包装箱码垛机机械结构的设计与研究

刘大龙　盘艳芳　李利伟

摘 要：现代社会的发展使包括仓库、码头在内的各项装卸工作对设备的要求越来越高，而工作量的增加又对不同机械的性能提出了新的需求。基于此，本文以包装箱码垛机机械结构作为分析对象，分别就其机械结构的设计和性能测试进行研究，包括主要模块、工作原理、核心技术和模拟过程等，以期通过分析明晰原理，优化理论，为后续工作的具体开展提供必要参考。

关键词：码垛机；机械结构；智能技术；工作效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.047

0 前言

码垛机是将已装入容器的纸箱，按一定排列码放在托盘、栈板（木质、塑胶）上，进行自动堆码，可堆码多层，然后推出，便于叉车运至仓库储存。现代仓库以及码头等地对码垛机的需求量持续增加，也对码垛机的性能提出了较高要求，以信息技术的发展作为支撑，可以应用智能技术、通信技术等对码垛机的机械结构设计给予强化，提升其工作性能和效率，本文对上述内容进行分析。

1 包装箱码垛机的构成及运行原理

包装箱码垛机，由机身、伺服电机、同步带等部分构成。其中，伺服电机的功能，主要在于控制码垛机，使其完成取箱及放箱等动作。同步带的功能，则以传动为主。码垛机的工作原理较为简单，在本次设计中，强调其工作的效率和规范性，考虑到分析对象为机械结构，将其进行简化，默认为行走机构、抬升机构、伸载机构，不考虑润滑、老化等附加因素的影响。在简化过后，码垛机工作包括标准码垛、货物输送、栈板输送等，不同装置协同作业，行走机构主要实现码垛机的位移，抬升机构和伸载机构共同负责货物存取和摆放。在正常条件下，系统的启停由管理人员负责，设备启动后，根据传感器提供的信息自动投入作业中，在伺服电机的动力支持下，通过抬升机构、伸载机构存取货物，借助链条、同步带等来完成驱动。码垛机的控制系统依然多条能够独立运作的工作轴实现，以智能系统负责实施控制，通过大规模机器训练保证工作的有效性，尤其是三维空间内水平移动、货物存取的精度[2]。

2 包裝箱码垛机机械结构的设计方案

2.1 码垛机设计思路

码垛机构件质量、强度等参数指标，以及智能化控制工艺，是决定机械结构合理性，以及机械性能的主要因素。就构件质量而言，码垛机负载相对较小，但对构件的耐高温效果要求较高。因此，仅需确保构件强度达标，耐高温效果强既可。就机械参数而言，机身以及伺服电机等构件的规格、功率、转速等情况，均会对码垛机的性能造成影响。因此，需视码垛需要，对其进行优化设计，提高参数的合理性。智能化控制的目的，在于提高码垛效率、减少故障率。因此，对传感器、通信接口等进行优化设计较为必要。

2.2 码垛机设计方法

2.2.1 构件设计

考虑码垛机的设计需求，本课题决定采用铝合金作为主要构件材质，对机械结构进行优化设计。铝合金本身具有重量轻、价格低廉、强度高、耐热性强的特征。可将其应用到机械的轴承支架，增强机械的性能。码垛机中的微型截面零件，对构件材质强度的要求较高。因此，本课题考虑将铸造铝合金ZL203应用到构件微型截面零件的设计过程中，充分满足其运行需求。码垛机设计的核心技术包括传感器技术、单片机技术、通信技术、PLC技术四大方面，此外还包括常规设计所需的承重、平衡等基础技术，常规技术与此前的设备基本相同。

2.2.2 参数设计

（1）机身设计：本课题所设计的码垛机，机身参数方面，导轨长度2.2m，立柱与导轨之间距离为10.5cm，栈板与载物台的尺寸取平面规格，实测其尺寸为1.22×1.16m（长×宽），输送机构尺寸实测结果为1.07m×0.67m。栈板输送机构中性点距离立柱横向偏移1.22m，纵向偏移控制良好。（2）伺服电机参数设计：本课题所设计的码垛机，伺服电机应用齿轮减速三相异步电机，电源为380V交流电，额定功率0.3kW。步距角为1.6°，静转矩最大值为0.074KN，启动频率（空载）为2400。（3）同步带设计：同步带设计上，结合一般性的工作要求，默认步距角为1.5/3°，默认静转矩最大值为0.075KN，空载状态下启动频率默认为3000，内轴轴径默认为0.4cm，外轴轴径默认为3.6cm，默认标准工作频率为3800/s，转速为1000r/s。

