摘要:為滿足機器人自動碼垛機完成不同類型和規(guī)格包裝件的自動碼垛機系統(tǒng)作業(yè)要求, 提出了一種新型的機器人自動碼垛機多功能末端執(zhí)行器的設計方案。該自動碼垛機系統(tǒng)方案采用氣動驅(qū)動,通過夾持機構(gòu)、抓取機構(gòu)和吸附機構(gòu),實現(xiàn)各類包裝件和托盤以及墊紙等的夾持、抓取、吸持等動作。在總體方案的基礎上,通過詳細設計分析與計算,完成了末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設計,并在SolidWorks軟件平臺上建立了末端執(zhí)行器的三維CAD模型,最后進行了氣缸選型和氣動系統(tǒng)設計。該末端執(zhí)行器設計合理,迎合了自動碼垛機系統(tǒng)實際情況和需求,具有良好的應用前景。
現(xiàn)代企業(yè)集團化、生產(chǎn)能力規(guī)�；�、多品種少批量的生產(chǎn)方式,使得機器人自動碼垛機的應用需求越來越大,對機器人工作能力的要求也不斷提高,不僅要求機器人自動碼垛機向高速化方向發(fā)展,而且要求機器人具備處理多種產(chǎn)品的能力,實現(xiàn)一機多產(chǎn)品、一機多盤、一機多線的功能。由于目標對象的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、尺寸不同,機器人自動碼垛機末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)以及對目標對象的操作方式也不同,目標對象一旦更換,則需更換相應的末端執(zhí)行器,而且自動碼垛機系統(tǒng)程序也要做相應的更改,這將無法適應現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)的高速化、多品種、少批量的現(xiàn)狀。筆者針對這種情況,結(jié)合國內(nèi)外相關領域的研究現(xiàn)狀,研究設計一種機器人自動碼垛機多功能末端執(zhí)行器,不需更換關鍵零部件,即可實現(xiàn)對不同形態(tài)、結(jié)構(gòu)和尺寸的包裝件的識別和操作。
1 總體方案設計與分析
機器人自動碼垛機根據(jù)視覺系統(tǒng)檢測到的包裝件、托盤等目標的外形和結(jié)構(gòu)尺寸等信息,傳遞給末端執(zhí)行器控制器,驅(qū)動末端執(zhí)行器實現(xiàn)對箱類、桶類、袋類包裝件及托盤的工藝操作。當包裝件類型及其外形尺寸發(fā)生變化時,機器人自動碼垛機可轉(zhuǎn)換末端執(zhí)行器的執(zhí)行方式,并調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)參數(shù),完成不同包裝件的準確取包、放包操作。該末端執(zhí)行器適應的包裝件外形尺寸見表1。
瓦楞紙箱和紙盒等外形為立方體的包裝件適合采用夾持方式,包裝件外形尺寸和質(zhì)量較大時,采用夾、托的組合方式。桶類包裝件直徑和質(zhì)量較小時,采用夾持方式, 較大時可采用夾、托的組合方式。袋類包裝件外觀不夠平整且較為柔軟,適合采用抓取的方式。托盤墊紙或墊板質(zhì)地柔軟輕薄,適合采用吸持方式。托盤尺寸較大, 而且鋪板之間有間隙,不適合用夾持或吸持的方式,但托盤有叉孔,利用手爪就可以很容易抓住叉孔所在側(cè)面的邊板。夾持動作可由氣缸、液壓缸、齒輪齒條、絲杠或者同步帶等驅(qū)動2塊夾板實現(xiàn);吸持動作利用真空吸盤實現(xiàn),吸盤是否作用由電磁閥控制;袋類包裝件和托盤的抓、放動作,可利用氣缸結(jié)合執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動手爪產(chǎn)生往復間歇擺動,即可實現(xiàn)手爪閉合和張開。
