CN110642025B - 一种面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于物流运输机械设备相关技术领域，并公开了一种面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置，其包括门架单元、卡爪单元以及配套的全过程监测及反馈单元，其中门架单元带动卡爪实现三个自由度的运动，同时卡爪单元自身可以张开闭合，以实现对箱体货物的抓放；全过程监测及反馈单元提供了多传感器反馈功能，并可包括顶部横梁测距传感器、门架传感器、卡爪运动传感器、卡爪拉力传感器和卡爪接触开关等，其用于对卡爪运输货物的全过程执行监测。本发明无需复杂昂贵的工业机器人，结构紧凑，模块化设计且方便维护，只用一些小型电机和气泵就可以实现高效的全自动堆拆垛动作。

Description

一种面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置

技术领域

本发明属于物流运输机械设备相关技术领域，更具体地，涉及一种面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置。

背景技术

对于长矩形之类箱体货物的堆垛或拆垛操作而言，由于货物形状偏向于长条状，输送和转向过程中货物姿态不容易控制，所以常规的采用皮带机与滚筒输送机组合成货件码垛机的方式并不适用。

目前行业内多数用的解决方案是使用码垛机器人，并通过机械手抓取、翻转，一件一件摆放的方式进行堆拆垛。然而，进一步的研究表明：首先，这种设计需要投入昂贵的工业机器人，并且对于长矩形截面的货物，在抓取的时候必须有两个或两个以上的抓握点才能防止倾翻；其次，在操作过程中，抓握力度过大容易损害货物，抓握力度小又容易掉包，为了适应不同重量的货物提供合适的抓握力，使得机器人码垛的机械手机构往往复杂笨重。因此，投入工业机器人来自动堆拆垛机来堆拆长矩形货垛，收益支出比不高，导致推广难，有必要寻找更为经济和合理的其他自动堆拆垛替代方式。

另一方面，由于现代化货物物流通常是处于一种自动转运的状态，在此情况下如何实现对生产线的转运全过程的精确和实时监控，进而配合完成高效的全自动堆拆垛动作，正成为本领域亟需解决的技术问题所在。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置，其中通过对其整体空间构造布局及其关键组件的设置方式及工作机理等方面的研究设计，不仅可有效替代昂贵的工业机器人来执行全自动堆拆垛操作，而且还能够对货物运输的全过程进行高精度实时监测、进而配合完成高效可靠的取货-夹持-运动-放货等一系列动作，同时具备结构紧凑、不占用额外空间、环境适应性强、可结合不同工况进行模块化设计等特点，因而尤其适用于需要配合长矩形截面之类箱体结构的自动转运生产线来实现堆拆垛操作的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置，其特征在于，该堆拆垛装置包括门架单元、卡爪单元以及配套的全过程监测及反馈单元，其中：

该门架单元整体为框架式构造，并包括顶部横梁、以及安装于该门架单元上的X向平动模块、Z向平动模块和Z向旋转模块，由此分别用于将从所述顶部横梁的下方转运然后被所述卡爪单元夹持住的箱体结构执行下列的三自由运动：X轴方向也即水平方向上的直线移动，以及Z轴方向也即竖直方向上的直线移动和旋转；

该卡爪单元包括具备滑轨、滑块和电机的开闭直线模块、与所述滑块固连的卡爪臂以及卡爪盖板，其中所述卡爪臂在所述电机的驱动下连同所述滑块一同沿着所述滑轨移动，由此实现该卡爪臂相对于所述卡爪盖板的闭合张开动作，进而夹持或释放箱体结构；此外，该卡爪臂的外侧还设置有多个真空吸盘；

该全过程监测及反馈单元包括顶部横梁测距传感器、卡爪运动传感器、卡爪拉力传感器、卡爪接触开关和门架传感器，其中：

所述顶部横梁测距传感器被安装于所述顶部横梁上，它用于监测下方是否存在待作业的箱体结构，并且当判定存在箱体结构时，反馈于所述卡爪单元沿着Z轴方向以常速下降到达取货工位；

