坐標(biāo)式碼垛設(shè)備的設(shè)計(jì)

樓偉良

（能率（上海）住宅設(shè)備有限公司，上海201400）

0 引 言

我公司熱水器產(chǎn)品裝配完成從流水線末端下線，產(chǎn)品的搬運(yùn)和碼垛由人工作業(yè)完成，存在工作效率低、工作強(qiáng)度大、產(chǎn)品堆高受作業(yè)者高度限制的缺點(diǎn)。隨著管理水平的提升，流水線基本生產(chǎn)能力也逐步提高，日產(chǎn)能從400 件提高到500 件，如果繼續(xù)采用人工搬運(yùn)和堆碼產(chǎn)品，勢必要追加相應(yīng)作業(yè)人員，則增加了人力制造成本。

產(chǎn)品堆碼規(guī)定，每個(gè)地倉板堆放8 層，每層放置4 件產(chǎn)品，而且產(chǎn)品堆放的方位有要求，每臺(tái)產(chǎn)品的指定標(biāo)貼朝外便于掃碼識(shí)別和確認(rèn)。產(chǎn)品最大質(zhì)量約30 kg，在搬運(yùn)和堆放過程中經(jīng)常發(fā)生意外跌落，造成產(chǎn)品損壞或報(bào)廢。

除了存在以上缺點(diǎn)外，還存在產(chǎn)品堆放層數(shù)受到限制，阻礙倉儲(chǔ)容積率的提升，增加倉庫儲(chǔ)存成本等問題。為此，建立改善課題，目的是消除人工搬運(yùn)作業(yè)，避免產(chǎn)品意外跌落而報(bào)廢，降低制造成本。熱水器裝配流水線能適應(yīng)多品種、多規(guī)格的柔性化生產(chǎn)要求。

1 初步方案與評(píng)估選擇

為了解決產(chǎn)品下線由人工搬運(yùn)和堆放到地倉板的問題，擬采用機(jī)器人設(shè)備或機(jī)械設(shè)備搬運(yùn)、堆放產(chǎn)品，制訂了3 個(gè)設(shè)想方案，如表1 所示。

表1 方案分析和評(píng)估表

我公司流水線末端旁除去通道空置面積約為7 m2，除去通風(fēng)管道工場廠房最低處凈高度為3.7 m。由于場地條件的限制，課題改善目標(biāo)之一是提高倉儲(chǔ)量，產(chǎn)品堆放由8 層提高至9 層。因此，選擇坐標(biāo)式碼垛設(shè)備作為本課題研究方向。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 設(shè)備功能

坐標(biāo)式碼垛設(shè)備具備3 個(gè)坐標(biāo)（X、Y、Z）的移動(dòng)功能，以及產(chǎn)品在空中能完成旋轉(zhuǎn)、調(diào)整產(chǎn)品方位的功能；機(jī)械夾持夾具能適應(yīng)各種規(guī)格熱水器產(chǎn)品的夾持，確保產(chǎn)品搬運(yùn)中不跌落，不損壞；坐標(biāo)式碼垛設(shè)備運(yùn)行過程能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，能適應(yīng)各種規(guī)格熱水器產(chǎn)品的搬運(yùn)和碼垛要求。

2.2 設(shè)備構(gòu)造

設(shè)備由機(jī)座、立柱、橫臂、轉(zhuǎn)盤、機(jī)械夾持夾具五大機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。

2.3 產(chǎn)品搬運(yùn)

由于受廠房高度和空置面積的限制，因此設(shè)計(jì)采用單軌立柱構(gòu)造型式，設(shè)備立柱坐落于機(jī)座上方完成水平往復(fù)移動(dòng)，設(shè)定X 向。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是由伺服電動(dòng)機(jī)、減速器、齒輪、齒條、導(dǎo)軌等零件組成。完成產(chǎn)品從流水線末端搬運(yùn)到地倉板上方，如圖2 所示。

圖1 坐標(biāo)式碼垛設(shè)備簡圖

圖2 單軌、立柱設(shè)計(jì)圖

2.4 產(chǎn)品按9 層要求堆高

設(shè)計(jì)采用設(shè)備橫臂與設(shè)備立柱垂直型式的構(gòu)造，橫臂可在設(shè)備立柱上完成上下往復(fù)移動(dòng)，設(shè)定Z 向。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由伺服電動(dòng)機(jī)、減速器、齒輪、齒條、導(dǎo)軌、平衡塊、鏈輪、鏈條等零件組成，如圖3 所示。