經(jīng)過分析、比較和綜合,提出了一種用于瓦楞紙箱類、桶類、袋類及托盤的機器人自動碼垛機末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)方案,不需更換關鍵零部件,即可快速轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)不同的執(zhí)行機構(gòu)以適應不同類型、不同尺寸的包裝件,并實現(xiàn)取放操作。總體碼垛機系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)方案見圖1。
該末端執(zhí)行器主要由夾持機構(gòu)、抓取機構(gòu)、吸附機構(gòu)組成,可完成箱類、盒類、桶類包裝件的夾包、放包,墊紙(或墊板)的吸持,袋類包裝件的夾包、抓包、放包,托盤的抓盤、放盤等動作。
2 結(jié)構(gòu)設計
在對上述方案進行設計與分析的基礎上,對該機器人自動碼垛機末端執(zhí)行器進行了詳細的結(jié)構(gòu)設計,在SolidWorks軟件平臺上建立了組成該末端執(zhí)行器的所有零部件的三維CAD模型及裝配模型,見圖2。
2.1 夾持機構(gòu)
該機構(gòu)主要由夾板、連接板、鋁型材、U形滑軌、滑塊、同步帶輪、同步帶以及氣缸組成。U形滑軌安裝在鋁型材側(cè)面,滑塊在U形槽內(nèi)滑動,夾板通過連接板與滑塊連接在一起,夾板氣缸缸筒安裝在鋁型材下方,活塞桿通過腳座與左側(cè)夾板連接。當活塞桿縮回時,拖動左側(cè)夾板沿著滑軌向右移動,通過同步齒形帶帶動右側(cè)夾板向左移動,使2塊夾板靠近,實現(xiàn)夾持動作。由氣源和氣缸提供足夠的軸向壓力,確保夾板產(chǎn)生足夠的夾緊力。反之活塞桿伸出,使夾板松開包裝件,完成包裝件的碼放。
2.2 抓取機構(gòu)
該多功能末端執(zhí)行器處理袋類包裝件和托盤時,均采用手爪抓取,由于操作對象類型不同,手爪的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動形式也有所不同。
2.2.1 袋類手爪
袋類包裝件整體較為柔軟,因此抓取時,手爪應包絡整個袋子。袋類手爪主要由爪形手指、手爪架、葉片式擺動氣缸組成。擺動氣缸中心軸與手爪架固連,壓縮空氣驅(qū)動葉片帶動中心軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),實現(xiàn)手爪架上的爪形手指張開或閉合。為使袋類手爪能順利抓取不同寬度的包裝袋,將2個袋類手爪分別安 包裝工程 PACKAGINGENGINEERINGVol.32No.72011.0482裝在左右2塊夾板上,隨著夾板的往復移動,手爪間距也隨之變化以適應包裝袋寬度的變化。同時,在袋類手爪抓取袋子時,夾板可起到定位和夾包的作用,防止掉包。
2.2.2 托盤手爪
托盤尺寸較大, 且邊板一側(cè)有叉孔,因此,從邊板抓起托盤更容易。托盤手爪主要由爪形手指、手爪軸、擺桿、連桿、氣缸等組成。氣缸活塞桿通過連接頭與擺桿鉸接在一起,擺桿和爪形手指均固裝在手爪軸上,為確保托盤爪形手指能同時張開與閉合,采用反平行四邊形連桿機構(gòu),兩側(cè)的爪形手指通過連桿連接起來,見圖3。
當氣缸活塞桿伸出時,驅(qū)動擺桿AB帶動一側(cè)的爪形手指逆時針轉(zhuǎn)動,擺桿AB通過連桿BC驅(qū)動擺桿CD帶動另一側(cè)的爪形手指按順時針方向轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)了爪形手指的收起或抓緊托盤。反之氣缸活塞桿縮回時,爪形手指則張開。2.3 吸附機構(gòu)
該吸附機構(gòu)采用真空吸盤吸住墊紙或薄板,將其放置在托盤上。真空形成方法主要有真空泵式、氣流負壓式和無氣源式3種,采用真空泵式需要一套真空設備,成本較高,而氣流負壓式只需空氣壓縮機即可方便實現(xiàn)。該機構(gòu)主要由真空發(fā)生器、吸盤、電磁閥、氣缸等組成,吸盤安裝在吸紙氣缸活塞桿上,而氣缸安裝在袋類手爪上。當吸盤需要吸取墊紙或墊板時,擺動氣缸驅(qū)動袋類手爪擺動至垂直位置,吸紙氣缸活塞桿伸出,驅(qū)動吸盤下降,真空發(fā)生器管口噴射高速壓縮空氣,使吸盤內(nèi)部產(chǎn)生真空,吸盤吸住墊紙(或墊板)。機器人帶動末端執(zhí)行器將墊紙(或墊板)放置在托盤上后,壓縮空氣斷開,吸盤內(nèi)部真空消失,吸紙氣缸活塞桿縮回,吸盤回到原位,袋類手爪擺動氣缸驅(qū)動手爪擺回初始位置。
