新型大跨距精密智能機械手的研制

楊曉卿，朱建明，張后勝

（1.中國聯(lián)合工程公司；2.杭州天驕舞臺設備科技有限公司，浙江 杭州 310000）

新型大跨距精密智能機械手的研制

楊曉卿1，朱建明1，張后勝2

（1.中國聯(lián)合工程公司；2.杭州天驕舞臺設備科技有限公司，浙江 杭州 310000）

本項目要研制的是立體倉庫中搬運超長不銹鋼管件的大跨度智能精密機械手。新型立體倉庫智能機械手的行走、升降、旋轉、定位以及控制系統(tǒng)是一種全新結構。它擴大了傳統(tǒng)立體倉庫堆垛機的功能，極大的滿足了市場上對長細物料倉儲運輸?shù)男枨蟆?/p>

機械手；大跨距；齒輪-齒條；伺服系統(tǒng)；工業(yè)4.0

1 概述

本項目的載體是國內(nèi)某大型不銹鋼生產(chǎn)基地用來存取長度36m、最小直徑12mm的成組不銹鋼管。區(qū)別于傳統(tǒng)堆垛機在立體倉庫的巷道中來回穿梭運動，本項目中的機械手是高架式的，不占用地面空間，高精密智能機械手在空中完成成組鋼管的自動入庫和出庫的功能。

2 機械手的結構及特點

智能機械手承擔著成組鋼管的自動入庫和出庫的功能，是進出輥道與多層立體料架之間存取的關鍵設備。本設備由高架軌道、機體、水平行走裝置、叉臂升降裝置、叉臂及其旋轉裝置、車輪裝置、靠輪裝置、供電裝置及電氣控制系統(tǒng)等組成。

由于最小直徑鋼管僅為12mm，長度則達36000mm，設定智能機械手的跨度為39000mm，在搬運鋼管過程中，必須保證設備在跨距左右偏差小于最小鋼管半徑。因此要求設備左右行走車輪的同步精度必須保證在±5mm ；為了盡可能多的存儲物料，所以叉臂的升降精度必須保證在±5mm；同時叉臂設計成能旋轉180°，達到在料架上左右存取物料的目的。

2.1 工況技術參數(shù)

單批裝料寬度：750mm，單批料最大重量：2500kg。

2.2 設備技術參數(shù)

叉臂數(shù)量：30個；大車水平行程：～42000mm；大車行走速度：0～30m/min；叉臂升降行程：2500mm；叉臂升降速度：0～8 m/min；叉臂轉向時間：6s；水平行走定位精度：±5mm；機械手軌道中心距：39000mm；升降定位精度：±5mm；叉臂轉向時間：6s。

2.3 架高軌道

架高軌道安裝在多層立體料架庫區(qū)兩側，起支撐智能機械手的作用。架高軌道由軌道支架和軌道裝置組成。每側軌道支架由9根立柱和一根軌道梁組成。由型鋼和鋼板焊接而成。軌道裝置安裝在軌道支架上，軌道為自制的方形軌道，可以提高承載能力，更便于安裝導向靠輪。軌道分段制作，方便運輸安裝。

2.4 機械手機架

機架為智能機械手的主體，其中水平行走裝置、托臂升降裝置及托臂旋轉裝置均安裝在其上。機體由一個主跨梁和兩個端梁組成。

（1）主跨梁的設計。整個裝出料機械手跨度為39000mm，主跨梁長度設計為39500mm，為了便于制造和運輸方便，主梁共分3段設計，每段長度分別為13195mm、13090mm、13195mm相互之間采用特殊的連接結構（內(nèi)圓外方）連接，然后再焊接。主梁截面設計為箱型結構，由上下翼板和腹板組成（圖1）。考慮到受壓翼緣板的穩(wěn)定性，在截面內(nèi)部設置縱向加勁板；為了抵抗扭轉載荷引起的箱型截面的周邊扭轉變形和向一邊側傾，在箱型內(nèi)設置橫向加勁板，橫向加勁板中間開孔，開孔的橫向加勁板與腹板及上翼板焊接。整個主梁采用簡支梁計算，計算結果見圖2 。

圖1 主梁截面

圖2 計算結果

圖3 叉臂旋轉裝置安裝圖

由于是大跨距設計，為了保證整個機械手正常工作，每個托臂能同時提起鋼管，主梁設置上拱，上拱高度則根據(jù)其變形量來確定。上述計算結果最大變形量為59.15835mm，主梁制作的上拱高度則根據(jù)其最大變形量及實際經(jīng)驗來確定，我們在主梁中部設定的上拱高度為80mm，其余各點的拱值為二次拋物線，即x。其中L為主梁長度，x為主梁上的點到支點的距離。

