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I
摘要
本课题的主要设计内容是实现快递分拣机械手同时应对多种类型快递包裹的机械手设计。利用电机驱动,让手爪式和吸盘式的快递分拣机械手一体化,同时实现对快件包裹的抓取和吸取功能,并且可实现自动选择使用不同的分拣方式。
在本次设计过程中主要参照了传统的快递分拣作业方式,实现多种分拣方式的相结合,针对现今快递包裹形状多样化的现实基础上对快递包裹进行有效的快速分拣,一改传统快递分拣装置功能单一,功耗过大,结构复杂以及难以维护等有待改进之处。本次设计的多功能快递分拣机械手其由回转机构、伸缩机构、手爪、升降机构、吸盘组成。
本次设计首先,通过对分拣机械手结构及原理进行分析,在此分析基础上提出了其总体方案采用三自由度圆柱坐标型,而升降、伸缩均采用丝杠螺母驱动手臂移动,机身采用齿轮齿圈驱动回转,手抓采用气动卡钳式手抓,吸盘置于手抓顶部中央;然后就是通过计算选取能够满足条件的各种参数,再然后,对机械手的各主要组成成分设计后,再对其进行力学性能的校验和核准,验证其是否满足工作要求;然后包括装配图和零件图等二维电子图形的绘制则是通过CAD2020版本绘制的,并采用Pro/E软件建立了三维模型,同时进行运动仿真及有限元分析关键零件的强度。本课题中的机械手实现了手爪吸盘的相结合,对各类型的物件能进行有效分拣。
关键字:分拣;机械手;丝杠螺母;手抓;吸盘
多功能快递分拣机械手结构设计与研究
II
Abstract
,thehandclawtypeandsuckertypeexpresssortingmanipulatorcanbeintegrated,andthefunctionofgraspingandsuckingtheexpresspackagescanberealized,anddifferentsortingmethodscanbeselectedautomatically.
Inthisdesignprocess,wemainlyrefertothetraditionalexpresssortingoperationmode,realizethecombinationofavarietyofsortingmodes,carryouteffectiveandfastsortingofexpressparcelsbasedontherealityofthediversifiedshapeofexpressparcels,andchangethetraditionalexpresssortingdevice,whichhassinglefunction,highpowerconsumption,,telescopicmechanism,gripper,liftingmechanismandsuctioncup.
Firstofall,throughtheanalysisofthestructureandprincipleofthesortingmanipulator,thispaperputsforwardtheoverallscheme,whichadoptsthreedegreesoffreedomcylindricalcoordinates,andtheliftingandtelescopicusethescrewnuttodrivethearmtomove,thebodyusesthegearringtodrivetherotation,thegripperusesthepneumaticcalipertypegripper,andthesuctioncupisplacedinthetopcenterofthegripper;Then,,themechanicalpropertiesarecheckedandapprovedtoverifywhetheritmeetstheworkingrequirements;Then,two-dimensionalelectronicgraphics,includingassemblydrawingandpartdrawing,aredrawnbycad2020version,andathree-dimensionalmodelisestablishedbyusingPro/,,whichcaneffectivelysortallkindsofobjects.
Keywords:sorting;manipulator;Screwnut;Graspbyhand;sucker
多功能快递分拣机械手结构设计与研究
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目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
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1
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2
