快速堆垛论文（共7篇）
快速堆垛论文 篇1
1 堆垛设备发展现状
随着人工成本的增加和自动化程度的提高, 玻璃生产线的自动化取板设备需求量越来越大。目前有多种玻璃堆垛设备, 包括水平堆垛机、垂直堆垛机、机械手堆垛系统及下取板翻转堆垛机等等, 这些堆垛设备均能完成自动化堆垛任务;但是其效率、周期和故障率等性能参数, 已不能满足现在多数客户的生产需求, 尤其在拉引量1 000t/d以上的玻璃生产线上, 上述堆垛设备已经显得力不从心。
下面是目前各种堆垛设备的具体生产运行情况:1) 水平堆垛机适用于大中板堆垛, 目前国内市场常用的水平堆垛机每片堆垛周期为12~14s、堆垛周期长、故障率较高、设备占地面积非常大, 导致生产线布置得很长。2) 垂直堆垛机适用于中小板堆垛, 以进口设备为主, 其堆垛精度高、周期为5~7s, 但是价格高昂、结构复杂、维护成本高;目前国产垂直堆垛机技术还不成熟, 相较于进口设备, 其精度低、周期长、故障率高、市场推广应用不广泛。3) 机械手堆垛系统适用于中小板堆垛, 可以连续布置多台, 其周期为8~12s、堆垛精度较高, 但是组成机械手的机器人维护成本高、对操作人员技能要求很高。4) 下取板翻转堆垛机主要用于玻璃深加工, 其周期为20~25s, 无法满足连续生产线的要求, 但是其结构简单、占地面积少。
基于上述情况, 笔者分析了玻璃生产线最优堆垛设备的发展方向, 研究设计制造了一种多功能平板玻璃快速堆垛机。该新型设备在功能和性能上达到并超过进口垂直堆垛机, 结构上更加简化, 同时降低了各项成本和操作难度, 响应速度快, 堆垛周期上取板不大于5s、下取板不大于7s、堆垛精度达到±1.5mm, 故障率进一步下降。
2 快速堆垛机的设计开发
2.1 新型设备基本结构组成
笔者设计的快速堆垛机, 是在垂直堆垛机、机械手堆垛系统和下取板翻转堆垛机的基础上进行升级改造的, 适用于中小板堆垛, 可以在空气面和锡面自由切换取板。
该设备整体框架借鉴下取板翻转堆垛机, 但是将连接两侧大臂的扭矩臂取消, 增加运行空间, 缩短和堆垛架的距离, 占地面积减小。
吸盘架采用可旋转吸盘架, 既可以满足空气面和锡面自由切换取板, 又可以自由调整堆垛角度, 可适应不同角度的玻璃架。
不同于垂直堆垛机的连杆机构带动旋转, 该设备采用伺服电机和行星减速机驱动吸盘架旋转, 响应快、控制精度高, 取消了垂直堆垛机的连杆机构, 采用两台伺服电机连接减速机分别直接驱动一侧的大臂, 从而简化了结构。因为大臂较长, 又没有连杆机构限制, 如果采用普通的电机和减速机, 会导致响应速度慢、吸盘架的位置误差非常大, 从而不能满足精度要求;综合考虑后, 决定选用伺服电机和RV减速机。RV减速机, 多用于机械手堆垛系统中机器人各个轴的驱动, 其精度非常高, 空程误差小于1arc min, 可以满足吸盘架的位置精度要求。
使用该设备, 还需要有前端对正装置、测边对中装置、伺服定位取板辊道和玻璃架旋转台等辅助设备, 这些设备均有成熟技术可以借鉴应用, 此处不再赘述。
2.2 新型设备基本结构设计
快速堆垛机由两个独立主机座、两个独立大臂、吸盘架、气路真空系统和电气控制系统等组成。主驱动的伺服电机和RV减速机安装在主机座上, 两个主机座相对布置, 与减速机轴线重合;大臂安装在减速机输出轴法兰上;吸盘架安装在两个大臂末端, 其中一个大臂上安装有伺服电机和RV减速机, 用于驱动吸盘架旋转。吸盘架上安装有多组真空吸盘, 其数量和形式根据需要抓取的玻璃确定;吸盘通过真空阀岛控制真空的抽取和释放, 响应速度快, 真空通过放置于主机座旁边的真空泵产生。
大臂旋转半径长度L和主机座中心高H, 由取板辊道标高H1、玻璃板最大规格长度B、旋转堆垛台的放板高度H2和旋转堆垛台上玻璃架放板位置与主机座中心的距离S2确定。一般放板时, 玻璃板下沿距玻璃架承载面为5~10mm为宜, 大臂长度L不能太大, 以满足玻璃板规格同时互不干涉为宜, 否则会增加主驱动负担, 从而需要重新选择更大的伺服电机和减速机;同时, 大臂旋转角度越小越好, 否则堆垛周期就会增加, 达不到设计要求。根据上述相关参数, 通过公式计算并在计算机辅助软件内进行玻璃板旋转验证;玻璃板旋转如图1所示, 相关计算公式如下。
式中, L为大臂旋转半径;B为玻璃板最大长度;H为主机座减速机中心至地面高度;H0为吸盘架的吸盘面至吸盘架旋转中心距离;H1为取板辊道辊面至地面高度;H2为堆垛台上放板时玻璃板下沿至地面高度;H3为吸盘架的旋转中心至地面高度;S1为放板时吸盘架的旋转中心与主减速机中心的水平距离;S2为堆垛台上放板时玻璃板下沿与主减速机中心的水平距离;α1为大臂初始位置与水平面夹角;α2为大臂旋转角度;α3为放板时大臂与水平面夹角。其中, 已知H0、H1、H2、H3、B、S2的数值。
为防止取板过程中玻璃板在旋转过程中与取板辊道发生碰撞, 则有
为尽量减小主驱动负载, 初始取板位置时, α1应大于0°, 且不能过小, 所以
通过上述公式, 可以根据玻璃板最大长度B初定一个L值进行初步计算, 然后进行核算。
