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点击次数: ??更新时间:2015-9-8 14:10:17

智能码垛机的设计与实践

郝小龙? 王华强? 刘洋? 陈伟

(山东交通学院?? 山东济南? 250023)

摘要研发设计的智能码垛机是由底座转动系统、升降系统、手臂调节系统、手腕转动系统、手部夹持系统等组成。本智能码垛机底座部分根据实际生产的需要设置行走装置,实现自动行走的功能。在技术创新上,本智能码垛机具有智能化全自动控制功能,可改变程序适应不同尺寸工件的码垛,通过五自由度机械手的制作提高运动定位精度,具有较好的推广前景。

关键词:智能化;机械手;码垛机;快速装卸

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? 中图分类号:TP242.6? 文献标识:A??? 文章编号:1007-1547(2015)07(上)-?-02

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基金项目:山东省青少年教育科学规划课题项目“流水线能手—码垛机”(项目编号15BSH194)。

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1 创作背景

随着现代物流的飞速发展,生产领域越来越多的公司采用立体仓库来存放原材料和成品。在流通领域,出现了越来越多的配送中心和超市。在这些地方,货物的存放和搬运通常是以码垛为单位进行的。在运输领域,人们也感受到这种方式带来的好处。由此可见,码垛在生产和现代物流当中起着相当重要的作用。码垛机器人可以集成在任何生产线中,为生产现场提供智能化、机器化、网络化服务,可以实现啤酒、饮料和食品行业多种多样作业的码垛物流,应用于纸箱、塑料箱、瓶类、袋类、桶装、膜包产品及灌装产品等。传统的码垛是以人工方式完成的,利用人力把托盘先放置在地面上,再逐次把产品按照一定的顺序放置在托盘上。此方式简单易行,没有初期的设备投资,同时有一定的灵活性。为了能够更好地降低工人的劳动强度及改善工人的工作环境,减少企业的生产成本。

2 作品的结构特点及创作原理

2.1作品的结构特点

本码垛机共有5个自由度,分别由5个电机驱动,可实现底座360度旋转、机械臂的升降、机械臂的伸缩、机械手的张合以及机械手的转向。该码垛机由两块ROBO接口板控制。ROBO接口板使电脑和模型之间进行有效的通信,传输来自软件的指令,比如激活马达或者处理来自各种传感器的信号。码垛机上还安装有5个微动开关,以对码垛机运动位置进行精确定位。

本智能码垛机是由底座转动系统、升降系统、手臂调节系统、手腕转动系统、手部夹持系统等组成,其组成机械结构如图1所示。

该码垛机的底座转动系统由底座、步进电机、联轴器、蜗轮蜗杆传动机构、电机支承、蜗轮蜗杆支承件组成。底座是支承整个码垛机的重量,步进电机进行调整蜗轮与蜗杆的角度,从而控制整个码垛机在水平面内的360度旋转。

图1? 智能码垛机结构组成图

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1-底座? 2-步进电机? 3-联轴器? 4-蜗轮蜗杆传动机构? 5-蜗轮蜗杆支承件?? 6-电机支承?? 7-电机? 8-齿轮传动? 9-螺旋传动? 10-导轨? 11-电机? 12-支架? 13-导轨? 14-螺旋传动? 15-步进电动机? 16-底座转动系统(由1、2、3、4、5、6组成)? 17-升降系统(由7、8、9、10组成)? 18-手臂调节系统(由11、12、13、14组成)? 19-手腕转动系统????

