自動取貨和自動運輸?shù)难b置

張肖剛 傅曉錦

【摘 要】為了實現(xiàn)對書本、小型木板等貨物的取貨及運輸?shù)淖詣踊僮鳎疚脑O(shè)計了一種簡單的、效率較高的自動取貨和自動運輸?shù)难b置。使用膠輪的摩擦來實現(xiàn)貨物從貨架上取下來，同時使用具有可使貨物運動方向發(fā)生改變的擋板來實現(xiàn)貨物沿著設(shè)定好的方向運動，達(dá)到取貨的目的。同時為了方便貨物進(jìn)入貨箱中，使用光電傳感器和直線伺服電機(jī)來實現(xiàn)對貨箱位置的調(diào)整和貨物的計數(shù)，電機(jī)的運動由單片機(jī)控制。貨物進(jìn)入貨箱中后通過系統(tǒng)啟動滾輪傳動帶，從而實現(xiàn)自動取貨和運輸。為了驗證貨物能夠按照設(shè)計的擋板的形狀進(jìn)入貨箱中，對貨物的運動情況進(jìn)行運動學(xué)分析，結(jié)果滿足設(shè)計要求。

【關(guān)鍵字】膠輪；擋板；光電傳感器；單片機(jī)；運動學(xué)分析

中圖分類號：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）33-0027-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.011

【Abstract】In order to realize the automatic operation of taking and transporting books， small wooden boards and other goods， this paper designs a simple and efficient automatic picking and transporting device. Rubber wheel friction is used to remove the goods from the shelves. At the same time， a baffle with a change in the direction of movement of the goods is used to realize the movement of the goods along the set direction， so as to achieve the purpose of picking up the goods. At the same time， in order to facilitate the entry of goods into the container， photoelectric sensors and linear servo motor are used to adjust the position of the container and count the goods. The movement of the motor is controlled by a single chip microcomputer. After the goods enter the container， the roller transmission belt is started through the system， thus realizing automatic pick-up and transportation. In order to verify that the goods can enter the container according to the shape of the designed baffle， the kinematics analysis of the movement of the goods is carried out， and the results meet the design requirements.

【Key words】Rubber wheel； Baffle； Photoelectric sensor； Microcontrollers； Kinematics analysis

0 引言

在當(dāng)前的企業(yè)或倉庫中對與小型板件的取貨與搬運一般采用人工計數(shù)和搬運，但是對于大量貨物的取件和搬運效率較低，且工人工作強(qiáng)度大[1]。相關(guān)企業(yè)迫切需要將取貨及運輸轉(zhuǎn)變成自動運行，以減少工人的勞動強(qiáng)度。

自動取貨的方案是設(shè)計的關(guān)鍵，由于貨架上的貨物是并排豎向擺放，在取貨過程中需要按照其擺放狀態(tài)進(jìn)行取貨，因此取貨的方案必須實現(xiàn)一個貨物的選取不會影響相鄰的貨物的擺放狀態(tài)[2]。取貨的數(shù)量必須是提前根據(jù)要求進(jìn)行的，方案中要能夠?qū)崿F(xiàn)貨物的計數(shù)。由于被取貨物需要運動到貨箱中，因此需要對貨物運動的方向進(jìn)行約束。整個取貨的過程是自動實現(xiàn)的，因此必須采用自動控制的系統(tǒng)進(jìn)行各運動部件的自動控制[3]。

1 系統(tǒng)方案的設(shè)計

本自動取貨和自動運輸裝置，由三個部分組成：取貨系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、檢測及自動控制系統(tǒng)[4]。其主要功能分別是：

（1）取貨系統(tǒng)實現(xiàn)貨物從貨架上平穩(wěn)的運動到貨箱中，一次只可實現(xiàn)一件貨物的選取。

（2）運輸系統(tǒng)實現(xiàn)對已經(jīng)從貨架上取下的貨物進(jìn)行運輸，其需要等到貨物完全取下才能工作。

（3）檢測及自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)取貨過程中的貨物的計數(shù)、電機(jī)工作的控制和貨物運動的位置，保證直線伺服電機(jī)對箱子位置的調(diào)整能夠與貨物的向下運動相配合，實現(xiàn)貨物的連續(xù)選取；同時能夠控制運輸機(jī)構(gòu)的運動，保證取貨完成之后，運輸機(jī)構(gòu)能夠及時工作。

