陳永奎，譚 豐，譚曉東

（1.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116028；2.上海彼伏智能科技有限公司，上海 200131）

0 引言

隨著我們國(guó)家的運(yùn)輸業(yè)以及工業(yè)的發(fā)展，袋裝貨物的裝卸作為物流運(yùn)輸中比較重要的環(huán)節(jié)，對(duì)物流效率有著很重要的影響，同時(shí)袋裝貨物的沉重性也使工人的勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)高，因此更高效且安全的碼垛裝車(chē)系統(tǒng)是發(fā)展運(yùn)輸業(yè)所必須的。

國(guó)內(nèi)外對(duì)碼垛系統(tǒng)也是進(jìn)行了大量地研究，現(xiàn)有的袋裝碼垛系統(tǒng)多為龍門(mén)搭載碼垛機(jī)器人配合大面積鋪設(shè)的流水線進(jìn)行碼垛，并且末端執(zhí)行器一般選用的多為機(jī)械夾爪式或真空吸盤(pán)式。首先，流水線需要從立體倉(cāng)庫(kù)一直鋪設(shè)到碼垛場(chǎng)地過(guò)于冗余，龍門(mén)式移動(dòng)平臺(tái)過(guò)于龐大。其次，在末端執(zhí)行器上傳統(tǒng)的機(jī)械夾爪式由于其結(jié)構(gòu)影響，想要完好的抓取貨物，就需將貨物頂升或?qū)α魉€進(jìn)行特殊處理，否則容易損毀貨物。而真空吸盤(pán)式夾具由于袋裝貨物沉重性以及包裝袋的種類(lèi)區(qū)別，使其無(wú)法做到通用。

同一個(gè)工作場(chǎng)合不一定只存在一種貨車(chē)的碼垛，如果想實(shí)現(xiàn)更加高效地碼垛，必須對(duì)現(xiàn)有的碼垛系統(tǒng)進(jìn)行改良，使碼垛系統(tǒng)的占地空間減少，以此來(lái)減少系統(tǒng)冗余帶來(lái)的不變性，同時(shí)此系統(tǒng)還需要適應(yīng)更多的車(chē)型，使得系統(tǒng)能夠具有一定的通用性。此外需要設(shè)計(jì)一種夾具可以規(guī)避傳統(tǒng)夾具的弊端，不僅可以高效地碼垛，還要不易損害貨物，并且對(duì)設(shè)計(jì)的夾具進(jìn)行受力分析，使夾具的強(qiáng)度滿足任務(wù)工作的需求，本文希望通過(guò)解決這兩個(gè)問(wèn)題給現(xiàn)有的碼垛系統(tǒng)提供更加合理的方案。

1 碼垛系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)針對(duì)的碼垛對(duì)象為袋裝貨物，其填充尺寸為750 mm×500 mm×125 mm，質(zhì)量為50 kg∕袋。為了實(shí)現(xiàn)高自動(dòng)化，高效率的裝車(chē)需求，本文設(shè)計(jì)了新式的碼垛系統(tǒng)，運(yùn)輸部分采用智能AGV叉車(chē)[1]，碼垛的機(jī)器人根據(jù)負(fù)載需求以及車(chē)輛的復(fù)雜性，選擇了ABB公司的IRB660，其到達(dá)距離為3.15 m，承重能力為180 kg。將碼垛機(jī)器人放置在所設(shè)計(jì)的機(jī)器人底座之上以實(shí)現(xiàn)沿卡車(chē)方向的移動(dòng)，且選取的碼垛機(jī)器人的可達(dá)空間縱向長(zhǎng)度為2.98 m，因此可適應(yīng)絕大部分的貨車(chē)。根據(jù)其功能本文將其分為4部分：立體倉(cāng)庫(kù)、運(yùn)輸裝置、機(jī)器人底座、碼垛機(jī)器人。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 System composition