2.5 產(chǎn)品按規(guī)定方位堆放

設(shè)計(jì)采用橫臂下方安裝轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)能沿橫臂實(shí)現(xiàn)水平往復(fù)移動(dòng)，設(shè)定Y 向，其同時(shí)具備300°往復(fù)旋轉(zhuǎn)功能。直線移動(dòng)機(jī)構(gòu)由伺服電動(dòng)機(jī)、減速器、同步輪、同步帶，導(dǎo)軌等零件組成。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、減速器、主動(dòng)齒輪、被動(dòng)齒輪、軸承等零件組成，如圖4所示。

圖3 單軌、立柱、橫臂設(shè)計(jì)圖

2.6 機(jī)械夾持產(chǎn)品

夾具能自動(dòng)完成夾緊和松開產(chǎn)品，協(xié)助機(jī)械機(jī)構(gòu)完成搬運(yùn)和碼垛，夾具機(jī)構(gòu)由氣缸、夾持板、限位傳感器、導(dǎo)柱等零件組成，如圖5 所示。

3 坐標(biāo)式設(shè)備設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)備機(jī)座機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備機(jī)座設(shè)計(jì)成L 形，設(shè)計(jì)采用雙導(dǎo)軌型式，1 根導(dǎo)軌安裝在設(shè)備機(jī)座上平面位置，另1 根導(dǎo)軌安裝在設(shè)備機(jī)座側(cè)面A 位置。設(shè)備立柱坐立于滑塊上方與其緊固連接，滑塊與直線導(dǎo)軌滑動(dòng)連接，每根直線導(dǎo)軌上配置1 對(duì)滑塊（2 件）。為了防止設(shè)備立柱傾倒在設(shè)備機(jī)座L形側(cè)面B 位置安裝2 對(duì)（4 件）防倒導(dǎo)輪。齒輪與齒條安裝在設(shè)備機(jī)座上平面位置。

設(shè)備立柱X 向水平往復(fù)移動(dòng)采用齒輪與齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，定位精度誤差為±0.2 mm，水平運(yùn)動(dòng)最大速度V 為256 mm/s。預(yù)估設(shè)備立柱上所有部件最大載荷（含產(chǎn)品）約350 kg，因此，依據(jù)載荷和運(yùn)行特性，選擇動(dòng)力裝置各部件的參數(shù)為：選擇三菱伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)為HG-SN202J-S100，額定功率P 為2 kW，額定轉(zhuǎn)矩T 為9.55 N·m，額定轉(zhuǎn)速n 為2000 r/min。減速器的減速比為1：32，減速后輸出轉(zhuǎn)矩T 為305.6 N·m[3]。齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)：模數(shù)m 為3 mm，齒數(shù)z 為30，齒寬B 為25 mm。齒條設(shè)計(jì)參數(shù)：模數(shù)m 為3 mm，長度L為2650 mm，齒條寬度B 為30 mm[3]。

3.2 設(shè)備立柱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備立柱設(shè)計(jì)成方形，設(shè)計(jì)采用雙導(dǎo)軌型式，2 根導(dǎo)軌安裝在立柱正平面位置，橫臂端面與滑塊固定連接，滑塊與直線導(dǎo)軌滑動(dòng)連接，每根直線導(dǎo)軌上配置1 對(duì)（2 件）滑塊。為了保證橫臂Z 向往復(fù)移動(dòng)平穩(wěn)，同時(shí)降低伺服電動(dòng)機(jī)的選型規(guī)格，因此，在立柱背面安裝1 件平衡塊，平衡塊與橫臂通過雙排鏈輪、鏈條連接[2]，平衡塊在圓形導(dǎo)柱上Z向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。齒輪與齒條安裝在立柱側(cè)面位置。

設(shè)備橫臂Z 向往復(fù)運(yùn)動(dòng)采用齒輪與齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，定位精度誤差為±0.2 mm，垂直運(yùn)動(dòng)最大速度V 為265 mm/s。預(yù)估橫臂上所有部件最大載荷（含產(chǎn)品）約150 kg，因此，依據(jù)載荷和運(yùn)行結(jié)構(gòu)選擇動(dòng)力裝置各部件參數(shù)為：選擇三菱伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)為HG-SN152BJ-S100，功率P 為1.5 kW，額定轉(zhuǎn)矩T 為7.16 N·m，額定轉(zhuǎn)速n 為2000 r/min。減速器的減速比為1：30，減速后輸出轉(zhuǎn)矩N 為214.8 N·m[3]。齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)：模數(shù)m 為3 mm，齒數(shù)z 為30，齒寬B 為25 mm。齒條設(shè)計(jì)參數(shù)：模數(shù)m 為3 mm，長度L 為2830 mm，齒條寬度B 為30 mm[3]。雙排鏈輪設(shè)計(jì)參數(shù)：分度圓直徑D=85.61 mm，齒數(shù)Z=14[2]。

