码垛机器人在塑料箱搬运中的应用

在很多产品的生产线上，要把装满零件的朔料箱人工从传送带上搬运到拖盘上。这些零件大多数是大批量金属件，还有表面防护要求高的一些零件。每个工厂针对不同零件可能用几种尺寸的朔料箱，每个装好零件的箱子最重达50公斤。通常每分钟1~3箱的速度从传送带上被运送到拖盘前。这些箱子要人工搬下，码垛到大约1200×1200mm的托盘上。根据箱子的尺寸每层要码好4~6个箱子，整个托盘码垛完的总高度大约1600mm。最复杂的情况下，为了节省空间和托盘上全部箱子的平稳，要在每一层把部分箱子转动90度后码垛，上下两层间还要相互压好。直角坐标机器人非常适合这些重体力，高强度的搬运工作。沈阳莱茵机电有限公司为一些用户完成了几种不同的朔料箱搬运机器人，下面就以为日本一大型企业设计制造的搬运码垛机器人为例来介绍。

1 任务要求
图1是沈阳莱茵机电按用户要求设计的功能性，原理性的搬运机器人示意图。要求可以搬运三种不同尺寸的箱子，箱子的具体尺寸分别是：650×450×200mm, 650×450×200mm和650×450×200mm。箱子和里面所装的细长金属轴的总重量不超过30公斤。要每分钟搬运一箱，每天24小时，长年工作。1200×1200mm的托盘要人工推入机器人工作范围内，每层码好4个箱子，整个托盘码垛完的总高度大约1650mm.

2 机器人设计选型 图1：三维码垛机器人的右视图

根据用户要求莱茵机电的周文宝先生（ly_vision@163.com）设计和制造了图2所示的
一台三维码垛机器人。无论那种箱子每层都摞四只，所有箱子不用转动90度。还有上面箱子底部可以摞进下面箱子的开口里，整摞箱子很重，很平稳，所有不同层箱子间不用向砌砖墙式相互压拉，所也手爪不需转动。下面是各个运动轴的选型结果：

水平运动X轴：采用两根有效行程为2500mm的PAS44BB，
水平运动Y轴：采用壹根有效行程为1800mm的PAS44BB，
上下运动Z轴：采用两根有效行程为1600mm的PAS42BB，
专用手爪：周文宝(ly_vision@163.com)自行设计制造的电动手爪。 图2：试运行完全满足要求的码垛机器人


X轴
基本信息：连接板+线缆 + Y轴（电机+减速机+连接板+手抓+线缆）：Y轴70.02公斤，考虑安全系数
按70公斤计算。
选择两根PAS44BB：有效行程1200mm，实际工作中走行距离最大450mm，最高运行速度：1.5m/s, 平均速度：1m/s,加速度：7.5m/s2, 整个X轴自身重量约61公斤。X轴+Y轴+全部驱动电机+负载等的全部重量约150公斤：
选型采用德国百格拉电机，考虑性价比可以采用日系同规格电机，所以采用松下1.5KW伺服电机。它的最大出力为21.5Nm,, 额定出力为7.15Nm。通过德国NEUGART公司PLE120/8 减速机来带动X轴滑块水平运动。
负载/驱动电机转动惯量比3.8, 所需最大出力为：6.49Nm，最高转速为每分2787转，电机最大出力：21.5Nm，安全系数为231%。
伺服电机的转动惯量为：11.2KGcm2。

Y轴：
基本信息：手爪+负载+连接板+线缆 最大重量15公斤，考虑足够的安全系数，按25公斤计算。
选择两根PAS42BB：有效行程1400mm，最高运行速度：2.5m/s, 平均速度：2.0m/s,
加速度：16.97m/s2, 整个Y轴，吸盘和负载等总重量70.02公斤。
选型采用德国百格拉电机，考虑性价比可以采用日系同规格电机，所以采用松下1.5KW伺服电机。它的最大出力为21.5Nm,, 额定出力为7.15Nm。通过德国NEUGART公司PLE80/3 减速机来带动Y轴滑块水平运动。
负载/驱动电机转动惯量比3.4, 所需最大出力为：6.9 Nm，最高转速为每分2787转，电机最大出力：21.5Nm，安全系数为209.7%。
伺服电机的转动惯量为：11.2KGcm2。

