水平多關(guān)節(jié)型碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)萬(wàn)明++張壯

摘 要：根據(jù)目前物流自動(dòng)化對(duì)箱包等物料高速碼垛的工作要求，確定了碼垛機(jī)器人的基本技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了三自由度水平關(guān)節(jié)型碼垛機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得出了碼垛機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并通過對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的逆解求出碼垛機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位姿，應(yīng)用 Solid Works 軟件構(gòu)建了碼垛機(jī)器人的三維實(shí)體模型，進(jìn)行模型裝配，實(shí)現(xiàn)了碼垛機(jī)器人碼垛過程的仿真。對(duì)碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可以為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)碼垛機(jī)器人提供借鑒。

關(guān)鍵詞：碼垛機(jī)器人 三平動(dòng)一垂直 SolidWorks設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（c）-0108-03

1 背景概述

碼垛是將裝入容器（如紙箱、編織袋和桶等）的物料或者經(jīng)過包裝和未經(jīng)包裝的規(guī)則物品，按一定排列碼放在托盤（木質(zhì)）上，進(jìn)行自動(dòng)堆碼。可堆碼多層，然后推出以便于繼續(xù)進(jìn)行下一步包裝或者用叉車運(yùn)至倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存。碼垛機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)智能化操作管理，從而大大減少勞動(dòng)人員，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。碼垛機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于石化、食品、醫(yī)藥、飼料、糧食、有色礦物和建材等行業(yè)中的粉狀、粒狀物料以及規(guī)則有一定體積物品的自動(dòng)碼垛。

1.1 碼垛機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)

（1）產(chǎn)品形式：PET瓶、玻璃瓶。

（2）碼垛物品：紙箱包裝、膜包。

（3）包裝瓶容量規(guī)格：500mL。

（4）碼垛速度：不少于15箱/min（24瓶/箱）。

（5）物品重量：不大于20kg（每箱）。

（6）紙箱尺寸：385mm×270mm×235mm。

（7）碼垛層數(shù)：4層。

1.2 碼垛機(jī)器人的總體組成

此水平多關(guān)節(jié)型碼垛機(jī)器人包括機(jī)架、垂直驅(qū)動(dòng)鏈、水平驅(qū)動(dòng)鏈和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分。機(jī)架部分主體設(shè)計(jì)為支持柱，外加前防護(hù)蓋板、后防護(hù)蓋板、底座、底座配重及滑竿等。其中滑竿的作用是垂直驅(qū)動(dòng)鏈中的動(dòng)平臺(tái)與滑竿通過滑塊相連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)。

垂直驅(qū)動(dòng)鏈部分選擇伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，減速機(jī)作為減速部件，傳動(dòng)部分選擇鏈輪鏈條傳動(dòng)。其伺服電機(jī)與橫梁軸之間通過減速機(jī)和聯(lián)軸器相連；鏈輪安裝在橫梁軸上；安裝在鏈輪上的鏈條，其一端連接垂直驅(qū)動(dòng)鏈中的動(dòng)平臺(tái)，另一端連接垂直運(yùn)動(dòng)配重，配重的作用是平衡和實(shí)現(xiàn)垂直方向的快速運(yùn)動(dòng)；鏈輪在橫梁軸上的安裝位置應(yīng)使鏈條與動(dòng)平臺(tái)的連接部分處于垂直方向。

水平驅(qū)動(dòng)鏈部分選擇兩個(gè)伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，選擇多關(guān)節(jié)桿鏈作為傳動(dòng)裝置。其中多關(guān)節(jié)桿鏈包括第一水平運(yùn)動(dòng)主動(dòng)臂、第二水平運(yùn)動(dòng)主動(dòng)臂、第一水平運(yùn)動(dòng)連接桿、第二水平運(yùn)動(dòng)從動(dòng)臂、兩個(gè)水平連接桿、水平運(yùn)動(dòng)保姿態(tài)桿及多個(gè)連接軸等。水平運(yùn)動(dòng)保姿態(tài)桿的作用是為了實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng)后末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的擺放角度不改變，即末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)不需要安裝相應(yīng)的電機(jī)，減少設(shè)計(jì)成本。

末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分包含兩組氣缸，其中一組氣缸的作用是實(shí)現(xiàn)抓手部分的插入和退出動(dòng)作，另一組氣缸的作用是實(shí)現(xiàn)壓板的壓箱和撤銷動(dòng)作（壓箱是為了防止紙箱脫落）。

