陳永奎，譚 豐，譚曉東

（1.大連交通大學機械工程學院，遼寧大連 116028；2.上海彼伏智能科技有限公司，上海 200131）

0 引言

隨著我們國家的運輸業(yè)以及工業(yè)的發(fā)展，袋裝貨物的裝卸作為物流運輸中比較重要的環(huán)節(jié)，對物流效率有著很重要的影響，同時袋裝貨物的沉重性也使工人的勞動強度過高，因此更高效且安全的碼垛裝車系統(tǒng)是發(fā)展運輸業(yè)所必須的。

國內外對碼垛系統(tǒng)也是進行了大量地研究，現(xiàn)有的袋裝碼垛系統(tǒng)多為龍門搭載碼垛機器人配合大面積鋪設的流水線進行碼垛，并且末端執(zhí)行器一般選用的多為機械夾爪式或真空吸盤式。首先，流水線需要從立體倉庫一直鋪設到碼垛場地過于冗余，龍門式移動平臺過于龐大。其次，在末端執(zhí)行器上傳統(tǒng)的機械夾爪式由于其結構影響，想要完好的抓取貨物，就需將貨物頂升或對流水線進行特殊處理，否則容易損毀貨物。而真空吸盤式夾具由于袋裝貨物沉重性以及包裝袋的種類區(qū)別，使其無法做到通用。

同一個工作場合不一定只存在一種貨車的碼垛，如果想實現(xiàn)更加高效地碼垛，必須對現(xiàn)有的碼垛系統(tǒng)進行改良，使碼垛系統(tǒng)的占地空間減少，以此來減少系統(tǒng)冗余帶來的不變性，同時此系統(tǒng)還需要適應更多的車型，使得系統(tǒng)能夠具有一定的通用性。此外需要設計一種夾具可以規(guī)避傳統(tǒng)夾具的弊端，不僅可以高效地碼垛，還要不易損害貨物，并且對設計的夾具進行受力分析，使夾具的強度滿足任務工作的需求，本文希望通過解決這兩個問題給現(xiàn)有的碼垛系統(tǒng)提供更加合理的方案。

1 碼垛系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)針對的碼垛對象為袋裝貨物，其填充尺寸為750 mm×500 mm×125 mm，質量為50 kg∕袋。為了實現(xiàn)高自動化，高效率的裝車需求，本文設計了新式的碼垛系統(tǒng)，運輸部分采用智能AGV叉車[1]，碼垛的機器人根據(jù)負載需求以及車輛的復雜性，選擇了ABB公司的IRB660，其到達距離為3.15 m，承重能力為180 kg。將碼垛機器人放置在所設計的機器人底座之上以實現(xiàn)沿卡車方向的移動，且選取的碼垛機器人的可達空間縱向長度為2.98 m，因此可適應絕大部分的貨車。根據(jù)其功能本文將其分為4部分：立體倉庫、運輸裝置、機器人底座、碼垛機器人。

圖1 系統(tǒng)構成Fig.1 System composition

2 主要硬件組成

2.1 碼垛機器人

因本文系統(tǒng)的碼垛機器人搭載在可移動式的機器人底座上，因此在實際使用中可不考慮貨車的長度，僅考慮貨車的寬度以及高度。因此針對市面上現(xiàn)有的卡車不同噸位的尺寸進行調查，其結果如表1所示。本文所調查車輛不能代表所有使車輛但已覆蓋大部分車輛尺寸。

表1 常見卡車尺寸Tab.1 Common truck dimensions

機器人的末端執(zhí)行器在使在系統(tǒng)中所能到達的地方，稱之為工作空間[2]，機器人的工作空間應略大于實際任務空間的，機器人的末端執(zhí)行器長、寬、高分別為1 260 mm×840 mm×590 mm，機器人末端執(zhí)行器的中心距離兩側的寬度應為機器人末端執(zhí)行器的長寬的1∕2，基于通用性，采用寬度的一半即420 mm，同時給碼垛機器人的工作空間寬度方向給予200 mm余量，高度方向考慮到有些貨車會存在頂棚的現(xiàn)象給予余量200 mm，結合末端執(zhí)行器的尺寸，貨車的調查尺寸以及余量，確認工作空間尺寸的截面尺寸（寬×高）為1 800 mm×2 310 mm，將其與碼垛機器人的實際工作空間進行對比，如圖2所示，確認了其可行性。

