重载坐标式码垛机器人技术篇
2019/07/27 22:07:11
概述
随着我国城市化进程的加快，带动了建筑业的迅猛发展，使中国成为砌块（砖）等建筑材料的生产大国，长期以来砌块等建材企业一直属于劳动密集型产业。随着社会的发展进步，劳动力价值的提高，砌块、砖坯码垛这种繁重的体力劳动，迫切需要先进的自动化设备来完成。
重载坐标式码垛机器人，是一种先进、高效、智能化的砌块（砖）生产线上的码垛设备。其机械手和机身主体分别通过电控伺服系统及中心回转装置皆可实现在三维坐标内360°水平精准回转、机械手可垂直升降且可抓码多种异形建筑制品成方垛、采用对重质量平衡方式一次抓码载荷可达400公斤的重载码垛机器人，能完全满足砌块（砖）和其它相关行业的重载码垛需要。这种全新的码砖方式，必将取代结构复杂、体积庞大、效率低下的传统经纬式码垛设备，在砌块装备行业率先引入码垛机器人，属于行业国际领先，具有极高的推广价值，市场前景非常看好。
技术原理
重载坐标式码垛机器人完全改写了混凝土砌块（砖）等建材行业重体力人工码垛和传统的码垛机器的庞大及繁杂的经纬码垛方式的历史。使得智能高效、灵活精确，并具有高效及高度可靠功能的机器人，使全新功能的码砖作业方案成为现实。本重载坐标式码垛机器人：系含有伺服电力驱动的机械式智能机器手，其通过电子传感器与照像可视系统功能，能够按照计算机的智能程序精准的完成其指定作业位置及其连续轨迹位置。是能够模仿人类的手与臂的某些动作机能，用以通过程序指令完成抓取，搬运物件作业的智能自动化机器装备。
基于传统经纬码垛工作周期长、结构庞大等缺点，研发的新型基于PLC模块控制的重载全回转智能码垛机器人系统，有效解决了经纬码垛机的不足之处，整个系统按其执行原理及功能分为：主体中心360°回转，快速的对重质量平衡提升，360°回转的快速夹持系统、液压系统、PLC模块化电气自动控制。
a）主体中心360°回转原理：根据工作状况系统设置原点，PLC控制的伺服驱动高精度、高承载稳定的回转支撑机构，实现主体机构的360°自由回转，工作过程中通过电子传感器及照相可视系统反馈信号PLC及时纠正，保证码爪至理论位置在可控误差之内。
b）快速的对重质量平衡提升原理：要实现较重载的快速升降需消耗较大的功率，本机构在技术原理上采取如下几点将有效重载荷弱化：①通过两阶倍率机构实现载荷比例减半；②在主体型腔内配置特殊材料的对重平衡部分载荷；③采取直线滑动轴承减小摩擦阻力；同时选用驱动动力特制的重载电磁刹车装置，以其达到升降启停的迅捷平稳、无冲击。
c）360°回转的快速夹持系统：①在码爪上配置动力驱动回转支撑，实现码爪的360°自由回转，且码爪在主体回转时逆向自回转，避免了主体回转的惯量叠加，保证设备运作安全；②快速夹持爪选用液压作动驱动源，利用液压油的理论上不可压缩性，实现夹爪收放的准确性，且夹持力可调；通过调整信号位，既可拓宽夹持标的物范围；同时在有限狭小的空间里巧妙集成设置有四向齿轮齿条差动倍率机构及双向同步机构，有效的实现夹爪的双向同步快速伸缩。
d）液压原理：所有控制组件集中设备在液压站上成为独立单元，便于控制、调试和维修，系统设计了由计算机控制的电液比例溢流阀，在整个工作循环中可视码坯标的物工作制式设定不同的工作压力，同时通过电子传感器伺服反馈或手动设置系统保护压力；同时系统中的电加热器及风冷系统可将环境温度对工作的影响降到最低限度。
e）PLC控制原理：PLC模块控制、伺服、反馈、计算、参数设置、程序指令、控制原理图等。
项目国内外研究开发现状
经过对国内外市场调研和文献资料的检索查新，目前在国内外的坐标机器人中，还没有查询到就引擎电驱动方面含有“对重质量平衡”系统及电磁刹车装置的相关记录；在电力驱动机械式机器手类型机械方面还没有能够使机器人腕所承受在400公斤的重载指标（包含气动与液压式机器手重量）。