根据上述确定的参数, 进行初步结构设计, 估算各结构 (包括吸盘架整体和大臂等) 重心位置、重量和转动惯量等, 完成这些初步方案设计和计算后再进行驱动选型。
2.3 新型设备气路真空系统设计
2.3.1 真空系统
吸盘在抓取玻璃板时, 其真空的产生主要有两种方式, 即真空泵和真空发生器, 两种方式各有优缺点。
真空泵价格便宜, 但在使用时需要配合电磁阀控制真空的通断和释放, 还需要增加一个真空罐来降低真空泵的启动频率, 提高真空泵的使用寿命。
真空发生器主要有集成式和单片阀式结构:集成式真空发生器可以控制多个吸盘, 如果针对不同规格的玻璃板, 就需要两个以上的真空发生器进行分区控制, 且分区不能更改;单片阀式真空发生器需要多个组合在一起使用, 每个阀控制1~3个吸盘, 可以很自由的控制吸盘的真空通断和变更分区。此次设计选用单片阀式结构, 此种结构可选用阀岛, 减少设备接线, 吸盘架上只需要通入压缩空气, 集成化程度高。
2.3.2 气路系统
每个吸盘均配有小型气缸, 主要功能是将不使用的吸盘抬起, 防止发生意外。这些气缸的控制和分区与吸盘真空的控制应同步, 即不使用的吸盘真空关闭, 气缸动作同时抬起吸盘。因此, 同样采用阀岛形式的电磁阀控制, 可以实现自由分区控制。
2.4 新型设备主要参数设计计算
2.4.1 基本参数
因为大臂长度很长, 所以对主机座上减速机的精度要求很高, 减速机的齿隙误差Δω越小, 大臂端部吸盘架的移动误差Δs越小, 通过下述公式代入减速机误差进行计算
代入设计时初选的L=1 600mm, 假设Δω=10arc min, 可得Δs=5.8mm, 误差数值很大, 将Δω降到1arc min时, Δs=0.58mm, 所以应选用减速机的齿隙误差Δω越小越好。
经过市场考察, 用于机器人的精密RV减速机可以满足此种应用要求, 其最小齿隙误差可以做到0~1arc min。
根据2.2节中结构设计初步估算的各个数据来核算减速机的大小, 按照大臂水平时系统最大静载考虑。大臂水平静载状态受力, 如图2所示。其中:M1为吸盘架总重量 (kg) ;R1为吸盘架相对于主减速机的偏心距 (m, R1=L) ;M2为两个大臂总质量 (kg) ;R2为两个大臂相对于主减速机的偏心距 (m, R2=L/2, 按照大臂质量分布基本均匀考虑) ;J为吸盘架和大臂作为整体相对于主减速机轴的转动惯量 (kg·m2) ;g为重力加速度 (N/kg) 。
已知设计目标堆垛周期t=5s, 一般取板时间t1和放板时间t2没有太大变化, 可根据以往经验确定, 取t1=t2=1s, 则有:
大臂转动角度α2的运动时间 (s)
根据大臂的运动时间t3, 确定加速时间t4 (减速时间相同) 。
大臂最大转速 (r/min)
大臂的角加速度 (rad/s2)
2.4.2 加速过程参数计算
根据上述公式得出需要的数值, 再进行下一步加速过程计算, 如下:
加速力矩 (N·m)
重力偏心力矩 (N·m)
合力矩 (N·m)
折算到单个主减速机输出端的加速力矩 (N·m)
单个主减速机输出端的最大径向力 (N)
根据上述公式得出的加速力矩值T1选择满足力矩要求的减速机型号, 选择不同的速比i1, 代入下述公式进行计算, 选择减速机效率η1=0.9, 则折算到主减速机输入端的加速力矩 (N·m)
由减速机样本, 可得主减速机的空载力矩T3 (Nm) 。
主伺服电机的最高转速 (r/min)
主伺服电机角加速度 (rad/s2)
主伺服电机自身转动惯量为Jm (kg·m2) 。
主伺服电机克服自身转动惯量加速的力矩 (N·m)
主伺服电机在加速时总输出最大力矩 (N·m)
根据伺服电机的最高转速n2, 在伺服电机样本中选择不同规格的伺服电机, 将参数代入式 (21) 、式 (22) 中, 查看该规格伺服电机参数是否满足计算结果。
2.4.3 相关校核
2.4.3. 1 惯量比
为保证系统在加减速过程中稳定运行, 负载惯量和驱动惯量应相互匹配, 由样本可得减速机自身转动惯量Jg (kg·m2) , 则负载惯量与驱动惯量的匹配值
一般取λ=1~3, 系统运行处于最佳状态。
2.4.3. 2 过载能力系数
为保护减速机不受伤害, 减速机的过载能力应满足要求, 由样本可得伺服电机的最大输出力矩Tdm (N·m) 、减速机的紧急制动力矩Tj (N·m) , 则减速机的过载能力系数
过载能力系数k>1时, 减速机满足过载要求, 如果k≤1时, 则需要限制伺服电机的最大电流来保护减速机。
2.4.3. 3 膨胀螺栓计算
设备通过膨胀螺栓将主机座固定于生产车间的混凝土地面, 需要计算膨胀螺栓的数量和尺寸, 根据前文已知主机座上减速机输出端负载扭矩T1, 根据主机座相关数据进行计算。
已知:主机座重量M3 (kg) ;最外沿膨胀螺栓距主机座中心线距离Sp (m) ;主机座受到扭矩Tp=T1 (N·m) ;最外沿膨胀螺栓作用于主机座底板的合力F1 (N) ;中心处膨胀螺栓作用于主机座底板的合力F2 (N) 。
取板状态时, 对主机座进行受力分析。主机座受力如图3所示, 则有
将计算结果放大一定的安全系数, 取1.2~1.5倍;选择膨胀螺栓的尺寸, 合理布置膨胀螺栓的位置和数量。
