魏 巍

（廣州大學機械與電氣工程學院，廣州 510006）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，中國勞動力的增速在放緩，價格在上漲，同時伴隨的還有人口老齡化加速，人口紅利在逐漸消失。自動化作為提高生產(chǎn)效率、解放人力勞動、升級制造業(yè)的一個有效手段，在經(jīng)濟轉(zhuǎn)型期被寄予厚望[1]。

中國的包裝機械起步于20 世紀70 年代，經(jīng)過四五十年的發(fā)展，包裝機械有了質(zhì)的飛越，自動化率也在逐漸提高[2]。而作為包裝后段的碼垛作業(yè)自動化主要是應(yīng)用碼垛機器人來實現(xiàn)。20 世紀70 年代末，日本用工業(yè)機器人來完成產(chǎn)品的碼垛[3]。隨后日本、德國、瑞典、美國等國家在包裝碼垛機器人方面做了大量的工作，陸續(xù)推出了自己的碼垛機器人[4]。

這類通用型碼垛機器人有著工作空間大，適用范圍廣等優(yōu)點。針對于本文的一種箱裝產(chǎn)品的碼垛：箱子尺寸不大，碼垛速度為20 箱/min，可供改造的碼垛空間較小。在有限的改造空間內(nèi)實現(xiàn)碼垛的自動化，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。如果用通用型碼垛機器人來完成，其占用空間較大、成本較高、設(shè)備利用率較低。因此，本文將設(shè)計一種基于X、Y、Z 三軸機械手的自動碼垛系統(tǒng)，在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)碼垛自動化，取代人工，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1 碼垛工藝分析

1.1 產(chǎn)品的碼垛要求

如圖1所示，箱裝產(chǎn)品的尺寸為338 mm×166 mm×176 mm，質(zhì)量為3.1 kg。

圖1 紙箱

圖2 垛板

需要將箱裝產(chǎn)品按照一定的箱型堆放在垛板上面，如圖2所示，垛板尺寸為1 200 mm×1 000 mm×150 mm，垛板材料為塑膠，質(zhì)量為25 kg。箱型的排列如圖3 所示，按要求需要堆放6 層，每層19 箱，奇數(shù)層的箱型和偶數(shù)層的箱型是不同的，這樣交錯堆放有利于垛型的穩(wěn)定，不容易傾倒。

圖3 垛型圖

產(chǎn)品經(jīng)過稱重、貼標等環(huán)節(jié)，進入最后一個碼垛環(huán)節(jié)，速度為20 箱/min。

1.2 自動碼垛系統(tǒng)工藝規(guī)劃

從上述的碼垛要求得知，可以采用通用型的碼垛機器人+專用機械手來完成此產(chǎn)品的自動碼垛。但此產(chǎn)品的生產(chǎn)速度較低，且箱型是固定的，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)碼垛機器人雖然通用性較高，但是價格昂貴、占用空間較大，在本項目中應(yīng)用經(jīng)濟效益較低。經(jīng)過綜合考慮，本項目設(shè)計一種基于X、Y、Z三軸機械手的自動碼垛系統(tǒng)。自動碼垛系統(tǒng)的布局圖如圖4所示，自動發(fā)垛板機發(fā)出一個空垛板經(jīng)過垛板輸送線輸送到碼垛位；產(chǎn)品經(jīng)過輸送線輸送到整箱平臺，整箱平臺將箱子整理成所需的箱型；X、Y、Z 三軸機械手再將整理后的箱子堆放在垛板上（每次抓取3 箱或2 箱）；待碼垛完成后，垛板輸送線再將滿垛產(chǎn)品輸送到叉車位，再用叉車將其運走，這樣就完成了一個自動碼垛的循環(huán)。

圖4 自動碼垛系統(tǒng)布局圖

2 碼垛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

三維CAD技術(shù)是指計算機輔助設(shè)計技術(shù)，設(shè)計人員利用計算機及圖形設(shè)備以及相應(yīng)的CAD軟件完成設(shè)計類的工作[5]。目前主流的CAD 軟件有PRO/E、CATIA、UG、Solidworks、Autodesk inventor 等。其中 Solidworks 是在 Windows 環(huán)境下第一個實現(xiàn)的機械三維CAD 軟件，易學易用，提供參數(shù)化建模，既能提供自下而上的裝配方法，也提供自上而下的裝配方法，集成了設(shè)計、分析、加工和數(shù)據(jù)管理。在設(shè)計過程中，零部件和裝配體建立完全的實時相關(guān)性，任意時刻修改零部件，會牽動相關(guān)專裝配體的改變。其還可以動態(tài)模擬裝配過程，進行干涉檢查[6-7]?；谶@些特點，本文將應(yīng)用Solidworks進行相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1 自動發(fā)垛板機

