碼垛機械手的設計及電氣控制

圖1機械手基本組成圖
1機座 2伺服電機M1 3水平位移機構 4伺服電機M2
5平衡緩沖器 6機械臂1 7伺服電機M2 8四連桿機構
9機械臂2 10伺服電機M4 11抓頭機構
垂直位移機構是機械手的最重要的關鍵機構，它由平衡緩沖器、伺服電機M2驅動的機械臂1、伺服電機M3驅動的機械臂2、四連桿機構等組成。伺服電機M2和伺服電機M3按照一定的曲線同步運行，PLC或伺服電機同步控制器利用CNC（運動計算語言）指令控制運行，控制伺服電機M2和M3的運動過程，決定機械手上升下降柔性動作的效果。平衡緩沖器主要平衡機械臂和抓栽物體，同時對機械臂的過沖進行緩沖。四連桿機構作用是穩定抓頭保持水平。
抓頭機構由抓頭和驅動垛層旋轉的伺服電機M4組成。一般情況下，伺服電機M4的運行和伺服電機M1的運行角度相同，但方向相反。垛層的排列、箱子的大小不同，所用抓頭不同。
1.2機械手碼垛機的主要技術指標
公稱抓舉重量 300kg
抓舉次數 700/小時
運動軸數 4軸
水平位移角度 360°
抓頭調整角度 540°
上下移動位移 1800
電機功率 19KW
2. 機械手的控制
2.1機械手的控制方案
如圖2所示，機械手的控制系統主要由G1（PLC）、G2人機界面、伺服電機M1-4、伺服驅動器A1-4、檢測元件、執行元件等組成。PLC通過CANopen總線控制伺服驅動器A1-4對伺服電機M1-4的控制。

圖2機械手的控制方案方框圖
2.2機械手在碼垛中的解決方案
如圖3所示，實際碼垛過程中，托盤通過輸垛鏈道將托盤送到B（中心）點，通過輸箱鏈道將待抓箱子有規律的放到A（中心）點，O點是機械手的中心，機械手的作用是把碼好的箱子以R為半徑，旋轉α角度，從A點移到B點，碼放到需要的層數為止（一般為5或6層）。
從圖3可以看出，機械手與碼垛中心距OB，機械手與抓箱中心距OA相等，對于同一個碼垛場合，是一個常數R，輸垛鏈中心線與抓箱中心距離L。根據sinα=L/R，計算出α的角度，α即為水平位移機構的旋轉角度，K1*α為伺服電機M1的旋轉角度（K1為減速機的

圖3機械手堆垛水平位移圖
減速比）。為了是垛位擺正，抓頭機構旋轉-α，伺服電機M4旋
轉-K2*α（K2為減速機的減速比）。
2.3機械手垂直升降的控制
2.3.1作圖法求運動軌跡
機械手在碼垛過成中，載重量比較大，伺服電機克服物體的動慣量比較大。為了很好的解決這個問題，我們采取分步運行，水平位移和垂直上下位移交替進行，增加了機械手動作的穩定性和協調性。從圖3可以看出，機械手與抓頭中心距恒定不變，對于伺服電機M2和伺服電機M3的運動只要保證抓頭機構垂直升降，利用作圖法求出伺服電機M2和伺服電機M3的運動軌跡。
圖4是機械手抓頭機構垂直下降300，機械臂1和機械臂2的擺動角度，求出伺服電機M2和伺服電機M3的運動角度。圖中L1為機械

圖4 機械臂1和機械臂2運動位移示意圖
臂1的長度，L2為機械臂2的長度，L為機械手與抓頭的中心距。抓頭從C點移動到D點，伺服電機M3從A點移動到B點，機械臂1順時針旋轉45.1-21.2=23.9°，機械臂2逆時針旋轉79.2-72.6=6.6°。伺服電機M2順時旋轉K1*23.9個脈沖數，伺服電機M3逆時旋轉K2*6.6個脈沖數（K1、K2是減速機減速比與伺服電機旋轉一周的脈沖數的乘積），不難看出，伺服電機M2是機械手上升下降的主驅動，伺服電機M2、M3以M2為主驅動的主從同步運行。在相同的時間內，伺服電機M2順時旋轉K1*23.9個脈沖數，伺服電機M3逆時旋轉K2*6.6個脈沖數。伺服電機M3主要作用是調整抓頭上升下降，伺服電機M3主要作用是調整抓頭的垂直度。
2.3.2伺服電機M2、M3的運動軌跡修正
假設M2的運行速度是V，那么M3的運行速度是K2*6.6/K1/23.9*V，在同一時間內，抓頭準確下降到D點，在運行過程中，抓頭的運動軌跡不是一個直線，是一個曲線，有時可能還會影響到抓垛過程，也顯得伺服電機M2、M3的運動軌跡不協調，柔性較差。我們對運動過程在150處作圖，發現M3的運動軌跡差別比較大，如圖5是伺服電機M2、M3的運動軌跡曲線圖，對M3的運動軌跡進行修正，M3以兩段速度與M2同步運行，通過修正后，抓頭運行軌跡基本上是一個直線，達到預期的效果。

圖5伺服電機M2、M3同步運行曲線示意圖
3. 垛層的排列形式和相關參數計算
啤酒、飲料、調味品的裝箱，大多采用3x4的12瓶包裝，箱子的長寬比為4：3，這樣就決定了垛層的箱子排列必然是3箱或4箱的組合。以啤酒包裝為例，箱子的長度為300，寬度為225，箱子高度300，毛重14.5Kg。
3.1每層10箱的排列
每層10箱的排列是334或433的排列，每層重量145Kg，占地面積750x900，每垛5層，層高1500，垛重725Kg，不超過機械手抓載能力，采用1.5噸的叉車運輸有點浪費，此方案不是最優。
3.2每層11箱的排列
每層11箱的排列是344或443的排列，每層重量159.5Kg，占地面積825x900，每垛5層，層高1500，垛重797.5Kg，不超過機械手抓載能力，采用1.5噸的叉車運輸有點浪費，此方案不是最優。
3.3每層14箱的排列
每層14箱的排列是3344或4433的排列，每層重量203Kg，占地面積1050x900，每垛5層，層高1500，垛重1015Kg，不超過機械手抓載能力，采用1.5噸的叉車運輸比較適中，此方案比較優選。
3.4每層16箱的排列
每層16箱的排列如圖6所示，每層重量232Kg，占地面積1050x1050，每垛5層，層高1500，垛重1160Kg，不超過機械手抓載能力，采用1.5噸的叉車運輸比較適中，此方案比較優選。本方案的缺點是每層的箱子排列控制比較煩瑣，易損壞包裝箱，對機械手的抓載能力要求高。

圖6每垛層16箱排列示意圖
4. 結束語
利用機械手碼垛的主要優點是碼垛整體，故障率低，需要操作人員少。機械手是一種簡單的專用機器人，在我國內，碼垛機械手還是空白，只有少量的用于裝配線的機械手，機械手在國內市場有很好前景。為了保護設計者和生產廠家的利益，本文對重要數據進行了處理，對于關節減速機、伺服電機參數選型沒有說明，但不影響對碼垛機械手的原理論述，請讀者諒解。