随着我国劳动力价值的升高，企业对技术进步的需求非常强烈，市场对码垛机器人的需求量和品种将逐年大幅度增加。目前，我国同国际市场需求趋势基本一致，即以机器人化的生产系统取代单台机器人，这是因为工业生产所用的机器人大多数是在生产线上使用，组成机器人化的生产系统，单台机器人很少使用。一般企业都不具备将机器人集成到生产系统的能力，因此对机器人的需求也就转化为对机器人及其自动化成套装备的需求。
我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，市场潜力巨大，发展前景广阔。
主要解决的关键问题
主要解决重载荷标的物的快速码垛，研发过程中的关键问题集中在结构及电气控制程序包两个方面：
1）、在结构上体现在一下几点：
a.底座回转支撑结构的使用，通过计算机3D技术，模拟数据量化分析，在底座连接处选用集成的高精度、高性能的回转支撑结构；
b.重载大偏距的升降支撑臂结构，采取理论计算及计算机3D技术分析，设计成强力直线传动导轨副滑块镶嵌式框架结构；
c.对重质量平衡系统装置重量体的位移自由平衡定向问题，确保质量平衡装置无障碍、对中自由升降；
d.机器人电子机械手双向快速同步收放，采用齿轮齿条差动倍率机构及同步机构。
e.为典型的笛卡尔坐标码垛机器人在水平回转方面，形成两个转动自由度，进而定量的建立起；水平直线运动轨迹的模型。
本坐标码垛机器人为全新开发的、具有自主知识产权的新产品，因此结构上均在计算机3D辅助设计基础上，每单元结构均进行了优化的设计。由于空间所限，对重平衡系统采用了特殊材料做为质量配重，且在技术上十分巧妙的将质量平衡系统植入至坐标机器人装备中，设计的平衡质量体系的精确定向单元，使质量配重单元能够上下轻松无碍自由移动；齿轮齿条差动倍率机构及同步机构，使得机械码垛手能够双向快速同步收放；强力直线传动导轨副滑块镶嵌式框架结构，保证重载升降自如；整台设备运转保证精确定位的技术要求同时达到了重载荷使用要求。由于采用了将前述“偏置连杆装置”植入“手腕”与码垛手之间的结构中，刷新了传统笛卡尔坐标码垛机器人设计观念，极大地扩展了其机器人水平作业的使用空间范围。
随着我国城市化进程的加快，带动了建筑业的迅猛发展，使中国成为砌块（砖）等建筑材料的生产大国，长期以来砌块等建材企业一直属于劳动密集型产业。随着社会的发展进步，劳动力价值的提高，砌块、砖坯码垛这种繁重的体力劳动，迫切需要先进的自动化设备来完成。
重载坐标式码垛机器人，是一种先进、高效、智能化的砌块（砖）生产线上的码垛设备。其机械手和机身主体分别通过电控伺服系统及中心回转装置皆可实现在三维坐标内360°水平精准回转、机械手可垂直升降且可抓码多种异形建筑制品成方垛、采用对重质量平衡方式一次抓码载荷可达400公斤的重载码垛机器人，能完全满足砌块（砖）和其它相关行业的重载码垛需要。这种全新的码砖方式，必将取代结构复杂、体积庞大、效率低下的传统经纬式码垛设备，在砌块装备行业率先引入码垛机器人，属于行业国际领先，具有极高的推广价值，市场前景非常看好。
技术原理
重载坐标式码垛机器人完全改写了混凝土砌块（砖）等建材行业重体力人工码垛和传统的码垛机器的庞大及繁杂的经纬码垛方式的历史。使得智能高效、灵活精确，并具有高效及高度可靠功能的机器人，使全新功能的码砖作业方案成为现实。本重载坐标式码垛机器人：系含有伺服电力驱动的机械式智能机器手，其通过电子传感器与照像可视系统功能，能够按照计算机的智能程序精准的完成其指定作业位置及其连续轨迹位置。是能够模仿人类的手与臂的某些动作机能，用以通过程序指令完成抓取，搬运物件作业的智能自动化机器装备。
基于传统经纬码垛工作周期长、结构庞大等缺点，研发的新型基于PLC模块控制的重载全回转智能码垛机器人系统，有效解决了经纬码垛机的不足之处，整个系统按其执行原理及功能分为：主体中心360°回转，快速的对重质量平衡提升，360°回转的快速夹持系统、液压系统、PLC模块化电气自动控制。
a）主体中心360°回转原理：根据工作状况系统设置原点，PLC控制的伺服驱动高精度、高承载稳定的回转支撑机构，实现主体机构的360°自由回转，工作过程中通过电子传感器及照相可视系统反馈信号PLC及时纠正，保证码爪至理论位置在可控误差之内。
