5MDZ码垛机器人系统设计计算说明书1128.docx

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5MDZ码垛机器人系统设计计算说明书1128

鉴定文件之五

MDZ码垛机器人系统

设计计算说明书

中机康元粮油装备（北京）有限公司

中国包装和食品机械总公司

二O一三年八月

一、设计依据

针对我国食品包装箱码垛大多采用人工操作、生产效率低等缺点，瞄准国外同类机器人产品的关键技术，借鉴国内化工、汽车焊接等行业重载机器人研究的成功经验，研发具有自主知识产权的面向食品物流包装的智能规划型堆码机器人系统，中国包装和食品机械有限公司，中机康元粮油装备（北京）有限公司，联合展开了“MDZ码垛机器人系统”项目研究，起止年限为2011年1月至2012年12月。

码垛是指依照集成单元化的思想将一件件的物品按规定的模式堆码成垛，以使单元化的物垛实现物品的搬运、装卸、运输、存储等活动。

码垛分为人工码垛和机器人码垛两种方式：

在物品质量小、外形无规则、吞吐量较小的情况下，可以采用人工码垛；但当吞吐量超过“10件/分钟”时，采用人工码垛方案不仅需要较多的工人，而且容易造成因疲劳等因素引起的安全事故，这时采用机器人码垛的优势便凸显出：

物流速度快、保障工人的健康和安全、减少物料损伤、获得整齐一致的物垛等优点。

机器人码垛机是一类综合了机械制造、电子信息、计算机技术、人工智能科学等多门学科于一身的高新产品，主要应用于工业生产过程中执行大批量的物料、工件等的搬运以及码垛、拆垛等任务。

作为物流自动化领域的一门新兴技术，近年来获得了前所未有的发展，随着机械手码垛机的柔性、处理速度以及抓取载荷在不断地升级，应用场合也在不断地扩大。

近几年，在食品加工领域，由于能源成本激增，劳动力市场的人员紧缺，人力成本逐年攀升，不可预见风险因素，为企业的包装和储存带来了变革，促进了机械手码垛在食品加工企业中得到初步的应用。

食品加工业行业向集团化、产业化、规模化发展，竞争日趋激烈，高利润时代已悄然过去。

国外大型食品加工企业的规模都在日加工1000t以上，最大的达到单产6000t／（24h）。

近年来我国食品加工业也逐渐走向规模化生产。

集约化经营，特别是益海嘉里集团、中粮集团、九三油脂等大型企业为代表。

包装和码垛问题越来越彰显了其在食品加工企业中的地位，技术的改进以及设备的更新也是提升竞争力的法宝之一。

而机械手等智能化产品在国内每年保持20％～25％的增长势头已经说明社会进步与技术革新是企业发展永远的命题，机械手码垛系统在食品加工行业中得到越来越多的应用和发展。

MDZ型码垛机器人是在充分调研的基础上，结合国内现有产品的特点，根据计划任务书的要求而设计的。

设计的原则如下：

1、性能先进。

国外码垛机器人已有几十年的历史了，形成了较为完整的产品系列。

因此，我们所设计该产品要充分吸收国外同类产品的优点，结合我国国情，满足生产实际需要。

2、结构合理、制造简单。

食品及食品加工设备属于微利产品。

因此，在不影响设备性能的前提下，简化结构、降低加工成本，尽量采用普通加工设备，减少设备的使用投资。

3、控制先进、操作简单、实用。

4、节省能源。

5、达到食品卫生标准。

6、结构合理、工作可靠、维修方便。

7、主要技术经济指标满足计划任务书的要求。

二、主要参数及性能指标

（1）抓取对象为食品装箱之后的成品，单箱重量约20kg，单箱尺寸为（长×宽×高）330mm×310mm×380mm；

（2）码垛尺寸：

（长×宽×高）1260mm×1000mm×1500mm；

（3）码垛能力：

1000箱/小时。

三、结构原理

码垛机器人主要由机器人本体和机械手组成。

机器人本体选择现有成型的机型，而机械手则是该项目研究开发的主要对象，机械手主要由侧板夹箱机构、钩爪开合托箱机构和联接座板组合等组成，用来完成夹箱、托箱和放箱等一系列的搬运动作。

