摘 要：码垛机作为各企业产品实现仓储运输的重要设备，作为码垛控制系统设计的重要考核指标，其稳定运行的作业能力不但与其电气控制系统有关，更与可靠的机械机构设计有关。本文主要探讨包装箱码垛机的机械结构设计，对整个设备的总体设计进行描述，对于设计中有关机械结构的设计进行详尽计算，确定具体的零部件，完成机械装配图。
关键词：码垛机；机械结构；计算
码垛机的工作原理是严格按照既定的集成单元化程序思想，将不同的产品货物按照标准模式完成堆放，从而有利于下一步的存储、装卸及运输工作开展。码垛机稳定运行离不开具有精准算法控制的电气控制系统，同时也离不开自身科学合理的机械结构设计。本文针对包装箱码垛机的机械结构展开创新设计，旨在通过技术改造进一步探索提高包装箱码垛机作业能力的方法。
1 包装箱码垛机的方案设计
1.1 工作原理
在包装箱仓储或搬运车间，包装箱码垛机一般由行走机构、抬升机构、伸载机构三大功能机构组成，可以实现标准码垛、货物输送、栈板输送三方面功能，各个装置结构所具有的动力性活动各有特色，行走机构实现水平运行，如图1所示，抬升机构完成实时步高、伸载机构能够实现货物商品的取放货功能。码垛机构应该需要满足功率要求的伺服电机在不同位置给予动力驱动，机构的零部件需要借助链条、同步带等来完成驱动。码垛控制X轴、Y1轴、Y2轴和Z轴的运动，实现取箱、放箱的码垛控制。由码垛机的整体机械机构特点及运行要求可知，能否保证码垛机的稳定工作，关键在码垛机的三维位置移动定位的精确性[1]。
主要技术指标和和主要设计参数：码垛机运行的速度范围，水平方向：2m/min～360m/min；垂直方向：2m/min～80/min；伸载：2m/min～60/min。
图1 码垛机的水平行走机构示意图
1.2 总体方案设计
机械结构设计的总体思路就是针对具体的工作环境与作业要求制定机械工作原理、机械组装结构、运动方式及轨迹、受力分析、能量传递、零部件材料、具体规格尺寸等不同要素进行设计、计算和分析，通过具体详尽的描述成为现实工程制造的重要依据。通常情况下，机械结构设计应该遵循几项原则：首先是对强化功能设计概念，即对产品的使用功能进行准确定位，要根据不同的工作要求和用户需求进行产品现有功能调查和潜在功能拓展开发，对于具体产品所具备的目标功能，要能够结合有关理论技术给予相应地概念性系统创建[2]；其次是对结构可靠性质量的设计，要对机械的运用场所和适用习惯及目的等要求和限制进行分析，从而将设计质量等级或质量水平提升到相对应的程度。
整体上，包装箱码垛机的机械结构组成如图2所示。
图2 包装箱码垛机的机械结构组成示意图
2 包装箱码垛机的机械系统设计
2.1 构件选材
本文所设计的码垛机主要用于提升和搬运重量较轻的包装箱，因而负载较小，机械强度的要求一般都能够较容易满足，整体上看，所有零部件都采用标准件加工制造，成本控制合理，且易于完成保养及维修。
为提高整体装置的响应灵活度和敏捷度，本文选择采用铝合金作为板材进行加工，确保整体结构灵巧，工艺精良，同时满足刚性要求与减重要求。对于码垛机的轴承支架等零部件，采用0.3CM厚度的标准硬质铝材LY11冲压而成，强度中等，耐热处理性强，可以在淬火或自然时效下使用，具有优质点焊性能，高温可塑性较好，因此能够加工位要求中等强度的零部件。对于机器的同步带轮等装置，由于在运转中所实现的荷载传递系数较小，选用铸造铝合金材质ZL203完成铸造，ZL203能够在不超过200摄氏度的高温环境下发挥良好的受重性能，同时可以加工成为不同形状规格、较高表层粗糙度的厚质铸件。该机器在齿轮及轴类部件的材料上侧重于选用45钢材料。此钢材的强度较高，具有良好的塑性与韧性，可制作承受荷载量较高的微型截面零件，同时其制作的表面淬火件对于内芯强度的要求并不高[3]。
2.2 参数设计与计算
2.2.1 机身设计
