一種通用性高位碼垛機的研究開發

陳廣勝 史步海 張文祖 王 越

（1.清遠職業技術學院，廣東清遠，511500；2.華南理工大學自動化科學與工程學院，廣東廣州，510641；3.金鑫（清遠）紙業有限公司，廣東清遠，511517）

碼垛機是自動化生產線中最常用的設備，它是將包裝好的產品按一定規律堆放在托盤（棧板）上，而且可以根據要求堆放多層，便于叉車搬運存儲的一種設備[1]。隨著技術的發展，不管大型制造企業還是中小型制造企業，對碼垛機的依賴越來越高，在食品飲料、化工、倉儲物流、機械制造等行業都廣泛應用[2-4]。

目前制造企業常用的碼垛機主要有3 類[5-6]：第一類是橋式，自行搭建一個機械抓手，通過橋可在X/Y/Z 方向進行運動，把產品按要求進行抓取堆疊；第二類是采用專用碼垛機器人，再結合實際生產搭建相關平臺，通過碼垛機器人進行堆疊；第三類是高位碼垛機，是為了實現較大貨物多層堆疊，通常把貨物通過斜坡輸送機送到高處，通過棧板的上下運行實現多層堆疊[7-8]。前兩類碼垛機比較靈活，體積小質量較輕的產品應用較多，但不適合高位堆疊。第三類碼垛機相對前兩類來說結構簡單，效率高，是體積大和質量大的產品常用的堆疊方法，一般由匯總輸送機、斜坡輸送機、轉位機、編組機、分層機、升降機、托盤倉、托盤輸送機、垛盤輸送機及高架平臺等部件組成[9-10]。由于采用了斜坡輸送機，不同規格的包裝箱對斜坡的坡度要求不同，限制了設備的通用性，設備體積龐大[11-12]。本文在現有研究的基礎上，設計一種結構更簡單，人機交互方便的高位碼垛機，通過在清遠市某紙業公司的應用表明，該碼垛機比傳統的高位碼垛機工作效率更高，通用性更強，適合大體積的產品進行高位碼垛。

1 工藝及高位碼垛機的要求

1.1 工藝說明

大體積產品碼垛一般都需要高位多層堆箱，這就要考慮多層堆箱的穩定性和容量，為了提高堆箱的穩定性，對產品在棧板上的擺放有一定的要求，以某品牌的A4 打印紙包裝箱為例，包裝箱主要分為5 包和10 包兩種規格，具體堆放示意圖見圖1 和圖2。用同一規格（1100×1100）cm 棧板堆疊時，有不同的堆疊規律，相鄰兩層采用交叉包裝箱的擺放方式。使堆疊后的包裝箱穩定且不浪費空間。

1.2 傳統高位碼垛機的問題及改進思路

圖1 5包規格堆放示意圖

圖2 10包規格堆放示意圖

傳統高位碼垛機一般針對一種規格包裝箱進行設計，通用性不強，在競爭激烈的產品市場，隨時會根據市場需求推出不同規格不同包裝的多樣化產品。由于傳統高位碼垛機采用斜坡輸送機，把包裝箱產品通過滾筒斜坡送至碼垛要求的最高處，當包裝箱的質量、包裝箱與斜坡接觸面積發生變化時，由于摩擦系數等問題，一種規格的斜坡無法輸送不同規格的包裝箱，導致無法對多種規格包裝箱進行碼垛。對于一些表面比較光滑、摩擦系數較小的產品包裝箱，則需要坡度較小、長度較長的斜坡輸送機，大大增加了設備占地空間，不利于設備布置。

通過對高位碼垛機的包裝箱提升裝置進行改造，使用垂直提升代替斜坡輸送，能很好地解決斜坡無法滿足多規格包裝箱提升的問題。在保證效率的情況下，如何配置和改造提升裝置是設計高位碼垛機能否成功的關鍵。

2 高位碼垛機的結構原理

圖3 為高位碼垛機的結構示意圖。高位碼垛機主要部件有：匯總輸送機、轉位機、編組機、分層機、垛盤輸送機等。

圖3 高位碼垛機結構示意圖（轉位、編組、分層）

匯總輸送機是將生產線上包裝好的產品匯總成一條傳輸線，主要由滾筒和電機組成。轉位機是把箱子編號根據堆箱規律對部分長方體的包裝箱調整方向的機構。轉向原理如圖4所示。當需要箱子轉向時，轉向氣缸推出，箱子碰撞突出機構時，在滾筒旋轉的推力下實現轉向，如果不需要轉向時，轉向氣缸縮回，箱子保持方向前進。

