2022-12-16 17:32
[导读]前言
随着现代社会对自动化物流设备需求的多样化、智能化，旧库房自动化改造、存储场地受限等传统自动化立体库物流系统难以满足需求。以桁架机器人为核心的物流仓储系统，在平面存储方式下以超高密度、高效率的存取技术可有效解决特定物流需求。
相较于传统物流系统，采用桁架机器人的物流仓储解决方案不需要货架、堆垛机、穿梭车、提升机等占投资成本较大的设备，同时生产所需空间仅为传统自动化立体库所需空间的一半，投资可显著降低，设备综合效率高，在节约设备资源、材料资源、人力资源的同时还提高了能源利用率，是一种良好的绿色与节能化物流工程，具有很好的社会经济效益和市场前景。目前，该平面密集仓储的堆场+机械臂式存储系统正在得到进一步研发和应用。
一、桁架机器人应用需求
1.1 项目功能要求
本文以某轮胎企业半钢成品自动分拣及自动上架的设计需求为背景，进行了桁架机器人在轮胎行业的应用研究，形成技术方案。该项目中有半成品及成品2种轮胎形式的缓存和拣取应用桁架机器人，分别存在于B区、C区和D区3个半成品厂区，以及一个F成品区。本文主要针对其中的C区开展设计研究。
工艺流程为半钢成品胎经输送系统输送至分拣区，自动扫码后按设定原则由桁架机器人自动存入对应区域；满足出货要求后，由桁架机器人取垛、搬运至出库输送线，即项目范围包括入库输送线、自动分拣入库、自动拣选出库、出库输送线等。
1.2 产品区域与参数
（1）半成品轮胎（不带轮毂）
半成品轮胎形式设有3个区，共划分8块存储区域，各块区域范围18m×10m，每块设有1台桁架机器人；轮胎内径为174～304mm，轮胎外径为380～510mm，轮胎厚度为200～295mm，单个轮胎质量为10～17kg。
（2）成品轮胎（带轮毂）
成品轮胎形式设有4个存储区，各区域范围为30m×10m，每区可设有2台桁架机器人；轮胎外径为380～510mm，厚度为200～295mm，单个轮胎质量为19～35kg。
（3）其他参数
仓库净高为6.8m，入库输送线高度为1.2m，出库输送线高度为0.7m，轮胎堆垛为8层，存储区轮胎间隙为100mm，桁架机器人定位精度≤1.0mm。
二、桁架机器人的系统组成与分析
2.1 桁架机器人的系统组成
桁架机器人由门架结构、X轴组件、Y轴组件、Z轴组件以及自动控制系统等构成。其中，3个运动组件为桁架机器人的核心组件，根据系统控制能快速存取指定货箱送到指定位置，实现密集存储、快速拣选的功能。桁架机器人类似于带有抓取装置的空中吊车，沿着门架运动。Z轴工作端配置抓具，可自由抓取物品货箱，搭载横梁实现前后左右行走，在由支柱围起的区域内直接堆放存储货品，进行立体垂直快速提取，实现货物的自动接收、入库、储存、拣选、分类、集货和发运等一系列工作。
水平轨道布置在垂直堆栈顶部之上，一直扩展到存储区域两端。1个或多个横梁横跨轨道沿轨道纵向运行，且每个横梁都有一辆小车沿横梁横向移动，2条输送线（如带式输送机）将货物运至或运出被安装了桁架机器人所在的工作区域。
桁架机器人的自动控制系统可提示机器人移动部件的位置，具有一定预先设定的极限值，如堆栈中允许的最多箱子的数量，一个堆栈最大允许的质量，货物浪费、老化或成熟允许的最大存储时间等。
2.2 技术难点分析
该项目中C区轮胎的入库量为21000条/d，初步计算出每块区域1个工作循环节拍约20s，在24h工作制下该桁架机器人设计的难点主要是速度快、定位精度高，进而增加了各向机构运行和控制的难度，以及轻量化设计下桁架强度、刚度、稳定性的平衡性设计难度。考虑厂家备品备件的互换性和便捷性以降低成本，抓具设计应尽量对2种轮胎形式具有适应性。因此，关键技术及难点有机械臂及抓具的设计、桁架机器人抓具系统对2种轮胎的适应性设计、高速桁架机器人的结构轻量化设计等。
