新型大跨距精密智能機(jī)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(shè)備科技有限公司，浙江 杭州 310000）

新型大跨距精密智能機(jī)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(shè)備科技有限公司，浙江 杭州 310000）

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

機(jī)械手；大跨距；齒輪-齒條；伺服系統(tǒng)；工業(yè)4.0

1 概述

本項(xiàng)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(jī)在立體倉庫的巷道中來回穿梭運(yùn)動(dòng)，本項(xiàng)目中的機(jī)械手是高架式的，不占用地面空間，高精密智能機(jī)械手在空中完成成組鋼管的自動(dòng)入庫和出庫的功能。

2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

智能機(jī)械手承擔(dān)著成組鋼管的自動(dòng)入庫和出庫的功能，是進(jìn)出輥道與多層立體料架之間存取的關(guān)鍵設(shè)備。本設(shè)備由高架軌道、機(jī)體、水平行走裝置、叉臂升降裝置、叉臂及其旋轉(zhuǎn)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(dá)36000mm，設(shè)定智能機(jī)械手的跨度為39000mm，在搬運(yùn)鋼管過程中，必須保證設(shè)備在跨距左右偏差小于最小鋼管半徑。因此要求設(shè)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(shí)叉臂設(shè)計(jì)成能旋轉(zhuǎn)180°，達(dá)到在料架上左右存取物料的目的。

2.1 工況技術(shù)參數(shù)

單批裝料寬度：750mm，單批料最大重量：2500kg。

2.2 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

叉臂數(shù)量：30個(gè)；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(zhuǎn)向時(shí)間：6s；水平行走定位精度：±5mm；機(jī)械手軌道中心距：39000mm；升降定位精度：±5mm；叉臂轉(zhuǎn)向時(shí)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(cè)，起支撐智能機(jī)械手的作用。架高軌道由軌道支架和軌道裝置組成。每側(cè)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(dǎo)向靠輪。軌道分段制作，方便運(yùn)輸安裝。

2.4 機(jī)械手機(jī)架

機(jī)架為智能機(jī)械手的主體，其中水平行走裝置、托臂升降裝置及托臂旋轉(zhuǎn)裝置均安裝在其上。機(jī)體由一個(gè)主跨梁和兩個(gè)端梁組成。

（1）主跨梁的設(shè)計(jì)。整個(gè)裝出料機(jī)械手跨度為39000mm，主跨梁長度設(shè)計(jì)為39500mm，為了便于制造和運(yùn)輸方便，主梁共分3段設(shè)計(jì)，每段長度分別為13195mm、13090mm、13195mm相互之間采用特殊的連接結(jié)構(gòu)（內(nèi)圓外方）連接，然后再焊接。主梁截面設(shè)計(jì)為箱型結(jié)構(gòu)，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(shè)置縱向加勁板；為了抵抗扭轉(zhuǎn)載荷引起的箱型截面的周邊扭轉(zhuǎn)變形和向一邊側(cè)傾，在箱型內(nèi)設(shè)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(gè)主梁采用簡支梁計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖2 。

圖1 主梁截面

圖2 計(jì)算結(jié)果

圖3 叉臂旋轉(zhuǎn)裝置安裝圖

由于是大跨距設(shè)計(jì)，為了保證整個(gè)機(jī)械手正常工作，每個(gè)托臂能同時(shí)提起鋼管，主梁設(shè)置上拱，上拱高度則根據(jù)其變形量來確定。上述計(jì)算結(jié)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)來確定，我們在主梁中部設(shè)定的上拱高度為80mm，其余各點(diǎn)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(diǎn)到支點(diǎn)的距離。

（2）端梁的設(shè)計(jì)。端梁截面采用箱形結(jié)構(gòu)，并在水平面內(nèi)與主梁剛性連接。端梁的兩頭設(shè)計(jì)成適合角軸承箱安裝的形式。每個(gè)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(jī)械加工，安裝維修簡單方便。