Z轴：
基本信息：手爪+负载+连接板+线缆 最大重量15公斤，考虑足够的安全系数，按25公斤计算。
选择两根PAS42BB：有效行程1400mm，最高运行速度：2.5m/s, 平均速度：2.0m/s,
加速度：16.97m/s2, 整个Y轴，吸盘和负载等总重量70.02公斤。
选型采用德国百格拉电机，考虑性价比可以采用日系同规格电机，所以采用松下1.5KW伺服电机。它的最大出力为21.5Nm,, 额定出力为7.15Nm。通过德国NEUGART公司PLE80/3 减速机来带动Y轴滑块水平运动。
负载/驱动电机转动惯量比3.4, 所需最大出力为：6.9 Nm，最高转速为每分2787转，电机最大出力：21.5Nm，安全系数为209.7%。
伺服电机的转动惯量为：11.2KGcm2。

手爪
负载10公斤，真空吸盘架等，考虑安全系数按20公斤核算。选用松下400W伺服电机，配德国NEUGART 法兰盘输出减速机，速比为32，输出扭矩可达41Nm。按电机3000转/分钟，减速机输出1.56转/秒，那么转过90度所需时间不到0.4s，而且C轴可以与X、Y轴联动，时间可不计。

3 控制系统选择
控制系统选用德国Engelhardt公司的F44四轴四连动数控系统。F44的X Y Z三个轴分别控制机器人的X轴，Y轴和Z轴，U轴控制电动手爪。4个驱动器等放置在一个小电箱里。

4其它手爪及应用
沈阳莱茵机电还为一些用户设计制造了一些其它要求的朔料箱搬运机器人。其机器人本身主要考虑整体的平稳性，可靠性，满足行程和搬运节拍要求。但手爪是这类码垛机器人的难点，要根据不同箱子的重量及可以抓取的位置，允许的工作空间来设计对于的手爪。图3是一次可以抓取九只朔料箱的手爪系统，同时还可以抓四只朔料箱，整个手爪可以转动，便于排放码垛。图4是一次可以抓取两只朔料箱的手爪系统。









图3：一次抓4个箱子及可以转动的手爪机构， 图4：一次抓两个箱子的手爪机构

这里必须注意手爪不仅要根据具体使用情况和具体要求来设计，还要与朔料箱被抓取前的位置摆放及摆放精度来定。特别是多个朔料箱要同时被抓取时，各部分配合更是非常重要的。详细的资料请沈阳莱茵机电的丛大蔚先生联系。

5 应用结果及展望
设计制造出来的搬运码垛机器人要先在莱茵机电内部装配调式，然后试运行搬运工作。所有出厂的机器人和生产线都必须要先在莱茵机电工厂内先装配调式，试运行，待全部功能都满足设计要求后才能再拆卸后打包运送到最终用户。这台朔料箱搬运码垛机器人试运行效果很好，各个轴工作行程，速度，加减速都超过原设计指标，而且运行平稳，噪声低。全部传感器保证了搬运过程步步环环相扣，确保机器人安全可靠地搬运。朔料箱搬运码垛机器人可以应用到各种零件的自动装箱及箱子的搬运码垛。通过更换手爪还可以搬运各种纸盒箱，其它的包装物品和大型产品。还可以为很多小工业零件，化妆品，工艺品，药品，家电等产品的生产制造，检测，装配等过程中进行码垛，供料，下料，检测，装配，拧螺丝，压入，打标等任务。详细的资料请沈阳莱茵机电的周文宝先生（15840142090）联系。