2.5 新型设备吸盘架驱动选型计算
吸盘架驱动由一台伺服电机和一台行星减速机组成, 其设计计算方法与主驱动完全相同, 将相关参数代入前述公式中即可根据结果选择合适的减速机和伺服电机。
2.6 新型设备计算机辅助校核设计
该文只讨论快速堆垛机的设计方法, 关于该设备的计算机辅助校核设计, 此处不再赘述。
3 结语
该文介绍了一种多功能平板玻璃快速堆垛机的设计理论和计算方法, 通过市场调研, 对其方案设计、结构设计、主要零件分析、系统配置选型等设计过程进行了检验论证。该新型设备的设计过程, 可以用于各种类似应用环境下的设计参考, 以进一步提高设计效率, 保证最终设计结果的准确性。
该快速堆垛机大大提高了玻璃堆垛效率和精度, 提升了产品质量, 填补了国产高端玻璃堆垛设备的空白, 对国内玻璃堆垛设备的设计制造水平有很大的推动作用, 已基本达到国际先进水平。该新型设备具备响应速度快、堆垛速度快、堆垛精度高等特点, 可用于取代常用堆垛设备。
参考文献
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堆垛机货叉选型分析 篇2
高架立体仓库是自动化物流系统的重要组成部分。在高架立体仓库中,如何才能在空间不变的情况下储存更多的物料,提高储存能力,达到节省土地、增大储存量、减少投资的目标?其中,巷道堆垛机货叉的选型(存取货物方式)对于高架立体仓库的储存能力起着至关重要的作用。
在高架立体仓库中,堆垛机和货架构成了密不可分的系统,选用什么样的堆垛机货叉,就应选用与之相匹配的货架。在堆垛机和货架确定后,储存货物的方式也就确定了,因而高架立体仓库的储存能力或密度也就确定了。所以堆垛机货叉的类型决定了立体仓库的储存能力(储存密度)。下文分析了堆垛机不同货叉类型的应用特点。
1. 普通货叉
传统的巷道堆垛机通常采用三级货叉来对货物单元进行存取。这种普通货叉的结构形式要求在货物单元下面留出足够空间(150～200mm)供货叉(100～20mm)伸缩。伸叉占用的空间,货物单元不能进入,同时货物单元上面与货架横梁之间也应留出货叉微升微降的空间,而货叉的挠度也占用一定的空间,这样就降低了立体仓库在高度方向的货物储存密度(见图1、图2)。
2. 推拉式货叉
为了实现货物高度方向上密集排布,充分利用空间,需要对高架库堆垛机的货叉及货格托盘的存取方式进行重新设计。为了利用好货叉伸缩占用的空间,一种无伸缩货叉的推拉式巷道堆垛机应运而生,由于没有货叉的微升、微降,每一层货物可在高度上减少近150mm,使空间得到了很好的利用,提高了立体仓库的储存密度。
推拉式巷道堆垛机的取货方法是:在货叉上设有链式滚轮推拉装置,左右微伸、微缩,滚轮接触到货箱后,链式滚轮转动,滚轮通过拉动货物单元货箱上的沟槽或拉环,在链条的带动下往复运动,从而实现了货箱的推拉运动,即存取作业。其原理见图3,实物照片见图4。
3. 双深式货叉
通常,一台堆垛机负责左右两排货架货物的存取。而对于立体库物料流量不大,存储的品种不多,但要求储存量较大的情况,巷道堆垛机可采取五级双深式货叉方案。该方案可用一台堆垛机负责左右各两排货架(即共四排货架),堆垛机巷道宽度不变。这比常规方案节省一台堆垛机和一个巷道空间,提高了立体仓库的储存密度(见图5)。
双深位伸缩货叉具有独特的构造,可以装卸四排货架(左右各两排)上的货物,提高立体仓库的空间利用效率。换句话说,双深位伸缩货叉可以达到很大的叉程,最大叉程/叉长比大于2.0,远远超过单深位伸缩货叉。
四级或五级双深式货叉的结构比较复杂,要求制造精度高、货叉的整体刚性和强度好,比三级货叉的制造费用相对高一些。同时,为了躲避货叉,靠近巷道两侧货架牛腿与牛腿之间留的空间要大一些,但由于节省了一台堆垛机和一个巷道,整个立体库的总造价还是降低了很多(见图6、图7)。
4. 三深式货叉
这是一款为客户定制的伸缩货叉,有四个可移动叉,比双深位货叉还要多一个。
三深式货叉结构特殊,叉程/叉长比非常大,最大叉程很长。此款货叉用于三深位存储或者需要挠度偏差小的双深位存储。可移动叉的宽度为175mm,可移动叉的总高度为235mm,合理叉程内的载重为1000kg (见图8)。
无论是双深还是三深货叉结构,适用于储存的物料品种不多,但在库存量要求较大的情况下,常用于药品、饮料、牛奶、矿泉水、油漆等成品仓库。
5. 单皮带式、双皮带货叉
皮带式系统和货叉的驱动部分相互独立,皮带式系统可以不通过货叉动作来搬运货物。皮带和伸叉是复合运动,节省空间和时间,出入库频率相当快(见图9、图10)。
皮带式系统通常和迷你载重货叉配合使用,不适合重型货叉。主要适用于小于50kg的货箱。
除了单皮带系统,还有双皮带系统,其驱动单元相互独立,可以同时装卸两组货物单元(见图11、图12)。
6. 单深夹持式货叉
对于重量比较轻、体积比较小的周转箱,在牛腿式货架上排列比较密,要求货叉的伸缩速度快、定位准确。此结构货叉的主体是可往复运动的传送带,两侧的夹持机构实质上是两个可伸缩的三级普通货叉。取货物时,夹持货叉首先伸入货架,夹持住货箱的两侧,在收回货叉的同时,主体货叉的输送带启动,将货箱带回。送货物动作相反。此结构货叉没有微升微降的动作,减少了货架与货箱之间的空间(见图13)。