圖2 空間對比圖Fig.2 Spatial contrast map

2.2 AGV叉車機器人

AGV叉車機器人的主要作用為將已經(jīng)碼垛好的貨架從立體倉庫中運出并將其運輸?shù)綑C器人底座處[3]，AGV叉車機器人在使用時相對于普通的AGV叉車其可負載更大重量的貨物[1]，每一個貨架防止20袋貨物算上貨架重量高達1 t以上，并且由于貨物底面積不大，普通的AGV機器人如果想負載超過1 t則會產(chǎn)生體積上的浪費并且價格昂貴。

2.3 頂升機構

頂升機構是由液壓站、液壓油缸及升降機構組成，先由圖2的推進油缸將升降機構推入貨架，碼垛機器人每一次循環(huán)將從貨架頂端運走兩袋貨物，當傳感器檢測到貨物被運走，則由圖3抬升油缸帶動升降機構將貨物抬高125 mm，將貨物放置于下一次循環(huán)中的工作位置[4]。

圖3 頂升機構Fig.3 Jackingmechanism

2.4 機器人底座

機器人底座為可移動式平臺，使得機器人可以在機器人底座的帶動下完成沿車身方向的位移，使得此系統(tǒng)可適應不同長度的車型，使得在考慮機器人選型時僅需考慮車的寬與高平面工作空間尺寸[2-3]。并將升降機構集成在機器人底座上。

2.5 傳感器系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用多種傳感器用于確認系統(tǒng)的工作狀態(tài)，其中包含毫米波傳感器、超聲波傳感器、二位激光雷達、光電開關、霍爾開關等，傳感器所采集的數(shù)據(jù)傳送給PLC[5]，進行控制邏輯以及安全性檢測，經(jīng)過PLC的調控可以保證系統(tǒng)可以安全平穩(wěn)地運行。

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)的硬件組成如圖4所示，本系統(tǒng)控制包含本地按鈕控制、觸摸屏控制以及遠程PLC客戶端控制[6-7]，本系統(tǒng)因需控制機器人底座移動平臺電機，因此選用西門子S7-1200DC∕DC∕DC型號PLC，西門子作為業(yè)界首次采用全集成自動化軟件的公司，其編程與調試是極為方便的。此款PLC可以通過脈沖信號對電機控制，本地控制包含本地或遠程選擇急停、啟動，停止等功能通過按鈕或旋鈕控制。觸摸屏選購繁易FM6100，為10.1寸大屏LCD屏幕可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示以及HMI端控制，與PLC之間采用RS485進行通訊，遠程控制由中央控制系統(tǒng)負責，其產(chǎn)品為施耐德PLCM580，本系統(tǒng)采用ModbusTCP協(xié)議服務器與客戶端進行遠程的數(shù)據(jù)交換與控制，S-71200為服務器對其開放指定數(shù)據(jù)區(qū)間，使得中央控制系統(tǒng)可以進行遠程的數(shù)據(jù)讀取、監(jiān)控以及控制，機器人與服務器之間通過Profinet進行通訊控制[8]。

圖4 硬件組成Fig.4 Hardwarestructure

同時本系統(tǒng)包含豐富的傳感器，毫米波傳感器同時輔以超聲波傳感器可用于確認車輛是否到位[9]；位移傳感器可以檢測末端執(zhí)行器距離工件的距離；光電傳感器可以檢測到貨物是否被機器人運走并計數(shù)[10]，并通過PLC判斷何時將整個貨架全部碼垛完成。編碼器可以產(chǎn)生脈沖從而使系統(tǒng)得知機器人底座當前位置，同時可通過PLC發(fā)送高速脈沖控制電機前往下一工位。此外本系統(tǒng)選擇的碼垛機器人為ABB公司的IRB-660，其末端執(zhí)行器可360°旋轉，配合二維激光雷達旋轉以實現(xiàn)對貨車的車廂進行三維掃描，從而確認系統(tǒng)的工作空間尺寸以及姿態(tài)，方便系統(tǒng)進行合理的垛型規(guī)劃。