在整个工作过程中，要求设备工作平稳、可靠。

四、设计计算的目的

通过设计算来确定各项技术参数指标，以保证性能指标的完成。

确定主要零部件的结构尺寸。

五、设计过程和结果

1、载荷计算

机器人载荷设计要求是所要搬运的货物和机械手的质量总和必须满足机器人额定载荷的要求。

技术参数所要求：

一次要搬运的最大质量是3箱共60Ｋg。

所选机器人MD165D，其额定载荷是165Ｋg，经过设计计算机械手的质量为70Ｋg，这样所要搬运的货物和机械手的质量总和是130Ｋg，满足机器人额定载荷的要求。

即：

纸箱重量（20KG×2）＋机械手（70KG）＜165KG

2、搬运量的设计计算

为了满足码垛能力：

1000箱/小时要求，每次要抓取3箱货物。

搬运生产量的计算：

本机器人正常的平均码跺速度为9秒一个循环，每小时能进行400次循环动作，每次搬运3箱，可以搬运1200箱，能满足生产需要。

机器人搬运产量计算：

60×60/9＝400次，即每小时机器人能进行400次码跺循环。

400×3＝1200箱/小时即每次搬运3箱，每小时能搬运1200箱。

结论：

机器人正常的码跺速度能满足目前两条生产线的要求。

3、码跺场地计算

现场升降机的楼层开孔尺寸为：

4300×1750mm，

机器人最大的运行半径为：

R＝2651mm

机器人的安装位置距最近的楼层开孔距离为：

650mm

在搬运过程中机器人的最大运行半径为：

2100mm

机器人运动半径：

2100mm＜2400mm（1750＋650）

结论：

即码跺场地能满足机器人的工作需要

4、机械手结构设计

在用于类似的箱体搬运码垛中，国外较普遍的方式为机械式手爪。

这种方式突出的特点是具有较高的安全性，工作可靠。

但其本身结构较复杂、重量大、结构尺寸大，在使用中易带来较大的惯性力且占用较大的空间。

同时该结构由汽缸驱动手爪及其支架摆动实现对包装袋的抓包和放包动作，但这种机械手在抓包和搬运过程中，所有的载荷最终均传递到汽缸上，而且，为了保证放包时叉子顺利取出，在机械手与码盘上已垛好的包之间有一定距离时就必须开始放包操作，这种码垛方式码出的垛型不好，容易出现塌垛现象。

有些场合中，也有采用吸盘式手爪，这种方法结构简单、重量轻、结构尺寸小，但其可靠性受被抓取物体表面质量制约较大。

经过对国内外的机械手产品的比较，综合考虑多方面因素的影响，决定采用夹板式的设计方案。

该方案具有结构简单、重量较轻、需要高度方向操作空间小、工作可靠的特点，可以有效避免上述问题。

总体结构方案如图1所示，该机械手由主要由侧板夹箱机构、钩爪开合拖箱机构和联接座板组合等组成，用来完成夹箱、托箱和放箱等一系列的搬运动作。

4.1侧板夹箱机构

该机构主要完成码垛操作中夹紧食品包装箱的动作。

每个分体式移动和固定夹板的上端分别与抓手安装架的底部连接，且每个分体式移动夹板和固定夹板之间的抓手架安装架的底部均设置有夹箱气缸，且每个移动板与夹箱气缸的活塞杆相连，在每个夹箱气缸的驱动作用下，对应的移动板均能向固定板靠拢或远离，直至将移动板和固定板之间的箱子夹紧或掉落。

4.2钩爪托箱机构

钩爪托箱机构主要包括转轴，转轴两端分别活动支撑在移动板下端外侧，转轴上固定设置有钩爪和连杆组件，钩爪气缸的上端铰接在移动夹板的外侧，钩爪气缸的活塞杆端部与转轴上的连杆组件固定连接，当钩爪气缸活塞杆想歪伸长时，连杆组件能带动转轴转动，直至钩爪能向内翻转，并托住对应箱子的底部。

4.3联接座板组合

联接座板组合主要是用来固定侧板夹箱机构和钩爪托箱机构，并通过法兰连接到机器人安装座上。

本结构主要用于固定工作部件和联接机器人本体，进而实现动力的传递和完成抓取、搬运和释放等动作，从而通过程序控制来完成码垛工作。

六、电气控制设计要求：

1、各工位详细功能介绍：

1机器人：

采用日本MOTOMAN公司机器人，实现搬运功能。

2抓手：

根据现有生产线的要求，控制机械抓手同时搬运三个纸箱。

3码跺托架：

使用现有托盘（1250×1000mm），包装好的纸箱按顺序码放在托盘上，方便叉车进行搬运。

4滚筒输送机：

新增一台滚筒输送机，输送机上带导向杆和挡板。

5限位开关：

可以检测和确定纸箱是否到位，并确定左右托盘位置。

2、操作流程描述

整个系统分为前段输送系统、中间码跺系统和后段升降及搬运系统，其控制相互联系又单独独立，具体控制流程描述如下：

启动码跺生产线

前输送段进行送料

检测右侧升降机是否到位

检测右则升降机是否到位

否

是

检测升降机上是否有托盘

检测升降机上是否有托盘

检测纸箱是否到位

检测纸箱是否到位

进行右侧码跺

进行左侧码跺

左侧码跺结束

左侧码跺结束

启动升降机，将成型纸箱跺降至一楼，并发出提示音，要求搬运工人叉走

启动升降机，将成型纸箱跺降至一楼，并发出提示音，要求搬运工人叉走

将空的托盘放置到升降机上，按动提升机上升按钮，提升机上升到位，等待

将空的托盘放置到升降机上，按动提升机上升按钮，提升机上升到位，等待

当生产任务下达后，车间操作人员启动MCC柜，对码跺系统进行准备操作，确认各传感器工作是否正常，当检查工作结束后，机器人进入准备工作状态。

检测左侧升降机是否到位，当到位信号有效时，检测升降机上是否有码跺托盘，是否到位，托盘信号有效时，进行等待。

如左侧升降机信号无效，检测右侧升降机是否到位，信号有效时，检测托盘是否到位，到位信号有效时，机器人等待。

当左或右准备就绪时，检测滚筒机上的纸箱信号是否有效，当两个纸箱信号有效时，机器人开始工作，进行抓取纸箱，搬运，码跺，结束一个循环后，再次检测纸箱信号是否有效，如果信号无效，机器人等待，信号有效，机器人循环工作。

当一侧的码跺结束后，MCC柜给出信号，升降机自动下降到一层，并给出提示音，同时进行另一侧的码跺工作。

成型托盘到达一楼后，操作工人接收到信息，用叉车将码好的纸箱搬运到合适位置，并将空的托盘放置到升降机上，按下启动按钮（或系统检测到有空托盘到位后），升降机自动上升，到上限位开关时停止，等待。

3、垛型设计

垛型的设计是根据单箱的尺寸、托盘的尺寸和客户的要求设计的。

单箱尺寸为（长×宽×高）330mm×310mm×380mm，码垛尺寸：

（长×宽×高）1260mm×1000mm×1500mm；为此我们采用了三箱一起抓的方案。

方案是三排四列，共码垛四层。

垛型如下图所示。