一款智能码垛机结构分析

梁丁

摘 要：机械手动作可靠精准，不知疲倦，许多场合已替代人工。本文介绍了一款智能码垛机，它通过移载机械手夹砖，X-Y-Z三轴机械手配合真空系统实现搬运及按纵横排列规律堆垛。这两款机械手分别运用气缸夹持力及真空吸力来搬运透水砖。

关键词：提升旋转机构;气缸推力配重;抽真空动态平衡

1 前 言

日前我司在内蒙古鄂尔多斯兴辉陶瓷有限公司承建了一条透水砖码垛生产线，产品规格（单位：mm）有100×200×55、150×300×55、200×400×55、300×600×55等多款，产量1200平方米/天。下面以堆垛100mm×200mm×55mm产品为例说明该款码垛机的结构及工作原理。

2 码垛机原理及结构

2.1 砖垛方阵设计

常规地台板规格为1100mm×1100mm，每一层堆垛尺寸为1000mm×1000mm，方阵如图1所示，相邻两层间转90°堆垛。每层砖垛分解成五列，每列由10块砖构成，排列如图2所示。

2.2 码垛生产线

码垛生产线构成如图3所示。

其工作流程是移载机械手2一次从生产线1上取两块砖到中转运输线A3，排列规律是四横一纵，它需具备Y轴平移、Z轴升降及旋转功能。中转运输线A3将砖送到中转运输线B4，X轴及Y轴两组气缸组成对中机构将砖拍齐摆正。码垛机械手5上下来回来搬运，完成码垛，它需具备X-Y轴平移、Z轴升降及旋转功能。砖垛运输线6负责运送地台架及砖垛堆。以下简述两款机械手的结构及工作原理。

2.2.1 移载机械手

（1）移载机械手由三个部件组成，机构结构如图4所示。升降旋转夹砖组件2通过平移驱动组件3实现来回搬运。

（2）升降旋转夹砖组件，机构结构如图5所示。

工作流程是接近开关1接收到来砖信号→夹砖组件 2气缸组收回夹紧砖块→气缸8 打出（提升夹砖组件）→接近开关10 接收到提升到位信号→整个组件平移同时电机减速机组件 7带动齿轮组3 旋转（夹砖组件旋转）→ 接近开关组件4 接收到旋转90°到位信号后电机停止转动→整个组件收到平移到位信号后气缸 8收回（放低夹砖组件）→夹砖组件 2气缸组打出复位放开砖块→气缸8 打出复位→整个组件平移复位，同时电机减速机组 7旋转复位，一个工作周期结束。旋转轴组件5里面放置的是一组轴承，由两个深沟球轴承和一个推力球轴承组成，可承受轴向力及径向力。

夹砖组件一次需夹两块砖，在调试过程中出现过只夹紧一块另一块掉砖现象，分析原因是砖块尺寸长短有偏差，一块夹板同时夹两块砖，长的夹紧了而短的就掉了（见图6一夹二）。针对此改进了夹砖方式，改为一块夹板只夹一块砖，互不干扰（见图7一夹一）。经测试动作可靠，解决了掉砖问题。

2.2.2 码垛机械手

（1）码垛机械手机构结构如图7所示。工作流程是中转运输线给出对中到位信号→X-Y平台组件3将升降旋转吸盘组件4送到位→升降旋转吸盘组件4下降到砖面→离心负压风机组件5抽真空吸住砖块→升降旋转吸盘组件4上升后由X-Y平台组件3送到地台板，实现来回搬运。透水砖本身透气，砖面有砂粒凹凸不平，用真空发生器配合真空吸盘吸砖效果不好，真空度上不去。这里采用离心负压风机抽真空，海绵吸盘吸砖。软海绵可匹配凹凸不平的砖面，在搬运过程中离心负压风机一直在抽真空，补偿透水砖本身漏气的风量，只要风机提供的风量大于砖漏气的量，可达到动态平衡，维持真空度。

（2）升降旋转吸盘组件结构如图9所示。

机构工作流程是升降电机4正转送海绵吸盘组件1快速下降到砖面→继续慢速下降到接近开关13收到信号（同时离心负压风机通过抽风管道7对砖抽真空）→升降电机4反转机构上升→接近开关11收到上升到位信号→X-Y平台组件送机构到地台板上空（旋转电机2同时转动使砖块旋转90°）→升降电机4正转机构下降→离心负压风机停止抽风放好砖块→机构复位。行程开关9是机构下降下限位，行程开关10是机构上升上限位，起超程保护作用。

（a）升降电机功率估算

吸盘质量60kg，升降部件质量80kg，砖块小方阵最重40kg，升降最快节拍5.5次/分。

电机最大负荷：60+80+40=180kg;

电机最快速度：5.5（节拍）×4.2m（升降行程）/60s= 0.385m/s

电机功率：P=Fv/1000η[1]

式中：P——所需电机功率，kW;

F——作用力，N;

v——动力速度，m/s;

η——传动效率。

此机构电机经蜗轮蜗杆减速机及齿轮齿条带动负载升降，蜗轮蜗杆减速机的传动效率是0.7，齿轮齿条的传动效率是0.95，将各项数据代入可得：

P=180×9.8×0.385/1000×0.7×0.95≈1.021kW，取1.5kW。

（b）气缸推力配重

为减轻电机提升启动负荷，此处装了一个气缸，气缸推力向上。提升时气缸分担了一部分负荷，下降时电机需克服气缸推力，气缸起配重作用，通过调节气压得到合适推力。

3 结 语

码垛机需兼容多种规格砖块，节拍一般需达到6次/分，希望此文能起拋砖引玉作用，业界有更多更好的做法跟大家分享。

参考文献

[1] 成大先. 机械设计手册·单行本：气压传动（第5版）[M]// 机械设计手册·单行本：气压传动（第5版）. 化学工业出版社， 2010.