该系统用于箱式存储的单深位自动化立体仓库,与箱子的尺寸和重量密切关联。如果采用两叉间距可变的移动系统,可以同时叉取从200～700mm宽度不同的箱子,最大重量为50kg/箱,这款设备的一个动作周期可以小于5秒(见图14)。
7. 双深夹持式货叉
该系统用于双深位箱式存储的自动化立体库。货叉中部和端部分别有定位沟,同时隔开两个箱体。系统与箱子的尺寸、重量和材料密切关联:采用两叉间距可变的移动系统,可以在一个巷道内叉取从200～700mm宽度不同的箱子,最大载重为50kg+50kg。这款设备的一个伸缩周期可以小于6秒(见图15)。
8. 两叉间距可变货叉
两叉间距可变系统即两个叉体之间的间隙是伸缩可调的,两个叉中间的距离可以根据不同列、不同层高,而根据托盘尺寸的大小调整。该设备特别适用于在同巷道内有多种尺寸托盘的立体仓库(见图16)。
9. 自提升货叉
自提升货叉一般用于当伸缩货叉固定在货台、AGV或者其他相似的不带提升装置的搬运设备上。
自提升系统有多种类型,不同的重量对应于不同的提升高度,所以基本上所有的伸缩货叉都可以配置一套自提升系统。最大的垂直提升距离相对于不同的设备而不同,也和货物的重量密切关联,适当的距离为120mm (见图17)。
1 0. 卷状物货叉
卷状物货叉是在普通货叉的基础上进行技术改进得到的,是可以叉取卷状货物的伸缩货叉。因为货物很重,需要设计增强型的卷状物货叉。如造纸行业、布料行业、地毯、地板革等卷装物品可以用此类货叉(见图18、图19)。
结论
堆垛机安全机构的设计 篇3
随着中国经济的高速发展,物流配送中心和自动化立体仓库的需求量越来越大,而巷道堆垛机是自动化立体仓库的核心设备。作为一种起重机械,它在又高又窄的巷道内高速运行,为避免对人身及设备造成威胁,堆垛机必须具备一套完善的硬件及软件安全保护措施。
1 堆垛机的机械保护
1.1 堆垛机做的是三维运动
水平方向由行走机构带动整台设备沿着轨道方向运动,因此在轨道终端设置了水平机械限位装置,这种装置一般在金属结构的上下横梁两端安装橡胶缓冲器或液压缓冲器,在轨道终端装有机械死挡,一旦堆垛机失控,能起到缓冲作用,避免堆垛机冲出轨道造成人身及财产损失。
在垂直方向主要是载货台做上下运动,因此在立柱上下两端也装有橡胶缓冲器,以免载货台超出它的上下限,造成设备损伤。
另外,载货台带着货叉机构在垂直方向做水平的伸缩运动,除了为货叉设置机械限位以外,为了防止货叉伸缩时卡住或遇障碍物损坏电机,还在货叉的传动装置上设置了力矩限制器,当货叉超载时,传动轴打滑,电机空转,从而保护了货叉电机。
1.2 松绳过载保护
当起升钢丝绳由于某种原因使其张力超过有货满载荷值的25%以上或小于无货空载荷的75%以下时,过载与松绳保护装置(超载限制器)将动作发出信号,及时断电停车。钢丝绳的松绳过载保护装置采用弹簧滑块式机构,其工作原理是:由于钢丝绳张力的变化引起弹簧伸缩带动滑块位移并碰撞行程开关以控制电动机断电,从而起到保护作用。
1.3 限速器和安全钳
为防止由于链条或钢丝绳全部折断,或由于载货台超载严重而发生的载货台坠落事故,需要在堆垛机设计时考虑限速器和安全钳装置。
限速器是速度反应和操作安全钳的装置,当载货台运行速度超过限定值时,限速器产生机械动作,由于限制器的作用,使装在载货台吊架上的安全钳的楔块制动机构在杠杆和弹簧等的作用下钳住前后升降导轨,制止载货台下落并将其支持在升降轨道上,以保证现场人员与货物的安全,如图1所示:限速器安装在堆垛机上方,限速器绳由安装于下横梁上的张紧装置予以张紧,限速器动作时通过提拉连杆机构将活动钳块上提,与导轨接触并沿斜面滑槽上滑,导轨被夹在活动钳块与静钳块之间,形成自锁,从而防止载货台向下坠落。限速器绳应选柔性良好的钢丝绳,直径不小于6mm,安全系数不小于8。
1.限速器2.限速器绳3.静钳块4.活动钳块5.连杆机构6.导向装置7.张紧装置8.弹簧9.碟形弹簧
安全钳装置安装在载货台的垂直吊架上,由钳座、碟形弹簧、静钳块、弹簧活动钳块、滑槽等组成,其最大的夹紧力由碟形弹簧决定,弹簧用于安全钳释放时钳块复位。
2 堆垛机的电气保护
2.1 水平运行强制换速及限位保护
水平运行强制换速开关一般装于金属结构下横梁上,装于地面的检测片设于运行行程两个终端限位之前,当自动或手动失误,堆垛机仍在高速运行时,通过此开关强制换成低速,防止惯性太大和冲击震动。
水平限位开关一般装在下横梁一侧,一般采用行程开关,撞尺设于两运行终端,当堆垛机进入紧急停止状态时,迅速切断电源,使机械停止运转并发出水平紧急停止报警信号。
2.2 起升下降运行保护
在金属结构立柱的上下终端处,装有撞尺,在载货台上设有行程开关,阻止载货台升降超过上下极限位置,一旦出现紧急停止状态时,切断电源并发出升降紧急停止报警信号。
同样的,在载货台上装有强制换速开关,以用来强制减速载货台上升或下降时的速度。
2.3 货叉伸缩电气保护