現(xiàn)有的碼垛成型方式主要是依靠末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的抓包及旋轉(zhuǎn)調(diào)整一定角度的動(dòng)作，進(jìn)而擺放到指定位置，實(shí)現(xiàn)一定的碼垛形式，但此種方式大多需要四自由度碼垛機(jī)器人，除了垂直及水平方向的運(yùn)動(dòng)外，還必須在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上安裝一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)垂直旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即所抓產(chǎn)品的旋轉(zhuǎn)調(diào)整角度動(dòng)作，因此，這種碼垛成型方式既增加了末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自身重量，也增加了制造成本。

基于以上說明結(jié)合比較幾種國(guó)內(nèi)外的碼垛構(gòu)型，本文所設(shè)計(jì)的水平多關(guān)節(jié)型碼垛機(jī)器人及生產(chǎn)線則避免了以上缺點(diǎn)。水平多關(guān)節(jié)型碼垛機(jī)器人中的水平驅(qū)動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)時(shí)不改變末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)所抓紙箱的擺放角度，則末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)不需安裝旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，只需在配套的生產(chǎn)線中安裝轉(zhuǎn)箱裝置來實(shí)現(xiàn)不同的碼垛形式。此種碼垛機(jī)器人既減小了設(shè)計(jì)及制造難度，也減少了產(chǎn)品的成本。

2 水平多關(guān)節(jié)型碼垛機(jī)器人的設(shè)計(jì)策略

2.1 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)與水平驅(qū)動(dòng)鏈之間設(shè)定為通過末端平臺(tái)相連接。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主體支撐部分為方鋼和星型鋁型材的組合體（命名為末端支架）；末端支架與末端平臺(tái)之間通過末端連接法蘭相連接；末端支架上安裝兩組氣缸，一組氣缸連接壓板，故壓板可以隨氣缸桿上下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)抓手插入紙箱底部時(shí)，壓板壓緊紙箱以防紙箱脫落；抓手與推板、直線軸承座、支架法蘭等相連接組成一個(gè)運(yùn)動(dòng)體，該運(yùn)動(dòng)體穿過導(dǎo)桿，由另一組氣缸提供動(dòng)力，故此運(yùn)動(dòng)體可以沿導(dǎo)桿長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)。

末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作情況，具體為：末端連接法蘭與末端平臺(tái)相連接用以吊起整個(gè)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)；末端支架安裝在末端連接法蘭下面作為末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的框架；支架法蘭、直線軸承、直線軸承座、推板、抓手等組成一個(gè)運(yùn)動(dòng)體，此運(yùn)動(dòng)體在氣缸組一的帶動(dòng)下沿著導(dǎo)桿的長(zhǎng)度方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)開始抓箱時(shí)，此運(yùn)動(dòng)體沿著A方向插進(jìn)紙箱底部；抓手插進(jìn)紙箱底部后，氣缸組二帶動(dòng)壓板向下運(yùn)動(dòng)則可壓緊紙箱，而后末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)就可根據(jù)工作要求將紙箱搬運(yùn)到指定位置；紙箱到達(dá)指定位置后需先將抓手部分的運(yùn)動(dòng)體沿A方向的相反方向撤出抓手，隨后將壓板升起，即可完成整個(gè)搬運(yùn)紙箱過程，隨后進(jìn)入下一次搬箱過程，依次重復(fù)。

2.2 水平驅(qū)動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的水平驅(qū)動(dòng)鏈如圖2所示。初步設(shè)定各參數(shù)為：第一水平運(yùn)動(dòng)主動(dòng)臂（12）、第一水平運(yùn)動(dòng)連接桿（14）、

第二水平運(yùn)動(dòng)從動(dòng)臂（15）、水平連接桿二（18）均長(zhǎng)1500mm；第二水平運(yùn)動(dòng)主動(dòng)臂（13）長(zhǎng)300mm；水平連接桿一（17）長(zhǎng)1500+300=1800mm；水平運(yùn)動(dòng)保姿態(tài)桿（16）中鈍角100°兩邊的邊長(zhǎng)均為300mm。水平驅(qū)動(dòng)鏈在一次的搬運(yùn)過程中，其第一水平運(yùn)動(dòng)主動(dòng)臂（12）約轉(zhuǎn)角100°，第二水平運(yùn)動(dòng)主動(dòng)臂（13）約轉(zhuǎn)角60°。endprint

根據(jù)伺服電機(jī)、減速機(jī)的尺寸及水平運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)中各桿的連接情況設(shè)計(jì)承載水平驅(qū)動(dòng)鏈的動(dòng)平臺(tái)，此動(dòng)平臺(tái)上下端面安裝伺服電機(jī)和減速機(jī)，且安裝部位相對(duì)動(dòng)平臺(tái)中部對(duì)稱，動(dòng)平臺(tái)的上端面中安裝第一水平運(yùn)動(dòng)主動(dòng)臂及第一水平運(yùn)動(dòng)連接桿的兩孔中心距為300mm。