編組機的功能是根據堆箱規律，對于并排同方向的2 個（或4 個）箱子進行編組，編組后進入分層機，主要由推柱和擋板組成。推柱的作用是把同組的第一個箱子推到靠邊，利用擋板阻擋箱子前進，等第二個箱子到來后一起送到分層機。

分層機是把編組機送來的箱子進行處理，把一層的箱子根據要求進行擺放，擺好一層箱子后，把整層箱子推進垛盤輸送機，主要由滾筒和推板組成。根據箱子擺放規律，當有1/2 層箱子時推一半行程，等另一半層箱子到來之后一起送到垛盤輸送機。

圖4 轉位機功能示意圖

圖5 垛盤輸送機功能示意圖

垛盤輸送機是把擺放好的一層箱子輸送到棧板上，實現包裝箱垂直提升的功能，主要是由一塊可上下移動和左右移動的送箱板組成，由兩臺電機進行控制，如圖5所示。當送箱板移到棧板上方時，利用由氣缸控制的擋板把箱子擋住，送箱板后撤，箱子就落到棧板上層，實現了送箱功能。

3 高位碼垛機控制系統硬件設計

3.1 系統硬件配置

系統以PLC 為控制核心，結合人機交互HMI 方便操作與參數修改，主要通過三相異步電動機、氣缸和各種傳感器實現系統功能，總體控制方案見圖6。PLC 選用了三菱FX3U-32MT 型號，晶體管輸出型，主要控制變頻器、電磁閥和控制電機的繼電器，接收各種開關信號和用于檢測的傳感器信號；選用了昆侖通態TPC7062KX 觸摸屏，用于給下位機發出指令，同時也對系統狀態進行監控，還能顯示系統故障報警信息；在控制終端執行部件中，選用了伺服電機控制垛盤輸送機的輸送板升降運動，輸送板的升降是本系統中位移精度要求最高的，送每一層箱子均要參照棧板上現有貨物的高度，又不能離開現有貨物太高，太高容易卸箱子時不穩，出現箱子移位對不齊等異常情況。而輸送板的水平移動不需要多段位控制，只要用限位器進行定位即可，采用三相異步電動機通過繼電器實現正反轉控制。輸送機的滾筒采用變頻器控制，方便根據需要進行調整速度，采用三菱FR-E700-1.5K-CHT 變頻器。分層機滾筒電機采用三相異步電動機通過減速箱進行低速運行即可。

3.2 伺服系統的選型

在硬件設計中，伺服系統的選型是重點，伺服系統要控制輸送板精準升降，是負載最大的一環節，輸送總質量為：

圖6 系統總體控制方案

M=m·N+M鐵

式中，m為每箱質量；N為每層的箱子數量；M鐵為輸送板結構質量，為280 kg。

5包裝的A4紙包裝箱，每一箱的質量為12.7 kg，每層的質量為：

M5=m·N+M鐵=12.7×16+280=483.2 kg

10 包裝的A4 紙包裝箱，每一箱的質量為25.4 kg，每層的質量為：

M10=m·N+M鐵=25.4×8+280=483.2 kg

為方便計算，忽略摩擦，總質量以M=490 kg計算。

系統傳輸使用齒輪齒條傳動，選用了齒輪分度圓直徑d=0.075 m（模數2.5、齒數30），由于該工序的速度要求不高，選用減速比i為10的減速器。按電機額定轉速為1500 r/min計算。

最高速度為：

勻速時克服重力的驅動力為：

F勻=-Mg=-490×9.8=-4802 N

勻速時轉矩為：

按加速時間0.4 s計算，則上升加速度為：

上升加速時電機驅動力最大值為：

上升加速時轉矩最大值為：

負載慣量為：

經減速器折算后電機慣量為：

伺服電機的選取符合額定轉速、額定轉矩、最大轉矩、負載慣量等參數要求[13-14]，上述參數是在忽略了齒輪、減速器等傳動效率和摩擦力的情況下進行估算的，額定轉矩、最大轉矩的選取應該略大一點，且要留有余地，電機慣量應符合負載慣量＜3 倍電機轉子慣量的要求[15-16]，通過電機手冊查找，選用臺達ECMC-FW1830SS 伺服電機，該電機額定功率3 kW，額定轉速1500 r/min，額定轉矩19.1 N·m，大于18 N·m；最大轉矩為57.3 N·m，轉子慣量（帶剎車）0.00571 kg·m2均滿足要求。