2.5 行走傳動(dòng)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(shè)置伺服電機(jī)減速機(jī)集中驅(qū)動(dòng)，通過軸、聯(lián)軸器、軸承座傳遞到齒輪，再通過齒輪齒條驅(qū)動(dòng)車輪，齒條安裝在軌道旁邊，確保左右車輪同步及定位準(zhǔn)確性，采用伺服系統(tǒng)控制電機(jī)行走；采用編碼器定位，接近開關(guān)校核的方式確保定位準(zhǔn)確。

2.6 叉臂升降裝置

叉臂升降裝置負(fù)責(zé)將管料提起放下，并確保管料不變形的情況下，合理設(shè)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(shè)置12只導(dǎo)輪，分別在6條軌道上可作上下移動(dòng)。由伺服電機(jī)、減速機(jī)集中帶動(dòng)布置在軸上的齒輪，通過齒輪嚙合、齒輪齒條嚙合，實(shí)現(xiàn)提升下降。共設(shè)置4對齒輪齒條。

2.7 叉臂及其旋轉(zhuǎn)裝置

由于要在料架兩側(cè)都能取放料，要求叉臂必須轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向裝置采用齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)叉臂轉(zhuǎn)軸上設(shè)置一個(gè)齒輪，在齒輪邊設(shè)置一長齒條，齒條一端設(shè)置電動(dòng)推桿。為了減小30個(gè)叉臂在傳動(dòng)中產(chǎn)生的累積偏差，在叉臂梁的兩端各設(shè)置一個(gè)電動(dòng)推桿，電動(dòng)推桿推動(dòng)齒條，帶動(dòng)齒輪正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)30個(gè)叉臂同時(shí)在-90°～+90°范圍轉(zhuǎn)向，完成立體料架雙側(cè)取放料如圖3。

2.8 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

智能機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)是為了完成對智能機(jī)械手所有設(shè)備的檢測、控制和操作過程，實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作和維護(hù)的安全性、可靠性及方便性。它是由一個(gè)以PLC為主的基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)以及相對應(yīng)的HMI組成，CPU采用S7-412-2 PN；采用由計(jì)算機(jī)、WINCC工控軟件組成的人機(jī)界面系統(tǒng)（HMI），對整個(gè)智能機(jī)械手設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)視操作；通過TCP/ IP協(xié)議與L2進(jìn)行實(shí)時(shí)的通訊，并且通過Profibus現(xiàn)場總線把整個(gè)設(shè)備整合成一個(gè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)。

智能機(jī)械手自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)有遠(yuǎn)程I/O站2個(gè)。一個(gè)在操作室操作臺內(nèi)，負(fù)責(zé)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(gè)在智能機(jī)械手大車大梁上，采集現(xiàn)場的各種信號，并輸出各種動(dòng)作。

遠(yuǎn)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(jìn)行擴(kuò)展。針對設(shè)備定位要求高的特點(diǎn)，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(jī)構(gòu)成一整套的伺服控制系統(tǒng)，以達(dá)到精確定位的功能。

此外，為了預(yù)警智能機(jī)械手行走車軸和升降車軸斷裂風(fēng)險(xiǎn)，還在4個(gè)車輪尾端安裝了倍加福的旋轉(zhuǎn)編碼器，實(shí)時(shí)監(jiān)測車輪的速度。

3 結(jié)語

依托某大型不銹鋼生產(chǎn)基地為載體的智能機(jī)械手及多層立體料架項(xiàng)目，在項(xiàng)目的驗(yàn)收考核中，各項(xiàng)指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)要求，順利通過驗(yàn)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(shí)現(xiàn)搬運(yùn)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(shù)升級，還是順應(yīng)工業(yè)4.0的趨勢，用于不銹鋼換熱管的大跨距精密機(jī)械手都具有廣泛的市場前景。

[1]張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，包起帆.北京 《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》.中國鐵道出版社,2001.

[2]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊編委會.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊.中國建筑工業(yè)出版社,2004.

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