三、抓具系统研究设计
抓具系统即桁架机器人的机械手，是机器人的核心关键功能部件，是桁架机器人抓取物品的动作机构，是最重要的技术难点。
3.1 自动存取货物的机械手
机械手（Z轴组件）是桁架机器人的抓具沿Z轴运行和抓取货物的执行部件，可实现桁架机器人Z轴的运行定位。机械手由垂直方向可运动的塔状框架或抓手构成，可自由地从上方移动到任何指定的货物单元目标堆，货物可被封闭在框架的内部空间或被固定在抓手之间。框架的内部装载空间或装载区格要求足够高，以便最高堆栈的货物亦可封装在其中。框架的顶端可以打开，使桁架机器人也可以运送高于框架的货物单元。框架给运送的货堆提供横向支撑，这样机器人即可相对快速地实现加速和减速，从而提高货物单元运输速度。机械手实现垂直向上移动，可水平通过仓库地面上货物堆放的最高位置的货物单元。
机械手的下端需要配有抓具或类似机构，以实现抓取指定堆垛的最低货物单元。通过每个货物单元设置规则的凸起、开口或类似支撑点，以确保抓具能够轻易找到一个可靠的抓孔来握持。机械手应具有一定适应性，通过尺寸规划使通过一个操作实现抓取和搬运更多储存在工作区域的货物单元，进而使在一次操作中运输货物单元比存储的单元更多。由此可提高桁架机器人系统的效率，并减小运输距离。
3.2 机械手抓具结构形式
是桁架机器人运动时抓取工件的执行机构，安装于桁架机器人机械手的下端。根据抓取货抓具品大小、质量、形状及工作节拍的不同，抓具的结构也发生相应变化。通过对国内外主要厂商在不同应用领域中桁架机器人抓具的研究，总结出抓具结构形式。目前，适用于物流仓储系统的桁架机器人根据不同的支撑方式，主要有横向支撑和横纵组合式支撑2种类型。
1）横向支撑结构
对于质量较轻、体积较小的货品，桁架机器人的抓具结构通常采用横向支撑的形式（见图1），即仅通过压紧力形成抓具指面和货品之间的摩擦力，夹紧物体并完成高速运行下的货物搬运。目前，该形式在饮料、酒品行业小型箱件的按行拣选均有应用。
图1 桁架机器人横向支撑抓具结构
2）横纵组合式支撑结构
对于质量较重、体积较大的货品，桁架机器人的抓具结构通常采用横纵联合支撑的形式，即通过货物单元设置的凸起、开口或类似支撑点，来确保抓具能够找到可靠的抓孔来握持（见图2），或通过货品顶部吸盘与全侧面夹持，或通过侧面夹持与底部承托的方式，完成货品的高速搬运。目前，该形式在饮料、生鲜、邮政的按箱整垛拣选（框架伸缩式）以及饮料的混码按层拣选（夹持式）中应用最多。
图2 桁架机器人框架伸缩式横纵支撑抓具结构
3）本应用项目抓具方案
综上分析并考虑轮胎的橡胶材质，本应用项目采用横向支撑结构形式，采用V形结构（见图3），通过压紧力形成的摩擦力完成轮胎的夹紧和搬运。其中，半成品轮胎通过抓具外侧的撑压完成搬运，成品轮胎通过抓具内侧的夹紧完成存取。
图3 轮胎存取桁架机器人抓具
四、桁架机器人的横梁结构研究设计
桁架机器人的横梁作为X轴运动中导轨组件、齿轮齿条传动等组件的安装底座，承载整个机械手的自重、机械手抓取的外部负载等载荷，其刚度、强度直接影响整个设备的定位精度，故横梁的设计是桁架机器人设计的关键。
对于物流系统的桁架机器人横梁结构，由于抓取的货物质量、尺寸均与应用于机床的桁架机器人横梁有较大区别，故横梁多采用钢板箱形梁或桁架梁结构。