圖4 橫臂、轉(zhuǎn)盤、夾具設(shè)計(jì)圖

圖5 機(jī)械夾持板夾具設(shè)計(jì)圖

3.3 設(shè)備橫臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備橫臂設(shè)計(jì)成方形，設(shè)計(jì)采用雙導(dǎo)軌型式，導(dǎo)軌安裝在橫臂二側(cè)平面位置，轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)與滑塊固定連接，滑塊與直線導(dǎo)軌滑動(dòng)連接，每根直線導(dǎo)軌上配置1 對(duì)（2 件）滑塊。同步輪安裝在橫臂長度向二端位置，同步帶與轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)連接，伺服電動(dòng)機(jī)安裝在橫臂端靠近立柱側(cè)。

設(shè)備橫臂Y 向往復(fù)運(yùn)動(dòng)采用鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，定位精度誤差±0.2 mm，水平運(yùn)動(dòng)最大速度V=248 mm/s。預(yù)估轉(zhuǎn)盤和夾具等部件最大載荷（含產(chǎn)品）約80 kg，因此，依據(jù)載荷和運(yùn)行結(jié)構(gòu)選擇動(dòng)力裝置各部件參數(shù)為：選擇三菱伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)為HG-KN73J-S100，功率P 為0.75 kW，最大轉(zhuǎn)矩T 為2.4 N·m，額定轉(zhuǎn)速n 為3000 r/min。減速器的減速比為1：40，減速后輸出轉(zhuǎn)矩為96 N·m[3]。

主同步輪的設(shè)計(jì)參數(shù)：外徑為φ104.69 mm，齒數(shù)z 為400，寬度B 為40.93 mm[2]。被同步輪的設(shè)計(jì)參數(shù)：外徑為φ104.69 mm，齒數(shù)z 為400，寬度B 為40.93 mm[2]。

3.4 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以完成300°往復(fù)旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，選擇動(dòng)力裝置各部件參數(shù)為：選擇三菱伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)為HG-KN73J-S100，功率P 為0.75 kW，最大轉(zhuǎn)矩N為2.4 N·m，額定轉(zhuǎn)速n 為3000 r/min；減速器的減速比為1：40，減速后輸出轉(zhuǎn)矩為96 N·m[3]。主動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)：模數(shù)m 為2 mm，齒數(shù)z 為13，齒寬B 為20 mm。被動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)：模數(shù)m 為2 mm，齒數(shù)z 為43，齒寬B 為20 mm[3]。

3.5 機(jī)械夾持板夾具設(shè)計(jì)

機(jī)械夾持夾具由氣源作為夾具的動(dòng)力源，設(shè)計(jì)采用直線氣缸，通過氣缸的動(dòng)作帶動(dòng)直線軸承往復(fù)移動(dòng)，完成夾持板夾緊和松開，定義安裝支撐托力機(jī)構(gòu)的夾持板為可動(dòng)板，另一塊夾持板為固定板，在可動(dòng)板上安裝接觸限位傳感器，通過它控制夾持產(chǎn)品的間距。在氣壓回路上安裝誘導(dǎo)止回閥控制壓緊力。在保證夾持板剛度、強(qiáng)度的條件下控制夾持固定板厚度尺寸，滿足產(chǎn)品間間距的要求。

1）夾緊狀態(tài)夾緊力F1設(shè)計(jì)。選擇亞德客氣缸型號(hào)為SC63×150S，在進(jìn)氣壓力為0.6 MPa，最大輸出力F1為1862 N[4]。

2）夾緊狀態(tài)摩擦力f 設(shè)計(jì)。在夾持板內(nèi)側(cè)貼附增加摩擦力的材料，材料為防滑橡膠板，材料摩檫因數(shù)為0.52，夾持板夾緊后，摩擦力f=F1×μ=1862×0.52≈968 N[1]。

