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      机器人码垛机是实现包装和物流自动化的机械式码垛系统关键装备,针对生产线中各式产品的码垛要求,可实现自动、高速、准确、连续的码垛作业,并能降低工人劳动强度,提高生产效率。因此,机器人自动码垛机被广泛应用于饮料、食品、药品、石化等领域,具有广阔的应用前景。
    目前,ABB、FANUC、KUKA等主流机器人厂家均拥有系列化的机器人自动码垛机产品,并垄断了国内外机械式码垛系统市场;而在国内,机器人自动码垛机的研究才刚刚起步,国产的、成熟的、产业化的机器人自动码垛机产品还未出现。
    1 结构分析
        与通用型机器人不同,机器人自动码垛机有独特的作业特点:搬运物料实现空间内的平移和水平面内的旋转,无需进行物料的翻转,因而采用了独特的结构。
         KR180-2PA机械式码垛系统最大负载总质量为180kg,采用4轴铰链式结构,由6部分组成:基座、腰转部件、大臂、小臂、腕部和工具法兰,由JT1、JT2、JT3和JT4共4个关节驱动.
        其中,JT1驱动腰部转件实现回转运动,JT2和JT3分别驱动大臂和小臂的摆动,JT4驱动工具法兰旋转。各关节由交叉滚子轴承承载,利用交流伺服电机+精密RV减速器驱动。根据物料形状特点,可以在工具法兰配置不同的抓手。机器人末端工具法兰的位置,通过控制JT1、JT2和JT3关节来实现;末端工具法兰的姿态,则通过控制JT1和JT4关节的转动来保证;在腕部姿态的控制上,采用了独特的结构。通过两组平行四连杆传动,实现了JT4轴线与JT1轴线始终保持平行,使腕部始终保持垂直于地面的姿态。
    2 本体性能研究
        机器人自动码垛机主要用于搬运重载物体实现大空间转移,且高速度、高精度运行,其本体的主要性能参数包括负载能力、工作空间、运动性能、重复定位精度等。这些性能参数选择的合理与否,将直接关系到机器人自动码垛机本体开发的成败。以下通过分析比较已有机器人自动码垛机产品的性能参数,基本明确了机器人自动码垛机本体开发中的各项性能指标。
    2.1 负载能力
        负载总质量表明了机器人搬运重物的能力,它取决于机器人的结构尺寸和驱动容量,还与机器人的运行速度有关。按照负载总质量能力划分,各机器人厂家均形成了完整的机器人自动码垛机规格系列,表1列出了ABB、FANUC、KUKA、YASKAWAKAWASAKI这5大品牌的四轴机器人自动码垛机负载系列。
    在机械式码垛系统包装行业,对于机器人自动码垛机的需求主要集中在100~300kg负载总质量范围内。而在这一区间里,各品牌一般拥有大小两种规格的机型,且采用统一的外形尺寸与机械结构,只需替换伺服电机与减速器,即可实现型号间互换。如ABB的IRB660-180和IRB660-250、KUKA的KR100-2PA和KR180-2PA、FUANC的M-410iB/160M-410iB/300KAWASAKI的ZD130S和ZD250S等。
    2.2 工作空间
        工作空间指机器人末端可在空间到达的最大范围。图2是ABB的IRB660-180、KUKA的KR180-2PA和KAWASAKI的ZD130S工作空间的叠加图。可以看出,各款机器人的工作空间基本重合,大致反映了市场的实际需求(托盘尺寸、垛堆高度等)。
        各品牌机器人自动码垛机对应型号的性能指标进行了横向比较,从中可以发现机器人自动码垛机性能指标的共性;表3则以KUKA为例,将码垛机型KR180-2PA与其对应的通用机型KR180-2进行了纵向比较,凸显了机器人自动码垛机不同于通用型机器人的性能特点。
     
     
     
     
    2.3 运动性能
                 为了适应前端包装工段的生产速度,机械式码垛系统作业往往对节拍要求高。目前,世界上码垛速度最快的机器人,可达2000回/h以上。当然,最直接的运行性能参数,还是各个轴的运动速度。表2列出了几款机器人各个轴的最大运动速度,可作为本体设计的参考指标;表3中,各个轴逐一对比,KUKA的码垛机型KR180-2PA比通用机型KR180-2的运动速度都要快,显示了机器人自动码垛机本体设开箱封底机计里运动性能的重要性。
     
     
    2.4 重复定位
                 精度重复定位精度,指机器人在相同的运动指令下,连续重复运动若干次,其位置之间的误差度量,是机器人的主要技术参数之一。机器人自动码垛机主要用于实现大尺寸物料的点位运动,对精度要求并不高。从表2可看出,其重复定位精度能控制在±0.5mm以内即可;在表3里,码垛机型KR180-2PA比通用机型KR180-2的重复定位精度明显低了一个档次。
     
     
                 通过对已有机器人自动码垛机产品的结构分析和本体性能参数的研究,得出了其通常所采用的结构形式,明确了本体设计的基本性能指标,为机械式码垛系统产品开发提供了参考。但在具体产品开发过程中,仅确定了本体的结构形式、负载能力、工作空间、运动性能和重复定位精度等,是远远不够的,还有许多实际问题需考虑。各性能指标间存在一定矛盾,应综合分析考虑;有的结构形式虽然有利于提高机器人性能,但工艺复杂,考虑国内加工水平,需合理选择制造工艺;样机完成后的性能测试,亦是机械式码垛系统产品开发的关键环节。相信在克服了机器人自动码垛机开发过程中的诸多难题后,一定会出现国产的、成熟的、产业化的机器人自动码垛机产品。



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