機(jī)器人原型技術(shù)在食品裝備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉 麥

(海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?571127)

食品生產(chǎn)設(shè)備是食品行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，因此如何提升食品加工生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)和更新速度，對(duì)整個(gè)食品行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。在食品設(shè)備設(shè)計(jì)過程中，常用的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)很難全面模擬真實(shí)的使用環(huán)境，使用機(jī)器人原型技術(shù)對(duì)關(guān)鍵步驟進(jìn)行實(shí)際操作能夠有效減少開發(fā)時(shí)間和成本[1-2]。在產(chǎn)品的處理、操作和包裝過程中，將一些傳統(tǒng)的設(shè)備安裝到機(jī)器人末端執(zhí)行器上，可以讓工業(yè)機(jī)器人快速精確地執(zhí)行事先設(shè)定好的步驟，從而確定出合理的加工方式[3-4]。Pallansch等[5]提出了一種基于計(jì)算機(jī)仿真的食品加工設(shè)備生產(chǎn)方法，但該方法很難對(duì)實(shí)際使用過程中的動(dòng)力環(huán)境等進(jìn)行模擬。Gungor等[6]提出了一種基于動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)仿真算法，該方法既考慮了使用中的動(dòng)力學(xué)問題，也考慮了不同產(chǎn)品加工材料之間的差異，具有較好的使用價(jià)值，但其在非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中的處理效果較差。

文章擬提出一種使用機(jī)器人原型技術(shù)設(shè)計(jì)食品加工設(shè)備的方法，其主要步驟包括通用處理和個(gè)性化處理兩種操作方式。通用處理步驟主要是以所需設(shè)計(jì)的物品為目標(biāo)，對(duì)外形、尺寸參數(shù)、動(dòng)力學(xué)特性等進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，例如鑄造工業(yè)零件時(shí)，可以將一個(gè)工業(yè)零件拆分為標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件，以機(jī)器人原型為基礎(chǔ)，作為非標(biāo)準(zhǔn)件研制末端執(zhí)行器，可以較好地提高工業(yè)零件的生產(chǎn)效率。個(gè)性化處理主要是指在標(biāo)準(zhǔn)化處理流程上，添加一些特殊的處理工藝，如在通用拉面制造設(shè)備中后端加入控制器，可得到多種不同粗細(xì)的產(chǎn)品。個(gè)性化處理工藝需對(duì)加入器件的大小、參數(shù)以及阻力等進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，從而獲得最大的生產(chǎn)效益。

文章通過機(jī)器人原型技術(shù)在食品加工及包裝機(jī)械設(shè)計(jì)中的3個(gè)應(yīng)用實(shí)例，詮釋機(jī)器人原型技術(shù)在食品加工設(shè)備設(shè)計(jì)和制造中的巨大優(yōu)勢(shì)和實(shí)際價(jià)值，旨在為降低開發(fā)新型食品設(shè)備成本提供一種新的思路。

1 機(jī)器人原型技術(shù)

目前，工業(yè)機(jī)器人已成為一種綜合性的自動(dòng)化技術(shù)，既是先進(jìn)的工業(yè)軟硬件的結(jié)合，也是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、自動(dòng)化工廠以及柔性制造體系等現(xiàn)代化制造體系的主要構(gòu)成成分，已被應(yīng)用于加工制造等各個(gè)領(lǐng)域，尤其是單元以及生產(chǎn)線制造等。

機(jī)器人原型是已通過測(cè)試和檢驗(yàn)的機(jī)器人產(chǎn)品，在食品加工及包裝機(jī)械設(shè)備研發(fā)中，使用機(jī)器人原型可以實(shí)現(xiàn)其大部分功能，通過開發(fā)末端執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化功能，并且通過一次次的迭代設(shè)計(jì)可完善末端執(zhí)行器的個(gè)性化功能，達(dá)到提高設(shè)計(jì)效率、減少設(shè)備研發(fā)過程浪費(fèi)的目的。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 夾緊和吸附末端執(zhí)行器的改進(jìn)迭代