一般在货叉上设置左右驱动开关来控制货叉的伸缩方向,同时还设有上叉保护,在确认上叉已经收回的情况下,堆垛机才会运行,避免货叉没有收回碰到货架或货物。
3 结束语
浅析托盘堆垛车技术发展方向 篇4
托盘堆垛车适用于狭窄通道和有限空间内的作业,是仓储物流行业的理想工具。目前国内外生产托盘堆垛车企业很多,功能基本上大同小异。但是由于仓储物流过程中一些特定的操作特点,使得托盘堆垛车的细微功能及结构设计差别会影响到其作业效率及安全。随着用户的使用体验和技术的发展,托盘堆垛车的技术呈现出了几个较为清晰的发展方向,本文结合实际操作特点,来浅谈托盘堆垛车的技术发展方向。
提高作业效率
影响堆垛车操作效率的因素主要有车辆行驶速度、货叉升降速度以及操作方便性。
行驶速度受电机功率、安全、标准及经济性等方面制约,设计时要综合考虑各方面因素。目前,较合理的空载行驶速度为6km/h (步行式)和10km/h (站驾式),满载速度为5km/h (步行式)和8km/h (站驾式)。
货叉升降速度是影响作业效率的另一重要因素。货叉起升速度受到电机功率、电控技术以及经济性等方面的制约,而出于安全性考虑,货叉下降速度不能过快。
货叉的起升和下降是托盘堆垛车实现存取货物的2个基本功能,使用也最为频繁。叉装时,由于堆垛车货叉高度一般在55～70mm之间,而标准托盘的叉槽高度在89～100mm之间,因此货叉在进入托盘时距离叉槽上下两侧只有不到10mm,需要有很高的操作精度。目前,国内的堆垛车设计基本都是采用微动开关控制电机的启动和电磁阀的启闭,来实现货叉升降。由于电机断电后存在短暂的延时,因此开关接触时间以及电磁铁吸合时间并非十分精确,使得货叉的移动距离过长且不可控,特别是空载起升和重载下降,单次移动距离可能超过30mm。这种现象会导致货叉一次很难调整到位,影响作业效率。同时对于多层货架,若存放的货物和上层货架框间隙较小,易导致存取货物时货叉或货物碰擦货架,从而引发安全事故。起升下降功能采用泵控或阀控的形式,通过操作模拟开关可实现货叉升降的无级调速,做到精确定位,提高作业效率和安全。
提高操作性能
门架视野开阔、货叉控制精准、操作轻便、故障自检等,都能减少操作员疲劳、提高工效性,使车辆易于操作。
在操作托盘车存取货物时,除了货叉的定位精度,驾驶员的操作视野也会影响作业效率及安全。在设计上有许多方法可对视野有所改善,比如在叉尖涂上醒目的颜色(如图1),货叉及叉架体设计上采用镂空设计。这样在进行第2层作业时不会出现因叉架板挡住驾驶员视线而无法判断货叉位置的状况。(如图2)。
提高灵活性
提高堆垛车灵活性的目的是提高其对狭小空间的适用性,具体措施有两点,一是减小最小通过宽度和最小转弯半径,二是减小车身宽度和纵向尺寸。以杭叉集团的1.2t A系列堆垛车为例,其车身宽度L1一般为800mm左右,货叉长L3一般为1150mm左右,可以靠设计和改变空间布置等措施来缩小的只有纵向尺寸L2,而纵向尺寸(包括L2和L3)直接影响最小转弯半径及堆垛车的纵向稳定性,如图3所示。在通道宽度比较小的场所进行90°转弯时,车辆外形尺寸尽可能小,货叉长度不要超过托盘的长度,以尽可能减小车辆的转弯半径,满足行驶安全。
车辆正常行驶时,手柄一般必须向车尾方向倾斜一定角度,此时手柄可能会超出车辆转弯半径范围,导致操作者被挤压在车辆和货架之间,引发安全事故。为此,有些车辆设计了直立行驶功能,在手柄直立的状态通过按住一专用的按键同时操作加速开关,能够控制车辆的行驶,从而能够完成狭窄通道车辆的转弯。
增强安全性
随着堆垛车在各个领域中的广泛使用,堆垛车安全问题显得越来越重要,保证操作员的安全是设计人员需要考虑的重要问题。安全性包括操作员人身安全和堆垛车安全保护。堆垛车在设计中已为操作员提供了最大的安全系数,并将堆垛车的损害风险降至最小。电控技术的发展与运用,使堆垛车安全性研究向智能化方向发展。如紧急反向、感知系统、踏板护栏互锁限速、起升高度限速等技术的运用,进一步保证了堆垛车的安全性。另外,多速度模式功能的设计运用也在一定程度上提高了安全性,如在空间狭窄的情况下,可采用龟速模式,提高操作精度,增强安全性。
注重外观设计
客户在使用电动堆垛车时,对车辆的外观要求也越来越重视。良好的外观设计可以提高操作人员的操作效率。大坡面、软硬线条结合配以富有特色的色彩搭配,使堆垛车的造型更加简洁美观,富有肌肉感。虚拟样机设计和三维实体造型等先进设计手段和制造技术的运用,使堆垛车造型越来越具有新意和特色。
快速堆垛论文 篇5
某生产线的桶装成品搬运堆垛, 目前主要由人工驾驶行车来完成, 5个成品堆垛成一组, 然后手工对此成品组按集装箱要求捆扎。这种人工搬运堆垛作业, 造成行车频繁启动使行车部件磨损加剧, 易发生故障, 且劳动强度大, 工作效率低。近年来, 随着企业生产规模的扩大, 这种人工搬运堆垛方式已不能满足生产的要求;同时, 重型桶装成品主要出口到国外, 外商对成品包装物的外观要求严格, 桶面不能有碰伤、掉漆、变形等缺陷。为此, 研究开发了一种自动搬运堆垛机器人。该机器人具有不损坏成品桶表面油漆、桶盖开启定位销、能按海运装集装箱规格的要求进行堆垛捆扎、价格便宜等特点。