1.1 取貨系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示，取貨系統(tǒng)主要包括：膠輪、驅(qū)動電機(jī)、彈簧、擋板、傳動帶、膠輪安裝板、貨物運動控制擋板、直線伺服電機(jī)、貨箱等部件。貨物被豎向擺放在貨架上，其一側(cè)由一個裝有彈簧裝置的擋板，另一側(cè)的貨物被裝有膠輪的擋板上的膠輪擋住。在貨物運輸時，首先貨架上的電機(jī)開始工作，其帶動傳動帶運動，進(jìn)而驅(qū)動兩膠輪實現(xiàn)同向轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動膠輪通過摩擦驅(qū)動貨物向下運動。為了約束貨物向下運動的方向，使之能夠按照設(shè)定好的方向和位置運動，在貨架開口下端的附近加裝一個約束擋板，其形狀通過運動學(xué)分析后最終確定。約束擋板深入貨箱中，保證貨物進(jìn)入貨箱中能夠抵住其，防止貨物倒落在貨箱中。為了防止貨箱在后面的運輸過程中不會受到約束擋板的碰撞，將約束擋板設(shè)計成可以繞貨箱運動方向垂直方向旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，板1可繞軸2旋轉(zhuǎn)，支架3固定在貨架下部。第一件貨物進(jìn)入貨箱后，貨物兩邊分別由貨箱和約束擋板抵住，貨物可以豎直放置在貨箱中。當(dāng)前一件貨物進(jìn)入貨箱之后，貨架上的貨物由于受彈簧擋板的推動，剩余的貨物會向膠輪擋板運動，并由一個新的貨物與膠輪接觸，此時膠輪對該貨物進(jìn)行新一輪的驅(qū)動。當(dāng)?shù)诙浳镅刂s束擋板進(jìn)入到貨箱之前，由于約束擋板上方與上一貨物存在空隙（略大于貨物厚度）此貨物將沿著約束擋板和上一貨物的空隙插入貨箱，為了使上約束擋板下部與上一貨物之間能夠產(chǎn)生足夠的空隙，此時直線伺服電機(jī)開始工作，推動貨箱開始運動，配合貨物插入約束擋板與上一貨物之間的空隙中。為了方便貨物插入，約束擋板上部與下部連接部分采用大半徑圓弧邊緣。光滑的約束擋板表面引導(dǎo)貨物沿著設(shè)定好的軌跡進(jìn)入約束擋板與上一貨物之間的縫隙，直到貨物完全進(jìn)入貨箱中，同理后面各貨物取貨方式與此相同。

1.2 配套運輸系統(tǒng)設(shè)計

運輸系統(tǒng)采用滾輪傳送帶進(jìn)行運輸，由半片機(jī)進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的輸送。

1.3 檢測及自動控制系統(tǒng)

為了實現(xiàn)取貨和輸送的自動和相互有序的配合，在貨架頂部裝有光電傳感器進(jìn)行貨物位置的確定，根據(jù)貨物距傳感器的距離確定貨物的位置，進(jìn)而將其位置信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行對直線伺服電機(jī)的控制。

根據(jù)輸入的要求選取的貨物數(shù)量時，預(yù)先在單片機(jī)中設(shè)置好數(shù)值。在貨架下部的一端設(shè)置一個光點傳感器進(jìn)行貨物的計數(shù)，當(dāng)貨物數(shù)量未達(dá)到設(shè)定的數(shù)值時，貨物一直被選取，當(dāng)貨物數(shù)量達(dá)到預(yù)定數(shù)值時，單片機(jī)控制電機(jī)停止工作，選取停止。然后單片機(jī)再控制啟動滾輪傳動帶運輸貨箱，從而實現(xiàn)取貨和運輸?shù)娜詣舆\行。