所述卡爪运动传感器安装在所述卡爪臂的内侧且与臂底面相平齐，它用于监测所述卡爪单元是否接近箱体结构，并且当判定即将接近箱体结构时，反馈于所述卡爪单元由常速降为慢速并准确达到夹持工位；接着，当所述卡爪接触开关监测到所述卡爪单元已经夹持住箱体结构之后，该卡爪运动传感器再次反馈于所述卡爪单元，并使其沿着Z轴方向加速上升及输送至放货工位；

所述卡爪拉力传感器用于对所述卡爪单元对所述门架单元的拉力进行实时监测，并据此判断箱体结构是否已经被所述卡爪单元稳定夹持住；此外，

所述门架传感器安装在货物传送带两侧，并用于监测经由所述卡爪单元夹持的箱体结构是否已经接近货物传送带，并且当判定即将接近货物传送带时，反馈于所述卡爪单元减速进入放货工位。

作为进一步优选地，所述卡爪单元优选还包括门架连接组件和卡爪接触开关滑槽组件，其中该门架连接组件用于将整个卡爪单元悬挂安装于所述顶部横梁上，该卡爪接触开关滑槽组件被设置于所述卡爪盖板上且靠近所述卡爪臂，并用于安装所述卡爪接触开关以便判断整个卡爪单元是否已到达夹持工位。

作为进一步优选地，当所述卡爪接触开关监测到所述卡爪单元已经夹持住箱体结构之后，所述卡爪臂被闭合并且所述真空吸盘执行抽取动作。

作为进一步优选地，所述卡爪拉力传感器的使用方式优选设计如下：设其测量值为F，所述卡爪单元的自重为G，其中当F大于G时，判断箱体结构是否已经被所述卡爪单元稳定夹持住；而当F等于G时，判断箱体结构并未被所述卡爪单元稳定夹持住。

作为进一步优选地，所述顶部横梁测距传感器的使用方式优选设计如下：设其测量值为d，所述顶部横梁到地面的距离也即门架高度为D，其中当d小于D时，判断此时货道内存在待作业的箱体结构；而当d等于D时，判断此时货道内没有待作业的箱体结构，并可使装置各单元归零。

作为进一步优选地，所述卡爪运动传感器和门架传感器优选采用对射型光电传感器，由此借助于对射光的检测来实现监测功能。

作为进一步优选地，所述顶部横梁测距传感器优选采用超声波式测距传感器。

总体而言，按照本发明的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明通过对其整体空间构造布局及其关键组件如卡爪单元、全过程监测及反馈单元的设置方式及工作机理等方面的研究设计，不仅可有效替代昂贵的工业机器人来执行全自动堆拆垛操作，而且还能够对货物运输的全过程进行高精度实时监测、进而配合完成高效可靠的取货-夹持-运动-放货等一系列动作；

2、本发明所设计的上述堆拆垛装置可直接在生产线传输带两侧进行布置，不占用额外的空间；同时便于操控和调整，只需要一些小型电机和气泵就可以实现高效的全自动堆拆垛动作，在适用性和灵活性方面具备突出的优势；

3、本发明还可以通过调整门架高度等参数，针对不同工况进行模块化设计，互换性强；其中通过为卡爪配备的多传感器反馈系统，能够对卡爪运输货物的全过程状态进行实时监控，同时配套对卡爪的运动状态及调整做出了针对性的改进；

4、通过对按照本发明的堆拆垛装置设计的绕Z轴旋转的自由度，可以在堆拆垛过程中对货物角度进行旋转，更符合实际生产应用中箱体结构货物的运输习惯；此外，通过采用真空吸盘，对货物进行非挤压的夹持方式，避免箱体货物表面被压坏或划伤，可以有效保护货物。

附图说明

图1是本发明所构建的面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置的整体构造示意图；

图2a是用于更具体说明图1中所示门架单元的结构示意图；

图2b是用于更具体说明图1中所示卡爪单元的结构示意图；

图2c是用于更具体说明图1中所示卡爪臂的结构示意图；

图3是按照本发明的多个传感器的功能及组合使用示意图；

图4是按照本发明用于对该堆拆垛装置进行多指标全过程控制的控制原理图；

图5是按照本发明的面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置执行拆垛任务的整体流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明所构建的面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置的整体构造示意图。如图1所示，该堆拆垛装置主要包括门架单元、卡爪单元120以及配套的全过程监测及反馈单元等，下面将对其逐一进行具体解释说明。