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第2章总体方案设计 3
3
3
4
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7
7
8
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第3章升降机构的设计 10
10
10
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第4章旋转机构的设计 15
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、材料和齿数 17
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第5章手抓及吸盘部设计 25
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第6章三维设计及有限元分析 31
31
31
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33
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35
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第7章总结 43
参考文献 43
致谢 44
多功能快递分拣机械手结构设计与研究
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第1章绪论
我国在过去几年电子商务极速发展,各种货物,比如食品药品,烟草和各种各样的货物需要快速、准确、安全的送达给客户;然后各类相关的科学技术也迅速创新,迅速发展,主导技术如分拣智能化技术,IT技术、网络技术更是蓬勃发展起来。从提高物流分拣速度的需求方面看,如果从物流技术的角度来看的话,自动分拣技术仍然需要升级换代,要想适应飞速发展的电子商务时代,还是需要很长的时间作为重点研究的对象。在下文中分点论述自动分拣设备在智能化、自动化的当今社会的发展情况。
自动分拣设备在新时代需要完成的任务
在物流配送中,使用自动分拣系统代替人工完成繁复的分拣任务,可以提高分拣速度,正因为此,才能够在包裹数量大幅增加,堪称海量包裹的情况下,保证分拣系统不崩溃的重要原因。仅仅是2018年这一年,包裹就已经实现了五百亿件的海量增长,并且还在保持飞快的增长速度,所以市场十分需要研究一种高效、快速、准确的自动分拣系统及其相关设备。
自动分拣设备的技术性突破
一般分拣中心中都是广泛使用分拣输送设备,需要投入大量的劳动力,但是随着包裹的剧增需要投入的人力越来越多,成本也呈火箭式上升,所以采用自动分拣设备是十分必要的,自动分拣设备提高了分拣的自动化,尽量降低人参与的程度,分拣设备具有自动化、无人化、柔性化等特点。
如今物流领域都喜欢采用自动化的分拣设备实现对包裹的分拣,输送分拣系统。也大多开始采用具有独立功能的模块组合。比如滚珠模组带分拣、机械手分拣、分流器等分拣方式,大部分都开始模块化的分拣方案,模块化的设计具有场景适用性,灵活安装、可以连续长时间的工作,节约设备的占地空间,降低成本节省人力。机械手分拣系统相比人工手动分拣效率更高,%,分拣包裹重量最高60kg(最高可定制至100kg),适用于电商、快递物流、工业生产等行业的大中小件、轻重货等各类货物分拣。[14]
随着包裹数量的海量增长,使用人力进行分拣作业已经完全适应不了行情了,采用自动分拣设备代替人工已经是迫不及待了,使用机器分拣提高了分拣速度,提高正确率,安全可靠。
近年来,电子商务的蓬勃兴起,驱动这快递行业的发展,可谓是好风凭借力,送我上青云,所以快递行业中的重要环节之一——分拣,所使用的自动化的分拣用机械手设备的市场前景非常之好。
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目前各个企业广泛使用的物流分拣设备,很多都是使用使用机械手,实现包裹的自动化分类运输。
在科学技术极度发达的今天和自动控制理论领域的人才增多,自动控制已经成为了工业生产中的一个重要的组成,如何研制出一种自动化程度高的机械手投入分拣工作,已经是一种十分紧迫的工作,研制出一种能够快速的、高准确率和高正确率的分拣用机械手对于我国物流水平的提升有着非常重大的意义。[19]
上个世纪中期,美国的某个实验室在进行原子能实验的额时候,由于一些材料具有放射性,所以设计出机械手用来搬运这些对人类有害的材料,这也是机械手的第一次应用,保证了操作员的安全和健康。此后,机械手逐步在工业生产中得到应用,用来代替在高温、高污染等恶劣的环境中参与作业,降低人的参与程度,也用来在机床上作为辅助装置在各种数控机床上一定程度的完成一些危险作业。