1 系统整体设计
根据需求, 要将辊道输送线上的成品桶在不损坏表面油漆及桶盖开启销的前提下, 搬至承桶平台上的包装箱堆垛并打捆, 该包装箱是一正方形木框, 桶的放置位置如图1所示, 桶与桶之间要有一定的空隙用来插入木条以防止碰伤, 桶上的插销不能摆放在包装箱的对角线上, 也不能使插销朝外, 因为在进行捆扎装集装箱时容易将插销碰坏。桶的直径为420 mm, 高为500 mm。参考工厂中行车的行走机构及起重机械的结构, 设计了一种重型桶装物品专用的搬运堆垛机械, 其中, 行车的行走主要采用液压缸活塞杆的伸缩实现。
2 系统设计原理
当辊道输送线上的桶被输送并碰到橡胶挡条时 (橡胶挡条被设置在输送线的终端) , 为了使桶停留在输送线的中心, 设计了一个类似漏斗状的铁皮, 其漏斗出口正好对准输送线的中心, 这就精确保证了桶的停留位置 (设该停留位置是位置0) 。包装箱的位置也被精确定位 (设其中心位置是位置1) 如图1所示。由于包装箱的对角距离大约为1 500mm, 考虑到行车的行程及搬运速度, 位置0与位置1之间的水平距离定为2 000 mm。为了固定提升机构及行车的行走机构, 设计焊接了一立方体形框架, 四面都是空的, 各棱边用铁柱支撑, 顶面焊接了两条水平行走导轨 (X方向) 。行车的移动是通过液压缸活塞杆的伸缩实现。因此, 要实现X方向的移动必须由液压缸来驱动。行走机构移动到位置0的正上方, 通过液压缸的伸缩下放抓夹机构, 下放一定距离后, 通过步进电机驱动抓夹机构转动, 抓夹机构上装有一竖直细铁丝, 当竖直细铁丝碰到桶的插销时, 抓夹机构上的步进电机失电, 停止转动。然后, 液压缸提升, 通过提升机构的自身重力夹紧桶上提, 上提到一定高度后, 步进电机通电旋转, 当碰到固定在液压缸上的挡铁时, 步进电机失电停止转动, 此时的桶位置即是摆放位置, 然后水平移动到摆放位置正上方放置。这就完成了一次搬运过程。当行车返回搬运第二个桶的同时, 包装箱下的旋转机构驱动使其旋转90°, 等待第二个桶的摆放。以上的行走机构移动到位均是通过安装行程开关, 并应用PLC实现精确控制的。桶的摆放顺序依次为图1中的1, 2, 3, 4, 5。
3 系统机构设计
整个系统可分为行车的行走机构、提升机构、抓夹机构、包装箱的旋转机构及一些辅助安装的行程开关等。
3.1 行走机构
行走机构 (见图2) 主要包括行走小车和驱动液压缸两大部分。行走小车的停止完全由行程开关限定, 当液压缸推动行走小车向左移动一段距离后, 碰到行程开关, 此时电磁阀断电, 液压缸停止供油, 行走小车停止移动, 这是行车的左极限位置。因此, 必须在图1位置0的正上方设置行程开关1, 确保抓夹机构的抓夹位置。当抓夹机构抓紧桶后, 提升并旋转使插销符合摆放位置, 此时液压缸排油收缩, 拉动行走小车向右移动, 到达位置1的正上方, 碰到行程开关3, 使行走小车停止, 这就是行车的右极限位置, 左、右极限位置相距2 000 mm。要摆放中心左边的桶时, 由于桶与桶之间的中心距是450 mm, 因此要在距右极限位置的左边450 mm位置处安装一个行程开关2。由于在包装箱底下有一旋转机构, 每次使其旋转90°, 所以, 无须再另外安装行程开关。
3.2 提升机构
提升机构 (见图3) 主要是由垂直固定安装在行走小车正下方的液压缸所组成, 它起到上下提升桶的目的。
3.3 抓夹机构
抓夹机构 (见图3) 主要由步进电机、旋转桶、旋转齿轮、X形抓手、顶销、悬挂细铁丝、刚性弹簧等组成。当行走小车移动到位置0的正上方时停止, 提升机构的液压缸推动抓夹机构下放到一定距离, 步进电机通电驱动旋转桶旋转, 使得悬挂细铁丝与桶上的插销相碰, 此时, 步进电机失电停转, 提升机构的液压缸继续相下推进, 顶销压住桶顶盖, 液压缸停止下移开始提升, 靠重力实现桶的夹持, 在细铁丝底部要安装行程开关。
3.4 包装箱的旋转机构
包装箱的旋转机构 (见图4) 主要由齿条、驱动液压缸、棘轮及一些辅助机构等组成。由于要使包装箱每次旋转90°, 因此棘轮设计成4个均布棘齿。当液压缸收缩时, 拉动齿条向右移动, 齿条带动棘轮一起旋转90°, 然后液压缸活塞杆向外推进使齿条向左移动, 由于齿轮外圈与棘轮是空套的, 因此它不会与棘轮一起旋转。
4 结束语
重型桶装成品搬运堆垛系统具有价格低廉、搬运堆垛速度快、效率高、操作简便等特点, 现已成功配备在桶装成品搬运堆垛生产线上, 使用效果良好。
参考文献
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堆垛起重机装焊工艺 篇6
该起重机桥架结构件主要由主梁、端梁、联结梁、滑导架、平台等部件组成, 结构形式如图所示, 两主梁中间由四个联结梁与主梁腹板高强螺栓相联, 中间四个联结梁起到增加主梁刚性, 板坯起吊平稳的作用, 端梁与主梁腹板上面、侧面高强螺栓相联, 两侧配有车轮滑向装置, 在厂房轨道装置上滑行, 主梁两侧八个滑导架与主梁平台高强螺栓相联, 每对滑导架中间有一个起吊板坯滑移装置, 使得板坯起吊后, 能够上下移动。