门架单元整体可设计为框架式构造，并如图2a所示，其包括顶部横梁112、以及安装于该门架单元上的X向平动模块113、Z向平动模块111和Z向旋转模块114等。相应地，可以分别用于将从所述顶部横梁的下方转运然后被所述卡爪单元夹持住的箱体结构执行下列的三自由运动：X轴方向也即水平方向上的直线移动，以及Z轴方向也即竖直方向上的直线移动和旋转。

参见图2b，作为本发明的关键组件之一，该卡爪单元120主要包括具备滑轨、滑块和电机的开闭直线模块122、与所述滑块固连的卡爪臂121以及卡爪盖板124等，其中所述卡爪臂在所述电机的驱动下连同所述滑块一同沿着所述滑轨移动，由此实现该卡爪臂相对于所述卡爪盖板的闭合张开动作，进而夹持或释放箱体结构；此外，该卡爪臂的外侧还优选设置有多个真空吸盘123。

更具体地，对于图2b中示范性所示的具体实施例而言，卡爪单元120譬如包括卡爪臂121、开闭直线模块122、真空吸盘123、卡爪盖板124、门架连接组件125以及卡爪接触开关滑槽组件126。其中开闭直线模块122包括滑轨、滑块与电机，其滑轨安装在卡爪盖板124上，滑块与卡爪臂121固连，电机驱动滑块沿滑轨直线移动，由此实现卡爪臂121相对于卡爪盖板124的张开闭合运动；卡爪臂121与开闭直线模块122需对称布置在卡爪盖板124的两侧；卡爪接触开关滑槽组件126安装在卡爪盖板124上，靠近单侧卡爪臂121的位置。参见图2c，真空吸盘123布置在卡爪臂121内侧。

作为本发明另一关键组件，对于该全过程监测及反馈单元而言，其包括顶部横梁测距传感器201、卡爪运动传感器203、卡爪拉力传感器204、卡爪接触开关205和门架传感器202等。其中，所述顶部横梁测距传感器201被安装于所述顶部横梁上，它用于监测下方是否存在待作业的箱体结构，并且当判定存在箱体结构时，反馈于所述卡爪单元沿着Z轴方向以常速下降到达取货工位；卡爪运动传感器203可安装在所述卡爪臂121的内侧且与臂底面相平齐，它用于监测所述卡爪单元是否接近箱体结构，并且当判定即将接近箱体结构时，反馈于所述卡爪单元由常速降为慢速并准确达到夹持工位；接着，当所述卡爪接触开关205监测到所述卡爪单元已经夹持住箱体结构之后，该卡爪运动传感器203再次反馈于所述卡爪单元，并使其沿着Z轴方向加速上升及输送至放货工位。

此外，所述卡爪拉力传感器204用于对所述卡爪单元对所述门架单元的拉力进行实时监测，并据此判断箱体结构是否已经被所述卡爪单元稳定夹持住；所述门架传感器202可安装在货物传送带两侧，并用于监测经由所述卡爪单元夹持的箱体结构是否已经接近货物传送带，并且当判定即将接近货物传送带时，反馈于所述卡爪单元减速进入放货工位。

更具体地，对于图3中示范性所示的具体实施例而言，顶部横梁测距传感器201安装在顶部横梁112上，用于判断此时是否有待拆垛货物。门架传感器202安装在传送带两侧，略高于地面处，用于判断货物是否接近传送带。当门架传感器202检测不到对射光时，说明货物即将到达传送带，卡爪Z向下降速度需由常速降低为慢速。卡爪运动传感器203安装在所述卡爪臂121对称的内侧，且与双臂底面平齐的位置，用于判断所述卡爪单元120是否接近货物。当该卡爪运动传感器203检测不到对射光时，说明所述卡爪单元120即将接近货物，其Z向下降速度需由常速降低为慢速。当该卡爪光电传感器203重新检测到对射光时，说明卡爪单元120已完成运输动作，可快速Z向提升至指定位置。