在二战以后,凭借邮局在使用自动化设备分拣信件的成功经验,美国、日本等一些工业化程度高的国家开始流行在物流中心使用自动分拣机械手系统(ASMS)进行分拣作业了。主流的机械手分拣系统被设计成中心控制装置、分类装置、输送装置及分拣口等几个重要环节,通过计算机,由网络有机的组合从而发挥作用,然后由专业人员进行控制,最后在人工辅助一下,就组成了一个自动化的完整的机械手分拣系统。
根据国外的快递分拣和配送领域的企业发展状况来看,在医疗行业、化妆品生产经营等领域,如花王、日本资生堂、大木等株式会社已经完全实现了自动化分拣;自动分拣用机械手因为他超高的分拣速度,已经成为了自动分拣系统中的重要设备之一,他每小时最低能够由6,000箱的高分拣速度,每小时最快可达每一万两千箱,因此在各种提供配送服务的企业得到了广泛的应用:日本国有各种连锁商业机构(如西友、日生协、高岛屋等)、宅急便(大和、西浓、佐川等)均主要采用机械手完成自动化分拣作业,在日本的某些唱片中心,录像社也使用一些具有高精度的的机械手自进行自动分拣。[19]
将我国的物流技术和国外的物流技术比较,我国在分拣系统领域的技术储备还远远不足,人工分拣作业的弊病仍未得到缓解,使用现代化的自动分拣设备更是屈指可数,总体分析,我国各企业在分拣系统中的集成化不足、自动化设备应用速度推进慢等劣势。
自动分拣系统和机械手的应用,早已经在上世纪的70年代作用引进我国,最早是在邮政系统中应用机械手分拣信件并且得到了很好的效果。在多年的生产实践中包括机械手在内的自动分拣技术不断的革新,投入大量的技术人员进行优化和改进,获得了很多的技术成果,诸如邮电部相关部门投入研制的在国际上也具有很高水平的CORE_NT型号的自动分拣机械手设备、使用很小的成本就能获得很高收益的高速扁平化邮件自动分拣
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设备、上海某技术设备公司制造生产的快速传递邮件网络化自动分拣系统等都是技术水平很高的自动分拣系统。
虽然现在除了邮政企业,国内其他的物流企业对对自动分拣系统的认知还不完善,覆盖面积不高,但是相关的政府部门和技术企业正在为自动分拣设备的普及不断努力,可以认为,随着物流技术的发展,逐年增加的包裹带来巨大的工作量,好用的自动分拣系统和分拣机械后在我国的配送服务中必能不负众望、大展身手。
如今,随着经济全球化的到来,国际各个企业之间的竞争越来越激烈,为了提高我国企业的生存能力,相关的政府部门和许多企业已经联合起来,一起努力发展,已经取得了丰厚的成效。例如,随着自动化机械手分拣技术的成熟,国内的一些企业在分拣中也开始依据自身企业的生产情况、使用在技术上相对成熟的分拣设备或者自动化分拣系统提高分拣速度,降低人力成本。上海的某个大型商超在移动货物、码放货物的过程中使用高层立体货架和商品拣选货架能够有机结合的机械手,实现商品在移动、搬运和装卸方面的自动化、机械化、去人工化,能够大幅度缩减时间,降低成本。[18]
第2章总体方案设计
本课题的主要设计内容是实现快递分拣机械手同时应对多种类型快递包裹的机械手设计。利用电机驱动机械手爪和真空吸盘,让手爪式和吸盘式的快递分拣机械手一体化,同时实现对快件包裹的抓取和吸取功能,遇到不同的快递包裹自动选择使用不同的分拣方式,遇到大质量的包裹快件时亦可抓取和吸取同时做功,额外施加更大的作用力用以提起快件包裹进行分拣作业。在本次设计过程中主要参照了传统的快递分拣作业方式,实现多种分拣方式的相结合,针对现今快递包裹形状多样化的现实基础上对快递包裹进行有效的快速分拣,一改传统快递分拣装置功能单一,功耗过大,结构复杂以及难以维护等缺点。
我国大部分快递包裹都不大于5Kg,因此设计选用的机械手的最大抓重为5Kg。
瑞凯祥TDA-50:作为一种通用性强的一种助力用的分拣机械手,能够在工作中配合完成繁重的搬运、装配等多种作用,这种分拣机械手属于手夹持形式,前端可以伸出,在搬运沉重的货物时有着非常良好的效果,防止发生人力搬运时因为体力不支发生的意外,也能够提高效率。TDG底座型,适合包装箱快速堆码,满足高效率处理物料堆码和上部空门有限制,。这种人力帮助形的机械手重要的是搬运作用的主机和加持作用的末端工作头两部分。主机的作用主要是移动和控制加持住的重物移动到正确的位置,工作头用以夹取包裹物件。
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沐恩ME1400-50:该机械手为吸盘式机械手,使用六点式吸盘搬运包裹,能搬取较轻质量的快递物件。它的有点很多,比如不需要太大的空间放置,非常方便对分拣的车间进行布局,能够省下很多仓库面积用来存放货物。结构相对的没有俺么复杂,由少量的零件组成,因此,设备使用可靠,不容易发生故障,维修方便,能耗低,适用性强,操作相对简单。[1,21]
在市面上常见的分拣机械手中,绝大多数机械手实现的功能都是相对局限且单一的,基本上都以常规的快递包裹为主,如常规的方形快递包裹。机械手的设计也可以简单的区分为两大类,手爪式和吸盘式。而想要分流不同类型的包裹,目前市面上绝大多数的快递公司都选择在在分拣系统中加入识别分流系统而非使用多功能的快递分拣机械手,识别分流系统的加入导致了快递分拣链的投入金额大幅提升,同时分流后采用人工分拣特殊形状的包裹不仅加大了人工成本的投入也延长了快递分拣所需的时间。