桥架结构主要特点分析:主梁通过螺栓联接分别与端梁、联结梁、滑导架相联, 联结处比较多, 且联结处结合面均需加工, 焊接工艺需要考虑机械加工工艺设备能力, 结合面相关零件如果装焊前加工、配钻, 焊接工艺应考虑焊接变形、起吊翻梁变形的控制, 保证结合面的平面度及配孔零件孔的同心度;端梁与主梁腹板上面、侧面高强螺栓相联, 两侧装有车轮滑向装置, 所有结合面均需焊后加工, 端梁的装焊及在桥架架装位置需要精确控制;滑导架中间有一个起吊板坯滑移装置, 滑导架的装焊及在桥架架装同截面错位差、高低差需要精确控制;主梁高度为2250mm, 滑导架高度为2700mm, 桥架如果正装, 主梁至少架高2700mm, 主梁找正后装焊相关部件, 这对装焊工人操作及厂房空间能力提出很高的要求, 检验人员测量相关尺寸也较为困难, 桥架倒装能够解决这些问题。
1 桥架架装
1.1 整体方案
主梁、端梁、联结梁及滑导架 (不包括联结板部分) 单部件装焊, 桥架整体架装定位焊接, 金工在桥架架装好后整体画线, 桥架拆装, 单部件焊接完成后送金工车间加工。
1.2 主梁倒立找正
两根主梁倒立, 对主梁与滑导架联结板相联结合面处找平, 八个结合面处高低差控制在5mm之内, 同时考虑主梁的垂直偏斜, 水平偏斜, 对角线差, 跨距、轨距, 将主梁找正。
1.3 联结梁装焊
联接梁两头联结板与主梁腹板零件配钻孔, 加工结合面, 联接梁单部件装焊, H型钢两头留有工艺余量, 主梁找正后, 根据桥架H型钢开挡位置尺寸, 将H型钢两头工艺余量切割, 打磨光滑后进行定位焊接, 桥架拆装后, 联结梁按图纸要求焊接。
1.4 端梁装焊
端梁部件与主梁联结板零件由机械加工厂整体配钻孔, 加工结合面后用工艺螺栓把在一起, 两根主梁倒立确定位置找正后, 将带有主梁联结板的端梁架装于主梁两侧, 各项指标值定好位后, 进行焊接, 主梁腹板与联结板坡口打底通焊, 桥架拆装后, 主梁腹板与联结板按图纸要求焊接。
1.5 滑导架的装焊
滑导架联结板与主梁平台联结板单零件跨金工配孔、加工结合面, 后用工艺螺栓把在一起, 主梁单梁装焊时将配有滑导架联结板的平台装焊 (主梁平台施焊对主梁各项控制关键指标值的影响可在主梁中修正) , 两根主梁确定位置倒立找正后, 将滑导架立于主梁平台及滑导架联结板上, 进行定位焊接, 桥架拆装后, 滑导架按图纸要求焊接。
2 设计要求更改
2.1 主梁跨距为26550mm, 截面尺寸为630mmx2250mm, 上下盖板为35mm, 主腹板为60mm、15mm, 副腹板为50mm、15mm, SIEMENS-VAI设计要求为无上拱, 考虑到梁的自重、梁的刚性及承载后的下挠, 焊接工艺提出设置上拱值要求, 经设计计算单梁自重下挠值为12mm, 焊接工艺予制值为20mm, 单梁交检控制在12-16mm之内。
2.2 主梁盖腹板设计时要求角焊缝焊角高度为10mm, 考虑主梁盖腹板板厚较厚且此焊缝为关键受力焊缝, 焊接工艺提出如图3右更改后联结焊缝, 且对有效焊肉进行100%超声波探伤, 焊缝内部质量达到GB/T10559Ⅰ级要求。
2.3 主梁的副腹板侧开有Φ150mm手孔, 用于联结梁与主梁主腹板联结螺栓拆装, 主梁截面尺寸为630mmx2250mm, 主梁平台立筋尺寸为-50x890-2005, 实际操作过程中由于空间尺寸所限, 不能够在主梁的副腹板侧将联结梁与主梁主腹板联结螺栓拆装, 焊接工艺提出在主梁的副腹板侧恰当位置开出Φ500mm人孔, 外封一孔盖的工艺方案, 经过设计计算, Φ500mm人孔影响主梁刚度不大, 能够满足钢板起吊使用要求。
2.4 滑导架联结板 (δ=35) 与其筋板 (δ=50) 联结时, 两外侧筋板与联结板无坡口平对齐, 设计要求角焊缝焊角高度为10mm, 滑导架虽然起板坯滑移装置导向作用, 但是外侧筋板与联结板施焊焊肉小、接头强度底且焊缝成型不好, 焊接工艺提出开坡口且增加焊缝角高的施焊方案。
3 装焊尺寸公差及检验控制
3.1 焊接装焊过程中控制滑导架与联结板的垂直度≤5mm, 主梁两侧滑导架的同截面错位差≤3mm, 八个滑导架的末端高低差≤5mm。
3.2 联结梁H型钢与相联法兰焊后横向收缩, 轨距方向装焊尺寸予放大3mm。
3.3 其余尺寸公差及检验要求按SFC2000、ISO13920 (GB/T19804) 、EN25817B (GB/T19418) 、TZS/K716-2002、TZS/K718-2004制造、验收。
4 总结
0209043ck (26t-26.55mm堆垛起重机) 采用以上装焊工艺, 检验控制要求, 单梁、单部件装焊及桥架架装拆装一次交检合格, 金工在桥架架装好后整体画线, 桥架拆装后单部件加工, 顺利完成了此起重机的生产、制造, 为同类起重机的生产、制造积累经验。
摘要：26t-26.55mm堆垛起重机钢结构尺寸外形较大, 尺寸公差要求较高, 主要部件的装焊工艺创新满足结构件尺寸公差要求及后续加工装配要求, 便于制造和检测。
关键词：桥架架装,装焊,尺寸公差控制
参考文献
[1]贾安东.焊接结构及生产设计[M].天津大学出版社, 1989.