本次设计码垛机的外形尺寸为导轨长2.1m，导轨与立柱间距保持在10cm距离，栈板与载物台的尺寸为平面规格为1.2m×1.1m，箱子输送机构的机构为1m×0.68m，栈板输送机构中性点距离立柱横向偏移1.38m，纵向偏移0.8m。
本文设计的码垛机所用输送段电机为齿轮减速三相异步电机，使用380V交流电源，额定功率为0.2KW，而在栈板侧输送电机的额定功率为0.75KW，这两种电机均具有以下技术参数：步距角为1.5°，最大静转矩设定为0.8N*M，空载时启动频率的峰值达到了1700，产生信号的频率为4000Hz。
通过公式组
能得出转速为每分钟1000转，运行速度为每秒4000步。
2.2.2 伺服电机运行设计
码垛机的码垛执行机构主要由4台伺服电机通过同步带等机构驱动，控制X轴、Y1轴、Y2轴和Z轴的运动，实现取箱、放箱的码垛控制。在上位机发出相关工作脉冲信号后，伺服电机能够确保按照而定速度来运动，其工作原理如图3所示。
伺服电机的运行速度如何有效控制，尚且需要更清晰的计算思路。如本文中考虑到上位机发出脉冲能力为200×1000×60/min，电机额定转速为3000r/ min，伺服电机编码器分辨率是131072，且丝杆螺距是10mm，则可以根据相关量求得具体电机额定转速运行时的电子齿轮比。可知，电机额定转速时编码器输出检测反馈脉冲频率是131072×50r/s，上位机发出脉冲能力时发出的脉冲频率=200×1000/s，当上位机满额发出脉冲时，伺服恰好额定速度运行，这时的电子齿轮比等于反馈脉冲频率与上位机满额发出脉冲频率的比值，即（131072×50r/s）/ 200×1000/ s=6553600/200000=3.2768。
图3 伺服电机的工作原理图
当电子齿轮比的取值为1时，上位机每发出1个脉冲就相当于码垛机的编码器在输出检测时所反馈的1个脉冲，因而伺服电机的转速可以被求出，我们可以借助200×1000/s×60/131072得出伺服电机的转速为91.55r/min。正是因为伺服电机的转速控制与上位机的脉冲频率之间可以形成必要的联系，因而能够较好地控制速度，产生精准的位置精度，不断地将各种电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。在本文中，所有伺服电机均来自日本松下公司的伺服系统，能够确保码垛机在不同位置、速度以及力矩方面的控制精度。
2.2.3 同步带设计
对码垛机的机械机构中同步带的设计而言，其传动设计的电机性能参数为：步距角为1.5/3°，最大静转矩设定为0.078N*M，空载时启动频率位3100，对于3.6cm的外径和0.4cm的轴径比例下，重量仅有220g，工作频率保持在3800单位每秒，转速则保持在每分钟960转。因此，同步带的电机输出功率为：
而针对码垛机的实际工作状况，我们取工况系数为1.2，同时忽略张紧轮的影响系系数和增速传动系数，从而得到同步带的设计功率应为：
在对同步带的齿数进行设计时，要注意到传动比已经控制在1.5左右，同时测算出带轮齿数为12和24，则带轮节圆形直径可为18mm和36mm,得到同步带的带速为：
在对同步带的带宽设计中，可由公式
求得，公式（4）中的
表示齿合系数，取0.8；而
表示传动比系数，取1；
位单位同步带宽度的许用应力，取5N/mm；
则为单位带宽宽度的离心状态拉力，由
求得值为1.458N/m，从而得到带宽值为3.69mm。在设计同步带的长度时，具体根据：
以及
得到，约为162.58mm。
3 装机试验结果
本文设计的包装箱码垛机能够通过稳定的电机伺服控制，将不同的电脉冲信号转换为水平或垂直方面的直线位移，所有的位移量都在合理的负载能力及程序控制范围内，实现了快速启动、紧急制动、工程变速的要求，具有较高的定位精度和运行稳定性。
4 结论
为了更进一步提高包装箱工作现场的工作效率，本文研究的包装箱码垛机，机构简单轻便，作业效率显著。本设计参考了大量现有码垛机机械机构研究成果的思想，提出了安全可靠性、高稳定性的改造特点，广泛采用标准化零部件，提升了设计的可行性。
