直角坐標(biāo)碼垛機(jī)器人在物流行業(yè)的應(yīng)用

發(fā)布日期:2012-03-27    蘭生客服中心    瀏覽:4005

  前言:很多產(chǎn)品裝入紙箱后從傳送帶上被抓起來(lái)按一些規(guī)則碼放到托盤(pán)上,所要搬運(yùn)碼垛的紙箱尺寸和重量隨產(chǎn)品不同而變化,最快每1~2秒就要搬運(yùn)一個(gè)紙箱。而托盤(pán)尺寸從歐洲標(biāo)準(zhǔn)尺寸到1.6*1.6m的幾種。如何采用機(jī)器人對(duì)這些紙箱快速,整齊,有序地碼垛是實(shí)現(xiàn)高效工廠自動(dòng)化的關(guān)鍵之一。沈陽(yáng)萊茵機(jī)電17年來(lái)從代理德國(guó)機(jī)器人產(chǎn)品到建立中德合資企業(yè)在國(guó)內(nèi)組裝多種型號(hào)的直角坐標(biāo)機(jī)器人。并借鑒德國(guó)BergerLahr和Roboworker公司的很多成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),開(kāi)發(fā)了多種紙箱,塑料箱,塑料桶等的搬運(yùn)碼垛機(jī)器人。這些搬運(yùn)碼垛和拆垛機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)、精益生產(chǎn)流程、設(shè)備的選型和生產(chǎn)節(jié)拍平衡上等,充分考慮了技術(shù)上的先進(jìn)性、生產(chǎn)上的實(shí)用性、在使用中的長(zhǎng)期可靠性,同時(shí)在經(jīng)濟(jì)性方面具有良好的性?xún)r(jià)比。本文以國(guó)內(nèi)一著名生產(chǎn)食品企業(yè)的實(shí)際工況要求為例,介紹直角坐標(biāo)機(jī)器人在紙箱搬運(yùn)、碼垛中的應(yīng)用。
一、基本要求
1、適用產(chǎn)品(紙箱外形尺寸)
  產(chǎn)品    長(zhǎng)      寬      高
  A   34.5CM    19.2CM    9.5CM
  B   33CM     23.7CM    9.5CM
  C   37.5CM    23CM    11.5CM
  D   37CM     24.5CM    10CM
  E   36.5CM    22.5CM    10CM
  F   30.5CM    18.7CM    13CM
2、節(jié)拍分析
  搬運(yùn)碼垛的平均速度達(dá)到2.2秒/箱。
3、基本信息及要求
  1) 單箱重量≤5KG,一次搬運(yùn)五箱,一次總搬運(yùn)重量≤25KG。
  2) 托盤(pán)尺寸1100*1100,碼垛完了托盤(pán)上紙箱最高處到地面≤1900mm。
  3) 傳送帶高度為700mm, 上面最矮紙箱正上面到地面高度為795mm。
  4) 碼放方式的要求是在托盤(pán)尺寸內(nèi)每層盡可能多的擺放紙箱,托盤(pán)四周的紙箱僅可能平穩(wěn),要保證運(yùn)輸過(guò)程中平穩(wěn)不倒。而碼好的托盤(pán)每?jī)蓪蛹埾溟g要向砌磚墻那樣,盡可能相互壓住和咬和。這樣才能保證碼滿(mǎn)紙箱的托盤(pán)(最高1.9米)在運(yùn)輸過(guò)程中平穩(wěn)。
二、技術(shù)方案
  1、總體說(shuō)明 根據(jù)設(shè)計(jì)原則及產(chǎn)品生產(chǎn)概況,確定本機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)如下:
  1)整套機(jī)器人系統(tǒng)采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其中X、Y、Z三軸為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)單元,A軸為吸盤(pán)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),還包括吸盤(pán)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。
      
                       圖1:4軸直角坐標(biāo)機(jī)器人碼垛,綠色部分是傳送帶,粉色表示托盤(pán)傳送機(jī)構(gòu)
  2)為確保機(jī)械強(qiáng)度要求,Y、Z采用雙直線(xiàn)單元,X軸采用雙滑塊直線(xiàn)單元。直線(xiàn)單元由高強(qiáng)度同步帶傳動(dòng),采用高精度伺服電機(jī)及減速機(jī)驅(qū)動(dòng),通過(guò)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn),單軸的獨(dú)立運(yùn)動(dòng),以及在1450*1200*1900空間范圍內(nèi)的聯(lián)動(dòng),運(yùn)動(dòng)精度0.1mm。Z軸負(fù)載總重25kg。
  3)吸盤(pán)旋轉(zhuǎn)軸可根據(jù)實(shí)際擺放要求,實(shí)現(xiàn)吸盤(pán)系統(tǒng)的-90~+90度旋轉(zhuǎn)、定位。
  4)吸盤(pán)系統(tǒng)由5個(gè)吸盤(pán)組構(gòu)成,每組有4個(gè)吸盤(pán),吸取1個(gè)紙箱。每組吸盤(pán)均可通過(guò)電磁閥進(jìn)行分控,可單獨(dú)吸取或釋放紙箱。(布局圖如圖2)考慮到紙箱的透氣性,真空度一般在-40kPa~-50kPa之間,根據(jù)參數(shù)單個(gè)吸盤(pán)垂直的吸力為56.6N,4個(gè)吸盤(pán)的吸力226.4N,考慮運(yùn)輸過(guò)程中一定的加速度和安全系數(shù),每1組吸盤(pán)完全可以吸住單個(gè)重量≤5KG的紙箱,并高速運(yùn)動(dòng)。吸取和釋放的時(shí)間小于200ms( 吸盤(pán)的詳細(xì)選型可以與沈陽(yáng)萊茵機(jī)電陳紹博13940002980聯(lián)系)。
  5)設(shè)計(jì)帶抓取工作區(qū),通過(guò)傳感器計(jì)數(shù),當(dāng)達(dá)到待抓取數(shù)量時(shí),擋板將傳送帶紙箱擋住,再由氣缸將紙箱推頂緊。如圖3所示:
      
