包裝箱碼垛機機械結構的設計與研究

劉大龍　盤艷芳　李利偉

摘 要：現代社會的發展使包括倉庫、碼頭在內的各項裝卸工作對設備的要求越來越高，而工作量的增加又對不同機械的性能提出了新的需求。基于此，本文以包裝箱碼垛機機械結構作為分析對象，分別就其機械結構的設計和性能測試進行研究，包括主要模塊、工作原理、核心技術和模擬過程等，以期通過分析明晰原理，優化理論，為后續工作的具體開展提供必要參考。

關鍵詞：碼垛機；機械結構；智能技術；工作效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.047

0 前言

碼垛機是將已裝入容器的紙箱，按一定排列碼放在托盤、棧板（木質、塑膠）上，進行自動堆碼，可堆碼多層，然后推出，便于叉車運至倉庫儲存。現代倉庫以及碼頭等地對碼垛機的需求量持續增加，也對碼垛機的性能提出了較高要求，以信息技術的發展作為支撐，可以應用智能技術、通信技術等對碼垛機的機械結構設計給予強化，提升其工作性能和效率，本文對上述內容進行分析。

1 包裝箱碼垛機的構成及運行原理

包裝箱碼垛機，由機身、伺服電機、同步帶等部分構成。其中，伺服電機的功能，主要在于控制碼垛機，使其完成取箱及放箱等動作。同步帶的功能，則以傳動為主。碼垛機的工作原理較為簡單，在本次設計中，強調其工作的效率和規范性，考慮到分析對象為機械結構，將其進行簡化，默認為行走機構、抬升機構、伸載機構，不考慮潤滑、老化等附加因素的影響。在簡化過后，碼垛機工作包括標準碼垛、貨物輸送、棧板輸送等，不同裝置協同作業，行走機構主要實現碼垛機的位移，抬升機構和伸載機構共同負責貨物存取和擺放。在正常條件下，系統的啟停由管理人員負責，設備啟動后，根據傳感器提供的信息自動投入作業中，在伺服電機的動力支持下，通過抬升機構、伸載機構存取貨物，借助鏈條、同步帶等來完成驅動。碼垛機的控制系統依然多條能夠獨立運作的工作軸實現，以智能系統負責實施控制，通過大規模機器訓練保證工作的有效性，尤其是三維空間內水平移動、貨物存取的精度[2]。

2 包裝箱碼垛機機械結構的設計方案

2.1 碼垛機設計思路

碼垛機構件質量、強度等參數指標，以及智能化控制工藝，是決定機械結構合理性，以及機械性能的主要因素。就構件質量而言，碼垛機負載相對較小，但對構件的耐高溫效果要求較高。因此，僅需確保構件強度達標，耐高溫效果強既可。就機械參數而言，機身以及伺服電機等構件的規格、功率、轉速等情況，均會對碼垛機的性能造成影響。因此，需視碼垛需要，對其進行優化設計，提高參數的合理性。智能化控制的目的，在于提高碼垛效率、減少故障率。因此，對傳感器、通信接口等進行優化設計較為必要。

2.2 碼垛機設計方法

2.2.1 構件設計

考慮碼垛機的設計需求，本課題決定采用鋁合金作為主要構件材質，對機械結構進行優化設計。鋁合金本身具有重量輕、價格低廉、強度高、耐熱性強的特征。可將其應用到機械的軸承支架，增強機械的性能。碼垛機中的微型截面零件，對構件材質強度的要求較高。因此，本課題考慮將鑄造鋁合金ZL203應用到構件微型截面零件的設計過程中，充分滿足其運行需求。碼垛機設計的核心技術包括傳感器技術、單片機技術、通信技術、PLC技術四大方面，此外還包括常規設計所需的承重、平衡等基礎技術，常規技術與此前的設備基本相同。

2.2.2 參數設計

（1）機身設計：本課題所設計的碼垛機，機身參數方面，導軌長度2.2m，立柱與導軌之間距離為10.5cm，棧板與載物臺的尺寸取平面規格，實測其尺寸為1.22×1.16m（長×寬），輸送機構尺寸實測結果為1.07m×0.67m。棧板輸送機構中性點距離立柱橫向偏移1.22m，縱向偏移控制良好。（2）伺服電機參數設計：本課題所設計的碼垛機，伺服電機應用齒輪減速三相異步電機，電源為380V交流電，額定功率0.3kW。步距角為1.6°，靜轉矩最大值為0.074KN，啟動頻率（空載）為2400。（3）同步帶設計：同步帶設計上，結合一般性的工作要求，默認步距角為1.5/3°，默認靜轉矩最大值為0.075KN，空載狀態下啟動頻率默認為3000，內軸軸徑默認為0.4cm，外軸軸徑默認為3.6cm，默認標準工作頻率為3800/s，轉速為1000r/s。

