坐標式碼垛設備的設計

樓偉良

（能率（上海）住宅設備有限公司，上海201400）

0 引 言

我公司熱水器產品裝配完成從流水線末端下線，產品的搬運和碼垛由人工作業完成，存在工作效率低、工作強度大、產品堆高受作業者高度限制的缺點。隨著管理水平的提升，流水線基本生產能力也逐步提高，日產能從400 件提高到500 件，如果繼續采用人工搬運和堆碼產品，勢必要追加相應作業人員，則增加了人力制造成本。

產品堆碼規定，每個地倉板堆放8 層，每層放置4 件產品，而且產品堆放的方位有要求，每臺產品的指定標貼朝外便于掃碼識別和確認。產品最大質量約30 kg，在搬運和堆放過程中經常發生意外跌落，造成產品損壞或報廢。

除了存在以上缺點外，還存在產品堆放層數受到限制，阻礙倉儲容積率的提升，增加倉庫儲存成本等問題。為此，建立改善課題，目的是消除人工搬運作業，避免產品意外跌落而報廢，降低制造成本。熱水器裝配流水線能適應多品種、多規格的柔性化生產要求。

1 初步方案與評估選擇

為了解決產品下線由人工搬運和堆放到地倉板的問題，擬采用機器人設備或機械設備搬運、堆放產品，制訂了3 個設想方案，如表1 所示。

表1 方案分析和評估表

我公司流水線末端旁除去通道空置面積約為7 m2，除去通風管道工場廠房最低處凈高度為3.7 m。由于場地條件的限制，課題改善目標之一是提高倉儲量，產品堆放由8 層提高至9 層。因此，選擇坐標式碼垛設備作為本課題研究方向。

2 設計思路

2.1 設備功能

坐標式碼垛設備具備3 個坐標（X、Y、Z）的移動功能，以及產品在空中能完成旋轉、調整產品方位的功能；機械夾持夾具能適應各種規格熱水器產品的夾持，確保產品搬運中不跌落，不損壞；坐標式碼垛設備運行過程能實現機械化和自動化，能適應各種規格熱水器產品的搬運和碼垛要求。

2.2 設備構造

設備由機座、立柱、橫臂、轉盤、機械夾持夾具五大機構組成，如圖1所示。

2.3 產品搬運

由于受廠房高度和空置面積的限制，因此設計采用單軌立柱構造型式，設備立柱坐落于機座上方完成水平往復移動，設定X 向。傳動機構是由伺服電動機、減速器、齒輪、齒條、導軌等零件組成。完成產品從流水線末端搬運到地倉板上方，如圖2 所示。

圖1 坐標式碼垛設備簡圖

圖2 單軌、立柱設計圖

2.4 產品按9 層要求堆高

設計采用設備橫臂與設備立柱垂直型式的構造，橫臂可在設備立柱上完成上下往復移動，設定Z 向。傳動機構由伺服電動機、減速器、齒輪、齒條、導軌、平衡塊、鏈輪、鏈條等零件組成，如圖3 所示。

2.5 產品按規定方位堆放

設計采用橫臂下方安裝轉盤機構，轉盤機構能沿橫臂實現水平往復移動，設定Y 向，其同時具備300°往復旋轉功能。直線移動機構由伺服電動機、減速器、同步輪、同步帶，導軌等零件組成。旋轉機構由伺服電機、減速器、主動齒輪、被動齒輪、軸承等零件組成，如圖4所示。

圖3 單軌、立柱、橫臂設計圖

2.6 機械夾持產品

夾具能自動完成夾緊和松開產品，協助機械機構完成搬運和碼垛，夾具機構由氣缸、夾持板、限位傳感器、導柱等零件組成，如圖5 所示。

3 坐標式設備設計

3.1 設備機座機構設計

設備機座設計成L 形，設計采用雙導軌型式，1 根導軌安裝在設備機座上平面位置，另1 根導軌安裝在設備機座側面A 位置。設備立柱坐立于滑塊上方與其緊固連接，滑塊與直線導軌滑動連接，每根直線導軌上配置1 對滑塊（2 件）。為了防止設備立柱傾倒在設備機座L形側面B 位置安裝2 對（4 件）防倒導輪。齒輪與齒條安裝在設備機座上平面位置。