傳統(tǒng)制造過程中，產(chǎn)品的夾緊和吸附是通過制造設(shè)備的末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)的，可適用于大部分的面食制做場(chǎng)景，但不適用于意大利面。意大利面具有堅(jiān)硬、易碎、潮濕、黏稠的特點(diǎn)，通用的夾緊型末端執(zhí)行器會(huì)破壞意大利面的表層。張艷麗等[7]提出了一種使用真空夾吸器的制作方案，主要是通過使用帶有一系列孔的平板，從而減小局部受力情況并為整體提供支撐。測(cè)試表明，盡管其可以成功拾取意大利面并置于托盤上，但是意大利面表面的淀粉殘?jiān)c夾持器板仍會(huì)產(chǎn)生粘連，影響其釋放。周霏等[8]設(shè)計(jì)了一種基于滾筒的意大利面制作設(shè)備。其原理是當(dāng)滾筒通過產(chǎn)品時(shí)，產(chǎn)品和滾筒之間的任何連接都可以隨著滾筒的脫落而斷裂，其具體過程如圖1所示。

Radkhah等[9]研究表明，可以采用6軸機(jī)器人作為原型機(jī)器人來搭載“滾筒”末端執(zhí)行器。在機(jī)器人手腕上安裝一根直徑為50 mm的碳纖維管作為滾筒，制作一個(gè)以鋁為材質(zhì)的鏟子并將其安裝至滾筒上(見圖2)，旋轉(zhuǎn)手腕即可將意大利面抬起。多次重復(fù)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在意大利面制作過程中具有可靠性。研究[10]發(fā)現(xiàn)，影響意大利面取放質(zhì)量的因素主要有：① 滾筒滾動(dòng)前，鏟子距離意大利面下方的距離(掃掠距離)；② 滾筒后方自由垂下的意大利面片長(zhǎng)度(懸掛長(zhǎng)度)；③ 鏟子與滾筒之間的間隙大小(δ1)；④ 滾筒最低點(diǎn)與意大利面表面的距離(δ2)。通過反復(fù)的操作試驗(yàn)，優(yōu)化影響意大利面取放質(zhì)量的4個(gè)參數(shù)，結(jié)果見表1。

綜上，根據(jù)系統(tǒng)原型便可構(gòu)建預(yù)生產(chǎn)模型，即使用一個(gè)單一的旋轉(zhuǎn)滾子作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，兩個(gè)氣動(dòng)氣缸定位夾持器。結(jié)果表明，該原型機(jī)器人只需3.6 s即可準(zhǔn)確夾持一根意大利面，并將其放于塑料餐盤中。

2.2 末端執(zhí)行器的分組操作改進(jìn)

三明治制作過程中，餡料一次性放于第一片面包上，再通過在三明治頂部放置第2片面包即可完成三明治的制作。配料前，第2片面包的上半部分需涂一層黃油和蛋黃醬，因此將其放至第一片面包上之前，需先將其進(jìn)行倒置。為了完成這一系列操作，使用Puma 560作為原型機(jī)器人，該原型機(jī)器人可以搭載不同的末端執(zhí)行器。面包片倒置操作的末端執(zhí)行器如圖3所示：面包置于一個(gè)100 mm2的平板上，夾持器安裝于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上，當(dāng)滾子旋轉(zhuǎn)180°后，夾持器反轉(zhuǎn)；當(dāng)夾持器的運(yùn)動(dòng)足夠快時(shí)，面包由于加速度的原因而倒立。

1. 滾子 2. 鏟臂 3. 意大利面 4. 傳送帶

圖2 使用CRS機(jī)器人演示夾持器的運(yùn)動(dòng)

表1 最佳系統(tǒng)參數(shù)

由于平板與面包片之間僅有較小的摩擦力，無相應(yīng)的抓取力，這種末端執(zhí)行器在翻轉(zhuǎn)過程中如果出現(xiàn)一個(gè)小位移，便會(huì)導(dǎo)致面包擺放不正確。因此需要準(zhǔn)確控制旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速，由圖4可知，最佳角速度為9 rad/s左右。

