崔世義， 陸宗學， 劉克松， 王萬海

（連云港杰瑞模具技術有限公司，江蘇連云港222006）

0 引言

自動碼垛生產(chǎn)線是利用碼垛機器人技術實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的一種裝備。該裝備的突出特點是通過程序對生產(chǎn)線的工作流程進行自動控制，具有故障報警、顯示和自動連鎖停機功能，也可根據(jù)需求，實現(xiàn)實時監(jiān)控、遠程診斷和網(wǎng)絡化管理，是企業(yè)提高勞動效率，降低勞動強度，減少人力投入，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的途徑之一。

碼垛機器人主要應用于糧食、飼料、建材、石化、輕紡和煙草等行業(yè)，與周邊自動化設備集成，組成機器人自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化或無人車間。我國的碼垛機器人從1980年代開始起步，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握該機器人的機械設計、電氣設計、軟件控制與運動和軌跡規(guī)劃技術。

當前國內(nèi)從事搬運碼垛機器人研發(fā)和系統(tǒng)集成的單位超過200家，年機器人需求量為3500臺左右，其中國產(chǎn)機器人比例大概為20%，其余從日本、德國、美國、瑞典等國家引進。從近兩年發(fā)展趨勢來看，對機器人碼垛生產(chǎn)線這類成套裝備的需求量仍將逐年大幅度增加。因此開發(fā)與設計以機器人應用為主的自動化成套設備具有實際意義。

整形輸送作為機器人碼垛生產(chǎn)線的關鍵部分，對生產(chǎn)線是否能夠穩(wěn)定生產(chǎn)起到關鍵作用。它主要作用是使料袋在輸送過程中被抖動、壓實，使不規(guī)整的料袋通過整形后形成統(tǒng)一的規(guī)整形狀，再經(jīng)兩側擋板將料袋約束至一固定位置，便于機器人抓取和堆放，如果沒有整形這一措施，料袋極易被機器人手爪抓破，堆放的垛堆也不平整，易坍塌。

本文將從設計原理、機械結構、電氣與控制等方面，對整形輸送單元進行詳細分析，結合實例，給出具體的計算與設計方法，供同行借鑒。

1 整形輸送的機械結構及工作原理

碼垛生產(chǎn)線的標準結構如圖1所示。

圖1 碼垛生產(chǎn)線示意圖

1.1 機械結構

整形輸送單元實現(xiàn)的目的是上下兩面整形，達到料袋表面平整、外形規(guī)矩的目的，其結構比較復雜，主要由支撐框架、抖動輥、傳送輥、展平輥、壓實輥、電機、減速機、鏈條鏈輪、傳動軸、軸承，調(diào)節(jié)彈簧等組成，核心部分如圖2所示。

圖2 整形輸送結構示意圖

1.2 工作原理

傳動電機（固定在下方）通過鏈條驅動傳送輥和抖動輥，抖動輥為方形結構，料袋經(jīng)過抖動輥時，將不停地上下振動，使物料在料袋內(nèi)均勻分布；

壓緊電機（固定在上方）驅動展平輥與壓緊機構工作，相鄰展平輥之間留有比較大的間隙，料袋進入整形工位后，展平輥拖動料袋往前移動的同時，對料袋上部物料進行初步整形，再利用出口壓緊機構，實現(xiàn)對物料的擠壓，使物料袋向四周充分展開并壓實，再通過傳送輥傳送至下一工位，實現(xiàn)物料自動化整形輸送的目的。

2 主要元器件的選型與計算

2.1 已知條件

碼垛效率：15個/min，料袋高度為0.8 m，單個質量為m1=40 kg。

2.2 其它參數(shù)求解

1）物料傳送速度v和傳送輥直徑Ф的確定。

物料最小連續(xù)傳送速度v＝15×0.8=12 m/min，實際生產(chǎn)時由于裝袋及縫包是間斷性的，為保證充分供料，發(fā)揮機器人最高效率，實際傳送速度選取時要大于此最小速度（約是最小速度的2～3倍），我們選取傳送速度（v=30m/min）

和傳送輥直徑（Ф=60 mm）。

2）傳送輥轉速n1的確定。

3）傳送輥對物料袋做功功率P1的確定。

式中：F1為物料和傳送輥慣性力；F2為物料袋和傳送輥相對于機架的滾動摩擦力；f為滾動摩擦因數(shù)，取f=0.1；m1為袋裝物料質量，m1=40 kg；m2為傳送輥和鏈條總質量，m2=70 kg；m3為展平輥總質量，m3=50 kg；a為加速度，取1 m/s2（相對于電機在0.5 s內(nèi)從零轉速起動到額定轉速）。