設備立柱X 向水平往復移動采用齒輪與齒條傳動機構，定位精度誤差為±0.2 mm，水平運動最大速度V 為256 mm/s。預估設備立柱上所有部件最大載荷（含產品）約350 kg，因此，依據載荷和運行特性，選擇動力裝置各部件的參數為：選擇三菱伺服電動機型號為HG-SN202J-S100，額定功率P 為2 kW，額定轉矩T 為9.55 N·m，額定轉速n 為2000 r/min。減速器的減速比為1：32，減速后輸出轉矩T 為305.6 N·m[3]。齒輪設計參數：模數m 為3 mm，齒數z 為30，齒寬B 為25 mm。齒條設計參數：模數m 為3 mm，長度L為2650 mm，齒條寬度B 為30 mm[3]。

3.2 設備立柱機構設計

設備立柱設計成方形，設計采用雙導軌型式，2 根導軌安裝在立柱正平面位置，橫臂端面與滑塊固定連接，滑塊與直線導軌滑動連接，每根直線導軌上配置1 對（2 件）滑塊。為了保證橫臂Z 向往復移動平穩，同時降低伺服電動機的選型規格，因此，在立柱背面安裝1 件平衡塊，平衡塊與橫臂通過雙排鏈輪、鏈條連接[2]，平衡塊在圓形導柱上Z向往復運動。齒輪與齒條安裝在立柱側面位置。

設備橫臂Z 向往復運動采用齒輪與齒條傳動機構，定位精度誤差為±0.2 mm，垂直運動最大速度V 為265 mm/s。預估橫臂上所有部件最大載荷（含產品）約150 kg，因此，依據載荷和運行結構選擇動力裝置各部件參數為：選擇三菱伺服電動機型號為HG-SN152BJ-S100，功率P 為1.5 kW，額定轉矩T 為7.16 N·m，額定轉速n 為2000 r/min。減速器的減速比為1：30，減速后輸出轉矩N 為214.8 N·m[3]。齒輪設計參數：模數m 為3 mm，齒數z 為30，齒寬B 為25 mm。齒條設計參數：模數m 為3 mm，長度L 為2830 mm，齒條寬度B 為30 mm[3]。雙排鏈輪設計參數：分度圓直徑D=85.61 mm，齒數Z=14[2]。

圖4 橫臂、轉盤、夾具設計圖

圖5 機械夾持板夾具設計圖

3.3 設備橫臂機構設計

設備橫臂設計成方形，設計采用雙導軌型式，導軌安裝在橫臂二側平面位置，轉盤機構與滑塊固定連接，滑塊與直線導軌滑動連接，每根直線導軌上配置1 對（2 件）滑塊。同步輪安裝在橫臂長度向二端位置，同步帶與轉盤機構連接，伺服電動機安裝在橫臂端靠近立柱側。

設備橫臂Y 向往復運動采用鏈輪傳動機構，定位精度誤差±0.2 mm，水平運動最大速度V=248 mm/s。預估轉盤和夾具等部件最大載荷（含產品）約80 kg，因此，依據載荷和運行結構選擇動力裝置各部件參數為：選擇三菱伺服電動機型號為HG-KN73J-S100，功率P 為0.75 kW，最大轉矩T 為2.4 N·m，額定轉速n 為3000 r/min。減速器的減速比為1：40，減速后輸出轉矩為96 N·m[3]。

主同步輪的設計參數：外徑為φ104.69 mm，齒數z 為400，寬度B 為40.93 mm[2]。被同步輪的設計參數：外徑為φ104.69 mm，齒數z 為400，寬度B 為40.93 mm[2]。

3.4 旋轉機構設計

旋轉機構可以完成300°往復旋轉，設計采用齒輪傳動機構，選擇動力裝置各部件參數為：選擇三菱伺服電動機型號為HG-KN73J-S100，功率P 為0.75 kW，最大轉矩N為2.4 N·m，額定轉速n 為3000 r/min；減速器的減速比為1：40，減速后輸出轉矩為96 N·m[3]。主動齒輪設計參數：模數m 為2 mm，齒數z 為13，齒寬B 為20 mm。被動齒輪設計參數：模數m 為2 mm，齒數z 為43，齒寬B 為20 mm[3]。

