码垛系统及其夹具设计

陈永奎，谭 丰，谭晓东

（1.大连交通大学机械工程学院，辽宁大连 116028；2.上海彼伏智能科技有限公司，上海 200131）

0 引言

随着我们国家的运输业以及工业的发展，袋装货物的装卸作为物流运输中比较重要的环节，对物流效率有着很重要的影响，同时袋装货物的沉重性也使工人的劳动强度过高，因此更高效且安全的码垛装车系统是发展运输业所必须的。

国内外对码垛系统也是进行了大量地研究，现有的袋装码垛系统多为龙门搭载码垛机器人配合大面积铺设的流水线进行码垛，并且末端执行器一般选用的多为机械夹爪式或真空吸盘式。首先，流水线需要从立体仓库一直铺设到码垛场地过于冗余，龙门式移动平台过于庞大。其次，在末端执行器上传统的机械夹爪式由于其结构影响，想要完好的抓取货物，就需将货物顶升或对流水线进行特殊处理，否则容易损毁货物。而真空吸盘式夹具由于袋装货物沉重性以及包装袋的种类区别，使其无法做到通用。

同一个工作场合不一定只存在一种货车的码垛，如果想实现更加高效地码垛，必须对现有的码垛系统进行改良，使码垛系统的占地空间减少，以此来减少系统冗余带来的不变性，同时此系统还需要适应更多的车型，使得系统能够具有一定的通用性。此外需要设计一种夹具可以规避传统夹具的弊端，不仅可以高效地码垛，还要不易损害货物，并且对设计的夹具进行受力分析，使夹具的强度满足任务工作的需求，本文希望通过解决这两个问题给现有的码垛系统提供更加合理的方案。

1 码垛系统总体方案

本系统针对的码垛对象为袋装货物，其填充尺寸为750 mm×500 mm×125 mm，质量为50 kg∕袋。为了实现高自动化，高效率的装车需求，本文设计了新式的码垛系统，运输部分采用智能AGV叉车[1]，码垛的机器人根据负载需求以及车辆的复杂性，选择了ABB公司的IRB660，其到达距离为3.15 m，承重能力为180 kg。将码垛机器人放置在所设计的机器人底座之上以实现沿卡车方向的移动，且选取的码垛机器人的可达空间纵向长度为2.98 m，因此可适应绝大部分的货车。根据其功能本文将其分为4部分：立体仓库、运输装置、机器人底座、码垛机器人。

图1 系统构成Fig.1 System composition

2 主要硬件组成

2.1 码垛机器人

因本文系统的码垛机器人搭载在可移动式的机器人底座上，因此在实际使用中可不考虑货车的长度，仅考虑货车的宽度以及高度。因此针对市面上现有的卡车不同吨位的尺寸进行调查，其结果如表1所示。本文所调查车辆不能代表所有使车辆但已覆盖大部分车辆尺寸。

表1 常见卡车尺寸Tab.1 Common truck dimensions

机器人的末端执行器在使在系统中所能到达的地方，称之为工作空间[2]，机器人的工作空间应略大于实际任务空间的，机器人的末端执行器长、宽、高分别为1 260 mm×840 mm×590 mm，机器人末端执行器的中心距离两侧的宽度应为机器人末端执行器的长宽的1∕2，基于通用性，采用宽度的一半即420 mm，同时给码垛机器人的工作空间宽度方向给予200 mm余量，高度方向考虑到有些货车会存在顶棚的现象给予余量200 mm，结合末端执行器的尺寸，货车的调查尺寸以及余量，确认工作空间尺寸的截面尺寸（宽×高）为1 800 mm×2 310 mm，将其与码垛机器人的实际工作空间进行对比，如图2所示，确认了其可行性。

图2 空间对比图Fig.2 Spatial contrast map

2.2 AGV叉车机器人

AGV叉车机器人的主要作用为将已经码垛好的货架从立体仓库中运出并将其运输到机器人底座处[3]，AGV叉车机器人在使用时相对于普通的AGV叉车其可负载更大重量的货物[1]，每一个货架防止20袋货物算上货架重量高达1 t以上，并且由于货物底面积不大，普通的AGV机器人如果想负载超过1 t则会产生体积上的浪费并且价格昂贵。

2.3 顶升机构

顶升机构是由液压站、液压油缸及升降机构组成，先由图2的推进油缸将升降机构推入货架，码垛机器人每一次循环将从货架顶端运走两袋货物，当传感器检测到货物被运走，则由图3抬升油缸带动升降机构将货物抬高125 mm，将货物放置于下一次循环中的工作位置[4]。

图3 顶升机构Fig.3 Jackingmechanism

2.4 机器人底座

机器人底座为可移动式平台，使得机器人可以在机器人底座的带动下完成沿车身方向的位移，使得此系统可适应不同长度的车型，使得在考虑机器人选型时仅需考虑车的宽与高平面工作空间尺寸[2-3]。并将升降机构集成在机器人底座上。

2.5 传感器系统

本系统采用多种传感器用于确认系统的工作状态，其中包含毫米波传感器、超声波传感器、二位激光雷达、光电开关、霍尔开关等，传感器所采集的数据传送给PLC[5]，进行控制逻辑以及安全性检测，经过PLC的调控可以保证系统可以安全平稳地运行。