（2）端梁的設計。端梁截面采用箱形結構，并在水平面內(nèi)與主梁剛性連接。端梁的兩頭設計成適合角軸承箱安裝的形式。每個車輪組整體定位焊接在端梁末端，采用這種安裝方式端梁不需要機械加工，安裝維修簡單方便。

2.5 行走傳動裝置

為了保證跨度39000mm的兩端車輪行走的同步精度在±5mm，采用在大梁中部設置伺服電機減速機集中驅動，通過軸、聯(lián)軸器、軸承座傳遞到齒輪，再通過齒輪齒條驅動車輪，齒條安裝在軌道旁邊，確保左右車輪同步及定位準確性，采用伺服系統(tǒng)控制電機行走；采用編碼器定位，接近開關校核的方式確保定位準確。

2.6 叉臂升降裝置

叉臂升降裝置負責將管料提起放下，并確保管料不變形的情況下，合理設置了30組叉臂，叉臂間距為1200mm，叉臂安裝在升降裝置的橫梁上，升降裝置的升降架上共設置12只導輪，分別在6條軌道上可作上下移動。由伺服電機、減速機集中帶動布置在軸上的齒輪，通過齒輪嚙合、齒輪齒條嚙合，實現(xiàn)提升下降。共設置4對齒輪齒條。

2.7 叉臂及其旋轉裝置

由于要在料架兩側都能取放料，要求叉臂必須轉向，轉向裝置采用齒輪齒條傳動實現(xiàn)，每個叉臂轉軸上設置一個齒輪，在齒輪邊設置一長齒條，齒條一端設置電動推桿。為了減小30個叉臂在傳動中產(chǎn)生的累積偏差，在叉臂梁的兩端各設置一個電動推桿，電動推桿推動齒條，帶動齒輪正轉和反轉，實現(xiàn)30個叉臂同時在-90°～+90°范圍轉向，完成立體料架雙側取放料如圖3。

2.8 自動化控制系統(tǒng)

智能機械手自動化控制系統(tǒng)是為了完成對智能機械手所有設備的檢測、控制和操作過程，實現(xiàn)設備操作和維護的安全性、可靠性及方便性。它是由一個以PLC為主的基礎自動化系統(tǒng)以及相對應的HMI組成，CPU采用S7-412-2 PN；采用由計算機、WINCC工控軟件組成的人機界面系統(tǒng)（HMI），對整個智能機械手設備進行在線監(jiān)視操作；通過TCP/ IP協(xié)議與L2進行實時的通訊，并且通過Profibus現(xiàn)場總線把整個設備整合成一個現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。

智能機械手自動化控制系統(tǒng)設有遠程I/O站2個。一個在操作室操作臺內(nèi)，負責按鈕指示燈的輸入和輸出，使得所有的操作都在操作臺上完成。另外一個在智能機械手大車大梁上，采集現(xiàn)場的各種信號，并輸出各種動作。

遠程I/O站采用西門子ET200M系統(tǒng)，它使用S7-300 可編程序控制器的信號模塊，功能模塊和通訊模塊進行擴展。針對設備定位要求高的特點，我們選用的是西門子最新的SINAMICS S120系列變頻器以及西門子1FT7系列伺服電機構成一整套的伺服控制系統(tǒng)，以達到精確定位的功能。

此外，為了預警智能機械手行走車軸和升降車軸斷裂風險，還在4個車輪尾端安裝了倍加福的旋轉編碼器，實時監(jiān)測車輪的速度。

3 結語

依托某大型不銹鋼生產(chǎn)基地為載體的智能機械手及多層立體料架項目，在項目的驗收考核中，各項指標都符合設計要求，順利通過驗收。目前國內(nèi)生產(chǎn)不銹鋼換熱管，大多是采用行車加吊具工裝形式來實現(xiàn)搬運存儲，這種方式不僅生產(chǎn)效率低下，且易使鋼管產(chǎn)生塑性變形。所以不管是從不銹鋼換熱管產(chǎn)品技術升級，還是順應工業(yè)4.0的趨勢，用于不銹鋼換熱管的大跨距精密機械手都具有廣泛的市場前景。

[1]張質文，虞和謙，王金諾，包起帆.北京 《起重機設計手冊》.中國鐵道出版社,2001.

[2]鋼結構設計手冊編委會.鋼結構設計手冊.中國建筑工業(yè)出版社,2004.

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