码垛生产线整形输送单元的设计与计算

2014-04-21崔世义陆宗学刘克松王万海

机械工程师 2014年2期

崔世义，陆宗学，刘克松，王万海

（连云港杰瑞模具技术有限公司，江苏连云港222006）

0 引言

自动码垛生产线是利用码垛机器人技术实现生产自动化的一种装备。该装备的突出特点是通过程序对生产线的工作流程进行自动控制，具有故障报警、显示和自动连锁停机功能，也可根据需求，实现实时监控、远程诊断和网络化管理，是企业提高劳动效率，降低劳动强度，减少人力投入，实现自动化生产的途径之一。

码垛机器人主要应用于粮食、饲料、建材、石化、轻纺和烟草等行业，与周边自动化设备集成，组成机器人自动化生产系统，实现生产自动化或无人车间。我国的码垛机器人从1980年代开始起步，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握该机器人的机械设计、电气设计、软件控制与运动和轨迹规划技术。

当前国内从事搬运码垛机器人研发和系统集成的单位超过200家，年机器人需求量为3500台左右，其中国产机器人比例大概为20%，其余从日本、德国、美国、瑞典等国家引进。从近两年发展趋势来看，对机器人码垛生产线这类成套装备的需求量仍将逐年大幅度增加。因此开发与设计以机器人应用为主的自动化成套设备具有实际意义。

整形输送作为机器人码垛生产线的关键部分，对生产线是否能够稳定生产起到关键作用。它主要作用是使料袋在输送过程中被抖动、压实，使不规整的料袋通过整形后形成统一的规整形状，再经两侧挡板将料袋约束至一固定位置，便于机器人抓取和堆放，如果没有整形这一措施，料袋极易被机器人手爪抓破，堆放的垛堆也不平整，易坍塌。

本文将从设计原理、机械结构、电气与控制等方面，对整形输送单元进行详细分析，结合实例，给出具体的计算与设计方法，供同行借鉴。

1 整形输送的机械结构及工作原理

码垛生产线的标准结构如图1所示。

图1 码垛生产线示意图

1.1 机械结构

整形输送单元实现的目的是上下两面整形，达到料袋表面平整、外形规矩的目的，其结构比较复杂，主要由支撑框架、抖动辊、传送辊、展平辊、压实辊、电机、减速机、链条链轮、传动轴、轴承，调节弹簧等组成，核心部分如图2所示。

图2 整形输送结构示意图

1.2 工作原理

传动电机（固定在下方）通过链条驱动传送辊和抖动辊，抖动辊为方形结构，料袋经过抖动辊时，将不停地上下振动，使物料在料袋内均匀分布；

压紧电机（固定在上方）驱动展平辊与压紧机构工作，相邻展平辊之间留有比较大的间隙，料袋进入整形工位后，展平辊拖动料袋往前移动的同时，对料袋上部物料进行初步整形，再利用出口压紧机构，实现对物料的挤压，使物料袋向四周充分展开并压实，再通过传送辊传送至下一工位，实现物料自动化整形输送的目的。

2 主要元器件的选型与计算

2.1 已知条件

码垛效率：15个/min，料袋高度为0.8 m，单个质量为m1=40 kg。

2.2 其它参数求解

1）物料传送速度v和传送辊直径Ф的确定。

物料最小连续传送速度v＝15×0.8=12 m/min，实际生产时由于装袋及缝包是间断性的，为保证充分供料，发挥机器人最高效率，实际传送速度选取时要大于此最小速度（约是最小速度的2～3倍），我们选取传送速度（v=30m/min）

和传送辊直径（Ф=60 mm）。

2）传送辊转速n1的确定。

3）传送辊对物料袋做功功率P1的确定。

式中：F1为物料和传送辊惯性力；F2为物料袋和传送辊相对于机架的滚动摩擦力；f为滚动摩擦因数，取f=0.1；m1为袋装物料质量，m1=40 kg；m2为传送辊和链条总质量，m2=70 kg；m3为展平辊总质量，m3=50 kg；a为加速度，取1 m/s2（相对于电机在0.5 s内从零转速起动到额定转速）。

