5--MDZ碼垛機器人系統(tǒng)-設計計算說明書-11.28

1、鑒定文件之五 MDZ碼垛機器人系統(tǒng)設計計算說明書中機康元糧油裝備（北京）有限公司中國包裝和食品機械總公司二O一三年八月一、 設計依據(jù)針對我國食品包裝箱碼垛大多采用人工操作、生產效率低等缺點，瞄準國外同類機器人產品的關鍵技術，借鑒國內化工、汽車焊接等行業(yè)重載機器人研究的成功經(jīng)驗，研發(fā)具有自主知識產權的面向食品物流包裝的智能規(guī)劃型堆碼機器人系統(tǒng)，中國包裝和食品機械有限公司，中機康元糧油裝備（北京）有限公司，聯(lián)合展開了“MDZ碼垛機器人系統(tǒng)”項目研究，起止年限為2011年1月至2012年12月。碼垛是指依照集成單元化的思想將一件件的物品按規(guī)定的模式堆碼成垛，以使單元化的物垛實現(xiàn)物品的搬運、裝卸、運輸

2、、存儲等活動。碼垛分為人工碼垛和機器人碼垛兩種方式：在物品質量小、外形無規(guī)則、吞吐量較小的情況下，可以采用人工碼垛；但當吞吐量超過“10件/分鐘”時，采用人工碼垛方案不僅需要較多的工人，而且容易造成因疲勞等因素引起的安全事故，這時采用機器人碼垛的優(yōu)勢便凸顯出：物流速度快、保障工人的健康和安全、減少物料損傷、獲得整齊一致的物垛等優(yōu)點。機器人碼垛機是一類綜合了機械制造、電子信息、計算機技術、人工智能科學等多門學科于一身的高新產品，主要應用于工業(yè)生產過程中執(zhí)行大批量的物料、工件等的搬運以及碼垛、拆垛等任務。作為物流自動化領域的一門新興技術，近年來獲得了前所未有的發(fā)展，隨著機械手碼垛機的柔性、處理速度

3、以及抓取載荷在不斷地升級，應用場合也在不斷地擴大。近幾年，在食品加工領域，由于能源成本激增，勞動力市場的人員緊缺，人力成本逐年攀升，不可預見風險因素，為企業(yè)的包裝和儲存帶來了變革，促進了機械手碼垛在食品加工企業(yè)中得到初步的應用。食品加工業(yè)行業(yè)向集團化、產業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展，競爭日趨激烈，高利潤時代已悄然過去。國外大型食品加工企業(yè)的規(guī)模都在日加工1000t以上，最大的達到單產6000 t(24 h)。近年來我國食品加工業(yè)也逐漸走向規(guī)模化生產。集約化經(jīng)營，特別是益海嘉里集團、中糧集團、九三油脂等大型企業(yè)為代表。包裝和碼垛問題越來越彰顯了其在食品加工企業(yè)中的地位，技術的改進以及設備的更新也是提升競爭力

4、的法寶之一。而機械手等智能化產品在國內每年保持2025的增長勢頭已經(jīng)說明社會進步與技術革新是企業(yè)發(fā)展永遠的命題，機械手碼垛系統(tǒng)在食品加工行業(yè)中得到越來越多的應用和發(fā)展。MDZ型碼垛機器人是在充分調研的基礎上，結合國內現(xiàn)有產品的特點，根據(jù)計劃任務書的要求而設計的。設計的原則如下：1、 性能先進。國外碼垛機器人已有幾十年的歷史了，形成了較為完整的產品系列。因此，我們所設計該產品要充分吸收國外同類產品的優(yōu)點，結合我國國情，滿足生產實際需要。2、 結構合理、制造簡單。食品及食品加工設備屬于微利產品。因此，在不影響設備性能的前提下，簡化結構、降低加工成本，盡量采用普通加工設備，減少設備的使用投資。3、控

