國外三種典型垃圾轉(zhuǎn)運車機械臂上料機構(gòu)技術(shù)分析

合加新能源汽車有限公司 謝 勇

神龍汽車有限公司 王亞蓮

通過對國外三種典型的垃圾轉(zhuǎn)運車機械臂上料機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)、運動過程、參數(shù)特點等方面的分析，進一步總結(jié)出三種機械臂上料機構(gòu)在性能上的優(yōu)缺點，為適合國內(nèi)垃圾收運特點的機械臂的研發(fā)提供了參考。

國內(nèi)外越來越多的地區(qū)（包括農(nóng)村地區(qū)）正采用垃圾桶裝載作為最為主流的垃圾裝載方式， 通常采用120L/240L 塑料垃圾桶裝載生活垃圾，此方式具有垃圾桶放置方便、方便移動、 質(zhì)量輕、 成本低等幾大優(yōu)點。當(dāng)使用垃圾車對垃圾桶內(nèi)垃圾轉(zhuǎn)運時，需要采用機械化的上料機構(gòu)將垃圾桶內(nèi)的垃圾倒入垃圾箱中。

目前國內(nèi)的垃圾車具有各種各樣的后裝、側(cè)裝機構(gòu)，但這些機構(gòu)都需要先將垃圾桶掛到機構(gòu)上，然后才能進行裝載， 環(huán)衛(wèi)工人的勞動強度較大。國外很多廠家已經(jīng)開發(fā)出多種專用機械臂上料機構(gòu)，環(huán)衛(wèi)工人無需下車即可完成垃圾桶上料工作。本文將對國外三種典型的機械臂上料機構(gòu)進行論述。

Heil 公司 DURAPACK? PYTHON?型機械臂

1.組成結(jié)構(gòu)分析

Heil 公司 DURAPACK? PYTHON?型機械臂由抱桶手爪、舉升臂、伸展臂、伸展油缸、舉升油缸、抱桶油缸、基座、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、軟件操作系統(tǒng)等幾大部分構(gòu)成，如圖1所示。主要參數(shù)如表1所示。

2.運動過程分析

2.1 機械臂抓桶過程

伸展油缸伸出時帶動伸展臂展開，抱桶手爪遠離車箱的同時向下運動；舉升油缸輔助部分收回帶動舉升臂展開，抱桶手爪遠離車箱的同時向上運動；抱桶手爪到達垃圾桶位置，抱桶油缸伸出帶動抱桶手抓抓住垃圾桶。機械臂抓桶伸展如圖2所示。

圖1 DURAPACK? PYTHON?型機械臂

表1 DURAPACK? PYTHON?型機械臂主要參數(shù)

圖2 機械臂抓桶伸展

2.2 機械臂提桶卸料過程

伸展油缸縮回時帶動伸展臂折疊收回，抱桶手爪靠近車箱同時向上運動；舉升油缸完全收回，帶動舉升臂完全展開，抱桶手爪同時向上運動，同時帶動垃圾桶傾翻，垃圾桶垃圾倒入垃圾箱中。

2.3 機械臂放桶過程

舉升油缸部分伸出帶動垃圾桶翻轉(zhuǎn)回位，伸展油缸伸出時帶動伸展臂展開，抱桶手爪遠離車箱同時向下運動，抱桶手抓到達垃圾桶放置位置；抱桶油缸縮回帶動抱桶手爪松開垃圾桶。 機械臂提桶卸料示意圖如圖3所示。

圖3 機械臂提桶卸料

2.4 機械臂收回原點位置

伸展油缸縮回時帶動伸展臂折疊收回，同時舉升油缸完全伸出帶動舉升臂完全展開， 機械臂收回原點位置。機械臂原點位置如圖4所示。

圖4 機械臂原點位置

3.機械臂操控系統(tǒng)

DURAPACK? PYTHON?型機械臂操控起來僅僅通過一個操作手柄+兩個按鈕即可完成機械臂的舉升-放下、展開-收回、抓取-松開、機械臂回初始原位等各項操作。機械臂操控手柄如圖5所示。

圖5 機械臂操控手柄

4.性能分析

DURAPACK? PYTHON?型機械臂操控時僅通過一個操作手柄+兩個按鈕即可完成機械臂的舉升-放下、展開-收回、抓取-松開、機械臂回初始原位等各項操作。

4.1 性能優(yōu)勢

DURAPACK? PYTHON?型機械臂在收縮回初始位置的時候，伸展臂和舉升臂是折疊起來的，所以占用空間比較小。同時機械臂完全展開時的整體長度包括了舉升臂和伸展臂兩段長度，機械臂展開長度比較長，同樣的道理其舉升的高度也更高。通過前面的運動分析看出機械臂的幾個油缸可以同時聯(lián)動，所以其運動循環(huán)時間僅需8s。

4.2 性能劣勢

通過對DURAPACK? PYTHON?型機械臂的運動分析可以看出，在機械臂抓桶過程中，不僅伸展油缸伸出時帶動伸展臂展開，舉升油缸同時需要輔助部分收回帶動舉升臂展開；放桶時，伸展油缸伸出時帶動伸展臂展開，舉升油缸同時需要輔助部分伸出，帶動垃圾桶翻轉(zhuǎn)回位以及舉升臂適當(dāng)收回；抓桶和放桶的過程需要伸展油缸和舉升油缸緊密配合聯(lián)動，抱桶手爪的運動軌跡呈現(xiàn)為曲線運動，而且根據(jù)垃圾桶位置的不一致，抓桶和放桶過程機械臂的運動軌跡是不一致的，這就導(dǎo)致機械臂的運動控制變得復(fù)雜，人工操控機械臂難度增加， 如果機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計不好，機械臂運動的過程會存在抖動、卡滯的問題隱患。