3.2 系統(tǒng)控制流程

圖5 工藝流程Fig.5 Processflow chart

整個系統(tǒng)的控制流程如下：在立體倉庫中AGV叉車配合倉庫的碼垛機器人將貨架裝滿，并由AGV叉車將裝填完畢的貨架運輸至指定位置，當貨架到達工作位置時觸發(fā)傳感器，機器人底座運動到工作位置。當毫米波傳感器以及超聲波傳感器確認車輛已到位，通過二位激光雷達確認卡車的工作空間尺寸以及姿態(tài)后系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。系統(tǒng)正常的情況下先由推進油缸將升降裝置推入貨架底部，然后由抬升油缸將貨物抬升一個工位，當光電傳感器感應到貨物到位由碼垛機器人將其運走，同時光電傳感器計數(shù)加一，然后繼續(xù)由抬升油缸抬升一個工位循環(huán)工作直到光電傳感器計數(shù)達標，則證明此貨架已空，由AGV叉車將空的貨架運至立體倉庫進行填充，同時新的貨架放至下一工位，PLC通過脈沖輸出控制電機到達下一工位，直到貨車裝滿。

4 末端執(zhí)行器設計與驗證

每一個循環(huán)碼垛機器人從工作區(qū)域轉移兩袋貨物，本文所設計的執(zhí)行器如圖6所示，其工作原理為油缸推出將其連接件置于貨物上方，然后油缸收縮同時機械手直線運動向前，貨物與收納空間有一定高度差使得貨物可以平穩(wěn)的被放入執(zhí)行器內部，并且其存儲空間底部存在滾筒，油缸與碼垛機器人配合推入推出使得在推入推出過程中貨物的形變可控[11]。并由碼垛機器人運輸至卡車內進行碼垛，本文所設計的執(zhí)行器每一袋貨物均有A、B兩個方向的輸入和輸出，有助于對垛型的合理規(guī)劃[12]，且A、B兩個方向同時只有一個工作另一個位于原位，因此機械結構上并無干涉。

圖6 夾具結構Fig.6 Fixturestructure

由于其主要的受力件為A、B向擋板，因此本文針對這兩個零件進行分析，兩個擋板的材料均為304的不銹鋼，密度為7.93 g∕cm3，其伸長率大于或等于40%，屈服強度大于等于205 MPa，本文主要分析兩個擋板在推入與推出時的應力及位移情況[8-9]，經(jīng)過分析，分析結果如圖7～8所示。數(shù)據(jù)對比如表2所示。通過表2可以得知在推入與推出時的最大應力為48.39 MPa，遠遠小于其許用應力，最大的位移量產(chǎn)生于A向擋板推出時，此時最大位移量僅為0.63 mm，擋板的強度完全符合標準，可以使用[13-15]。

表2 4種工況下應力與位移Tab.2 Stress and displacement table under four working conditions

圖7 A向擋板應力位移云圖Fig.7 A-direction bafflestressdisplacement cloud diagram

圖8 B向擋板應力位移云圖Fig.8 B-direction bafflestressdisplacement cloud diagram

4 結束語

本文所設計的碼垛系統(tǒng)自動化程度較高，且無流水線那種冗余的結構，由多組AGV循環(huán)搬運貨架，使得裝車過程中工位上始終有貨架，機器人底座的可移動性以及大力臂的碼垛機器人使得系統(tǒng)可以適應基本市面上大部分貨車。同時AGV配合集成在機器人底座上的頂升機構，使得其裝車碼垛高效；本系統(tǒng)所用的夾具采用新型結構，油缸配合碼垛機器人使得貨物平穩(wěn)的推入推出，使得貨物形變在可接受范圍內。

采用本文所設計的系統(tǒng)，可對現(xiàn)有的袋裝裝車系統(tǒng)進行優(yōu)化，使得其高度自動化，減少人員的勞動強度以及危險系數(shù)。并且本文所設計的夾具不僅可適用于工業(yè)硫磺的袋裝貨物，也可適用于其他袋裝貨物以及一定尺寸的箱裝貨物。相對于傳統(tǒng)的夾爪式，其安全性得到提升，并對貨物的損壞降到最低。