由此可计算出：

4）传送辊所需功率P2的确定。

传送辊对物料传送做功时，由于传送辊与抖动辊之间采用的是链条传动，两两之间传送效率为ηa=0.95（查资料所得），现这部分共有14个辊子，其合计效率为ηb=η13a=0.9613=0.5，另外抖动辊产生振动时也要损失部分功率，以及克服空气阻力时也要损失部分功率，取传送带总效率为η1=40%。由此可计算出

式中η2为减速机与传送辊之间的链条传动效率。

6）减速机输入功率P4（即电机输出功率）的确定。

5）减速机输出功率P3的确定。

式中η3为减速机传动效率。

7）传送辊转矩M1的确定。

2.3 电机选型

根据不同电动机的使用特性，结合本传送性质以及生产现场的条件，选用三相笼型异步电动机作为传送带的驱动元件，选择西门子电机有限公司与江苏贝得电机股份有限公司合资公司生产的三相交流低压鼠笼电机，其型号为1LG0 083-4AA（依据以上计算，电机功率取1.5倍的安全系数），铭牌参数如下：额定功率为0.75 kW，额定电压为220VD/380VY，额定转速为1 380 r/min，功率因数为0.75，额定电流为2.05 A，额定转矩为5.2 N·m。

2.4 减速机选型

1）WB系列微型摆线减速机具有机型小、速比高的特点，经久耐用，而且使用维修方便，是化工、纺织、轻工业等行业的首选设备。

2）确定减速比 i。

取减速比i=9，减速机输出扭矩。

M2＝电机额定转矩×i=5.2×9=46.8 N·m

本案选择上海诺广机械有限公司生产的WB系列微型摆线减速机，其型号为WB100-WD-9-750。

3 电气及控制设计

3.1 硬件设计

整形输送电气控制主要是电机的控制。整形输送的运行均是由电机传动完成，并装有光电开关，当出现有料包堆积时，将停止输送线的运行。由于各个电机功率都比较小（0.55 kW、0.75 kW），采用接触器直接启动。为了方便以后功能的扩展，采用西门子小型PLC，其主控单元为CPU 224XP CN，并选用北京昆仑通泰的MCGS触摸屏进行人机界面的设计。电气控制图形如图3所示。

图3 电器控制图

其中M1、M2为电机1和电机2；KM1和KM2为启动电机的接触器；Q1和Q2为电机保护器，具有电机的短路保护、过载保护、缺相保护。右图为200PLC，Q1、Q2为电气保护器的常开辅助触头，对应于PLC的I0.0和I0.1；P1为光电开关，当有料袋传送到整形工位时，P1通，即PLC输入I0.3闭合；KM1和KM2为接触器线圈，当PLC的输出Q0.0和Q0.1有输出时，KM1、KM2得电，接触器主触头闭合，电机启动。

3.2 PLC及触摸屏程序设计

西门子200PLC编程可以用梯形图（LAD）、功能块图（FBD）以及语句表（STL）3种语言，这里仅使用梯形图来编程。程序利用PLC内部线圈M点来模拟继电-接触器系统中的中间继电器，它是中间操作状态，或存取其他相关数据。程序主要实现整理电机和整理输送电机的启停，并利用中间点M以及后面的触摸屏实现电机的手动控制及自动控制。控制程序见图4所示。

图中M0.0和M0.1为手动控制和自动控制按键，由触摸屏控制，当有手动按钮M0.0按下时，即有上升沿，M0.6 置为 1，M0.7复位为0；电机保护器合上时，I0.0闭合，此时通过按钮M1.0 驱动 Q0.0，即可点动控制电机。当自动运行M0.1按下时候，M0.7置为 1，M0.6 复位为0，如果整形工位没有料袋，则I0.3没有闭合，其常闭点闭合，电机启动；若整形工位有料袋，I0.3闭合，则其常闭点断开，电机停止，防止料袋堆积。