坐标式码垛设备的设计

楼伟良

（能率（上海）住宅设备有限公司，上海201400）

0 引 言

我公司热水器产品装配完成从流水线末端下线，产品的搬运和码垛由人工作业完成，存在工作效率低、工作强度大、产品堆高受作业者高度限制的缺点。随着管理水平的提升，流水线基本生产能力也逐步提高，日产能从400 件提高到500 件，如果继续采用人工搬运和堆码产品，势必要追加相应作业人员，则增加了人力制造成本。

产品堆码规定，每个地仓板堆放8 层，每层放置4 件产品，而且产品堆放的方位有要求，每台产品的指定标贴朝外便于扫码识别和确认。产品最大质量约30 kg，在搬运和堆放过程中经常发生意外跌落，造成产品损坏或报废。

除了存在以上缺点外，还存在产品堆放层数受到限制，阻碍仓储容积率的提升，增加仓库储存成本等问题。为此，建立改善课题，目的是消除人工搬运作业，避免产品意外跌落而报废，降低制造成本。热水器装配流水线能适应多品种、多规格的柔性化生产要求。

1 初步方案与评估选择

为了解决产品下线由人工搬运和堆放到地仓板的问题，拟采用机器人设备或机械设备搬运、堆放产品，制订了3 个设想方案，如表1 所示。

表1 方案分析和评估表

我公司流水线末端旁除去通道空置面积约为7 m2，除去通风管道工场厂房最低处净高度为3.7 m。由于场地条件的限制，课题改善目标之一是提高仓储量，产品堆放由8 层提高至9 层。因此，选择坐标式码垛设备作为本课题研究方向。

2 设计思路

2.1 设备功能

坐标式码垛设备具备3 个坐标（X、Y、Z）的移动功能，以及产品在空中能完成旋转、调整产品方位的功能；机械夹持夹具能适应各种规格热水器产品的夹持，确保产品搬运中不跌落，不损坏；坐标式码垛设备运行过程能实现机械化和自动化，能适应各种规格热水器产品的搬运和码垛要求。

2.2 设备构造

设备由机座、立柱、横臂、转盘、机械夹持夹具五大机构组成，如图1所示。

2.3 产品搬运

由于受厂房高度和空置面积的限制，因此设计采用单轨立柱构造型式，设备立柱坐落于机座上方完成水平往复移动，设定X 向。传动机构是由伺服电动机、减速器、齿轮、齿条、导轨等零件组成。完成产品从流水线末端搬运到地仓板上方，如图2 所示。

图1 坐标式码垛设备简图

图2 单轨、立柱设计图

2.4 产品按9 层要求堆高

设计采用设备横臂与设备立柱垂直型式的构造，横臂可在设备立柱上完成上下往复移动，设定Z 向。传动机构由伺服电动机、减速器、齿轮、齿条、导轨、平衡块、链轮、链条等零件组成，如图3 所示。

2.5 产品按规定方位堆放

设计采用横臂下方安装转盘机构，转盘机构能沿横臂实现水平往复移动，设定Y 向，其同时具备300°往复旋转功能。直线移动机构由伺服电动机、减速器、同步轮、同步带，导轨等零件组成。旋转机构由伺服电机、减速器、主动齿轮、被动齿轮、轴承等零件组成，如图4所示。

图3 单轨、立柱、横臂设计图

2.6 机械夹持产品

夹具能自动完成夹紧和松开产品，协助机械机构完成搬运和码垛，夹具机构由气缸、夹持板、限位传感器、导柱等零件组成，如图5 所示。

3 坐标式设备设计

3.1 设备机座机构设计

设备机座设计成L 形，设计采用双导轨型式，1 根导轨安装在设备机座上平面位置，另1 根导轨安装在设备机座侧面A 位置。设备立柱坐立于滑块上方与其紧固连接，滑块与直线导轨滑动连接，每根直线导轨上配置1 对滑块（2 件）。为了防止设备立柱倾倒在设备机座L形侧面B 位置安装2 对（4 件）防倒导轮。齿轮与齿条安装在设备机座上平面位置。