小型堆垛机器人货叉的优化设计 篇7
20世纪70年代初期, 自动仓库技术由欧美和日本等国家相继引进我国, 从此我国开始研究使用巷道堆垛机器人式立体仓库, 这使得堆垛机器人得到了较快的发展[1,2]。国产堆垛机器人在其行走速度、噪音、定位精度等技术指标上有了很大的改进, 但是与国外著名厂家相比还有不小差距[3]。为实现物流的高效率, 必须提高堆垛机器人存取速度, 而降低堆垛机器人自重可减小由堆垛机器人质量引起的惯性载荷, 是提高堆垛机器人速度的有效方法, 同时降低堆垛机器人自重可降低堆垛机器人电机的功率节约能源。货叉装置是堆垛机器人的关键工作装置, 其主要完成货物存取工作。由于工作需要, 堆垛机器人货叉在收回状态下的长度要小于巷道的宽度, 但伸展后的长度却要大于巷道宽度。为了在保证货叉能够顺利存取货物, 并能满足结构紧凑和上述宽度要求, 货叉一般采用3级直线差动机构[4,5]。而优化设计是一种寻找确定最优化方案的技术, 其可在满足设计要求的同时保证支出最小[6]。所以对货叉可变尺寸进行优化设计, 可以在有效减小堆垛机器人自重的同时减小货叉由自重而产生的弯曲变形和货叉驱动电机功率, 达到货叉尺寸的最优设计, 有效节约资源与能源。
1 堆垛机器人货叉原理
货叉采用齿轮齿条差动伸缩装置, 实现行程倍增[7]。货叉结构原理简图如图1所示:主动齿轮6固定在中叉板7上, 齿条4固定在下叉板1上, 下叉板固定在载货台上, 中叉板通过滑轨和滚轮轴承2与下叉板连接, 上叉板8通过滑轨和滚轮轴承3与中叉板连接;当齿轮6转动时, 使得中叉板7在齿轮6带动下相对于下叉板1伸出;而从动齿条5固定在上叉板8上, 当齿轮6运动时, 由相对运动原理可知, 齿条5将带动上叉板8以2倍于中叉板7的速度相对于下叉板1伸出, 从而实现了上叉板相对于中叉板的行程倍增, 满足了货叉工作要求。
2 有限元模型建立与静力学分析
货叉主要构件的材料属性:弹性模量:206Gpa;泊松比:0.3;密度:7800kg/m3。其他构件的材料 (如轴承等) 均根据相应强度要求选择。
货叉其结构复杂, 在建立有限元模型的过程中必须对其进行相应的简化, 以提高有限元软件计算分析效率和计算精度。首先, 删除模型中的倒角、倒圆、直径较小的螺纹孔和小孔, 压缩小于5mm的凸台[8], 同时删除与分析过程无关或对分析过程影响较小的齿轮、轴承座等零部件。以上简化过程都是在保证简化过程不影响计算精度或对计算精度影响很小的前提下完成的。
货叉网格划分过程, 网格形式采用自动控制方法对货叉主体构件进行网格划分;在满足计算精度前提下, 单元尺寸由程序控制;最终生成56239个有限元单元。对下叉底面施加固定约束, 使其满足货叉实际工作情况。由于小型堆垛机器人货叉载货量较小, 所以货叉变形主要由货叉自重引起, 故对货叉各部件施加标准重力加速度9.8kg/m3。货物对货叉的作用力共100N, 以远程力的方式施加在货物重心处。至此得到货叉有限元模型如图2所示。
在建立货叉有限元模型的基础上, 对货叉装置发生最大弯曲变形的伸出状态进行静力学求解, 得到货叉装置在进行尺寸优化前的货叉整体变形图如图3所示。从图中可以得到货叉最大变形发生在上叉端部, 最大变形为0.026021mm, 小于设计许用值1mm, 满足货叉设计要求。
3 优化设计
在保证设计所要求的货叉长度、宽度等主要尺寸不变的情况下, 对货叉的上、中、下各叉的部分尺寸进行优化设计, 以货叉质量最小的同时保证货叉整体变形量满足设计要求为优化目标。货叉进行优化的构件的尺寸 (d 1、d2、d3、d4、d5、d6、d7) 如图4所示。
在上述静力学分析的基础上, 设置模型的设计变量为d 1至d7, 其在设计过程中为可变参数, 以货叉质量最小的同时保证货叉的最大变形最小为优化目标, 对优化变量进行求解。在本优化求解的过程中, 每次仅同时改变两个尺寸变量, 分别得出上、中、下叉优化结果。
已知设计变量d 1至d7的原始尺寸分别为8mm、8mm、6mm、6mm、6mm、10.5mm、11.5mm, 且其中d3与d4始终相等;货叉装置的原始质量为67.72kg。
在分析过程中, 为防止单一设计变量尺寸变化范围过大而产生累计效应, 使得最终各设计变量最优尺寸整合后的货叉装置变形量超过设计许用值, 设定上叉尺寸变化范围为原尺寸的20%, 中叉和下叉的尺寸变化范围为原尺寸的10%。从优化结果图谱图5 (a) 中可得到货叉最大变形量随着d1的增大而增大, 但随着d2的增加货叉最大变形量先增大, 当尺寸达到9mm时开始减小, 说明此时上叉刚度明显增强;对于中叉, 其最大变形量随各设计变量尺寸增大均减小, 但变化很小, 即其设计变量尺寸变化对货叉整体刚度影响很小;对于下叉, 货叉最大变形量随设计变量尺寸增大而减小, 且随d6的增大其最大变形量减小速度较快, 即d6对货叉整体刚度影响较大。从图5中可得到货叉不同位置尺寸变化对货叉刚度影响不同, 但最大变形值均小于0.03mm;而从优化结果图谱图6中得到货叉的质量均随设计变量尺寸的增大而增大。最终综合各设计变量尺寸与最小质量和最大变形量三者的关系, 考虑到优化过程中最大变形值均小于0.03mm, 所以取质量最小时的尺寸为设计尺寸, 得货叉最优化尺寸、质量与变形表, 如表1所示。
在按表1所得的优化尺寸再次建立货叉三维模型和有限元模型后, 重复静力学分析过程 (载荷及边界条件等均相同) , 从而得到货叉尺寸优化后整体变形图, 如图7所示。
从图7中可以得到在货叉尺寸优化后, 其整体最大变形为0.02361mm, 比优化前货叉整体最大变形减小了0.00241mm。且可以得到优化后质量为59.23kg, 比优化前减小8.49kg。
4 结论
从优化前后静力分析的结果对比中可以得出:小型堆垛机器人由于其载重量较小, 货叉装置的变形主要是由于货叉装置本身的自重导致。但是从优化过程图谱 (图5、图6) 中可知, 在货叉装置质量随设计尺寸变量减小而减小的过程中, 货叉的整体刚度是降低的。而最终优化后模型静力学分析结果的最大变形量较优化前的小, 是因为在本次优化设计变量尺寸变化范围内, 货叉自重因素对货叉的刚度影响较尺寸减小因素对刚度影响大。而本次优化分析为保证货叉留有足够的额外载货量, 进而设定设计变量的尺寸变化范围为10%, 没有去求解此小型堆垛机器人货叉装置的质量与尺寸的最佳匹配点。
小型堆垛机器人货叉经优化设计后, 质量减轻8.49kg, 从而有效降低了货叉电机与小型堆垛机器人主体电机的功率, 同时节约制造材料, 降低了该堆垛机器人制造与运行成本, 为其加工制造提供了理论依据和必要的设计参数, 也为相类似装置的设计提供了一种有效的设计方法。
参考文献
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