升降橫移式包裝箱碼垛機的設計

陸 波，錢振華，陳曉東

（1.湖州職業技術學院 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機器人式[1]、橋式[2～3]、龍門式[4]等。關節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。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，等待下次抓取；

（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為直線，作為齒廓曲線的漸開線也變為直線。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

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原理如圖2所示。

系統選用西門子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響應的應用而設計的。這些高級矢量控制系統可確保一致的高驅動性能，即使發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控。該控制系統具有運行穩定性好、成本相對低廉、易于操作和維護的特點。

碼垛機控制系統的PLC 程序采用模塊式編寫，設計了系統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。碼垛機控制系統工作流程圖如圖3所示。

系統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則排列，形成3′2 結構，以便機械手氣爪的抓取；

（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 碼垛機控制系統工作流程圖

5 碼垛機的保養與維護

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

（1）做好碼垛機保養與維護的記錄和歸檔，將技術保養的項目內容規范化。碼垛機設備的保養規范是指對機械技術保養要求的規定。包括定期檢查傳動鏈條和齒輪齒條的潤滑狀態，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，防止異物、水等進入氣動回路等。并根據不同保養項目內容和要求進行保養并做好記錄，建立相應的設備檔案，為今后保養和判斷機械狀況以及維修提供可靠的依據。

（2）對操作人員及保養維護人員進行培訓，確保各項工作能按操作規程進行。碼垛機的操作人員及保養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，按碼垛機操作規程進行操作、保養和維護。

（3）由于碼垛機采用了多種精密傳感器以及控制設備，工作環境需確保干燥。如運行過程中發現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控制程序。在實際使用中，該碼垛機工作穩定性高，操作與維護方便，工作效率較高，廣受企業好評。