设备立柱X 向水平往复移动采用齿轮与齿条传动机构，定位精度误差为±0.2 mm，水平运动最大速度V 为256 mm/s。预估设备立柱上所有部件最大载荷（含产品）约350 kg，因此，依据载荷和运行特性，选择动力装置各部件的参数为：选择三菱伺服电动机型号为HG-SN202J-S100，额定功率P 为2 kW，额定转矩T 为9.55 N·m，额定转速n 为2000 r/min。减速器的减速比为1：32，减速后输出转矩T 为305.6 N·m[3]。齿轮设计参数：模数m 为3 mm，齿数z 为30，齿宽B 为25 mm。齿条设计参数：模数m 为3 mm，长度L为2650 mm，齿条宽度B 为30 mm[3]。

3.2 设备立柱机构设计

设备立柱设计成方形，设计采用双导轨型式，2 根导轨安装在立柱正平面位置，横臂端面与滑块固定连接，滑块与直线导轨滑动连接，每根直线导轨上配置1 对（2 件）滑块。为了保证横臂Z 向往复移动平稳，同时降低伺服电动机的选型规格，因此，在立柱背面安装1 件平衡块，平衡块与横臂通过双排链轮、链条连接[2]，平衡块在圆形导柱上Z向往复运动。齿轮与齿条安装在立柱侧面位置。

设备横臂Z 向往复运动采用齿轮与齿条传动机构，定位精度误差为±0.2 mm，垂直运动最大速度V 为265 mm/s。预估横臂上所有部件最大载荷（含产品）约150 kg，因此，依据载荷和运行结构选择动力装置各部件参数为：选择三菱伺服电动机型号为HG-SN152BJ-S100，功率P 为1.5 kW，额定转矩T 为7.16 N·m，额定转速n 为2000 r/min。减速器的减速比为1：30，减速后输出转矩N 为214.8 N·m[3]。齿轮设计参数：模数m 为3 mm，齿数z 为30，齿宽B 为25 mm。齿条设计参数：模数m 为3 mm，长度L 为2830 mm，齿条宽度B 为30 mm[3]。双排链轮设计参数：分度圆直径D=85.61 mm，齿数Z=14[2]。

图4 横臂、转盘、夹具设计图

图5 机械夹持板夹具设计图

3.3 设备横臂机构设计

设备横臂设计成方形，设计采用双导轨型式，导轨安装在横臂二侧平面位置，转盘机构与滑块固定连接，滑块与直线导轨滑动连接，每根直线导轨上配置1 对（2 件）滑块。同步轮安装在横臂长度向二端位置，同步带与转盘机构连接，伺服电动机安装在横臂端靠近立柱侧。

设备横臂Y 向往复运动采用链轮传动机构，定位精度误差±0.2 mm，水平运动最大速度V=248 mm/s。预估转盘和夹具等部件最大载荷（含产品）约80 kg，因此，依据载荷和运行结构选择动力装置各部件参数为：选择三菱伺服电动机型号为HG-KN73J-S100，功率P 为0.75 kW，最大转矩T 为2.4 N·m，额定转速n 为3000 r/min。减速器的减速比为1：40，减速后输出转矩为96 N·m[3]。

主同步轮的设计参数：外径为φ104.69 mm，齿数z 为400，宽度B 为40.93 mm[2]。被同步轮的设计参数：外径为φ104.69 mm，齿数z 为400，宽度B 为40.93 mm[2]。

3.4 旋转机构设计

旋转机构可以完成300°往复旋转，设计采用齿轮传动机构，选择动力装置各部件参数为：选择三菱伺服电动机型号为HG-KN73J-S100，功率P 为0.75 kW，最大转矩N为2.4 N·m，额定转速n 为3000 r/min；减速器的减速比为1：40，减速后输出转矩为96 N·m[3]。主动齿轮设计参数：模数m 为2 mm，齿数z 为13，齿宽B 为20 mm。被动齿轮设计参数：模数m 为2 mm，齿数z 为43，齿宽B 为20 mm[3]。