2 貨物的運動學(xué)仿真

貨物能否進(jìn)入貨箱中是由約束擋板決定的，其設(shè)計的成功與否能直接決定取貨能否成功。由于貨物約束擋板的邊界形狀是圓弧形。故此我們要模擬計算所設(shè)計的約束擋板能否成功約束貨物的運動方向。因此采用Solidworks Motion模塊進(jìn)行運動學(xué)分析進(jìn)行驗證[5]。

2.1 添加實體接觸

單擊接觸，選擇實體接觸。實體接觸主要用來當(dāng)兩部件接觸碰撞時，為防止發(fā)生實體貫穿的現(xiàn)象，使之符合實際情況兩零件的運動狀態(tài)[6]。此處也是為了防止貨物與約束擋板發(fā)生實體貫穿而使用，如下圖2中的（a）所示。

2.2 載荷的添加

由于相鄰貨物會給所要運輸?shù)呢浳镆粋€正壓力，因此單擊力/扭矩按鍵，實現(xiàn)對側(cè)向平面的載荷施加，如下圖2中的（b）所示。

由于側(cè)向貨物對該運輸貨物的正壓力，會在該平面上產(chǎn)生一個摩擦力，采用相同的方式施加該摩擦力，如下圖2中的（c）所示。

2.3 添加馬達(dá)

單擊“馬達(dá)”按鈕，對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及選擇。選擇馬達(dá)類型為線性馬達(dá)。電機(jī)的驅(qū)動力通過傳動帶和膠輪最終傳導(dǎo)到貨物的側(cè)面，等同于給其側(cè)面一個線性馬達(dá)。因此將膠輪接觸的貨物側(cè)面作為馬達(dá)安裝面。馬達(dá)的運行方向和貨物實際運動方向相同[7]。設(shè)定直線運動速度是10mm/s。如下圖2中的（d）所示。

2.4 運動仿真結(jié)果

取貨系統(tǒng)的運動仿真的研究目標(biāo)是貨物的運動，將貨物的運動軌跡計算出來便可以說明貨能夠成功實現(xiàn)選取。點擊“運動算例屬性”按鈕，在彈出來的“結(jié)果和圖解”管理器中，選擇位移、速度和加速度一欄，在其子類別中選取路徑跟蹤，選擇貨物下端一個端點，便可計算出貨物的軌跡。如下圖3中的（a）為貨物的運行軌跡。在子類型中選擇x方向位移，可以求得貨物在運動過程中在其橫向方向上的線性位移圖解，如圖3所示的（b）。

3 總結(jié)

本設(shè)計通過單片機(jī)控制的電機(jī)驅(qū)動膠輪，通過膠輪的摩擦驅(qū)動貨物運動，同時由于相鄰貨物收到其他貨物的壓力和貨架的支持力，在一次取貨過程中，只有一件貨物能夠被取出。在貨架上部加裝一個光電傳感器，將貨物位置信號輸入到單片機(jī)中，使用單片機(jī)控制直線伺服電機(jī)實現(xiàn)貨箱與貨物下降的配合。在貨架下部安裝一個光電傳感器用于對貨物的計數(shù)，以單片機(jī)進(jìn)行控制驅(qū)動電機(jī)的工作，實現(xiàn)根據(jù)外界輸入的貨物數(shù)量進(jìn)行取貨。當(dāng)取貨過程完成以后，單片機(jī)控制啟動滾輪輸送帶進(jìn)行貨物的運輸，實現(xiàn)了整個工作的自動化。為了驗證取貨系統(tǒng)能夠按照設(shè)計進(jìn)行，采用Solidworks Motion模塊進(jìn)行了貨物的運動學(xué)分析，取得了預(yù)期的效果。本文設(shè)計的自動取貨和運輸裝置結(jié)構(gòu)較為簡單，能夠高效完成板型件貨物的自動取貨和運輸。

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