卡爪拉力传感器204安装在所述门架连接组件125与所述Z向旋转模块114之间，用于连接所述卡爪单元120与门架单元，同时测量卡爪单元120对门架单元的拉力。设其测量值为F，卡爪自重为G。若F大于G，说明卡爪单元120已夹持住货物，若F＝G，说明卡爪单元120并未夹持货物。卡爪接触开关205可安装在所述卡爪接触开关滑槽组件126内，用于判断卡爪单元120是否到达夹持位置。当该卡爪接触开关205被触发时，说明卡爪单元120已下降至夹持位置，应停止下降，以免压坏货物，同时卡爪臂121应收紧，随后真空吸盘123执行抽气。完成一次运输动作后该卡爪接触开关205应在卡爪接触开关滑槽组件126的带动下自动复位。

下面将参照图4与图5来解释按照本发明的上述堆拆垛装置在拆垛流程中控制的工作原理。

(1)在执行运输货物之前，要先通过顶部横梁测距传感器测量顶部横梁到货物之间的距离，判断是否有拆垛货物；如果有，卡爪单元需以离地L₂的高度进入取货工位；

(2)在卡爪X向移动时，其移动距离是固定值L₁。

(3)在卡爪绕Z轴转动时，其转动角度是固定值θ。

(4)在卡爪取货下降到位之前，要先通过卡爪光电传感器判断卡爪是否接近货物。

(5)在卡爪臂收紧之前，要先通过卡爪限位开关判断卡爪是否已经下降到位。

(6)在卡爪张开与收紧时，其开闭行程是固定值L₃。

(7)在卡爪臂提升之前，要先通过卡爪拉力传感器测量值F判断卡爪是否已经夹持住货物。

(8)在卡爪放货下降到位之前，要先通过门架传感器判断货物是否接近传送带。

(9)在卡爪真空吸盘执行充气之前，要先通过卡爪拉力传感器测量值F判断货物是否已经放稳。

相应地，更为具体的拆垛流程譬如可以按照如下具体步骤进行：

步骤1：顶部横梁测距传感器测量顶部横梁至第一排货物的距离，若测量值d小于门架高度D，将各机构位置归零；若测量值d等于门架高度D，流程结束；

步骤2：检测机构位置是否都在零位，是，则将卡爪单元沿X向移动至左工位；否，则将各机构位置再次归零，直到检测结果为是；

步骤3：卡爪单元移至左工位后，再沿Z向常速下降，直至卡爪光电传感器检测不到反射光；

步骤4：卡爪单元Z向下降速度由常速降至慢速，继续沿Z向下降，直至卡爪接触开关被触发；

步骤5：卡爪单元停止Z向下降，卡爪臂收紧，真空吸盘执行抽气动作；

步骤6：卡爪单元沿Z向慢速提升，检测卡爪拉力传感器测量值F，若测量值F大于机构自重G，则卡爪继续沿Z向慢速提升；若测量值F等于机构自重G，则停止提升，重复步骤5，直到测量值F大于机构自重G；

步骤7：卡爪单元继续沿Z向慢速提升，直到卡爪光电传感器重新检测到反射光；

步骤8：卡爪单元沿X向移动至右工位，再绕Z轴逆时针旋转90°；

步骤9：卡爪单元沿Z向常速下降，直到门架传感器检测不到反射光；

步骤10：卡爪单元Z向下降速度由常速降至慢速，继续沿Z向下降，直至卡爪拉力传感器测量值F等于机构自重G；

步骤11：卡爪单元Z向停止下降，真空吸盘执行充气动作；

步骤12：顶部横梁测距传感器测量门架顶部至第一排货物的距离，若测量值d小于门架高度D，通过测量值计算卡爪单元Z向提升距离；若测量值d等于门架高度D，系统各机构位置归零，流程结束；

步骤13：卡爪单元沿Z向常速提升，提升高度即为步骤12中计算的卡爪单元Z向提升距离，然后绕Z轴顺时针旋转90°，并沿X向移动至左工位；

步骤14：重复步骤3～13，直至顶部横梁测距传感器测量的架顶部至第一排货物的距离d等于门架高度D，系统各机构位置归零，流程结束。

按照本发明的上述堆拆垛装置在执行堆垛任务时的流程是拆垛流程的逆动作。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置，其特征在于，该堆拆垛装置包括门架单元、卡爪单元(120)以及配套的全过程监测及反馈单元，其中：