3.5 機械夾持板夾具設計

機械夾持夾具由氣源作為夾具的動力源，設計采用直線氣缸，通過氣缸的動作帶動直線軸承往復移動，完成夾持板夾緊和松開，定義安裝支撐托力機構的夾持板為可動板，另一塊夾持板為固定板，在可動板上安裝接觸限位傳感器，通過它控制夾持產品的間距。在氣壓回路上安裝誘導止回閥控制壓緊力。在保證夾持板剛度、強度的條件下控制夾持固定板厚度尺寸，滿足產品間間距的要求。

1）夾緊狀態夾緊力F1設計。選擇亞德客氣缸型號為SC63×150S，在進氣壓力為0.6 MPa，最大輸出力F1為1862 N[4]。

2）夾緊狀態摩擦力f 設計。在夾持板內側貼附增加摩擦力的材料，材料為防滑橡膠板，材料摩檫因數為0.52，夾持板夾緊后，摩擦力f=F1×μ=1862×0.52≈968 N[1]。

3）托力機構托力F2設計。在可移動板外側安裝小型氣缸完成托爪的翻轉動作，起到輔助保護外包裝不跌落的安全措施，如圖6 所示。選用亞德客氣缸型號為MAL40×75SCA，在進氣壓力為0.6 MPa，氣缸最大輸出力F3≈755N[4]。

F2×L1=F3×cos 10°×L2，F2×80=755×0.98×43，計算得出F2≈398 N[1]。

4）設計力結果驗證。為了保證熱水器產品在夾緊狀態不跌落，對產品的受力狀況進行分析，如圖7 所示。驗證的結論是：F2+ f ≥294 N，安全可靠。

圖6 托爪翻轉機構簡圖

4 設備調試與問題解決

設備調試過程中發現4 個主要問題，造成熱水器產品堆放位置錯位，不符合產品堆放設計要求。

1）設備立柱水平X 向往復移動和橫臂上的轉盤夾具水平Y 向往復移動后，機構移動后的實際位置對原點基準位置存在積累誤差。

解決方法：在設備運行控制程序中追加實際位置與設計基準位置校正指令，即設備開機時和每次搬運結束，機構回到原點校正后再啟動運行，消除位置基準誤差。

2）地倉板的更替和放置是由人工完成，因設備調試時疏忽對地倉板的定位管理，造成其放置狀態凌亂。

解決方法：實施定位管理，在地面上追加了角尺定位條，保證了每次地倉板的更替放置狀態基準點統一。

3）設備調試時疏忽對產品的放置位置管理，造成產品在流水線末端位置凌亂。

解決方法：在流水線末端追加定位條和同步帶校正機構，限制2 個維度（X 向、Y 向），保證產品在流水線末端位置定位和中心線基準統一。

4）設備運行程序設計存在漏洞，不能自動適應多規格的產品外箱數據，造成產品堆放不符合設計要求。

解決方法：利用產品商品碼，追加商品碼掃描裝置，實行1 品1 碼的數據管理，通過數據采納自動調整設備運行的原點基準。

通過以上的改善，設備調試中發現的問題點被消除了，設備的運行達到了產品堆碼要求。

圖7 產品受力分析圖

5 結 語

坐標式碼垛設備采用PLC 控制，全自動運行，各級傳動采用伺服控制等技術。具有占地面積小、結構簡單、自動化程度高、控制可靠、調整簡單、操作維修方便等優點。

坐標式碼垛設備的使用實現產品自動搬運下線和碼垛，達到消除人工搬運的目的，消除產品搬運中跌落的風險，提高倉庫儲量，能適應多品種、多規格的柔性化生產要求，降低制造成本。

坐標式碼垛設備雖然投入生產運行，由于經驗不足，設計中存在選材笨重、導軌精度選擇過高、材料設計成本高等缺點。今后要在滿足材料機械強度的條件下，應大膽采用零部件輕量化設計，從而達到降低設備制造成本的目的。