5、制先進、操作簡單、實用。4、節(jié)省能源。5、達到食品衛(wèi)生標準。6、結構合理、工作可靠、維修方便。7、主要技術經(jīng)濟指標滿足計劃任務書的要求。二、 主要參數(shù)及性能指標（1）抓取對象為食品裝箱之后的成品，單箱重量約20kg，單箱尺寸為(長×寬×高)330mm×310mm×380mm；（2）碼垛尺寸：(長×寬×高)1260mm×1000mm×1500mm；（3）碼垛能力：1000箱/小時。三、 結構原理碼垛機器人主要由機器人本體和機械手組成。機器人本體選擇現(xiàn)有成型的機型，而機械手則是該項目研究開發(fā)的主要對象，機械手主要由側板

6、夾箱機構、鉤爪開合托箱機構和聯(lián)接座板組合等組成，用來完成夾箱、托箱和放箱等一系列的搬運動作。在整個工作過程中，要求設備工作平穩(wěn)、可靠。四、 設計計算的目的 通過設計算來確定各項技術參數(shù)指標，以保證性能指標的完成。確定主要零部件的結構尺寸。五、 設計過程和結果1、 載荷計算 機器人載荷設計要求是所要搬運的貨物和機械手的質量總和必須滿足機器人額定載荷的要求。 技術參數(shù)所要求：一次要搬運的最大質量是3箱共60g。 所選機器人MD165D，其額定載荷是165g，經(jīng)過設計計算機械手的質量為70g，這樣所要搬運的貨物和機械手的質量總和是130g，滿足機器人額定載荷的要求。 即：紙箱重量（20KG×

7、;2）機械手（70KG） 165 KG 2、 搬運量的設計計算 為了滿足碼垛能力：1000箱/小時要求，每次要抓取3箱貨物。搬運生產量的計算：本機器人正常的平均碼跺速度為9秒一個循環(huán)，每小時能進行400次循環(huán)動作，每次搬運3箱，可以搬運1200箱，能滿足生產需要。機器人搬運產量計算： 60×60 / 9400次，即每小時機器人能進行400次碼跺循環(huán)。 400×31200箱 / 小時 即每次搬運3箱，每小時能搬運1200箱。結論：機器人正常的碼跺速度能滿足目前兩條生產線的要求。3、碼跺場地計算現(xiàn)場升降機的樓層開孔尺寸為：4300×1750mm，機器人最大的運行半徑為

8、：R2651mm機器人的安裝位置距最近的樓層開孔距離為：650mm在搬運過程中機器人的最大運行半徑為：2100mm機器人運動半徑：2100mm 2400mm（1750650）結論：即碼跺場地能滿足機器人的工作需要4、 機械手結構設計 在用于類似的箱體搬運碼垛中，國外較普遍的方式為機械式手爪。這種方式突出的特點是具有較高的安全性，工作可靠。但其本身結構較復雜、重量大、結構尺寸大，在使用中易帶來較大的慣性力且占用較大的空間。同時該結構由汽缸驅動手爪及其支架擺動實現(xiàn)對包裝袋的抓包和放包動作，但這種機械手在抓包和搬運過程中，所有的載荷最終均傳遞到汽缸上，而且，為了保證放包時叉子順利取出，在機械手與碼盤

9、上已垛好的包之間有一定距離時就必須開始放包操作，這種碼垛方式碼出的垛型不好，容易出現(xiàn)塌垛現(xiàn)象。有些場合中，也有采用吸盤式手爪，這種方法結構簡單、重量輕、結構尺寸小，但其可靠性受被抓取物體表面質量制約較大。經(jīng)過對國內外的機械手產品的比較，綜合考慮多方面因素的影響，決定采用夾板式的設計方案。該方案具有結構簡單、重量較輕、需要高度方向操作空間小、工作可靠的特點，可以有效避免上述問題。總體結構方案如圖1 所示，該機械手由主要由側板夾箱機構、鉤爪開合拖箱機構和聯(lián)接座板組合等組成，用來完成夾箱、托箱和放箱等一系列的搬運動作。4.1側板夾箱機構該機構主要完成碼垛操作中夾緊食品包裝箱的動作。每個分體式移動和固

