編織袋卸車碼垛機(jī)器人系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

柴輝照

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)物流行業(yè)的飛速發(fā)展，各個(gè)行業(yè)對(duì)自動(dòng)化要求越來(lái)越高，本文針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了編織袋卸車碼垛機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與廣闊的發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)方案確定

1.1 車身設(shè)計(jì)

車身設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是能夠穩(wěn)定機(jī)器的位姿，因此設(shè)計(jì)了支腿，能夠更好地穩(wěn)定車身，使編織袋卸車碼垛機(jī)器人系統(tǒng)能夠更好地工作。車身前端有牽引裝置，可以用拖拉機(jī)等拉拽前進(jìn)，方便改變工作位置。采用兩類車輪，第一類是萬(wàn)向腳輪，可改變車身行進(jìn)方向；第二類是普通腳輪，起到支撐作用。為了使車身更加牢固，在車身上特地增加了加強(qiáng)筋，不但加強(qiáng)了車身，還為電氣控制箱提供了擺放位置，如圖1所示。

圖1 車身

1.2 主體支架設(shè)計(jì)

主體支架主要用于編織袋的運(yùn)輸及支撐可動(dòng)支架，將其連接在前端支腿電動(dòng)缸及后端支腿電動(dòng)缸上，可以通過(guò)支腿電動(dòng)缸來(lái)調(diào)節(jié)入口的高度和碼垛出口的高度，不僅方便卸車，還可以滿足碼垛高度方向的要求。采用三相異步電動(dòng)機(jī)及減速器帶動(dòng)傳送帶，由步進(jìn)電機(jī)、繩輪以及減速器帶動(dòng)伸縮支架前后運(yùn)動(dòng)。傳送帶張緊裝置用到了帶座軸承，可用螺栓來(lái)調(diào)節(jié)張緊棍子，并且上端有編織袋位姿調(diào)整裝置用以調(diào)整編織袋的位姿，支撐輥具有支撐作用，如圖2所示。

圖2 主體支架

1.3 伸縮支架設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)伸縮支架的目的在于調(diào)整編織袋的傳送距離，以實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)器人的性能要求，采用三相異步電機(jī)及減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，既能滿足性能要求又可以降低制造費(fèi)用，支承輥具有支撐傳送帶的作用，如圖3所示。

圖3 伸縮支架

1.4 末端位姿調(diào)整裝置設(shè)計(jì)

末端位姿調(diào)整裝置用于調(diào)整末端伸縮裝置的位姿，使其在調(diào)節(jié)高度的同時(shí)始終使末端保持水平。末端位姿調(diào)整裝置用到了電動(dòng)棍及支承輥，電動(dòng)棍和支承輥間隔配置，在滿足要求的同時(shí)降低了制造成本，末端位姿調(diào)整裝置與電動(dòng)缸相連接以實(shí)現(xiàn)上述功能，如圖4所示。

1.5 末端伸縮裝置設(shè)計(jì)

末端伸縮支架用于調(diào)節(jié)編織袋的位置擺放。采用此種結(jié)構(gòu)可以減小末端的結(jié)構(gòu)尺寸，采用電動(dòng)缸及剪叉進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了末端的伸縮。末端伸縮支架上設(shè)有編織袋位姿調(diào)整裝置，可對(duì)編織袋的位姿進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)，達(dá)到擺放的要求，如圖5所示。

圖4 末端位姿調(diào)整裝置

圖5 末端伸縮裝置

1.6 支腿設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)支腿的目的在于穩(wěn)定車身，加大支腿的長(zhǎng)度，可使用螺栓、螺母來(lái)滿足支腿設(shè)計(jì)需求，如圖6所示。

圖6 支腿

2 主要力學(xué)計(jì)算

2.1 電動(dòng)缸的計(jì)算

2.1.1 電動(dòng)缸的電機(jī)計(jì)算

電動(dòng)缸的電機(jī)計(jì)算步驟如下：

（1）根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，求得加在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq；

（2）計(jì)算不同工況下轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq；

（3）取其中最大的等效轉(zhuǎn)矩作為確定步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù)；

（4）根據(jù)運(yùn)行矩頻特性、啟動(dòng)慣頻特性，對(duì)初選的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行校核。

2.1.2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq的計(jì)算

Jeq包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1（電機(jī)自帶）；滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2=msD2/8=7.57×3.22/8=9.68 kg·cm2（質(zhì)量滾珠絲杠自帶），其中，ms為滾珠絲杠的質(zhì)量；D為滾珠絲杠的直徑。結(jié)構(gòu)折算到絲杠 J3=（ph/（2×3.14））2×M=（2/6.28）2×200=20.28 kg·cm2。