3）托力機(jī)構(gòu)托力F2設(shè)計(jì)。在可移動(dòng)板外側(cè)安裝小型氣缸完成托爪的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，起到輔助保護(hù)外包裝不跌落的安全措施，如圖6 所示。選用亞德客氣缸型號(hào)為MAL40×75SCA，在進(jìn)氣壓力為0.6 MPa，氣缸最大輸出力F3≈755N[4]。

F2×L1=F3×cos 10°×L2，F(xiàn)2×80=755×0.98×43，計(jì)算得出F2≈398 N[1]。

4）設(shè)計(jì)力結(jié)果驗(yàn)證。為了保證熱水器產(chǎn)品在夾緊狀態(tài)不跌落，對(duì)產(chǎn)品的受力狀況進(jìn)行分析，如圖7 所示。驗(yàn)證的結(jié)論是：F2+ f ≥294 N，安全可靠。

圖6 托爪翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡圖

4 設(shè)備調(diào)試與問題解決

設(shè)備調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)4 個(gè)主要問題，造成熱水器產(chǎn)品堆放位置錯(cuò)位，不符合產(chǎn)品堆放設(shè)計(jì)要求。

1）設(shè)備立柱水平X 向往復(fù)移動(dòng)和橫臂上的轉(zhuǎn)盤夾具水平Y(jié) 向往復(fù)移動(dòng)后，機(jī)構(gòu)移動(dòng)后的實(shí)際位置對(duì)原點(diǎn)基準(zhǔn)位置存在積累誤差。

解決方法：在設(shè)備運(yùn)行控制程序中追加實(shí)際位置與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)位置校正指令，即設(shè)備開機(jī)時(shí)和每次搬運(yùn)結(jié)束，機(jī)構(gòu)回到原點(diǎn)校正后再啟動(dòng)運(yùn)行，消除位置基準(zhǔn)誤差。

2）地倉板的更替和放置是由人工完成，因設(shè)備調(diào)試時(shí)疏忽對(duì)地倉板的定位管理，造成其放置狀態(tài)凌亂。

解決方法：實(shí)施定位管理，在地面上追加了角尺定位條，保證了每次地倉板的更替放置狀態(tài)基準(zhǔn)點(diǎn)統(tǒng)一。

3）設(shè)備調(diào)試時(shí)疏忽對(duì)產(chǎn)品的放置位置管理，造成產(chǎn)品在流水線末端位置凌亂。

解決方法：在流水線末端追加定位條和同步帶校正機(jī)構(gòu)，限制2 個(gè)維度（X 向、Y 向），保證產(chǎn)品在流水線末端位置定位和中心線基準(zhǔn)統(tǒng)一。

4）設(shè)備運(yùn)行程序設(shè)計(jì)存在漏洞，不能自動(dòng)適應(yīng)多規(guī)格的產(chǎn)品外箱數(shù)據(jù)，造成產(chǎn)品堆放不符合設(shè)計(jì)要求。

解決方法：利用產(chǎn)品商品碼，追加商品碼掃描裝置，實(shí)行1 品1 碼的數(shù)據(jù)管理，通過數(shù)據(jù)采納自動(dòng)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行的原點(diǎn)基準(zhǔn)。

通過以上的改善，設(shè)備調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題點(diǎn)被消除了，設(shè)備的運(yùn)行達(dá)到了產(chǎn)品堆碼要求。

圖7 產(chǎn)品受力分析圖

5 結(jié) 語

坐標(biāo)式碼垛設(shè)備采用PLC 控制，全自動(dòng)運(yùn)行，各級(jí)傳動(dòng)采用伺服控制等技術(shù)。具有占地面積小、結(jié)構(gòu)簡單、自動(dòng)化程度高、控制可靠、調(diào)整簡單、操作維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

坐標(biāo)式碼垛設(shè)備的使用實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)搬運(yùn)下線和碼垛，達(dá)到消除人工搬運(yùn)的目的，消除產(chǎn)品搬運(yùn)中跌落的風(fēng)險(xiǎn)，提高倉庫儲(chǔ)量，能適應(yīng)多品種、多規(guī)格的柔性化生產(chǎn)要求，降低制造成本。

坐標(biāo)式碼垛設(shè)備雖然投入生產(chǎn)運(yùn)行，由于經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計(jì)中存在選材笨重、導(dǎo)軌精度選擇過高、材料設(shè)計(jì)成本高等缺點(diǎn)。今后要在滿足材料機(jī)械強(qiáng)度的條件下，應(yīng)大膽采用零部件輕量化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到降低設(shè)備制造成本的目的。