3.5 机械夹持板夹具设计

机械夹持夹具由气源作为夹具的动力源，设计采用直线气缸，通过气缸的动作带动直线轴承往复移动，完成夹持板夹紧和松开，定义安装支撑托力机构的夹持板为可动板，另一块夹持板为固定板，在可动板上安装接触限位传感器，通过它控制夹持产品的间距。在气压回路上安装诱导止回阀控制压紧力。在保证夹持板刚度、强度的条件下控制夹持固定板厚度尺寸，满足产品间间距的要求。

1）夹紧状态夹紧力F1设计。选择亚德客气缸型号为SC63×150S，在进气压力为0.6 MPa，最大输出力F1为1862 N[4]。

2）夹紧状态摩擦力f 设计。在夹持板内侧贴附增加摩擦力的材料，材料为防滑橡胶板，材料摩檫因数为0.52，夹持板夹紧后，摩擦力f=F1×μ=1862×0.52≈968 N[1]。

3）托力机构托力F2设计。在可移动板外侧安装小型气缸完成托爪的翻转动作，起到辅助保护外包装不跌落的安全措施，如图6 所示。选用亚德客气缸型号为MAL40×75SCA，在进气压力为0.6 MPa，气缸最大输出力F3≈755N[4]。

F2×L1=F3×cos 10°×L2，F2×80=755×0.98×43，计算得出F2≈398 N[1]。

4）设计力结果验证。为了保证热水器产品在夹紧状态不跌落，对产品的受力状况进行分析，如图7 所示。验证的结论是：F2+ f ≥294 N，安全可靠。

图6 托爪翻转机构简图

4 设备调试与问题解决

设备调试过程中发现4 个主要问题，造成热水器产品堆放位置错位，不符合产品堆放设计要求。

1）设备立柱水平X 向往复移动和横臂上的转盘夹具水平Y 向往复移动后，机构移动后的实际位置对原点基准位置存在积累误差。

解决方法：在设备运行控制程序中追加实际位置与设计基准位置校正指令，即设备开机时和每次搬运结束，机构回到原点校正后再启动运行，消除位置基准误差。

2）地仓板的更替和放置是由人工完成，因设备调试时疏忽对地仓板的定位管理，造成其放置状态凌乱。

解决方法：实施定位管理，在地面上追加了角尺定位条，保证了每次地仓板的更替放置状态基准点统一。

3）设备调试时疏忽对产品的放置位置管理，造成产品在流水线末端位置凌乱。

解决方法：在流水线末端追加定位条和同步带校正机构，限制2 个维度（X 向、Y 向），保证产品在流水线末端位置定位和中心线基准统一。

4）设备运行程序设计存在漏洞，不能自动适应多规格的产品外箱数据，造成产品堆放不符合设计要求。

解决方法：利用产品商品码，追加商品码扫描装置，实行1 品1 码的数据管理，通过数据采纳自动调整设备运行的原点基准。

通过以上的改善，设备调试中发现的问题点被消除了，设备的运行达到了产品堆码要求。

图7 产品受力分析图

5 结 语

坐标式码垛设备采用PLC 控制，全自动运行，各级传动采用伺服控制等技术。具有占地面积小、结构简单、自动化程度高、控制可靠、调整简单、操作维修方便等优点。

坐标式码垛设备的使用实现产品自动搬运下线和码垛，达到消除人工搬运的目的，消除产品搬运中跌落的风险，提高仓库储量，能适应多品种、多规格的柔性化生产要求，降低制造成本。

坐标式码垛设备虽然投入生产运行，由于经验不足，设计中存在选材笨重、导轨精度选择过高、材料设计成本高等缺点。今后要在满足材料机械强度的条件下，应大胆采用零部件轻量化设计，从而达到降低设备制造成本的目的。