碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)及電氣控制

圖1機(jī)械手基本組成圖
1機(jī)座 2伺服電機(jī)M1 3水平位移機(jī)構(gòu) 4伺服電機(jī)M2
5平衡緩沖器 6機(jī)械臂1 7伺服電機(jī)M2 8四連桿機(jī)構(gòu)
9機(jī)械臂2 10伺服電機(jī)M4 11抓頭機(jī)構(gòu)
垂直位移機(jī)構(gòu)是機(jī)械手的最重要的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，它由平衡緩沖器、伺服電機(jī)M2驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂1、伺服電機(jī)M3驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂2、四連桿機(jī)構(gòu)等組成。伺服電機(jī)M2和伺服電機(jī)M3按照一定的曲線同步運(yùn)行，PLC或伺服電機(jī)同步控制器利用CNC（運(yùn)動(dòng)計(jì)算語(yǔ)言）指令控制運(yùn)行，控制伺服電機(jī)M2和M3的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，決定機(jī)械手上升下降柔性動(dòng)作的效果。平衡緩沖器主要平衡機(jī)械臂和抓栽物體，同時(shí)對(duì)機(jī)械臂的過(guò)沖進(jìn)行緩沖。四連桿機(jī)構(gòu)作用是穩(wěn)定抓頭保持水平。
抓頭機(jī)構(gòu)由抓頭和驅(qū)動(dòng)垛層旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)M4組成。一般情況下，伺服電機(jī)M4的運(yùn)行和伺服電機(jī)M1的運(yùn)行角度相同，但方向相反。垛層的排列、箱子的大小不同，所用抓頭不同。
1.2機(jī)械手碼垛機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)
公稱(chēng)抓舉重量 300kg
抓舉次數(shù) 700/小時(shí)
運(yùn)動(dòng)軸數(shù) 4軸
水平位移角度 360°
抓頭調(diào)整角度 540°
上下移動(dòng)位移 1800
電機(jī)功率 19KW
2. 機(jī)械手的控制
2.1機(jī)械手的控制方案
如圖2所示，機(jī)械手的控制系統(tǒng)主要由G1（PLC）、G2人機(jī)界面、伺服電機(jī)M1-4、伺服驅(qū)動(dòng)器A1-4、檢測(cè)元件、執(zhí)行元件等組成。PLC通過(guò)CANopen總線控制伺服驅(qū)動(dòng)器A1-4對(duì)伺服電機(jī)M1-4的控制。

圖2機(jī)械手的控制方案方框圖
2.2機(jī)械手在碼垛中的解決方案
如圖3所示，實(shí)際碼垛過(guò)程中，托盤(pán)通過(guò)輸垛鏈道將托盤(pán)送到B（中心）點(diǎn)，通過(guò)輸箱鏈道將待抓箱子有規(guī)律的放到A（中心）點(diǎn)，O點(diǎn)是機(jī)械手的中心，機(jī)械手的作用是把碼好的箱子以R為半徑，旋轉(zhuǎn)α角度，從A點(diǎn)移到B點(diǎn)，碼放到需要的層數(shù)為止（一般為5或6層）。
從圖3可以看出，機(jī)械手與碼垛中心距OB，機(jī)械手與抓箱中心距OA相等，對(duì)于同一個(gè)碼垛場(chǎng)合，是一個(gè)常數(shù)R，輸垛鏈中心線與抓箱中心距離L。根據(jù)sinα=L/R，計(jì)算出α的角度，α即為水平位移機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，K1*α為伺服電機(jī)M1的旋轉(zhuǎn)角度（K1為減速機(jī)的

圖3機(jī)械手堆垛水平位移圖
減速比）。為了是垛位擺正，抓頭機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)-α，伺服電機(jī)M4旋
轉(zhuǎn)-K2*α（K2為減速機(jī)的減速比）。
2.3機(jī)械手垂直升降的控制
2.3.1作圖法求運(yùn)動(dòng)軌跡
機(jī)械手在碼垛過(guò)成中，載重量比較大，伺服電機(jī)克服物體的動(dòng)慣量比較大。為了很好的解決這個(gè)問(wèn)題，我們采取分步運(yùn)行，水平位移和垂直上下位移交替進(jìn)行，增加了機(jī)械手動(dòng)作的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性。從圖3可以看出，機(jī)械手與抓頭中心距恒定不變，對(duì)于伺服電機(jī)M2和伺服電機(jī)M3的運(yùn)動(dòng)只要保證抓頭機(jī)構(gòu)垂直升降，利用作圖法求出伺服電機(jī)M2和伺服電機(jī)M3的運(yùn)動(dòng)軌跡。
圖4是機(jī)械手抓頭機(jī)構(gòu)垂直下降300，機(jī)械臂1和機(jī)械臂2的擺動(dòng)角度，求出伺服電機(jī)M2和伺服電機(jī)M3的運(yùn)動(dòng)角度。圖中L1為機(jī)械