3 氣動系統(tǒng)設計
該機器人自動碼垛機末端執(zhí)行器動作較為簡單,采用氣動驅(qū)動很容易實現(xiàn)輸出力和工作速度的調(diào)節(jié),因此,所有執(zhí)行機構(gòu)的動作均采用氣缸驅(qū)動。而氣動系統(tǒng)設計的合理與否直接影響到末端執(zhí)行器的工作性能、可靠性、質(zhì)量以及成本等。
3.1 氣缸選型
在自動碼垛機系統(tǒng)(http://www.cartonpacker.cn/)碼垛作業(yè)過程中,氣缸不僅要驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生往復直線運動和往復擺動,還需要提供足夠的輸出力以確保夾住和抓住包裝件。另外,末端執(zhí)行器在搬運過程中產(chǎn)生的慣性力和離心力也不可忽視,氣缸也必須克服這部分負載,因此,氣缸選型必須綜合考慮以上動力學因素。
夾板氣缸驅(qū)動夾板沿著滑軌滑動,并夾緊包裝件,機器人腕部帶動末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)一定角度后放下包裝件。因此,夾板氣缸必須克服滑軌的摩擦力、包裝件的重力以及夾板和包裝件旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力和慣性力。托盤手爪氣缸驅(qū)動托盤爪形手指張開,抓緊托盤,旋轉(zhuǎn)一定角度放下托盤,因此,托盤手爪氣缸必須克服托盤的重力。袋類手爪擺動氣缸驅(qū)動袋類爪形手指擺動一定角度,抓住包裝袋,機器人腕部帶動末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)一定角度后,手指張開放下包裝袋,因此,袋類手爪氣缸必須克服包裝袋的重力。下面以夾板氣缸為例說明選型計算。
3.1.1負載計算
1)摩擦力�；瑝K在滑軌中滑動時,它們之間由滾珠產(chǎn)生滾動摩擦力,設滾動摩擦系數(shù)為=0.05,已知夾板質(zhì)量大約為m1=m2=12kg,包裝件最大質(zhì)量為m=50kg,則夾板氣缸帶動夾板移動時需克服的摩擦力為:F滾動=(m+m1+m2)g=36.26N
2) 夾緊力。當夾板夾住包裝件時,夾板和包裝件之間為靜摩擦力,該摩擦力應大于或等于包裝件重量,其大小與夾板的夾緊力成正比,設夾板與包裝件的靜摩擦系數(shù)為 1=1,則夾板產(chǎn)生的夾緊力為:N=mg/1=490N即夾板要夾住50kg的包裝件時,氣缸軸向輸出力至少為245N。
3)離心力和慣性力。當夾板夾住包裝件后,機器人自動碼垛機驅(qū)動末端執(zhí)行器完成搬運和碼放動作,在這個過程中,末端執(zhí)行器要完成以機器人腰部中心為回轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)運動以及以腕部中心為回轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)運動,因此夾板氣缸必須克服包裝件和夾板旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力和慣性力。左側(cè)夾板和包裝件受力見圖 4,F1,F2分別為左側(cè)夾板和包裝件相對于腰部軸線1產(chǎn)生的離心力,F3和F4分別為左夾板和包裝件相對于腕部軸線2產(chǎn)生的離心力和慣性力。
設包裝件最大外形尺寸為600mm400mm300mm,最大質(zhì)量為50kg,圖4中r1=2.8m,r2=0.2m。