：

式中:

m—齒輪模數，mm；

z—齒輪齒數；

n—齒輪轉速，r/min。

橫移電機選用了臺邦6IK200A 型減速電機，功率為400W，額定轉速1 400r/min，減速比為10:1。由于選用的齒輪模數m 為3mm，齒數z 為25，則可根據式（3）計算出橫移速度v2：

4 碼垛機的控制系統(tǒng)

根據包裝箱碼垛機機械結構和組成，設計的碼垛機控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

系統(tǒng)選用西門子CPU226 PLC作為控制核心，并采用EM223模塊作為外部輸入輸出信號的擴展。該型PLC 技術成熟、可靠性高、價格適中，且具有一定的擴展能力，主要用于控制升降電機變頻器、橫移電機變頻器、氣動電磁閥組、升降電機編碼器信號的處理及其它外部I/O數字量的處理等任務[6]。

圖2 碼垛機控制系統(tǒng)原理圖

提升電機采用西門子MM440 變頻器控制，功率為4KW；橫移電機同樣采用西門子MM440 變頻器控制，功率為0.55KW。西門子MM440變頻器是專門針對需要更加廣泛的功能和更高動態(tài)響應的應用而設計的。這些高級矢量控制系統(tǒng)可確保一致的高驅動性能，即使發(fā)生突然負載變化時也是如此。該變頻器帶有一個集成制動斬波器，即使在制動和短減速斜坡期間，也能以較高的精度工作，在升降電機編碼器的配合下，完全能滿足堆垛高度的位置控制。

人機界面（HMI）選用了步科（Kinco）MT4414TE觸摸屏，可供操作人員對碼垛機進行實時操作控制和監(jiān)控。該控制系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定性好、成本相對低廉、易于操作和維護的特點。

碼垛機控制系統(tǒng)的PLC 程序采用模塊式編寫，設計了系統(tǒng)主程序和多個子程序。子程序有：升降控制子程序、橫移控制子程序、整形臺控制子程序、氣爪抓箱控制子程序、報警和安全處理子程序等。碼垛機控制系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)主程序主要負責碼垛機控制程序啟動和控制參數初始化，并根據不同的工作模式調用各個子程序。

各個子程序的功能如下：

（1）升降控制子程序：對升降電機變頻器進行控制，并對升降電機編碼器反饋信號進行處理，精確控制機械手氣爪的上下位置；

（2）橫移控制子程序：負責橫移電機變頻器的控制，并通過檢測左、右減速和極限限位開關信號來控制機械手氣爪的左右位置；

（3）整形臺控制子程序：負責對輸送線送來的包裝箱進行規(guī)則排列，形成3′2 結構，以便機械手氣爪的抓??；

（4）氣爪抓放控制子程序：負責對氣爪電磁閥組進行控制，控制機械手氣爪對包裝箱的抓、放；

（5）報警和安全處理子程序：負責電機故障、氣爪故障、編碼器信號故障、超程故障等的判斷和處理。

圖3 碼垛機控制系統(tǒng)工作流程圖

5 碼垛機的保養(yǎng)與維護

該碼垛機機械結構簡單、傳動穩(wěn)定性較高，因此保養(yǎng)與維護較為方便，主要涉及以下幾個方面：

（1）做好碼垛機保養(yǎng)與維護的記錄和歸檔，將技術保養(yǎng)的項目內容規(guī)范化。碼垛機設備的保養(yǎng)規(guī)范是指對機械技術保養(yǎng)要求的規(guī)定。包括定期檢查傳動鏈條和齒輪齒條的潤滑狀態(tài)，并根據需要添加潤滑油/脂；定期檢查機械手氣爪機構的工作狀態(tài)，防止異物、水等進入氣動回路等。并根據不同保養(yǎng)項目內容和要求進行保養(yǎng)并做好記錄，建立相應的設備檔案，為今后保養(yǎng)和判斷機械狀況以及維修提供可靠的依據。

（2）對操作人員及保養(yǎng)維護人員進行培訓，確保各項工作能按操作規(guī)程進行。碼垛機的操作人員及保養(yǎng)維護人員應當經過嚴格操作培訓，持證上崗，熟悉碼垛機的構造、原理、性能等，按碼垛機操作規(guī)程進行操作、保養(yǎng)和維護。

（3）由于碼垛機采用了多種精密傳感器以及控制設備，工作環(huán)境需確保干燥。如運行過程中發(fā)現(xiàn)機器電氣設備部分有水漬，應立即停機并切斷電源，及時將水漬清理干凈，清理完成后方可重新啟動碼垛機。

6 結論

本文設計了一種機械式升降橫移式結構的碼垛機。該機的升降機構采用了鏈條傳動形式，升降速度可達0.62m/s；橫移機構采用了齒輪齒條傳動形式，橫移速度達0.55m/s。碼垛機控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、變頻器、氣動電磁閥組、編碼器等組成，并采用模塊化方式編寫了系統(tǒng)控制程序。在實際使用中，該碼垛機工作穩(wěn)定性高，操作與維護方便，工作效率較高，廣受企業(yè)好評。