2.2.3 智能模塊設計

（1）傳感器：本課題中，用于采集碼垛機信息的傳感器，以RGB顏色傳感器為主。該傳感器可識別待碼垛的物料的顏色，避免碼垛物料類型不一致的問題發生。（2）接線：碼垛機輸入及輸出接線模塊中，均存在一個公共端。借助公共端接線，即可使數據的傳輸得以實現。（3）PLC：本課題中，碼垛機PLC型號為FX2N-64MR-001，繼電器以32點為主，規格為220mm×87mm×90mm。該碼垛機的性能，能夠有效滿足碼垛機的運行需求。（4）誤差控制：由于倉庫、碼頭等地的包裝箱、托盤規格帶有典型的規范化特點，碼垛機工作也往往帶有較強的規律性，因此收集不同工作對象若干個（原則上不低于2000），將其代入K近鄰算法的定義空間內，實現對碼垛誤差的控制。

3 包裝箱碼垛機機械結構性能測試

3.1 測試指標

為評估本課題所設計的碼垛機，性能是否較以往有所提升。本課題采用模擬實驗的方法，將相關參數代入計算機中生成模型進行了實驗。本實驗中，碼垛機構件的材質，以鋁合金為主。機身、伺服電機以及同步帶的運行參數，與設計一致。考慮到碼垛機的性能，主要體現在運行效率、故障發生情況，以及各構件的耐磨損情況方面。因此，本課題決定將觀察指標設置為碼垛機的工作效率、差錯率、對象破損率。實驗進行4小時，期間通過調整參數的方式模擬設備老化、通信干擾等因素，了解設備工作態勢，最后取S倉庫實際工作數據作為參考。

3.2 測試過程

測試工作在計算機環境下進行，第一組測試持續1小時，為常規測試，代入了S倉庫基本工作條件，包括該碼垛機老化情況和工作壓力情況等，收集結果進行記錄。第二組測試持續1小時，調整了通信干擾情況，了解附件存在磁場時，系統是否可以正常進行作業，收集數據并進行記錄。第三組測試持續1小時，調整了作業量，更改持續作業24小時（常規情況下的3倍），人工控制設備工作參數，加快其工作模擬進度，了解設備工作情況。第四組測試持續1小時，調整了設備老化程度，模擬設備在投入使用2年后的工作情況。

3.3 結果分析

實驗結果方面，設計組碼垛機的工作效率分別為91件/h、89件/h、92件/h、82件/h，常規組為72件/h，設計組的優勢明顯，但在老化情況下，工作效率有所下降。差錯率方面，設計組碼垛機分別為0、1.1%、0、0，常規組平均為1.4%，這表明電磁干擾會影響碼垛機作業，導致錯誤。破損率上，設計組碼垛機分別為0、1.9%、0、1.1%，常規組平均為1.6%，這表明電磁干擾和老化會影響碼垛機作業，導致破損。但總體來看，設計組碼垛機的工作能力優于常規碼垛機，工作效率較高、工作錯誤率和破損率則較低，表明上述設計擁有較高的可行性。

4 總結

通過分析包裝箱碼垛機機械結構的設計與研究，獲取了相關理論成果。包裝箱碼垛機機械結構的工作帶有典型的往復性特點，其主要模塊包括伺服電機、同步帶以及智能模塊，應用的關鍵技術包括傳感器技術、單片機技術、通信技術、PLC技術等。經過模擬性能測試，上述理論得到了證明，可作為后續工作的參考，提升碼垛機工作效率和質量。

參考文獻：

[1]程偉.基于西門子S7-1200控制器和松下A5伺服驅動器的碼垛機急停控制的研究[J].自動化應用，2017（12）：176-177.

[2]張偉，林安明，徐文濤.基于獨立負載口控制的碼垛機升降氣動位置伺服系統研究[J].機床與液壓，2017，45（21）：135-138.

[3]萬朝友，胡興科，唐受良.全自動化肥包裝碼垛機包裝控制單元的設計[J].現代制造技術與裝備，2016（09）：9+12.

作者簡介：劉大龍（1981-），男，河南洛陽人，工學碩士，工程師，研究方向：物流機械設備、農產品供應鏈。