由此可計算出：

4）傳送輥所需功率P2的確定。

傳送輥對物料傳送做功時，由于傳送輥與抖動輥之間采用的是鏈條傳動，兩兩之間傳送效率為ηa=0.95（查資料所得），現(xiàn)這部分共有14個輥子，其合計效率為ηb=η13a=0.9613=0.5，另外抖動輥產(chǎn)生振動時也要損失部分功率，以及克服空氣阻力時也要損失部分功率，取傳送帶總效率為η1=40%。由此可計算出

式中η2為減速機與傳送輥之間的鏈條傳動效率。

6）減速機輸入功率P4（即電機輸出功率）的確定。

5）減速機輸出功率P3的確定。

式中η3為減速機傳動效率。

7）傳送輥轉矩M1的確定。

2.3 電機選型

根據(jù)不同電動機的使用特性，結合本傳送性質以及生產(chǎn)現(xiàn)場的條件，選用三相籠型異步電動機作為傳送帶的驅動元件，選擇西門子電機有限公司與江蘇貝得電機股份有限公司合資公司生產(chǎn)的三相交流低壓鼠籠電機，其型號為1LG0 083-4AA（依據(jù)以上計算，電機功率取1.5倍的安全系數(shù)），銘牌參數(shù)如下：額定功率為0.75 kW，額定電壓為220VD/380VY，額定轉速為1 380 r/min，功率因數(shù)為0.75，額定電流為2.05 A，額定轉矩為5.2 N·m。

2.4 減速機選型

1）WB系列微型擺線減速機具有機型小、速比高的特點，經(jīng)久耐用，而且使用維修方便，是化工、紡織、輕工業(yè)等行業(yè)的首選設備。

2）確定減速比 i。

取減速比i=9，減速機輸出扭矩。

M2＝電機額定轉矩×i=5.2×9=46.8 N·m

本案選擇上海諾廣機械有限公司生產(chǎn)的WB系列微型擺線減速機，其型號為WB100-WD-9-750。

3 電氣及控制設計

3.1 硬件設計

整形輸送電氣控制主要是電機的控制。整形輸送的運行均是由電機傳動完成，并裝有光電開關，當出現(xiàn)有料包堆積時，將停止輸送線的運行。由于各個電機功率都比較?。?.55 kW、0.75 kW），采用接觸器直接啟動。為了方便以后功能的擴展，采用西門子小型PLC，其主控單元為CPU 224XP CN，并選用北京昆侖通泰的MCGS觸摸屏進行人機界面的設計。電氣控制圖形如圖3所示。

圖3 電器控制圖

其中M1、M2為電機1和電機2；KM1和KM2為啟動電機的接觸器；Q1和Q2為電機保護器，具有電機的短路保護、過載保護、缺相保護。右圖為200PLC，Q1、Q2為電氣保護器的常開輔助觸頭，對應于PLC的I0.0和I0.1；P1為光電開關，當有料袋傳送到整形工位時，P1通，即PLC輸入I0.3閉合；KM1和KM2為接觸器線圈，當PLC的輸出Q0.0和Q0.1有輸出時，KM1、KM2得電，接觸器主觸頭閉合，電機啟動。

3.2 PLC及觸摸屏程序設計

西門子200PLC編程可以用梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）以及語句表（STL）3種語言，這里僅使用梯形圖來編程。程序利用PLC內(nèi)部線圈M點來模擬繼電-接觸器系統(tǒng)中的中間繼電器，它是中間操作狀態(tài)，或存取其他相關數(shù)據(jù)。程序主要實現(xiàn)整理電機和整理輸送電機的啟停，并利用中間點M以及后面的觸摸屏實現(xiàn)電機的手動控制及自動控制?？刂瞥绦蛞妶D4所示。

圖中M0.0和M0.1為手動控制和自動控制按鍵，由觸摸屏控制，當有手動按鈕M0.0按下時，即有上升沿，M0.6 置 為 1，M0.7復位為0；電機保護器合上時，I0.0閉合，此時通過按鈕M1.0 驅動 Q0.0，即可點動控制電機。當自動運行M0.1按下時候，M0.7置為 1，M0.6 復 位 為0，如果整形工位沒有料袋，則I0.3沒有閉合，其常閉點閉合，電機啟動；若整形工位有料袋，I0.3閉合，則其常閉點斷開，電機停止，防止料袋堆積。

圖4 控制程序梯形圖

觸摸屏的編程采用專門的MCGS組態(tài)軟件，按鈕、開關、指示燈已經(jīng)是編寫好的控件，直接將控制信號與PLC控制點對應即可。這里不是本文重點，僅給出整條輸送碼垛線的編程畫面，如圖5所示。

圖5 觸摸屏監(jiān)控畫面

4 結語

本文通過對整形輸送單元的機械結構、主要元器件的選型與計算以及電氣控制設計進行了詳細介紹，結合實際應用給出了具體的計算與設計方法，為機器人自動化碼垛行業(yè)從業(yè)人員提供了設計參考。

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