2 主要硬件組成

2.1 碼垛機(jī)器人

因本文系統(tǒng)的碼垛機(jī)器人搭載在可移動(dòng)式的機(jī)器人底座上，因此在實(shí)際使用中可不考慮貨車(chē)的長(zhǎng)度，僅考慮貨車(chē)的寬度以及高度。因此針對(duì)市面上現(xiàn)有的卡車(chē)不同噸位的尺寸進(jìn)行調(diào)查，其結(jié)果如表1所示。本文所調(diào)查車(chē)輛不能代表所有使車(chē)輛但已覆蓋大部分車(chē)輛尺寸。

表1 常見(jiàn)卡車(chē)尺寸Tab.1 Common truck dimensions

機(jī)器人的末端執(zhí)行器在使在系統(tǒng)中所能到達(dá)的地方，稱之為工作空間[2]，機(jī)器人的工作空間應(yīng)略大于實(shí)際任務(wù)空間的，機(jī)器人的末端執(zhí)行器長(zhǎng)、寬、高分別為1 260 mm×840 mm×590 mm，機(jī)器人末端執(zhí)行器的中心距離兩側(cè)的寬度應(yīng)為機(jī)器人末端執(zhí)行器的長(zhǎng)寬的1∕2，基于通用性，采用寬度的一半即420 mm，同時(shí)給碼垛機(jī)器人的工作空間寬度方向給予200 mm余量，高度方向考慮到有些貨車(chē)會(huì)存在頂棚的現(xiàn)象給予余量200 mm，結(jié)合末端執(zhí)行器的尺寸，貨車(chē)的調(diào)查尺寸以及余量，確認(rèn)工作空間尺寸的截面尺寸（寬×高）為1 800 mm×2 310 mm，將其與碼垛機(jī)器人的實(shí)際工作空間進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示，確認(rèn)了其可行性。

圖2 空間對(duì)比圖Fig.2 Spatial contrast map

2.2 AGV叉車(chē)機(jī)器人

AGV叉車(chē)機(jī)器人的主要作用為將已經(jīng)碼垛好的貨架從立體倉(cāng)庫(kù)中運(yùn)出并將其運(yùn)輸?shù)綑C(jī)器人底座處[3]，AGV叉車(chē)機(jī)器人在使用時(shí)相對(duì)于普通的AGV叉車(chē)其可負(fù)載更大重量的貨物[1]，每一個(gè)貨架防止20袋貨物算上貨架重量高達(dá)1 t以上，并且由于貨物底面積不大，普通的AGV機(jī)器人如果想負(fù)載超過(guò)1 t則會(huì)產(chǎn)生體積上的浪費(fèi)并且價(jià)格昂貴。

2.3 頂升機(jī)構(gòu)

頂升機(jī)構(gòu)是由液壓站、液壓油缸及升降機(jī)構(gòu)組成，先由圖2的推進(jìn)油缸將升降機(jī)構(gòu)推入貨架，碼垛機(jī)器人每一次循環(huán)將從貨架頂端運(yùn)走兩袋貨物，當(dāng)傳感器檢測(cè)到貨物被運(yùn)走，則由圖3抬升油缸帶動(dòng)升降機(jī)構(gòu)將貨物抬高125 mm，將貨物放置于下一次循環(huán)中的工作位置[4]。

圖3 頂升機(jī)構(gòu)Fig.3 Jackingmechanism

2.4 機(jī)器人底座

機(jī)器人底座為可移動(dòng)式平臺(tái)，使得機(jī)器人可以在機(jī)器人底座的帶動(dòng)下完成沿車(chē)身方向的位移，使得此系統(tǒng)可適應(yīng)不同長(zhǎng)度的車(chē)型，使得在考慮機(jī)器人選型時(shí)僅需考慮車(chē)的寬與高平面工作空間尺寸[2-3]。并將升降機(jī)構(gòu)集成在機(jī)器人底座上。

2.5 傳感器系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用多種傳感器用于確認(rèn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，其中包含毫米波傳感器、超聲波傳感器、二位激光雷達(dá)、光電開(kāi)關(guān)、霍爾開(kāi)關(guān)等，傳感器所采集的數(shù)據(jù)傳送給PLC[5]，進(jìn)行控制邏輯以及安全性檢測(cè)，經(jīng)過(guò)PLC的調(diào)控可以保證系統(tǒng)可以安全平穩(wěn)地運(yùn)行。