  6)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)單元都配有限位和零位開(kāi)關(guān),保證運(yùn)動(dòng)安全和準(zhǔn)確。
  7)增加多個(gè)傳感器信號(hào),檢測(cè)生產(chǎn)線(xiàn)及機(jī)器人的動(dòng)作狀況,并及時(shí)反饋給控制系統(tǒng)。
  8)設(shè)置安全隔離網(wǎng)(或光電對(duì)射傳感器),保證在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)人員的安。9)在整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)有總控制工作站,用于輸入生產(chǎn)數(shù)及記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)等。
2、工藝流程適應(yīng)不同尺寸的箱子,初步設(shè)計(jì)了5種不同的碼垛樣式,現(xiàn)在舉其中一例介紹工藝流程。
  (1)機(jī)器人在初始位置等待抓取信號(hào)初始位置設(shè)定:傳送帶或工作臺(tái)上待抓取5個(gè)紙箱的中心位置可以設(shè)為機(jī)器人的初始位,大約在1100*600*900mm處。工作過(guò)程描述:
  1)包裝箱通過(guò)傳送帶輸送到指定位置,氣缸頂緊,通過(guò)傳感器給出控制系統(tǒng)到位信號(hào)。
  2)控制系統(tǒng)得到機(jī)器人系統(tǒng)的零位信號(hào)后,發(fā)出抓取信號(hào)。
  (2)紙箱的抓。ㄎ。┰诔跏嘉恢,Z軸下降50-100mm,接觸到紙箱后,電磁閥接通抽真空,真空度檢測(cè)信號(hào)反饋給系統(tǒng),確保吸住紙箱,總用時(shí)400ms。
 。3)紙箱的碼垛過(guò)程(多次釋放過(guò)程)第一次釋放:紙箱被吸住后, X、Y、Z軸可聯(lián)動(dòng)運(yùn)行到指定位置,隨后Z軸下降100mm,電磁閥斷開(kāi),根據(jù)要求釋放某幾個(gè)吸盤(pán)。第二次釋放:由于不同碼垛規(guī)格,5個(gè)紙箱不一定一次都放下,所以再第一次釋放后還需提升Z軸,X、Y軸以及A軸聯(lián)動(dòng)到指定位置,再釋放吸盤(pán)。根據(jù)實(shí)際情況,最多可能需要3次釋放吸盤(pán)才能完成一次碼垛。
  (4)機(jī)器人系統(tǒng)空載返回初始位置機(jī)器人放下紙箱后,X、Y、Z快速聯(lián)動(dòng)返回至初始位置,通過(guò)傳感器反饋給控制系統(tǒng)到位信號(hào)。三、碼垛順序和時(shí)間節(jié)拍分析1、碼垛順序分析由于紙箱的外形尺寸不同,萊茵公司設(shè)計(jì)了5種碼垛規(guī)格,現(xiàn)以其中一例詳細(xì)介紹碼垛的順序及過(guò)程。
  1)吸盤(pán)每次抓取5個(gè)紙箱,圖中數(shù)字代表第幾次抓取。
  2)按次序碼垛,從第一層至第三層(位置可根據(jù)實(shí)際優(yōu)化)
  3)受托盤(pán)尺寸和紙箱尺寸的限制,有時(shí)一次抓取的5個(gè)紙箱要分兩到三次在不同的位置擺放。
  4)如此類(lèi)推一層層碼放到總高度達(dá)到要求為止。
      