b）快速的对重质量平衡提升原理：要实现较重载的快速升降需消耗较大的功率，本机构在技术原理上采取如下几点将有效重载荷弱化：①通过两阶倍率机构实现载荷比例减半；②在主体型腔内配置特殊材料的对重平衡部分载荷；③采取直线滑动轴承减小摩擦阻力；同时选用驱动动力特制的重载电磁刹车装置，以其达到升降启停的迅捷平稳、无冲击。
c）360°回转的快速夹持系统：①在码爪上配置动力驱动回转支撑，实现码爪的360°自由回转，且码爪在主体回转时逆向自回转，避免了主体回转的惯量叠加，保证设备运作安全；②快速夹持爪选用液压作动驱动源，利用液压油的理论上不可压缩性，实现夹爪收放的准确性，且夹持力可调；通过调整信号位，既可拓宽夹持标的物范围；同时在有限狭小的空间里巧妙集成设置有四向齿轮齿条差动倍率机构及双向同步机构，有效的实现夹爪的双向同步快速伸缩。
d）液压原理：所有控制组件集中设备在液压站上成为独立单元，便于控制、调试和维修，系统设计了由计算机控制的电液比例溢流阀，在整个工作循环中可视码坯标的物工作制式设定不同的工作压力，同时通过电子传感器伺服反馈或手动设置系统保护压力；同时系统中的电加热器及风冷系统可将环境温度对工作的影响降到最低限度。
e）PLC控制原理：PLC模块控制、伺服、反馈、计算、参数设置、程序指令、控制原理图等。
项目国内外研究开发现状
经过对国内外市场调研和文献资料的检索查新，目前在国内外的坐标机器人中，还没有查询到就引擎电驱动方面含有“对重质量平衡”系统及电磁刹车装置的相关记录；在电力驱动机械式机器手类型机械方面还没有能够使机器人腕所承受在400公斤的重载指标（包含气动与液压式机器手重量）。
随着我国劳动力价值的升高，企业对技术进步的需求非常强烈，市场对码垛机器人的需求量和品种将逐年大幅度增加。目前，我国同国际市场需求趋势基本一致，即以机器人化的生产系统取代单台机器人，这是因为工业生产所用的机器人大多数是在生产线上使用，组成机器人化的生产系统，单台机器人很少使用。一般企业都不具备将机器人集成到生产系统的能力，因此对机器人的需求也就转化为对机器人及其自动化成套装备的需求。
我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，市场潜力巨大，发展前景广阔。
主要解决的关键问题
主要解决重载荷标的物的快速码垛，研发过程中的关键问题集中在结构及电气控制程序包两个方面：
1）、在结构上体现在一下几点：
a.底座回转支撑结构的使用，通过计算机3D技术，模拟数据量化分析，在底座连接处选用集成的高精度、高性能的回转支撑结构；
b.重载大偏距的升降支撑臂结构，采取理论计算及计算机3D技术分析，设计成强力直线传动导轨副滑块镶嵌式框架结构；
c.对重质量平衡系统装置重量体的位移自由平衡定向问题，确保质量平衡装置无障碍、对中自由升降；
d.机器人电子机械手双向快速同步收放，采用齿轮齿条差动倍率机构及同步机构。
e.为典型的笛卡尔坐标码垛机器人在水平回转方面，形成两个转动自由度，进而定量的建立起；水平直线运动轨迹的模型。
本坐标码垛机器人为全新开发的、具有自主知识产权的新产品，因此结构上均在计算机3D辅助设计基础上，每单元结构均进行了优化的设计。由于空间所限，对重平衡系统采用了特殊材料做为质量配重，且在技术上十分巧妙的将质量平衡系统植入至坐标机器人装备中，设计的平衡质量体系的精确定向单元，使质量配重单元能够上下轻松无碍自由移动；齿轮齿条差动倍率机构及同步机构，使得机械码垛手能够双向快速同步收放；强力直线传动导轨副滑块镶嵌式框架结构，保证重载升降自如；整台设备运转保证精确定位的技术要求同时达到了重载荷使用要求。由于采用了将前述“偏置连杆装置”植入“手腕”与码垛手之间的结构中，刷新了传统笛卡尔坐标码垛机器人设计观念，极大地扩展了其机器人水平作业的使用空间范围。