2.2.3 智能模块设计

（1）传感器：本课题中，用于采集码垛机信息的传感器，以RGB颜色传感器为主。该传感器可识别待码垛的物料的颜色，避免码垛物料类型不一致的问题发生。（2）接线：码垛机输入及输出接线模块中，均存在一个公共端。借助公共端接线，即可使数据的传输得以实现。（3）PLC：本课题中，码垛机PLC型号为FX2N-64MR-001，继电器以32点为主，规格为220mm×87mm×90mm。该码垛机的性能，能够有效满足码垛机的运行需求。（4）误差控制：由于仓库、码头等地的包装箱、托盘规格带有典型的规范化特点，码垛机工作也往往带有较强的规律性，因此收集不同工作对象若干个（原则上不低于2000），将其代入K近邻算法的定义空间内，实现对码垛误差的控制。

3 包装箱码垛机机械结构性能测试

3.1 测试指标

为评估本课题所设计的码垛机，性能是否较以往有所提升。本课题采用模拟实验的方法，将相关参数代入计算机中生成模型进行了实验。本实验中，码垛机构件的材质，以铝合金为主。机身、伺服电机以及同步带的运行参数，与设计一致。考虑到码垛机的性能，主要体现在运行效率、故障发生情况，以及各构件的耐磨损情况方面。因此，本课题决定将观察指标设置为码垛机的工作效率、差错率、对象破损率。实验进行4小时，期间通过调整参数的方式模拟设备老化、通信干扰等因素，了解设备工作态势，最后取S仓库实际工作数据作为参考。

3.2 测试过程

测试工作在计算机环境下进行，第一组测试持续1小时，为常规测试，代入了S仓库基本工作条件，包括该码垛机老化情况和工作压力情况等，收集结果进行记录。第二组测试持续1小时，调整了通信干扰情况，了解附件存在磁场时，系统是否可以正常进行作业，收集数据并进行记录。第三组测试持续1小时，调整了作业量，更改持续作业24小时（常规情况下的3倍），人工控制设备工作参数，加快其工作模擬进度，了解设备工作情况。第四组测试持续1小时，调整了设备老化程度，模拟设备在投入使用2年后的工作情况。

3.3 结果分析

实验结果方面，设计组码垛机的工作效率分别为91件/h、89件/h、92件/h、82件/h，常规组为72件/h，设计组的优势明显，但在老化情况下，工作效率有所下降。差错率方面，设计组码垛机分别为0、1.1%、0、0，常规组平均为1.4%，这表明电磁干扰会影响码垛机作业，导致错误。破损率上，设计组码垛机分别为0、1.9%、0、1.1%，常规组平均为1.6%，这表明电磁干扰和老化会影响码垛机作业，导致破损。但总体来看，设计组码垛机的工作能力优于常规码垛机，工作效率较高、工作错误率和破损率则较低，表明上述设计拥有较高的可行性。

4 总结

通过分析包装箱码垛机机械结构的设计与研究，获取了相关理论成果。包装箱码垛机机械结构的工作带有典型的往复性特点，其主要模块包括伺服电机、同步带以及智能模块，应用的关键技术包括传感器技术、单片机技术、通信技术、PLC技术等。经过模拟性能测试，上述理论得到了证明，可作为后续工作的参考，提升码垛机工作效率和质量。

参考文献：

[1]程伟.基于西门子S7-1200控制器和松下A5伺服驱动器的码垛机急停控制的研究[J].自动化应用，2017（12）：176-177.

[2]张伟，林安明，徐文涛.基于独立负载口控制的码垛机升降气动位置伺服系统研究[J].机床与液压，2017，45（21）：135-138.

[3]万朝友，胡兴科，唐受良.全自动化肥包装码垛机包装控制单元的设计[J].现代制造技术与装备，2016（09）：9+12.

作者简介：刘大龙（1981-），男，河南洛阳人，工学硕士，工程师，研究方向：物流机械设备、农产品供应链。