4 高位碼垛機控制系統軟件設計

4.1 PLC編程控制

整個系統的控制主要分成3部分：初始化、手動控制和自動控制。在初始化部分主要是上電時的設備檢測，看各個部件是否在初始狀態，各傳感器狀態是否正常，如果有異常情況則通過HMI 進行報警顯示。沒有異常情況則進入工作模式選擇，具體系統控制程序流程圖見圖7。

圖7 系統控制程序流程圖

手動控制部分主要用于設備的調試與故障檢測，通過對系統各個動作的單獨控制與運行，對系統進行細微的調整（包括參數調整），或當出現故障時，也可以通過手動控制容易查找出故障點。

自動控制部分是系統的核心控制部分，是系統正常工作時的控制程序。采用分段控制模塊設計，由匯總輸送機子程序、轉位機子程序、編組機子程序、分層機子程序和垛盤輸送機子程序等5 個子程序組成。5 個子程序對應5 個系統工序，它們之間相互聯系，配合完成碼垛功能。

以10包規格奇數層的箱子（堆箱規格見圖2）為例，匯總輸送機送來的箱子經傳感器進行編號（通過計數器C0進行計數實現編號），根據箱子序號，轉位機判斷是否需要調整箱子方向，奇數層的③④⑤⑥號箱子需要轉方向，偶數層的則是①②⑦⑧號箱子需要轉向。編組機把同方向相鄰的箱子進行處理，如把①②號箱子擺齊（通過推桿把箱子并列）后一起送到分層機。分層機把前兩組箱子（①②③④號）按規則擺放完成后，通過推板半推后，等待后兩組箱子（⑤⑥⑦⑧號）進入分層機，然后把整層箱子推到垛盤輸送機。最后由輸送機把箱子送到棧板完成碼垛，如圖8所示。

圖8 10包規格奇數層各工序控制流程圖

垛盤輸送機的輸送板由伺服電機控制升降運動，由異步電機控制水平運動，控制流程如圖9所示，啟動初始化時，把碼垛的層數N 以及每層的高度H默認值導入程序，也可以通過觸摸屏進行修改相關參數。初始化后伺服電機執行原點回歸指令，用C表示已完成堆疊的情況，先把N 的值賦給C，每完成堆疊一層C值減1。每層要提升的距離h可表示為：

伺服電機的定位是通過脈沖數控制，再通過反饋給伺服驅動器的信號對電機的輸出軸進行修正[17]。如輸出軸旋轉一圈所需脈沖數為n0，旋轉一圈提升的高度為h0，則每層提升所需脈沖數n為：

圖9 垛盤輸送機控制流程圖

4.2 HMI設計

該碼垛機選用了昆侖通態TPC7062KX 觸摸屏，利用MCGS 嵌入式版7.7（1.7）軟件進行畫面設計，見圖10 和圖11。設計設備窗口，選擇串口父設備，再添加設備三菱FX 系列編程口，把CPU 類型設置為FX3UCPU；根據畫面控制要求及PLC 的程序，在實時數據庫中添加需要控制或監控的變量，并與PLC軟元件進行關聯。調試好后下載到觸摸屏即可。

圖10 系統初始化完成

圖11 自動運行（5包）界面

5 應用效果

高位碼垛機在制造業中廣泛應用，由于市場需求的多樣化，產品包裝規格多樣化。以A4 打印紙生產為例，市場上常見的包裝就有5 包、8 包和10 包1 箱的規格。在清遠市某紙業有限公司，以前主要生產10 包1 箱的A4 打印紙，由于市場發展的需要，現在生產5 包1 箱和10 包1 箱兩種規格產品，原來設計的高位碼垛機采用傳統的斜坡輸送方法，對5 包1 箱規格產品進行碼垛時，該規格的產品在斜坡輸送時由于坡度太大，箱子打滑不能上去，無法實現碼垛功能。

采用本方案重新設計高位碼垛機，取消了斜坡輸送的工序，對不同規格的包裝箱具有同樣的碼垛能力。經過測試，平均每箱所需時間約為3 s。結果表明，高位碼垛機的各方面性能均能滿足生產需求。一套高位碼垛機可滿足多規格產品的碼垛要求。

6 結 語

本文設計的碼垛機通過清遠市某造紙廠的實際應用表明，該碼垛機能高效實現高位碼垛，對不同規格產品的轉換控制靈活方便。該系統不采用斜坡輸送機，對不同包裝和不同質量的產品均有很好的適應性。通過觸摸屏的監控與控制，對系統的操控和設備調試都有很好的幫助。該碼垛機結構比較簡單，成本低，對紙箱包裝的產品碼垛有較好的通用性。