WEC絲杠速度：V=400 mm/s；導(dǎo)程：P=20 mm；得到絲杠轉(zhuǎn)速：ns=V/P=400/20=20 r/s=1 200 r/min；步進(jìn)電機(jī)：n=2 400 r/min；故傳動(dòng)比z1/z2=n/ns=2 400/1 200=2；得 Jeq=（z1/z2）2×（J2+J3）=22×（9.68+20.28）=119.84 kg·cm2。

2.1.3 快速空載啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)軸所承受負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1

Teq1=Tamax+Tf+T0，其中，快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：Tamax=2×3.14×Jeq×n（60 ta）=6.28×0.012×2 400/60 =3.01 N·m。

移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf=F摩ph/（2×3.14ק×i）=10×0.02/（2×3.14×0.8×2）=0.019 N·m，其中 F摩=μ（Fc+G）=0.005×2 000=10 N。

滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附摩擦轉(zhuǎn)矩T0=FYJph（1－ §02）/（2×3.14ק×i），但由于滾珠絲杠副效率較高，T0較小，可忽略不計(jì)，故Teq1=3.02 N·m。將Teq乘以安全系數(shù)k=4，得步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩T=12.08 N·m。

綜上，選用永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)110BYG2602。

2.2 軸的計(jì)算

軸的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)根據(jù)軸的承載情況，采用相應(yīng)的計(jì)算方法。常見(jiàn)軸的強(qiáng)度計(jì)算方法有按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算和按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算。

2.2.1 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算

這種方法適用于只承受轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)軸的精確計(jì)算，也可用于既受彎矩又受扭矩的軸的近似計(jì)算，考慮到彎矩的影響，必須采用降低需用應(yīng)力的方法。這種方法主要用來(lái)初步確定軸徑，在此基礎(chǔ)上，在做軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于一般不太重要的軸，也可作為最終的計(jì)算結(jié)果。

對(duì)于只傳遞扭矩的圓截面軸，其強(qiáng)度條件為：

式中：τ為軸的扭切應(yīng)力（MPa）；T 為轉(zhuǎn)矩（N·m）；WT為抗扭截面系數(shù)（mm3）。對(duì)圓截面的軸WT=（πd3）/16≈0.2d3；P為軸傳遞的功率（kW）；n為軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；d為軸的直徑（mm）；[τ]為許用扭切應(yīng)力（MPa）。

將式（1）改寫(xiě)為設(shè)計(jì)公式得：

確保發(fā)電容量充裕是確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定和電力市場(chǎng)穩(wěn)定的必要條件,也是電力工業(yè)發(fā)展中需要解決的最重要的問(wèn)題之一。能否完全依靠單一能量市場(chǎng)來(lái)確保發(fā)電容量的充裕性是個(gè)存在廣泛爭(zhēng)論的重要問(wèn)題。單一能量市場(chǎng)模式是指僅依靠現(xiàn)貨市場(chǎng)(一般是日前市場(chǎng))競(jìng)爭(zhēng)所產(chǎn)生的波動(dòng)的現(xiàn)貨電力價(jià)格來(lái)引導(dǎo)發(fā)電投資和維持長(zhǎng)期發(fā)電容量充裕性。如果發(fā)電公司能夠回收成本則表明這種市場(chǎng)機(jī)制可以吸收足夠的發(fā)電投資，反之則表明激勵(lì)不足[1-2]。

式中：C為按[τ]定的系數(shù)。對(duì)于45號(hào)鋼C=118~107，由于彎矩相對(duì)于轉(zhuǎn)矩較大，故C取較大值118。

對(duì)于該摩擦磨損實(shí)驗(yàn)裝置Pmax=1 kN，S=0.3，n=150 min-1，傳遞功率為：

軸的轉(zhuǎn)速n=150 r/min，所以軸的最小直徑為：

由于要在軸端安放軸承，d取38 mm（保證足夠的強(qiáng)度）。

2.2.2 按彎矩合成強(qiáng)度計(jì)算

當(dāng)軸的支撐位置和軸所受載荷的大小、方向、作用點(diǎn)及載荷種類均已確定，支點(diǎn)反力及彎矩可以求得時(shí)，可按彎矩合成理論進(jìn)行近似計(jì)算。一般軸可用此種方法計(jì)算。