桁架梁具有自重轻、材料省、造价低、风阻小、便于空间几何布置等特点，是建筑结构和大型机械结构中常见的结构形式。由于桁架结构本身结构复杂、构件多、制造自动化程度低、结构分析与设计困难，特别是结合机械和工程特点的优化设计一直是研究的热点。
通过对国内外主要厂商在不同应用领域中桁架机器人横梁结构的研究，总结出横梁结构形式。目前，适用于物流仓储系统的桁架机器人横梁结构主要有单梁和双梁2种类型，根据不同的起重量和货品体积，主要有单梁桁架结构、单梁箱形结构、双梁桁架结构以及双梁箱型结构等4种形式。
4.1 单梁桁架结构
如图4所示，单梁桁架结构采用立体三角形联合桁架形式，适用于起重量很小、体积扁平或较小的货品（质量小于100kg，宽度小于500mm），目前在易拉罐饮料简装的按行拣选以及无轮毂轮胎的缓存拣选均有应用。
图4 桁架机器人单梁桁架结构
4.2 单梁箱形结构
如图5所示，单梁箱形结构主要有焊接箱形梁和方管型材梁，适用于货品较轻以及体积较小的货品（质量为100～300kg，宽度小于500mm），目前在食品杂货的按框拣选的缓存拣选均有应用。
图5 桁架机器人单梁箱型结构
4.3 双梁桁架结构
如图6所示，双梁桁架结构采用立体联合桁架和平面简单桁架结合的形式，适用于货品较重且体积较大的货品（质量为100～300kg，宽度为500～1500mm），目前在饮料的混码按层拣选中有应用最多。
图6 桁架机器人双梁桁架结构
4.4 双梁箱形结构
如图7所示，双梁箱形结构有焊接箱形梁和方管型材梁，适用于货品较重且体积较大的货品（质量为300～600kg，宽度为500～1000mm），目前在饮料、生鲜整框整垛的拣选中应用最多。
图7 桁架机器人双梁箱型结构
4.5 本应用项目横梁结构
综上所述，并考虑轮胎拣选搬运的物流需求，本应用项目采用单梁箱形结构形式，采用方管型材制作（见图8），确保强度满足载荷需求，刚度满足定位需求。
图8 高速桁架机器人横梁结构
五、技术方案
5.1 系统主要技术参数
该系统有X、Y、Z等3个自由度，外观尺寸为18000mm×10000mm×6200mm（长×高×宽），Z轴行程为2550mm，有效载荷为330kg（按1次整垛抓取8个带轮毂轮胎，总计280kg，15%设计余量），各轴速度为4.2m/s，加速度为3.8m/s，重复定位精度为±1.0mm。
5.2 系统结构
如图9所示，该系统的架体采用300mm×300mm、壁厚为12mm方管型材制作，表面喷涂；X、Y、Z轴驱动，均采用交流伺服电动机+减速器；采用高精度、大载荷高速导轨、齿轮齿条传动；抓具采用高精度线性导轨传动、气缸驱动，抓具采用自定中心结构，且具有断气保护功能。抓具指面采用V形结构，高强度碳钢制作。
图9 高速桁架机器人立体图
六、结语
目前，桁架机器人在食品及饮料、电商、快速消费品、制造业、邮政服务行业广泛应用，其针对不同抓取要求实现按件、按箱以及按层、按垛捡取，开发低成本高智能化的柔性装备拣选系统具有良好的市场前景。
本文以工程需求为背景，开展了典型桁架机器人系统设计。通过研究桁架机器人的系统组成，阐述了高速桁架机器人的设计关键点，重点研究了桁架机器人的抓具结构形式和横梁结构形式，设计出该系统的初步技术方案，为桁架机器人在物流仓储系统的应用提供参考。
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作者：北京起重运输机械设计研究院有限公司潘俊萍/张玉/刘锦
来源：《起重运输机械》
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