摘要:為滿足機器人自動碼垛機完成不同類型和規格包裝件的自動碼垛機系統作業要求, 提出了一種新型的機器人自動碼垛機多功能末端執行器的設計方案。該自動碼垛機系統方案采用氣動驅動,通過夾持機構、抓取機構和吸附機構,實現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,完成了末端執行器的結構設計,并在SolidWorks軟件平臺上建立了末端執行器的三維CAD模型,最后進行了氣缸選型和氣動系統設計。該末端執行器設計合理,迎合了自動碼垛機系統實際情況和需求,具有良好的應用前景。

現代企業集團化、生產能力規模化、多品種少批量的生產方式,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展,而且要求機器人具備處理多種產品的能力,實現一機多產品、一機多盤、一機多線的功能。由于目標對象的形態、結構、尺寸不同,機器人自動碼垛機末端執行器的結構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行器,而且自動碼垛機系統程序也要做相應的更改,這將無法適應現代企業生產的高速化、多品種、少批量的現狀。筆者針對這種情況,結合國內外相關領域的研究現狀,研究設計一種機器人自動碼垛機多功能末端執行器,不需更換關鍵零部件,即可實現對不同形態、結構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視覺系統檢測到的包裝件、托盤等目標的外形和結構尺寸等信息,傳遞給末端執行器控制器,驅動末端執行器實現對箱類、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生變化時,機器人自動碼垛機可轉換末端執行器的執行方式,并調整執行機構參數,完成不同包裝件的準確取包、放包操作。該末端執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量較大時,采用夾、托的組合方式。桶類包裝件直徑和質量較小時,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動2塊夾板實現;吸持動作利用真空吸盤實現,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,可利用氣缸結合執行機構驅動手爪產生往復間歇擺動,即可實現手爪閉合和張開。

經過分析、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行器結構方案,不需更換關鍵零部件,即可快速轉換和調節不同的執行機構以適應不同類型、不同尺寸的包裝件,并實現取放操作。總體碼垛機系統機械結構方案見圖1。

該末端執行器主要由夾持機構、抓取機構、吸附機構組成,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 結構設計

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行器進行了詳細的結構設計,在SolidWorks軟件平臺上建立了組成該末端執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

該機構主要由夾板、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面,滑塊在U形槽內滑動,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夾板連接。當活塞桿縮回時,拖動左側夾板沿著滑軌向右移動,通過同步齒形帶帶動右側夾板向左移動,使2塊夾板靠近,實現夾持動作。由氣源和氣缸提供足夠的軸向壓力,確保夾板產生足夠的夾緊力。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

該多功能末端執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,手爪的結構和驅動形式也有所不同。

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,壓縮空氣驅動葉片帶動中心軸正轉或反轉,實現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,兩側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,驅動擺桿AB帶動一側的爪形手指逆時針轉動,擺桿AB通過連桿BC驅動擺桿CD帶動另一側的爪形手指按順時針方向轉動,實現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

該吸附機構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。該機構主要由真空發生器、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,擺動氣缸驅動袋類手爪擺動至垂直位置,吸紙氣缸活塞桿伸出,驅動吸盤下降,真空發生器管口噴射高速壓縮空氣,使吸盤內部產生真空,吸盤吸住墊紙(或墊板)。機器人帶動末端執行器將墊紙(或墊板)放置在托盤上后,壓縮空氣斷開,吸盤內部真空消失,吸紙氣缸活塞桿縮回,吸盤回到原位,袋類手爪擺動氣缸驅動手爪擺回初始位置。

3 氣動系統設計

該機器人自動碼垛機末端執行器動作較為簡單,采用氣動驅動很容易實現輸出力和工作速度的調節,因此,所有執行機構的動作均采用氣缸驅動。而氣動系統設計的合理與否直接影響到末端執行器的工作性能、可靠性、質量以及成本等。

3.1 氣缸選型

在自動碼垛機系統(http://www.cartonpacker.cn/)碼垛作業過程中,氣缸不僅要驅動執行機構產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,末端執行器在搬運過程中產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行器旋轉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時產生的離心力和慣性力。托盤手爪氣缸驅動托盤爪形手指張開,抓緊托盤,旋轉一定角度放下托盤,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行器旋轉一定角度后,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。滑塊在滑軌中滑動時,它們之間由滾珠產生滾動摩擦力,設滾動摩擦系數為=0.05,已知夾板質量大約為m1=m2=12kg,包裝件最大質量為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為 1=1,則夾板產生的夾緊力為: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動末端執行器完成搬運和碼放動作,在這個過程中,末端執行器要完成以機器人腰部中心為回轉中心的旋轉運動以及以腕部中心為回轉中心的旋轉運動,因此夾板氣缸必須克服包裝件和夾板旋轉時產生的離心力和慣性力。左側夾板和包裝件受力見圖 4,F1,F2分別為左側夾板和包裝件相對于腰部軸線1產生的離心力,F3和F4分別為左夾板和包裝件相對于腕部軸線2產生的離心力和慣性力。

設包裝件最大外形尺寸為600mm400mm300mm,最大質量為50kg,圖4中r1=2.8m,r2=0.2m。末端執行器繞軸1和軸2旋轉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的模型質量特性分析功能,可知包裝件繞軸2自轉的慣性矩為I2=2.1665kgm2,則包裝件繞軸2自轉時產生的慣性力為:F4=I222r2=2.16652520.2=135.4N左側夾板所受到的最大徑向動態負載,即夾板氣缸受到的軸向負載為:Fdmax=F1+F2+F3+F4=877.8N3.1.2選型計算經過以上分析可知,末端執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,夾板處于夾緊狀態時, 氣缸的軸向負載為靜態負載,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 氣動系統圖

該末端執行器有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。在本氣動系統中,由于墊紙(或墊板)質量較小,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定性和各動作的協調性,氣動執行元件采用帶磁性開關的雙電控雙作用氣缸,并采用排氣節流方式以確保穩定的輸出速度。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。該末端執行器的氣動系統見圖5。

4 結論

針對現代企業生產的多品種、少批量的現狀和要求,設計了一種新型的多功能機器人自動碼垛機末端執行器,該末端執行器采用結構簡單、可靠性高、使用壽命長的氣壓驅動,利用夾持機構、抓取機構、吸持機構實現紙箱類、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,托盤抓取機構采用了反平行四邊形機構實現托盤手爪的開合,減少了氣缸個數。為適應包裝件尺寸規格的變化,該末端執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,自動調節夾持機構夾板間距和抓取機構手爪間距。為降低成本,使末端執行器整體結構緊湊,夾持機構和袋類抓取機構設計為一體,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,防止掉包現象。在抓包、放包過程中,袋類手爪的開合由擺動氣缸實現,擺動氣缸具有結構輕巧、擺動角度可調、轉矩較大等優點。整個末端執行器氣動系統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的工作壓力,維持系統正常工作。與傳統末端執行器相比,該機器人自動碼垛機多功能末端執行器具有結構簡單、新穎、緊湊,適用范圍廣,整體強度高,質量較輕,成本低等優點,能適應現代化生產需求,具有較好的應用前景。