10、定夾板的上端分別與抓手安裝架的底部連接，且每個分體式移動夾板和固定夾板之間的抓手架安裝架的底部均設置有夾箱氣缸，且每個移動板與夾箱氣缸的活塞桿相連，在每個夾箱氣缸的驅動作用下，對應的移動板均能向固定板靠攏或遠離，直至將移動板和固定板之間的箱子夾緊或掉落。4.2鉤爪托箱機構鉤爪托箱機構主要包括轉軸，轉軸兩端分別活動支撐在移動板下端外側，轉軸上固定設置有鉤爪和連桿組件，鉤爪氣缸的上端鉸接在移動夾板的外側，鉤爪氣缸的活塞桿端部與轉軸上的連桿組件固定連接，當鉤爪氣缸活塞桿想歪伸長時，連桿組件能帶動轉軸轉動，直至鉤爪能向內翻轉，并托住對應箱子的底部。4.3聯(lián)接座板組合聯(lián)接座板組合主要是用來固定側板夾箱機

11、構和鉤爪托箱機構，并通過法蘭連接到機器人安裝座上。本結構主要用于固定工作部件和聯(lián)接機器人本體，進而實現(xiàn)動力的傳遞和完成抓取、搬運和釋放等動作，從而通過程序控制來完成碼垛工作。六、 電氣控制設計要求：1、各工位詳細功能介紹： 機器人：采用日本MOTOMAN公司機器人，實現(xiàn)搬運功能。 抓手：根據(jù)現(xiàn)有生產線的要求，控制機械抓手同時搬運三個紙箱。 碼跺托架：使用現(xiàn)有托盤（1250×1000mm），包裝好的紙箱按順序碼放在托盤上，方便叉車進行搬運。 滾筒輸送機：新增一臺滾筒輸送機，輸送機上帶導向桿和擋板。 限位開關：可以檢測和確定紙箱是否到位，并確定左右托盤位置。2、操作流程描述 整個系統(tǒng)分為

12、前段輸送系統(tǒng)、中間碼跺系統(tǒng)和后段升降及搬運系統(tǒng)，其控制相互聯(lián)系又單獨獨立，具體控制流程描述如下：啟動碼跺生產線前輸送段進行送料 檢測右側升降機是否到位檢測右則升降機是否到位 否 是檢測升降機上是否有托盤檢測升降機上是否有托盤檢測紙箱是否到位檢測紙箱是否到位進行右側碼跺進行左側碼跺左側碼跺結束左側碼跺結束啟動升降機，將成型紙箱跺降至一樓，并發(fā)出提示音，要求搬運工人叉走啟動升降機，將成型紙箱跺降至一樓，并發(fā)出提示音，要求搬運工人叉走將空的托盤放置到升降機上，按動提升機上升按鈕，提升機上升到位，等待將空的托盤放置到升降機上，按動提升機上升按鈕，提升機上升到位，等待 當生產任務下達后，車間操作人員啟動

13、MCC柜，對碼跺系統(tǒng)進行準備操作，確認各傳感器工作是否正常，當檢查工作結束后，機器人進入準備工作狀態(tài)。 檢測左側升降機是否到位，當?shù)轿恍盘栍行r，檢測升降機上是否有碼跺托盤，是否到位，托盤信號有效時，進行等待。如左側升降機信號無效，檢測右側升降機是否到位，信號有效時，檢測托盤是否到位，到位信號有效時，機器人等待。 當左或右準備就緒時，檢測滾筒機上的紙箱信號是否有效，當兩個紙箱信號有效時，機器人開始工作，進行抓取紙箱，搬運，碼跺，結束一個循環(huán)后，再次檢測紙箱信號是否有效，如果信號無效，機器人等待，信號有效，機器人循環(huán)工作。 當一側的碼跺結束后，MCC柜給出信號，升降機自動下降到一層，并給出提示音，同時進行另一側的碼跺工作。 成型托盤到達一樓后，操作工人接收到信息，用叉車將碼好的紙箱搬運到合適位置，并將空的托盤放置到升降機上，按下啟動按鈕（或系統(tǒng)檢測到