3 控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)的硬件組成如圖4所示，本系統(tǒng)控制包含本地按鈕控制、觸摸屏控制以及遠(yuǎn)程PLC客戶端控制[6-7]，本系統(tǒng)因需控制機(jī)器人底座移動(dòng)平臺(tái)電機(jī)，因此選用西門(mén)子S7-1200DC∕DC∕DC型號(hào)PLC，西門(mén)子作為業(yè)界首次采用全集成自動(dòng)化軟件的公司，其編程與調(diào)試是極為方便的。此款PLC可以通過(guò)脈沖信號(hào)對(duì)電機(jī)控制，本地控制包含本地或遠(yuǎn)程選擇急停、啟動(dòng)，停止等功能通過(guò)按鈕或旋鈕控制。觸摸屏選購(gòu)繁易FM6100，為10.1寸大屏LCD屏幕可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示以及HMI端控制，與PLC之間采用RS485進(jìn)行通訊，遠(yuǎn)程控制由中央控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)，其產(chǎn)品為施耐德PLCM580，本系統(tǒng)采用ModbusTCP協(xié)議服務(wù)器與客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)交換與控制，S-71200為服務(wù)器對(duì)其開(kāi)放指定數(shù)據(jù)區(qū)間，使得中央控制系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)讀取、監(jiān)控以及控制，機(jī)器人與服務(wù)器之間通過(guò)Profinet進(jìn)行通訊控制[8]。

圖4 硬件組成Fig.4 Hardwarestructure

同時(shí)本系統(tǒng)包含豐富的傳感器，毫米波傳感器同時(shí)輔以超聲波傳感器可用于確認(rèn)車(chē)輛是否到位[9]；位移傳感器可以檢測(cè)末端執(zhí)行器距離工件的距離；光電傳感器可以檢測(cè)到貨物是否被機(jī)器人運(yùn)走并計(jì)數(shù)[10]，并通過(guò)PLC判斷何時(shí)將整個(gè)貨架全部碼垛完成。編碼器可以產(chǎn)生脈沖從而使系統(tǒng)得知機(jī)器人底座當(dāng)前位置，同時(shí)可通過(guò)PLC發(fā)送高速脈沖控制電機(jī)前往下一工位。此外本系統(tǒng)選擇的碼垛機(jī)器人為ABB公司的IRB-660，其末端執(zhí)行器可360°旋轉(zhuǎn)，配合二維激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)對(duì)貨車(chē)的車(chē)廂進(jìn)行三維掃描，從而確認(rèn)系統(tǒng)的工作空間尺寸以及姿態(tài)，方便系統(tǒng)進(jìn)行合理的垛型規(guī)劃。

3.2 系統(tǒng)控制流程

圖5 工藝流程Fig.5 Processflow chart

整個(gè)系統(tǒng)的控制流程如下：在立體倉(cāng)庫(kù)中AGV叉車(chē)配合倉(cāng)庫(kù)的碼垛機(jī)器人將貨架裝滿，并由AGV叉車(chē)將裝填完畢的貨架運(yùn)輸至指定位置，當(dāng)貨架到達(dá)工作位置時(shí)觸發(fā)傳感器，機(jī)器人底座運(yùn)動(dòng)到工作位置。當(dāng)毫米波傳感器以及超聲波傳感器確認(rèn)車(chē)輛已到位，通過(guò)二位激光雷達(dá)確認(rèn)卡車(chē)的工作空間尺寸以及姿態(tài)后系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。系統(tǒng)正常的情況下先由推進(jìn)油缸將升降裝置推入貨架底部，然后由抬升油缸將貨物抬升一個(gè)工位，當(dāng)光電傳感器感應(yīng)到貨物到位由碼垛機(jī)器人將其運(yùn)走，同時(shí)光電傳感器計(jì)數(shù)加一，然后繼續(xù)由抬升油缸抬升一個(gè)工位循環(huán)工作直到光電傳感器計(jì)數(shù)達(dá)標(biāo)，則證明此貨架已空，由AGV叉車(chē)將空的貨架運(yùn)至立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行填充，同時(shí)新的貨架放至下一工位，PLC通過(guò)脈沖輸出控制電機(jī)到達(dá)下一工位，直到貨車(chē)裝滿。