末端執(zhí)行器繞軸1和軸2旋轉(zhuǎn)的最大加速度和最大角加速度分別設為1=2rad/s,1=6.8rad/s2,2=4rad/s,2=25rad/s2[2], 則:F1=m1(r1+r2)12=144NF2=mr112=560NF3=m1r222=38.4N利用SolidWorks的模型質(zhì)量特性分析功能,可知包裝件繞軸2自轉(zhuǎn)的慣性矩為I2=2.1665kgm2,則包裝件繞軸2自轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的慣性力為:F4=I222r2=2.16652520.2=135.4N左側(cè)夾板所受到的最大徑向動態(tài)負載,即夾板氣缸受到的軸向負載為:Fdmax=F1+F2+F3+F4=877.8N3.1.2選型計算經(jīng)過以上分析可知,末端執(zhí)行器在完成包裝件的夾持、搬運過程中,夾板氣缸需要克服的主要軸向負載是夾緊力、離心力和慣性力,因此,根據(jù)這2個軸向載荷之和選擇夾板氣缸型號。已知氣缸工作壓力為p=0.8MPa,夾板處于夾緊狀態(tài)時, 氣缸的軸向負載為靜態(tài)負載,負載率選=0.8,則氣缸理論輸出力為:F0=Fdmax+N=1403.5N則雙作用氣缸缸徑為:D=4F0p=47.3mm故選取雙作用氣缸缸徑為50mm。
3.2 氣動系統(tǒng)圖
該末端執(zhí)行器有1個夾板氣缸、1個托盤手爪氣缸、2個袋類手爪擺動氣缸、4個吸紙氣缸以及4個真空吸盤,其中2個袋類手爪氣缸為擺動氣缸,其余均為普通標準氣缸。在本氣動系統(tǒng)中,由于墊紙(或墊板)質(zhì)量較小,故吸紙氣缸控制回路比較簡單,采用單電控單作用氣缸。為了保證其他3類氣缸活塞桿輸出速度的穩(wěn)定性和各動作的協(xié)調(diào)性,氣動執(zhí)行元件采用帶磁性開關的雙電控雙作用氣缸,并采用排氣節(jié)流方式以確保穩(wěn)定的輸出速度。為降低成本,在確保流量的情況下,吸紙氣缸回路和袋類抓取回路采用1個電磁閥和 1~2個快換接頭帶動多個氣缸同時動作的方式。吸紙氣缸回路中二位三通電磁閥通電時控制吸紙氣缸活塞桿伸出,斷電時活塞桿依靠彈簧力縮回。而真空吸盤是否吸附墊紙(或墊板)由單電二位二通電磁閥控制。袋類抓取回路、托盤抓取回路和箱類夾取回路中的三位五通電磁閥,通電時控制氣缸活塞桿伸出與縮回,斷電時電磁閥處于中間位置,使氣缸活塞桿停止在任意位置。該末端執(zhí)行器的氣動系統(tǒng)見圖5。
4 結(jié)論
針對現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)的多品種、少批量的現(xiàn)狀和要求,設計了一種新型的多功能機器人自動碼垛機末端執(zhí)行器,該末端執(zhí)行器采用結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、使用壽命長的氣壓驅(qū)動,利用夾持機構(gòu)、抓取機構(gòu)、吸持機構(gòu)實現(xiàn)紙箱類、紙盒類、袋類、桶類、墊紙(或墊板)、托盤等包裝件及輔助物的夾取、抓取、吸取、搬運和碼放等自動碼垛動作。其中,托盤抓取機構(gòu)采用了反平行四邊形機構(gòu)實現(xiàn)托盤手爪的開合,減少了氣缸個數(shù)。為適應包裝件尺寸規(guī)格的變化,該末端執(zhí)行器可配備視覺傳感器準確識別包裝件的外形尺寸和位置,自動調(diào)節(jié)夾持機構(gòu)夾板間距和抓取機構(gòu)手爪間距。為降低成本,使末端執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)緊湊,夾持機構(gòu)和袋類抓取機構(gòu)設計為一體,在袋類手爪抓包和搬運過程中,夾板可起到夾包和定位的作用,防止掉包現(xiàn)象。在抓包、放包過程中,袋類手爪的開合由擺動氣缸實現(xiàn),擺動氣缸具有結(jié)構(gòu)輕巧、擺動角度可調(diào)、轉(zhuǎn)矩較大等優(yōu)點。整個末端執(zhí)行器氣動系統(tǒng)采用了三位五通電磁閥,保證在夾持、抓取時氣缸活塞桿能停在適當位置,確保足夠的工作壓力,而溢流式減壓閥可控制系統(tǒng)的工作壓力,維持系統(tǒng)正常工作。與傳統(tǒng)末端執(zhí)行器相比,該機器人自動碼垛機多功能末端執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單、新穎、緊湊,適用范圍廣,整體強度高,質(zhì)量較輕,成本低等優(yōu)點,能適應現(xiàn)代化生產(chǎn)需求,具有較好的應用前景。