由于將設(shè)計(jì)用鏈輪帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)，則鏈輪的中心軸到動(dòng)平臺(tái)中與鏈條相連接部位的中心的距離應(yīng)等于鏈輪的分度圓半徑為宜，而根據(jù)已設(shè)計(jì)的動(dòng)平臺(tái)知，此鏈接部位的中心到動(dòng)平臺(tái)靠近機(jī)架的平面的距離為75mm。

至此可通過SolidWork s軟件精確設(shè)計(jì)整個(gè)水平驅(qū)動(dòng)鏈及與末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)和垂直驅(qū)動(dòng)鏈相連接部位的末端平臺(tái)和垂直運(yùn)動(dòng)動(dòng)平臺(tái)。垂直運(yùn)動(dòng)動(dòng)平臺(tái)材料選取鑄造碳鋼，故可估算出垂直驅(qū)動(dòng)鏈需要帶動(dòng)的載荷約為600kg。動(dòng)平臺(tái)通過連接滑塊及滑竿與機(jī)架部分相連接，即連接滑塊固聯(lián)在動(dòng)平臺(tái)上，滑竿固聯(lián)在機(jī)架上，且連接滑塊可以在滑竿上沿滑竿長(zhǎng)度方向上下運(yùn)動(dòng)，根據(jù)連接滑塊的設(shè)計(jì)可確定此滑塊厚度為40mm，根據(jù)滑竿的設(shè)計(jì)可初步確定此滑竿長(zhǎng)2200mm。

2.3 機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架主要有支持柱、前防護(hù)蓋板、后防護(hù)蓋板、底座板、底座配重及滑竿。

（1）支持柱為整個(gè)機(jī)架的主體，包含三面板，垂直驅(qū)動(dòng)鏈主要安裝在支持柱（20）上，其中長(zhǎng)2200mm，底面為邊長(zhǎng)為600mm的正方形。

（2）前防護(hù)蓋板用來遮擋垂直驅(qū)動(dòng)鏈的主傳動(dòng)部分，起到保護(hù)及美觀的作用。

（3）后防護(hù)蓋板與支持柱一起共同組成機(jī)架的框架。

（4）底座板用于確定整個(gè)機(jī)器人的安裝位置，通過地腳螺栓安裝與定位，與支持柱及后防護(hù)蓋板之間的聯(lián)接方式為焊接。

（5）底座配重分別安裝在底座板的兩邊，每邊各10塊，每塊約重7kg，即每邊總重70kg。滑竿的作用是為了讓動(dòng)平臺(tái)跟隨滑塊沿滑竿的方向運(yùn)動(dòng)，另外為了讓滑塊和滑竿之間更好的配合，它們的截面設(shè)計(jì)成特定形狀。

3 生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)策略

此生產(chǎn)線主要由傳輸線主體、轉(zhuǎn)箱裝置、擋箱裝置組成，其中傳輸線主體由傳輸支架、槽鋼橫梁、滾筒及紙箱擋板等。具體如圖3所示。

轉(zhuǎn)箱裝置的作用是將傳輸?shù)酱颂幍募埾湫D(zhuǎn)90°，而水平驅(qū)動(dòng)鏈及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作會(huì)保持紙箱的擺放方向不變，因此兩者結(jié)合后會(huì)擺放成不同的碼垛形式。

轉(zhuǎn)箱裝置的運(yùn)動(dòng)過程如下：當(dāng)紙箱傳輸?shù)揭欢ㄎ恢脮r(shí)，轉(zhuǎn)箱氣缸將豎直方向伸出氣缸桿帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭及旋轉(zhuǎn)滾子運(yùn)動(dòng)，待紙箱旋轉(zhuǎn)90°后沿水平方向的反方向撤回，即可完成一次轉(zhuǎn)箱動(dòng)作。轉(zhuǎn)箱導(dǎo)桿具有輔助旋轉(zhuǎn)頭及旋轉(zhuǎn)滾子運(yùn)動(dòng)的作用。

擋箱裝置的作用是阻擋住紙箱的傳輸，使之停留在一定的位置，待上一個(gè)（或一些）紙箱被搬走后，將停留在此處的紙箱放行。

擋箱裝置的運(yùn)動(dòng)過程如下：當(dāng)紙箱傳輸?shù)綋跸溲b置安裝的位置時(shí)，擋箱氣缸將沿斜方向伸出氣缸桿帶動(dòng)擋板運(yùn)動(dòng)，待上一個(gè)（或一些）紙箱被搬走后沿E方向的反方向撤回，即可完成一次擋箱動(dòng)作。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬(wàn)彥文.關(guān)于碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)科技博覽，2015（8）.

[2] 牟曉華.翅片管碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化與控制的研究[D].上海海洋大學(xué)，2016.endprint