该门架单元整体为框架式构造，并包括顶部横梁(112)、以及安装于该门架单元上的X向平动模块(113)、Z向平动模块(111)和Z向旋转模块(114)，由此分别用于将从所述顶部横梁的下方转运然后被所述卡爪单元夹持住的箱体结构执行下列的三自由运动：X轴方向也即水平方向上的直线移动，以及Z轴方向也即竖直方向上的直线移动和旋转；

该卡爪单元(120)包括具备滑轨、滑块和电机的开闭直线模块(122)、与所述滑块固连的卡爪臂(121)以及卡爪盖板(124)，其中所述卡爪臂在所述电机的驱动下连同所述滑块一同沿着所述滑轨移动，由此实现该卡爪臂相对于所述卡爪盖板的闭合张开动作，进而夹持或释放箱体结构；此外，该卡爪臂的外侧还设置有多个真空吸盘(123)；

该全过程监测及反馈单元包括顶部横梁测距传感器(201)、卡爪运动传感器(203)、卡爪拉力传感器(204)、卡爪接触开关(205)和门架传感器(202)，其中：

所述顶部横梁测距传感器(201)被安装于所述顶部横梁上，它用于监测下方是否存在待作业的箱体结构，并且当判定存在箱体结构时，反馈于所述卡爪单元沿着Z轴方向以常速下降到达取货工位；

所述卡爪运动传感器(203)安装在所述卡爪臂(121)的内侧且与臂底面相平齐，它用于监测所述卡爪单元是否接近箱体结构，并且当判定即将接近箱体结构时，反馈于所述卡爪单元由常速降为慢速并准确达到夹持工位；接着，当所述卡爪接触开关(205)监测到所述卡爪单元已经夹持住箱体结构之后，该卡爪运动传感器(203)再次反馈于所述卡爪单元，并使其沿着Z轴方向加速上升及输送至放货工位；

所述卡爪拉力传感器(204)用于对所述卡爪单元对所述门架单元的拉力进行实时监测，并据此判断箱体结构是否已经被所述卡爪单元稳定夹持住；

所述门架传感器(202)安装在货物传送带两侧，并用于监测经由所述卡爪单元夹持的箱体结构是否已经接近货物传送带，并且当判定即将接近货物传送带时，反馈于所述卡爪单元减速进入放货工位。

2.如权利要求1所述的一种面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置，其特征在于，所述卡爪单元还包括门架连接组件(125)和卡爪接触开关滑槽组件(126)，其中该门架连接组件用于将整个卡爪单元悬挂安装于所述顶部横梁上，该卡爪接触开关滑槽组件被设置于所述卡爪盖板上且靠近所述卡爪臂，并用于安装所述卡爪接触开关(205)以便判断整个卡爪单元是否已到达夹持工位。

3.如权利要求1或2所述的一种面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置，其特征在于，当所述卡爪接触开关(205)监测到所述卡爪单元已经夹持住箱体结构之后，所述卡爪臂被闭合并且所述真空吸盘执行抽取动作。

4.如权利要求1所述的一种面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置，其特征在于，所述卡爪拉力传感器(204)的使用方式设计如下：设其测量值为F，所述卡爪单元的自重为G，其中当F大于G时，判断箱体结构是否已经被所述卡爪单元稳定夹持住；而当F等于G时，判断箱体结构并未被所述卡爪单元稳定夹持住。

5.如权利要求1所述的一种面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置，其特征在于，所述顶部横梁测距传感器的使用方式设计如下：设其测量值为d，所述顶部横梁到地面的距离也即门架高度为D，其中当d小于D时，判断此时货道内存在待作业的箱体结构；而当d等于D时，判断此时货道内没有待作业的箱体结构，并可使装置各单元归零。

6.如权利要求1所述的一种面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置，其特征在于，所述卡爪运动传感器(203)和门架传感器(202)采用对射型光电传感器，由此借助于对射光的检测来实现监测功能。

7.如权利要求1所述的一种面向箱体结构自动转运的堆拆垛装置，其特征在于，所述顶部横梁测距传感器采用超声波式测距传感器。

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