4 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

每一個(gè)循環(huán)碼垛機(jī)器人從工作區(qū)域轉(zhuǎn)移兩袋貨物，本文所設(shè)計(jì)的執(zhí)行器如圖6所示，其工作原理為油缸推出將其連接件置于貨物上方，然后油缸收縮同時(shí)機(jī)械手直線運(yùn)動(dòng)向前，貨物與收納空間有一定高度差使得貨物可以平穩(wěn)的被放入執(zhí)行器內(nèi)部，并且其存儲(chǔ)空間底部存在滾筒，油缸與碼垛機(jī)器人配合推入推出使得在推入推出過(guò)程中貨物的形變可控[11]。并由碼垛機(jī)器人運(yùn)輸至卡車(chē)內(nèi)進(jìn)行碼垛，本文所設(shè)計(jì)的執(zhí)行器每一袋貨物均有A、B兩個(gè)方向的輸入和輸出，有助于對(duì)垛型的合理規(guī)劃[12]，且A、B兩個(gè)方向同時(shí)只有一個(gè)工作另一個(gè)位于原位，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)上并無(wú)干涉。

圖6 夾具結(jié)構(gòu)Fig.6 Fixturestructure

由于其主要的受力件為A、B向擋板，因此本文針對(duì)這兩個(gè)零件進(jìn)行分析，兩個(gè)擋板的材料均為304的不銹鋼，密度為7.93 g∕cm3，其伸長(zhǎng)率大于或等于40%，屈服強(qiáng)度大于等于205 MPa，本文主要分析兩個(gè)擋板在推入與推出時(shí)的應(yīng)力及位移情況[8-9]，經(jīng)過(guò)分析，分析結(jié)果如圖7～8所示。數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。通過(guò)表2可以得知在推入與推出時(shí)的最大應(yīng)力為48.39 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力，最大的位移量產(chǎn)生于A向擋板推出時(shí)，此時(shí)最大位移量?jī)H為0.63 mm，擋板的強(qiáng)度完全符合標(biāo)準(zhǔn)，可以使用[13-15]。

表2 4種工況下應(yīng)力與位移Tab.2 Stress and displacement table under four working conditions

圖7 A向擋板應(yīng)力位移云圖Fig.7 A-direction bafflestressdisplacement cloud diagram

圖8 B向擋板應(yīng)力位移云圖Fig.8 B-direction bafflestressdisplacement cloud diagram

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的碼垛系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，且無(wú)流水線那種冗余的結(jié)構(gòu)，由多組AGV循環(huán)搬運(yùn)貨架，使得裝車(chē)過(guò)程中工位上始終有貨架，機(jī)器人底座的可移動(dòng)性以及大力臂的碼垛機(jī)器人使得系統(tǒng)可以適應(yīng)基本市面上大部分貨車(chē)。同時(shí)AGV配合集成在機(jī)器人底座上的頂升機(jī)構(gòu)，使得其裝車(chē)碼垛高效；本系統(tǒng)所用的夾具采用新型結(jié)構(gòu)，油缸配合碼垛機(jī)器人使得貨物平穩(wěn)的推入推出，使得貨物形變?cè)诳山邮芊秶鷥?nèi)。

采用本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可對(duì)現(xiàn)有的袋裝裝車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使得其高度自動(dòng)化，減少人員的勞動(dòng)強(qiáng)度以及危險(xiǎn)系數(shù)。并且本文所設(shè)計(jì)的夾具不僅可適用于工業(yè)硫磺的袋裝貨物，也可適用于其他袋裝貨物以及一定尺寸的箱裝貨物。相對(duì)于傳統(tǒng)的夾爪式，其安全性得到提升，并對(duì)貨物的損壞降到最低。