2、時(shí)間節(jié)拍分析
  根據(jù)之前的分析,紙箱碼垛越高所用時(shí)間越多,那么我們把5個(gè)紙箱搬運(yùn)到托盤(pán)上紙箱的最高層最遠(yuǎn)處位置,并完成3次釋放,只要到達(dá)這個(gè)位置11秒內(nèi)順利完成,那么就能滿(mǎn)足其它所有位置的搬運(yùn)。下面是完成一次搬運(yùn)的完整運(yùn)動(dòng)順序:
  1)機(jī)器人在初始位置,Z軸下降50mm,接觸到紙箱,用時(shí)200ms
  2)等待真空度檢測(cè)信號(hào),確保吸盤(pán)吸牢紙箱,用時(shí)200ms
  3)在工作臺(tái)上方,Z軸從800mm需要先提升至最高點(diǎn)。Z軸上升1050mm,最高速度F = 620mm/s,加速度=2.06m/s2,平均速度F = 530mm/s, 用時(shí)2000ms
  4)X軸,Y軸和Z軸聯(lián)動(dòng),同時(shí)運(yùn)動(dòng)到最遠(yuǎn)處。 其中X軸運(yùn)動(dòng)1400mm,Y軸運(yùn)動(dòng)少于800mm,Z軸升高100mm。由于X軸運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn),速度高,這里僅分析X軸的運(yùn)動(dòng)就可以。X軸運(yùn)動(dòng)1400mm,最高速度F = 820mm/s,加速度=2.75m/s2,用時(shí)2000ms
  5)吸盤(pán)釋放紙箱,到此完成第一次放置紙箱, 用時(shí)200ms
  6)Z軸上升100mm,最高速度F = 670mm/s,加速度=4.44m/s2, 用時(shí)300ms
  7)X軸、Y軸和A軸聯(lián)動(dòng),運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)位置,同時(shí)吸盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)90度。 其中X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)400mm(例子),運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn),平均速度F = 500mm/s,用時(shí)800ms
  8)Z軸下降100mm,最高速度F = 670mm/s,加速度=4.44m/s2,用時(shí)300ms
  9)吸盤(pán)釋放紙箱,到此完成第二次放置紙箱,用時(shí)200ms
  10)Z軸再上升100mm,最高速度F = 670mm/s,加速度=4.44m/s2,用時(shí)300ms
  11)X軸和Y軸聯(lián)動(dòng),運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)位置。其中X軸和軸運(yùn)動(dòng)400mm(例子),平均速度F = 500mm/s,用時(shí)800ms
  12)Z軸下降100mm,最高速度F = 620mm/s,加速度=4.44m/s2,用時(shí)300ms
  13)吸盤(pán)釋放紙箱,到此完成第三次放置紙箱,用時(shí)200ms
  14)X軸和Y軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)回到抓取紙箱處。其中X軸運(yùn)動(dòng)大約800mm,運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn),速度高,這類(lèi)僅分析X軸的運(yùn)動(dòng)就可以。X軸運(yùn)動(dòng)800mm,最高速度F=1140mm/s,加速度=3.81m/s2,用時(shí)1000ms 由于已沒(méi)有負(fù)載了,所有運(yùn)動(dòng)速度完全可以塊些。
  15)Z軸下降1050mm,返回初始位置。最高速度F=620mm/s,加速度=2.06m/s2,用時(shí)2000ms
在極限情況下,碼垛5個(gè)紙箱,總體用時(shí)10.6s,平均2.12s/箱,滿(mǎn)足要求。
3、實(shí)際優(yōu)化節(jié)拍:
  1)第二次搬運(yùn)最高層的位置時(shí),由于運(yùn)動(dòng)距離近了,搬去和運(yùn)動(dòng)回來(lái)可以再節(jié)省1s
  2)在工作臺(tái)一下區(qū)域,可以實(shí)現(xiàn)3軸聯(lián)動(dòng),可以節(jié)省Z軸上升或下降時(shí)間2-3s
  3)碼垛5個(gè)紙箱,一般情況下,只需2次釋放就可以全部放置完畢,這樣還可以節(jié)約1.3s
四、結(jié)論
  經(jīng)過(guò)反復(fù)的抓取釋放及碼垛實(shí)驗(yàn),本套機(jī)器人系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)平均1.94s/箱的搬運(yùn)碼垛速度。沈陽(yáng)萊茵機(jī)電十幾年來(lái)為一些用戶(hù)做了一些搬運(yùn)和碼垛機(jī)器人,從中積累了一些經(jīng)驗(yàn)。從這些多年的搬運(yùn)和碼垛應(yīng)用中可以看出合資公司生產(chǎn)的機(jī)器人達(dá)到了德國(guó)原廠的質(zhì)量,不僅具有很好的性?xún)r(jià)比、易操控、易維護(hù)、貨期短、而且可靠性高、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。今天萊茵機(jī)電能幾乎能提供各種紙箱,塑料箱,塑料桶等產(chǎn)品的搬運(yùn),碼垛等。按要求提供各種結(jié)構(gòu)形式,多種規(guī)格,不同托盤(pán)供給方式的搬運(yùn)碼垛機(jī)器人,可以應(yīng)用包裝、各種生產(chǎn)過(guò)程中物流、倉(cāng)儲(chǔ)、機(jī)床上下料等行業(yè)。

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