20-手部夹持系统

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升降系统由电机、齿轮传动、螺旋传动、导轨组成,电机装在升降系统的顶端,电机通过联轴器与小齿轮轴联接,进而带动小齿轮转动;大齿轮与螺杆同轴,通过电机的顺时针转动时实现导轨的上升功能,逆时针转动时实现导轨的下降功能,并且螺旋转动具有自锁功能,能保证夹持重物的导轨在重力的作用下不发生滑移。为了保证升降的准确性,升降系统装有导轨。

手臂伸长调节机构由电机、支架、导轨、螺旋传动组成,螺杆和导轨分别安装在升降架的两侧,导轨与螺母联接在一起,电机装在机械手的另一端,起到平衡的作用;由电机的顺时针转动带动螺母与导轨向前移动,此时导轨伸长,相反,电机逆时针转动,螺母与导轨向后移动,此时导轨缩短。

手腕转动系统采用的是步进电动机、齿轮传动、螺旋传动,带动手腕的旋转。

机械手抓取系统采用连杆机构,此机构设计多种机械手,为了抓取不同货物,采用快速装卸装置。

本智能码垛机底座部分根据实际生产的需要设置行走装置,实现自动行走的功能。

2.2电路设计

电路是码跺机的重要组成部分,通过电路才能实现码跺机的码垛。

电路设计如图2所示。

电路图2

图2? 电路设计图

2.3程序设计

码垛机的程序设计如图3所示:

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最终程序



图3? 程序设计图

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2.4性能指标

??? 码垛机具有通用性。只要货物的尺寸不超过或不小于码垛机机械手的极限尺寸,用同一码垛机对其进行搬运。倘若使用者要搬运的货物的尺寸不固定,可以在码垛机的额定参数要求下,更换机械手来完成不同货物的搬运工作。

码垛机搬运货物尺寸可根据实际要求确定。由于货物的尺寸不同,使用者要搬运的货物会有大有小,码垛机的尺寸就会因此受到影响。使用者可以根据自己的需求,选用最合适的码垛机尺寸,来完成所需的工作。

码垛机的结构可靠,抓取重物牢固、可靠。整体由底座转动系统、升降系统、手臂调节系统、手腕转动系统、手部夹持系统等组成。螺旋机构有更好的自锁性,抓取货物具有合理性,结构布局合理。

码垛机的程序控制,实现智能化。本码垛机的控制由单片机智能化控制,编程、调试方便,易于操作,便于工人对机器的操纵。

3 作品实物模型

整体效果图如图4所示:

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图4 整体效果图

4 结论与展望

4.1创新点

l? 智能化全自动控制,智能码垛机以实物为模型进行设计;

l? 可改变程序适应不同尺寸工件的码垛;

l? 五自由度机械手的制作,动力的传导,运动定位精度高。

4.2智能码垛机的优势

l? 机械结构可靠耐用、故障率低。

l? 占地面积少。设置在狭窄的空间内,即可有效使用。

l? 适用性强。当客户产品的尺寸、体积、形状及托盘的外形尺寸发生变化时只需在触摸屏上稍做修改即可,不会影响客户的正常生产。

l? 能耗低,大大降低了客户的运行成本。

l? 全部控制可在控制柜屏幕上操作即可,操作非常简单。

l? 只需定位抓起点和摆放点,教示方法简单易懂。自动化码垛设备在很多行业中发挥着重要作用。

4.3推广价值

在工厂中,货物都需要将包装后的产品堆放成垛以便储存运输,如采用人工会费时费力,这对于减少工人的劳动强度,降低企业生产成本等极为不利。本码垛机的机械机构和控制程序相对于现有的码垛机较为灵活,制造及使用成本较低,使用及维护简单,符合我国的中小厂家的使用需求。传统的码垛机每台售价均在几万元左右,本码垛机由于机械结构和控制程序相对灵活耐用,相对传统的成本至少降低20%左右。因此本码垛机的市场前景是十分广阔的。

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参考文献

[1]陈娟,钟永彦.码垛机控制系统关键技术的研究与实现[J].梧州学院学报,2018(6).

[2]华为实.基于DELTA机构的码垛机器人[J].西南交通大学学报,2013(4).

[3]张明勇.基于Windows/RTX的码垛机器人控制系统软件设计[D].上海:上海交通大学,2013.

[4]李小清.自由度可控码垛机器人机构的运动分析与仿真[D].南宁:广西大学,2013.

[5]张印.码垛机器人应用?故障处理及性能优化[J].硅谷,2009(4).

[6]徐钰华,崔大伟,周力民.三动力拆码垛机的改进设计[J].物流技术,2012(8).


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