摘要:阐述了搬运码垛机器人的机构组成、工作原理,讨论了以可编程控制器为核心的机器人控制系统,分析了起升机构的动态响应。该机器人具有结构精巧、控制可靠、运行平稳、价格低廉的特点,适合于企业、仓库、码头等堆垛机推广使用。0 引言
目前工业机器人已获得日益广泛的应用,随着码垛机技术的发展,向货板上装货作业呈现出自动化的发展趋势,出现了搬运机器人,完成纸箱、塑料箱、纸袋、编织袋、油桶、空罐空瓶等产品堆码与自动搬运等操作;特别是自动化仓库的出现,更加速了这种堆垛搬运机器人的广泛应用。
搬运和码垛作业在现代企业的物流管理中占有重要地位。80年代,工业发达国家在推广搬运码垛的自动化、机器人化方面取得了显著进展;日本、德国等国家在大批量生产如家电、食品、水泥、化肥等行业广泛使用了搬运机器人。目前,日本已产品化的搬运码垛机器人,最大搬运重量可达300kg,最大工作半径215m,最大运动速度012m/s,重复定位精度015mm。我国在“七五”、“八五”期间已有许多单位研制出搬运码垛机器人,如上海大学研制的用于银行金库的直角坐标型搬运机器人、哈工大研制的堆垛机器人等。
本文设计的搬运码垛机器人是为了满足贵溪冶炼厂生产实际需求,要将辊道输送线上的桶装砒酸(108kg/桶)不损坏油漆及开启销定位搬至包装箱堆垛并打捆,以待装集装箱。该包装箱是一正方形木框,桶的放置位置如图1所示。
图1 桶的摆放位置图
桶的直径为420mm,高为500mm。成品砒酸主要出口到日本和澳大利亚等国家,外商对成品包装物的外观要求严格,盛砒酸桶不能有碰伤、掉漆、变形等缺陷。此外,砒酸是一种剧毒产品,如出现碰坏桶现象而发生砒酸溢出,将对工作人员造成危害。鉴于上述原因,本人参考起重机械的结构设计,运用机器人设计思想,设计了一种专用较重产品的搬运码垛机器人。该机器人具有结构简单、定位准确、高效、价廉等特点,适合我国中小企业推广使用。1 结构简介
搬运码垛机器人的结构由三大部分组成,即起升机构、旋转机构和堆垛机构。三机构分别由各自的电机驱动,运动相对独立。
机器人的起升机构布置图如图2所示。
图2 起升方式初始状态
图3 堆垛过程示意图
它采用单销四槽槽轮机构和曲柄滑块机构组合实现机器人的堆垛功能。工作原理如下:每框第一桶(摆放在木框的中心),曲柄动作并带动和滑块连在一起的包装木框平移一段距离,使悬臂搬运过来的桶刚好放在正方形木框的中心,然后再退回原位置。其余四桶,槽轮机构动作并带动包装木框旋转,使桶依次摆放在正方形木框内(桶的摆放位置如图1所示)。2 起升机构动态响应分析
起升机构工作时最大动力响应发生在货载离地起升和满速下降制动这两个工况。起升机构在离地起升时系统的力学模型如图4所示。
图4 起升系统的力学模型
图中的代号含义是:J1为电动机转子和联轴器的转动惯量;J2为制动轮的转动惯量;m1是结构在货载悬挂点的转化质量;m2是取物装置的质量;m3是有效载荷质量;k0是传动轴的刚度系数;k1为结构在货载悬挂点的刚度系数;k2为滑轮组的刚度系数;k3为取物索具的刚度系数;Tt是电动机的启动转矩;Tr为机构运动的静阻转矩;r是卷筒半径;i为机构速比;n为滑轮组倍率。各质量的广义坐标的符号及方向见图。货载离地前,系统由J1、J2、m1、m2、k0、k1、k2组成;离地后系统增加了k3和m3,就是说离地前、后是不同的两个系统,货载离地之后是具有初速度和初位移激励的自由振动。最大动态响应发生在货载离地之后,根据图4,运用牛顿第二定律,可得到货载离地后的系统运动方程:
M¨x CÛx Kx=F
3 控制系统的设计
图5 机械手自动方式状态图
以控制系统需简单、稳定、可靠且经济等为目标,机器人控制系统拟采用基于微处理器的控制系统,如采用可编程控制器(PLC)对其进行点位控制(即PTP方式),可以根据不同的作业要求,编制不同的程序进行控制。控制系统主要由三部分组成:(1)主回路;(2)手动控制回路;(3)自动控制回路;包括PLC控制电路和位置检测电路。为了达到设计提出的要求,三台电机均选用带制动器的电机。考虑到现场生产的需要,将手动控制和自动控制回路分开,万一自动控制系统失灵,仍可用手动进行控制,提高了机器人工作的可靠性。自动控制是机器人的主要控制方式,机器人的自动控制系统核心是一台日本三菱公司的FX2-48MR可编程控制器。它具有功能强、可靠性高、体积小、结构紧凑、安装维护方便等优点。位置传感器选用了全封闭的霍尔型接近开关。PLC虽然具有很强的逻辑计算功能,但这一问题由于工艺复杂,动作繁多,若用通常的梯形图语言编制,则需使用大量的辅助继电器,进行大量的自锁和联锁,不仅编制困难,更难以维护。本控制系统采用步进指令SET和RST,大大简化了动作执行的条件,程序和工艺流程的对应关系一目了然,易于调试修改,提高了工作效率。(图5列出了机械手自动方式梯形图程序)另外使用步进指令后,在一个扫描周期里,仅执行母线上的指令和某步进点内的指令,而其它步进点内的指令不执行。本程序共有230多条指令,使用步进指令后每一周期仅执行几十条指令,缩短了程序的扫描周期,使机器人的动作更加可靠。4 结束语
本文针对某企业生产线的实际需求,设计了一种经济,实用的搬运码垛机器人,完成了对桶装产品的搬运码垛,而且效率高,可靠性好,完全满足自动化生产的要求。该机器人还可对纸箱、塑料箱、袋状物、盒装物等搬运码垛,只需更换手爪即可。广泛适用于企业、仓库、码头等。因此,它具有可观的经济效益和社会效益。