圖6 Ranger 型機械臂

Bridgeprot 公司 Ranger 型機械臂

1.組成結(jié)構(gòu)分析

Bridgeprot 公司 Ranger 型機械臂由抱桶手爪、舉升臂、伸展臂、舉升油缸、 翻轉(zhuǎn)油缸、 伸展油缸、 抱桶油缸、基座、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、 軟件操作系統(tǒng)等幾大部分構(gòu)成，如圖6所示。主要參數(shù)如表2所示。

2.運動過程分析

2.1 機械臂抓桶過程

伸展油缸伸出帶動伸展臂展開，抱桶手爪遠離車箱運動，抱桶手爪到達垃圾桶位置，抱桶油缸伸出帶動抱桶手爪抓住垃圾桶。

表2 Ranger 型機械臂主要參數(shù)

2.2 機械臂提桶卸料過程

伸展油缸縮回時帶動伸展臂收回，抱桶手爪靠近車箱；舉升油缸收回帶動抱桶手爪向上運動，翻轉(zhuǎn)油缸縮回帶動垃圾桶傾翻，垃圾桶垃圾倒入垃圾箱中。

2.3 機械臂放桶過程

翻轉(zhuǎn)油缸伸出帶動垃圾桶翻轉(zhuǎn)回位，舉升油缸伸出帶動抱桶手爪向下運動，伸展油缸伸出時帶動抱桶手爪遠離車箱，抱桶手爪到達垃圾桶放置位置，抱桶油缸縮回帶動抱桶手爪松開垃圾桶。

2.4 機械臂收回原點位置

伸展油缸縮回時帶動伸展臂收回，機械臂收回原點位置。

3.性能分析

3.1 性能優(yōu)勢

DURAPACK? PYTHON?型機械臂伸展臂的伸展-縮回，舉升臂的上升-下降為簡單的直線運動，并可以通過單一油缸的運動得以實現(xiàn)。整個運動過程控制比較簡單，運動平穩(wěn)性較好，駕駛員也更容易操作。

3.2 性能劣勢

DURAPACK? PYTHON?型機械臂安裝時占用空間較大，機械臂展開后臂長較短，同時機械臂上料高度較矮，需要在垃圾箱側(cè)面設(shè)計一個專門的進料口。

McNeilus 公司 Zero-Radius 型機械臂

1. 組成結(jié)構(gòu)分析

McNeilus 公司 Zero-Radius 型機械臂由抱桶手爪、伸展臂、提升導(dǎo)軌、液壓馬達、伸展油缸、基座、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、軟件操作系統(tǒng)等幾大部分構(gòu)成。如圖7所示。主要參數(shù)如表3所示。

表3 Zero-Radius 型機械臂主要參數(shù)

圖7 Zero-Radius 型機械臂

2. 運動過程分析

2.1 機械臂抓桶過程

伸展油缸伸出帶動伸展臂展開，抱桶手爪（包括導(dǎo)軌）遠離車體運動，抱桶手爪到達垃圾桶位置， 抱桶油缸伸出帶動抱桶手爪抓住垃圾桶。機械臂伸出抓桶如圖8所示。

圖8 機械臂伸出抓桶

2.2 機械臂提桶卸料過程

伸展油缸縮回時帶動伸展臂收回，抱桶手爪（包括導(dǎo)軌）靠近車體；液壓馬達帶動抱桶手爪沿著軌道運動，抱桶手爪帶著垃圾桶沿著導(dǎo)軌向上運動并傾翻，垃圾桶垃圾倒入垃圾箱中。機械臂提桶卸料如圖9所示。

圖9 機械臂提桶卸料

2.3 機械臂放桶過程

液壓馬達帶動抱桶手爪沿著導(dǎo)軌翻轉(zhuǎn)并向下運動，伸展油缸伸出時帶動抱桶手爪（包括軌道）遠離車箱， 抱桶手爪到達垃圾桶放置位置，抱桶油缸縮回帶動抱桶手爪松開垃圾桶。

2.4 機械臂收回原點位置

伸展油缸縮回時帶動伸展臂（包括軌道）收回，機械臂收回原點位置。

3.性能分析

3.1 性能優(yōu)勢

McNeilus 公司Zero-Radius 型機械臂伸出-縮回為簡單的直線運動，上料時抱桶手爪在液壓馬達的推動下沿著導(dǎo)軌運動，整個運動過程控制比較簡單，運動平穩(wěn)性較好，駕駛員也容易操作。同時由于采用了導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)，機械臂上料高度更高。

3.2 性能劣勢

由于采用導(dǎo)軌的框架結(jié)構(gòu)，整個機械臂占用空間比較大，直線運動的伸展臂的伸出距離較短。由于導(dǎo)軌隨著伸展臂一起運動，其結(jié)構(gòu)強度要求更高。

結(jié)語

國外垃圾機械臂上料機構(gòu)有很多種，不同的結(jié)構(gòu)都有其設(shè)計特點，本文僅僅選取了三種比較有代表性的進行了技術(shù)分析。機械臂上料機構(gòu)最大的特點就是無人化，大大減輕了環(huán)衛(wèi)工人的勞動強度，大大降低了垃圾收運的成本，是未來垃圾收運的發(fā)展方向。國內(nèi)的垃圾機械臂設(shè)計人員在參考國外機械臂上料機構(gòu)設(shè)計時，一定要考慮到不同結(jié)構(gòu)性能上的優(yōu)缺點，并且一定要結(jié)合國內(nèi)垃圾成分特點以及國內(nèi)垃圾收運模式進行綜合考慮，才能設(shè)計出適合國內(nèi)垃圾收運特點的機械臂。