圖4 機(jī)械臂1和機(jī)械臂2運(yùn)動(dòng)位移示意圖
臂1的長(zhǎng)度，L2為機(jī)械臂2的長(zhǎng)度，L為機(jī)械手與抓頭的中心距。抓頭從C點(diǎn)移動(dòng)到D點(diǎn)，伺服電機(jī)M3從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，機(jī)械臂1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45.1-21.2=23.9°，機(jī)械臂2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)79.2-72.6=6.6°。伺服電機(jī)M2順時(shí)旋轉(zhuǎn)K1*23.9個(gè)脈沖數(shù)，伺服電機(jī)M3逆時(shí)旋轉(zhuǎn)K2*6.6個(gè)脈沖數(shù)（K1、K2是減速機(jī)減速比與伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)的乘積），不難看出，伺服電機(jī)M2是機(jī)械手上升下降的主驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)M2、M3以M2為主驅(qū)動(dòng)的主從同步運(yùn)行。在相同的時(shí)間內(nèi)，伺服電機(jī)M2順時(shí)旋轉(zhuǎn)K1*23.9個(gè)脈沖數(shù)，伺服電機(jī)M3逆時(shí)旋轉(zhuǎn)K2*6.6個(gè)脈沖數(shù)。伺服電機(jī)M3主要作用是調(diào)整抓頭上升下降，伺服電機(jī)M3主要作用是調(diào)整抓頭的垂直度。
2.3.2伺服電機(jī)M2、M3的運(yùn)動(dòng)軌跡修正
假設(shè)M2的運(yùn)行速度是V，那么M3的運(yùn)行速度是K2*6.6/K1/23.9*V，在同一時(shí)間內(nèi)，抓頭準(zhǔn)確下降到D點(diǎn)，在運(yùn)行過(guò)程中，抓頭的運(yùn)動(dòng)軌跡不是一個(gè)直線，是一個(gè)曲線，有時(shí)可能還會(huì)影響到抓垛過(guò)程，也顯得伺服電機(jī)M2、M3的運(yùn)動(dòng)軌跡不協(xié)調(diào)，柔性較差。我們對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程在150處作圖，發(fā)現(xiàn)M3的運(yùn)動(dòng)軌跡差別比較大，如圖5是伺服電機(jī)M2、M3的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖，對(duì)M3的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行修正，M3以兩段速度與M2同步運(yùn)行，通過(guò)修正后，抓頭運(yùn)行軌跡基本上是一個(gè)直線，達(dá)到預(yù)期的效果。

圖5伺服電機(jī)M2、M3同步運(yùn)行曲線示意圖
3. 垛層的排列形式和相關(guān)參數(shù)計(jì)算
啤酒、飲料、調(diào)味品的裝箱，大多采用3x4的12瓶包裝，箱子的長(zhǎng)寬比為4：3，這樣就決定了垛層的箱子排列必然是3箱或4箱的組合。以啤酒包裝為例，箱子的長(zhǎng)度為300，寬度為225，箱子高度300，毛重14.5Kg。
3.1每層10箱的排列
每層10箱的排列是334或433的排列，每層重量145Kg，占地面積750x900，每垛5層，層高1500，垛重725Kg，不超過(guò)機(jī)械手抓載能力，采用1.5噸的叉車(chē)運(yùn)輸有點(diǎn)浪費(fèi)，此方案不是最優(yōu)。
3.2每層11箱的排列
每層11箱的排列是344或443的排列，每層重量159.5Kg，占地面積825x900，每垛5層，層高1500，垛重797.5Kg，不超過(guò)機(jī)械手抓載能力，采用1.5噸的叉車(chē)運(yùn)輸有點(diǎn)浪費(fèi)，此方案不是最優(yōu)。
3.3每層14箱的排列
每層14箱的排列是3344或4433的排列，每層重量203Kg，占地面積1050x900，每垛5層，層高1500，垛重1015Kg，不超過(guò)機(jī)械手抓載能力，采用1.5噸的叉車(chē)運(yùn)輸比較適中，此方案比較優(yōu)選。
3.4每層16箱的排列
每層16箱的排列如圖6所示，每層重量232Kg，占地面積1050x1050，每垛5層，層高1500，垛重1160Kg，不超過(guò)機(jī)械手抓載能力，采用1.5噸的叉車(chē)運(yùn)輸比較適中，此方案比較優(yōu)選。本方案的缺點(diǎn)是每層的箱子排列控制比較煩瑣，易損壞包裝箱，對(duì)機(jī)械手的抓載能力要求高。

圖6每垛層16箱排列示意圖
4. 結(jié)束語(yǔ)
利用機(jī)械手碼垛的主要優(yōu)點(diǎn)是碼垛整體，故障率低，需要操作人員少。機(jī)械手是一種簡(jiǎn)單的專(zhuān)用機(jī)器人，在我國(guó)內(nèi)，碼垛機(jī)械手還是空白，只有少量的用于裝配線的機(jī)械手，機(jī)械手在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有很好前景。為了保護(hù)設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)廠家的利益，本文對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，對(duì)于關(guān)節(jié)減速機(jī)、伺服電機(jī)參數(shù)選型沒(méi)有說(shuō)明，但不影響對(duì)碼垛機(jī)械手的原理論述，請(qǐng)讀者諒解。