如圖5 所示，自動發(fā)垛機采用鏈式提升機構(gòu)，由帶剎車的三相異步減速電機驅(qū)動。將空垛板放于提升機上（最多能放10個），當接收到需要輸送空垛板的信號后，提升機將上面的的空垛板提升一定距離，垛板輸送線就會將最下面一個空垛板輸送到碼垛位，然后提升機下降，將所有的空垛板再放于垛板輸送線上，這樣就完成了自動發(fā)垛板的一個循環(huán)。

2.2 垛板輸送線

如圖6所示，垛板輸送線采用雙鏈輪動力輥筒，用3個三相異步減速電機控制每段輸送線上垛板的運動。且在碼垛位的垛板輸送線一側(cè)裝有由氣缸驅(qū)動的固定擋板裝置，這是為了使空垛板輸送到碼垛位時，能精確定位空垛板相對于機械手的位置，保證每次碼垛的精度。

圖6 垛板輸送線

2.3 X、Y、Z三軸機械手

如圖7 所示，X、Y、Z 三軸機械手的每個軸采用伺服電機控制，X 軸采用同步帶傳動，Y 軸和Z軸采用齒輪齒條傳動。在伺服電機的驅(qū)動下，機械手可以分別在3 個軸上移動，機械手末端安裝有真空吸盤，用于吸附箱子。機械手下面的機架部分采用方管焊接，其他部分采用鋁合金6061，這樣既保證了機架的強度，也增加了機械手的靈活度，減小了伺服電機的負載。

圖7 X、Y、Z三軸機械手

2.4 整箱平臺

如圖8 所示，整箱平臺是有動力的雙鏈輪輥筒輸送線，由三相異步減速電機驅(qū)動。上面裝有擋箱裝置、轉(zhuǎn)箱裝置、推箱裝置、固定平臺等。當前面有箱子需要轉(zhuǎn)向時，擋箱裝置由伸縮氣缸頂出，阻止后面箱子繼續(xù)向前輸送。當需要箱子轉(zhuǎn)動90°時，控制伸縮氣缸將轉(zhuǎn)箱裝置頂出，在動力輥筒和轉(zhuǎn)箱裝置的作用下，箱子轉(zhuǎn)動90°后，再繼續(xù)向前運動。不需要箱子轉(zhuǎn)角度時，伸縮氣缸縮回。推箱裝置也由氣缸控制，將整理好箱型的箱子一起推到一個無動力的固定平臺上，以利于機械手吸附箱子。

圖8 整箱平臺

3 關(guān)鍵零部件的有限元分析

CAE（計算機輔助工程）是一個很廣的概念，從字面意思來理解包括了工程和制造業(yè)信息化的所有方面，但傳統(tǒng)的CAE 主要是指用計算機對產(chǎn)品性能和安全可靠性進行模擬分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，以利于在設(shè)計階段將其改善。通用型的CAE 軟件主體是有限元軟件，常用的有ANSYS、NASTRAN、ADINA、ABAQUS 等[8-9]。本文將基于 ABAQUS 對關(guān)鍵零部件進行有限元分析，以校核其剛度和強度。

由分析可知，對于自動發(fā)垛板機而言，要提升10個空垛板，質(zhì)量為250 kg，垛板提升架作為主要承載部件，材料為Q235。因為垛板的提升過程相對緩慢，可以近似為靜平衡，主要對其進行靜態(tài)分析。圖9 所示為垛板提升架優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)，圖10所示為其應(yīng)力變形云圖，從優(yōu)化前的應(yīng)力變形云圖中可以看出其最大應(yīng)力為264 MPa，超過了Q235 的屈服強度235 MPa，最大變形為2.4 mm，因此可以得出結(jié)論，此提升架的剛度和強度均不滿足要求。之后對垛板提升架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，主要是加大承重部位材料的厚度，并在提升架上添加加強肋。圖11所示為優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)示意圖，圖12所示為優(yōu)化后的應(yīng)力變形云圖。由圖中可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后，最大應(yīng)力為46 MPa，遠低于材料的屈服強度235 MPa，最大變形為0.5 mm。因此，可以得出結(jié)論，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的剛度和強度是滿足要求的。

圖9 垛板提升架（優(yōu)化前）

圖10 垛板提升架（優(yōu)化前）應(yīng)力變形云圖

圖11 垛板提升架（優(yōu)化后）

圖12 垛板提升架（優(yōu)化后）應(yīng)力變形云圖

4 結(jié)束語

本文針對一種箱裝產(chǎn)品，設(shè)計了一種基于X、Y、Z 三軸機械手的自動碼垛系統(tǒng)?，F(xiàn)場調(diào)試后，自動碼垛系統(tǒng)能穩(wěn)定高效地運行，碼垛速度最快達到了35 箱/min，遠大于實際要求的20 箱/min，且在吸附和搬運箱子的過程中無掉箱問題發(fā)生，為后續(xù)可能的產(chǎn)能提升提供了冗余。對企業(yè)而言本項目在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)了碼垛的自動化，取代了傳統(tǒng)的人工碼垛，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟效益。