3 控制系统

3.1 控制系统方案

本系统的硬件组成如图4所示，本系统控制包含本地按钮控制、触摸屏控制以及远程PLC客户端控制[6-7]，本系统因需控制机器人底座移动平台电机，因此选用西门子S7-1200DC∕DC∕DC型号PLC，西门子作为业界首次采用全集成自动化软件的公司，其编程与调试是极为方便的。此款PLC可以通过脉冲信号对电机控制，本地控制包含本地或远程选择急停、启动，停止等功能通过按钮或旋钮控制。触摸屏选购繁易FM6100，为10.1寸大屏LCD屏幕可以实现数据的展示以及HMI端控制，与PLC之间采用RS485进行通讯，远程控制由中央控制系统负责，其产品为施耐德PLCM580，本系统采用ModbusTCP协议服务器与客户端进行远程的数据交换与控制，S-71200为服务器对其开放指定数据区间，使得中央控制系统可以进行远程的数据读取、监控以及控制，机器人与服务器之间通过Profinet进行通讯控制[8]。

图4 硬件组成Fig.4 Hardwarestructure

同时本系统包含丰富的传感器，毫米波传感器同时辅以超声波传感器可用于确认车辆是否到位[9]；位移传感器可以检测末端执行器距离工件的距离；光电传感器可以检测到货物是否被机器人运走并计数[10]，并通过PLC判断何时将整个货架全部码垛完成。编码器可以产生脉冲从而使系统得知机器人底座当前位置，同时可通过PLC发送高速脉冲控制电机前往下一工位。此外本系统选择的码垛机器人为ABB公司的IRB-660，其末端执行器可360°旋转，配合二维激光雷达旋转以实现对货车的车厢进行三维扫描，从而确认系统的工作空间尺寸以及姿态，方便系统进行合理的垛型规划。

3.2 系统控制流程

图5 工艺流程Fig.5 Processflow chart

整个系统的控制流程如下：在立体仓库中AGV叉车配合仓库的码垛机器人将货架装满，并由AGV叉车将装填完毕的货架运输至指定位置，当货架到达工作位置时触发传感器，机器人底座运动到工作位置。当毫米波传感器以及超声波传感器确认车辆已到位，通过二位激光雷达确认卡车的工作空间尺寸以及姿态后系统进入工作状态。系统正常的情况下先由推进油缸将升降装置推入货架底部，然后由抬升油缸将货物抬升一个工位，当光电传感器感应到货物到位由码垛机器人将其运走，同时光电传感器计数加一，然后继续由抬升油缸抬升一个工位循环工作直到光电传感器计数达标，则证明此货架已空，由AGV叉车将空的货架运至立体仓库进行填充，同时新的货架放至下一工位，PLC通过脉冲输出控制电机到达下一工位，直到货车装满。

4 末端执行器设计与验证

每一个循环码垛机器人从工作区域转移两袋货物，本文所设计的执行器如图6所示，其工作原理为油缸推出将其连接件置于货物上方，然后油缸收缩同时机械手直线运动向前，货物与收纳空间有一定高度差使得货物可以平稳的被放入执行器内部，并且其存储空间底部存在滚筒，油缸与码垛机器人配合推入推出使得在推入推出过程中货物的形变可控[11]。并由码垛机器人运输至卡车内进行码垛，本文所设计的执行器每一袋货物均有A、B两个方向的输入和输出，有助于对垛型的合理规划[12]，且A、B两个方向同时只有一个工作另一个位于原位，因此机械结构上并无干涉。

图6 夹具结构Fig.6 Fixturestructure

由于其主要的受力件为A、B向挡板，因此本文针对这两个零件进行分析，两个挡板的材料均为304的不锈钢，密度为7.93 g∕cm³，其伸长率大于或等于40%，屈服强度大于等于205 MPa，本文主要分析两个挡板在推入与推出时的应力及位移情况[8-9]，经过分析，分析结果如图7～8所示。数据对比如表2所示。通过表2可以得知在推入与推出时的最大应力为48.39 MPa，远远小于其许用应力，最大的位移量产生于A向挡板推出时，此时最大位移量仅为0.63 mm，挡板的强度完全符合标准，可以使用[13-15]。

表2 4种工况下应力与位移Tab.2 Stress and displacement table under four working conditions

图7 A向挡板应力位移云图Fig.7 A-direction bafflestressdisplacement cloud diagram

图8 B向挡板应力位移云图Fig.8 B-direction bafflestressdisplacement cloud diagram

4 结束语

本文所设计的码垛系统自动化程度较高，且无流水线那种冗余的结构，由多组AGV循环搬运货架，使得装车过程中工位上始终有货架，机器人底座的可移动性以及大力臂的码垛机器人使得系统可以适应基本市面上大部分货车。同时AGV配合集成在机器人底座上的顶升机构，使得其装车码垛高效；本系统所用的夹具采用新型结构，油缸配合码垛机器人使得货物平稳的推入推出，使得货物形变在可接受范围内。

采用本文所设计的系统，可对现有的袋装装车系统进行优化，使得其高度自动化，减少人员的劳动强度以及危险系数。并且本文所设计的夹具不仅可适用于工业硫磺的袋装货物，也可适用于其他袋装货物以及一定尺寸的箱装货物。相对于传统的夹爪式，其安全性得到提升，并对货物的损坏降到最低。