式中：σb為危險(xiǎn)截面上彎矩M產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力；τ為轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭切應(yīng)力。

對(duì)于直徑為d的圓軸：

式中：W為軸的抗彎截面系數(shù)；WT為抗扭截面系數(shù)。

將σb和τ代入式（5）得：

由于一般轉(zhuǎn)軸的σb為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力，而τ的循環(huán)特性往往與σb不同，考慮到兩者循環(huán)特性不同的影響，對(duì)式（8）中的轉(zhuǎn)矩乘以折合系數(shù)α，即：

式中：Me為當(dāng)量彎矩，；α為根據(jù)轉(zhuǎn)矩性質(zhì)而定的折合系數(shù)。對(duì)不變的轉(zhuǎn)矩，α=[σ-1b]/[σ+1b]≈0.3；當(dāng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變化時(shí)，α=[σ-1b]/[σ01b]≈0.6；對(duì)于頻繁正反轉(zhuǎn)的軸，τ可作為循環(huán)變應(yīng)力，α=1。若轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律不清楚，一般也按脈動(dòng)循環(huán)處理。

[σ-1b]，[σ01b]，[σ+1b]分別為對(duì)稱循環(huán)、脈動(dòng)循環(huán)及靜應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力。

綜上所述，按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算軸徑的一般步驟如下：

（1）將外載荷分解到水平面和垂直面內(nèi)，求垂直面支撐反力Fr和水平面支撐反力FH；

（2）作垂直面彎矩圖MV和水平面彎矩圖MH；

（3）作合成彎矩M圖，

（4）作扭矩T圖；

（5）彎扭合成，作當(dāng)量彎矩Me圖；

（6）計(jì)算危險(xiǎn)截面軸徑。

式中：Me的單位為N·m；[σ-1b]的單位為MPa。

對(duì)于有鍵槽的截面，應(yīng)將計(jì)算的軸徑加大約4%。若計(jì)算出的軸徑大于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步估算的軸徑，則表明結(jié)構(gòu)圖中軸的強(qiáng)度不夠，必須修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；若計(jì)算出的軸釋小于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的估算軸徑，且相差不大，則以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軸為準(zhǔn)。

對(duì)于一般用途的軸，按上述方法計(jì)算即可；對(duì)于重要的軸，還需要進(jìn)一步作強(qiáng)度校核（如安全系數(shù)法）。

傳動(dòng)軸的彎扭合成強(qiáng)度校核如下：

（1）求垂直面支撐反力FV和水平面支撐反力FH。當(dāng)最大載荷為1 kN時(shí)：

① 垂直 支撐反力 FV：FV1=FV2=（640×156+640×400）/556=640 N；

②水平面支撐反力FH：FH=0；

MV：MV=FV×156=640×156=99 840 N·m ；

（2）故合成彎矩圖中：Mmax=MV=99 840 N·m；

（3）作扭矩T圖，T=98.4 N·m；

（4）彎扭合成，作當(dāng)量彎矩Me圖；

（5）校核危險(xiǎn)截面軸徑。

考慮到A面彎矩較大，為危險(xiǎn)截面，軸的材料用45號(hào)鋼，調(diào)制處理，查表可得σB=650 MPa，許用彎曲應(yīng)力。則：

考慮到鍵對(duì)軸的削弱，將d增大4%，得：

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中d=40 mm，強(qiáng)度足夠。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種編織袋卸車碼垛機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，利用虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)車身、主體支架、伸縮支架、末端位姿調(diào)整裝置、末端伸縮裝置和支腿等零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)中電動(dòng)缸、軸的慣量、轉(zhuǎn)矩和強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算與復(fù)合。

[1]夏鯤，徐濤，李靜鋒，等.工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用研究[J].廣西輕工業(yè)，2008，24（8）：63-64.

[2]畢勝.國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀[J].機(jī)械工程師，2008（7）：5-8.

[3]熊有倫，丁漢，劉恩滄.機(jī)器人學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[4]葉暉，管小清.工業(yè)機(jī)器人實(shí)操與應(yīng)用技巧[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5]胡洪國(guó)，高建華，楊汝清.碼垛技術(shù)綜述[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2000（6）：7-9.

[6]周鵬飛，呂漢明，謝楠，等.筒子紗自動(dòng)碼垛系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（22）：134.

[7]謝楠.筒子紗自動(dòng)包裝與碼垛系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2017.

[8]張?zhí)旌?基于機(jī)器視覺(jué)的編織袋圖像處理與分析[D].濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2010.