具有搬运作用的机械手从结构上分析有,采用球坐标结构,空间直角坐标系的结构,使用空间圆柱坐标结构,还有使用关节型结构的。这四种结构都各有自己的特点和运动形式和应用范围,现在分别逐一介绍:
(1)直角坐标分拣机械手的结构
直角坐标分拣机械手的在空间中的运动是通过三个运动方向两两垂直的直线运动组合实现的,故称为直角坐标结构的分拣机械手,如下图2-。由于直线运动在运动上可以很可靠的控制机械手的位置,基于此特性,使用直角坐标的分家机械手可以达到微米级的超高位置精度。
(2)圆柱坐标的分拣机械手结构
圆柱坐标分拣机械手运动的实现方式是使用一个回转运动和两个直线运动组合,如图2-。这种机械手在构造简单的同时还能够具有一定的精度,经常被用来搬运重力较大的货物。他的工作范围看上去是一个圆柱状的空间。
(3)球坐标结构的分拣机械手结构
而球坐标的机械手是通过将机械手在空间上的运动,由直角坐标的两个直线运动改变为两个回转运动,保留一个直线运动来实现的,如图2-。这种分拣机械手的结构也并不复杂,很难达到太高的精度,相对的生产制造的成本却不大,主要使用在对货物的搬运过程中,他还在一个类似于球形的空间中工作。
(4)关节型自动机械分拣手结构
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关节型式的自动化分拣手结构是三个回转运动,如下图2-。关节型机器人的构建结合紧密,运动形式多样,所需场地面积小,本体体积小,可以作业的范围宽。
图2-1四种机械手坐标形式
根据要求,需对物件从仓库与货车之间进行搬运,其工作范围不需要很宽,但应尽可能占用空间小,关节型机械手虽然更加灵活,但维护维修较为复杂,因此选用本次设计选用三自由度圆柱坐标的结构形式。
综上述,本次设计的快递分拣机械手,采用三自由度圆柱坐标机械手。
机械手可以选择的驱动系统有很多,既有单一的动力源,也可以多种动力源组合成复合式的动力系统驱动,按照提供动力的方式可以分为液压传动、气动和电力传动三个基本动力源。他们的这三种驱动系统都有其独特的特性,现在分别论述如下:
(1)液压驱动
由于液压技术的发展历史久,其技术应用相对成熟许多,它的动力强、能够提供较大的力矩和转动惯量、能够在短时间内就及时做出响应、可以不经转换的直接为机械手提供动力。适合用在大负载、大转动惯量的场景,在需要防火防爆的危险场景下尤为适合。但是液压驱动也有一些缺点,液压系统还需要完成由电能向液压能的转换过程,还需要控制工作速度,很多都是使用限制流量来调节速度,相对来说传动效率低于使用电动驱动的系统,而且使用液压传动的系统,如果发生漏液,还会污染环境,产生噪声。
(2)气动驱动
气动传动,具有极快的速度,系统传动的结构也并不复杂,修理维护也很简单并不难、能够将成本控制在很小。适合在负荷不大的机器人中使用,适用于中、小负荷的机器人中采用。但是难以精确控制速度、位置和加速度,能够使用程序进行控制,实现控制过程中的电子化,主要是用在冲压作业中。
使用电机作为动力源
很多转矩很大但是负载的惯量较低的交流或者直流的伺服电动机,在生产生活中已经得到了很广泛的应用。这类驱动系统在工作中没有发生能量的转换,操作不难很容易掌握,
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这类使用电机驱动的分拣手系统能够在机器人中普遍使用,这类驱动系统并不需要对能量转换,噪声能控制在一个很小的范围,使用灵活,可以和结构复杂精密的传动系统匹配。但是直流有刷电机因为它高精密的特性,不能直接在可能爆炸的环境中工作,研发成本也比较难以接受。但是这种驱动系统优点众多,性能突出,也被很多驱动系统采用。
项目
气压传动
液压传动
电气传动
机械传动
系统结构
简单
复杂
复杂
较复杂
安装自由度
大
大
中
小
输出力
稍大
大
小
不太大
定位精度
一般
一般
很高
高
动作速度
大
稍大
大
小
响应速度
慢
快
快
中
清洁度
清洁
可能污染
清洁
较清洁
维护
简单
比液动复杂
需要专门技术
简单
价格
一般
稍高
高
一般
技术要求
较低
较高
最高
较低
控制自由度
大
大
中
小
危险性
几乎没问题
注意火
一般无问题
无特殊问题
而本次设计的机械手要求结构简单,虽然气动驱动同样结构简单,但是因难于实现伺服控制,因此,本次设计采用电动驱动。
图2是吸取式机械手的总体方案设计。快递由真空吸盘5吸取,滑动螺母丝杠1可以进行升降运动,方便快递的吸取与位置的调整。回转机构3可以使手臂顺/逆时针旋转90度,方便快递的吸取与位置的调整。滑动螺母丝杠2可以使机械手的手臂进行伸缩运动,使机械手到达指定位置,方便快递的吸取与位置的调整。基座4可以使整个机械手安全的固定在地面上。
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