改進(jìn)后的面包片抓取操作的末端執(zhí)行器如圖5所示。夾持器由一個(gè)130 mm×125 mm的聚縮醛樹脂材料制作成類似“槳”的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在“槳”的表面有一個(gè)較窄的溝槽，形成一個(gè)略小于面包片的矩形。當(dāng)抓取器上產(chǎn)生真空時(shí)，通道中的氣壓會(huì)降低，當(dāng)與面包片接觸時(shí)，面包兩邊的壓差會(huì)產(chǎn)生抓取力。為了測(cè)試抓取器的性能，再次將抓取器安裝至Puma機(jī)器人上，并進(jìn)行多次測(cè)試。

當(dāng)面包片夾持器夾持面包時(shí)，氣流會(huì)加速面包水分的流失，導(dǎo)致面包變干燥，不利于銷售。試驗(yàn)結(jié)果表明，在所有的速度范圍內(nèi)，夾持器均能很好地夾緊面包，當(dāng)夾持時(shí)間低于1 s時(shí)，水分損失并不顯著。根據(jù)這個(gè)系統(tǒng)原型便可構(gòu)建預(yù)生產(chǎn)模型，如圖6所示。多次試驗(yàn)表明，該機(jī)器人制作三明治的速度為35個(gè)/min。

1. 機(jī)器人手腕 2. 面包 3. 爪

圖4 末端執(zhí)行器測(cè)試圖

圖5 真空夾持器

2.3 末端執(zhí)行器的包裝操作改進(jìn)

在塑料盒的封盒中，存在塑料盒與蓋子的位置匹配問題。最常見的方法是將蓋子從塑料盒上向下傾斜一定角度，夾在下邊緣每個(gè)角上的夾子便可與塑料盒子的邊緣進(jìn)行配對(duì)。潛意識(shí)中，操作者需一直檢查塑料盒與蓋子之間的作用力并不斷調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)正確的定位。這一動(dòng)作通常對(duì)機(jī)器人來說是不可用的，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，機(jī)器人只能按編好的程序進(jìn)行規(guī)則重復(fù)的動(dòng)作，如果蓋子的位置有任何錯(cuò)誤都將導(dǎo)致放置失敗。

因此，采用機(jī)器人原型和末端執(zhí)行器構(gòu)建新機(jī)器的模擬原型。設(shè)計(jì)一個(gè)尺寸為135 mm×175 mm的平板，使平板接觸蓋子的整個(gè)表面，從而使所施加的力可以均勻地作用于蓋子上，以此來增加系統(tǒng)的可靠性，其具體操作如圖7所示。

如圖7所示，采用透明的籃子支撐物支撐機(jī)械臂，當(dāng)一個(gè)垂直的力施加至籃子上時(shí)，這種結(jié)構(gòu)可以扣住籃子，吸收施加在籃子上的力，以保證籃子的側(cè)面不會(huì)彎曲。多次試驗(yàn)結(jié)果證明，該種方式并不會(huì)對(duì)籃子或蓋子造成損害。

為了確保蓋蓋子過程中，機(jī)器人能夠在一系列的路徑下進(jìn)行正常運(yùn)動(dòng)，蓋子必須在公差范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。對(duì)每個(gè)路徑進(jìn)行50次測(cè)試，并記錄鎖合失敗的次數(shù)，結(jié)果見表2。

1. 三明治 2. 末端執(zhí)行器 3. 模擬繩送帶 4. 包裝向?qū)?5. 機(jī)器人

1. 籃子支撐物 2. 籃子 3. 蓋子 4. 平板爪 5. 機(jī)器人

表2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的可接受公差范圍

3 結(jié)論

機(jī)器人原型技術(shù)在食品加工及包裝設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，所需的許多單獨(dú)過程均可以使用定制的末端執(zhí)行器進(jìn)行原型化，再進(jìn)行測(cè)試，最后評(píng)估方案的適用性和可靠性。試驗(yàn)表明，使用機(jī)器人可以在節(jié)省時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本的情況下，構(gòu)建完整的原型機(jī)并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。確定公差和關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)意味著在構(gòu)建完整的原型時(shí)，可以有很高的參考標(biāo)準(zhǔn)，保證其可靠地按預(yù)期運(yùn)行，減少了最終生產(chǎn)前需要修改的設(shè)計(jì)次數(shù)，提高了研制效率。