四自由度碼垛機器人設(shè)計及其應(yīng)用

陳汕　李興和　譚澤華　蘇日娜

摘要：根據(jù)布局緊湊、空間有限的碼垛自動化產(chǎn)線對機器人占用空間的特殊要求，設(shè)計一種能在狹窄、有限空間的工作單元里進行碼垛工作的碼垛機器人。常見的垂直關(guān)節(jié)碼垛機器人要達(dá)到產(chǎn)線生產(chǎn)時的碼垛要求，在處理應(yīng)用程序時，對空間的要求較高。根據(jù)產(chǎn)線對碼垛的工藝要求和空間要求，確定碼垛機器人的基本技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計了四自由度水平關(guān)節(jié)型碼垛機器人的機械結(jié)構(gòu)。應(yīng)用SolidWorks軟件構(gòu)建碼垛機器人的三維實體模型，進行模型裝配，實現(xiàn)了碼垛機器人碼垛過程的仿真。為碼垛機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的進一步應(yīng)用和發(fā)展提供借鑒性參考。

關(guān)鍵詞：碼垛機器人;碼垛系統(tǒng);SolidWorks;模型裝配

中圖分類號：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0164—03

0引言

碼垛是按照集成單元化的思想，將一件件的物料按照一定的模式堆碼成垛，以便使單元化的物垛實現(xiàn)物料的存儲、搬運、裝卸、運輸?shù)任锪骰顒印Ｔ诿娣凵a(chǎn)的最后環(huán)節(jié)需要人工將面粉按一定的垛形堆碼成垛，面粉生產(chǎn)車間工人勞動強度大，工作環(huán)境較為惡劣。根據(jù)產(chǎn)線需求，為減輕工人勞動強度，改善工作條件，降低面粉生產(chǎn)成本，產(chǎn)線引進機器人碼垛系統(tǒng)。因產(chǎn)線占地面積限制，各周邊設(shè)備布局緊湊，采用通用四關(guān)節(jié)碼垛機器，在有限的空間內(nèi)要完成面粉袋在指定位置的取放動作，機器人為規(guī)避與周邊設(shè)備的干涉，會在路徑規(guī)劃過程中取多個過渡點，延長了機器人完成一次抓取的時間周期，影響產(chǎn)線節(jié)拍，因此本文設(shè)計一種能適用在狹窄、有限空間的工作單元里進行碼垛工作的碼垛機器人來滿足產(chǎn)線需求。

1碼垛機器人整體方案

本文以碼垛機器人在面粉碼垛系統(tǒng)的應(yīng)用確定碼垛機器人的機械結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計，針對面粉碼垛作業(yè)進行機器人的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計、碼垛系統(tǒng)設(shè)計以及末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計。根據(jù)產(chǎn)線碼垛系統(tǒng)的工作特點和工業(yè)機器人類型特征，本文綜合了圓柱坐標(biāo)型機器人的定位精度較關(guān)節(jié)型機器人高、結(jié)構(gòu)簡單、動作范圍大并且在動作范圍內(nèi)無奇異點、編程簡單、運行速度快等優(yōu)點和水平關(guān)節(jié)型機器人占地面積小，可在狹窄范圍完成機器人動作的特點，總體方案原理如圖1所示。

1.1碼垛機器人的技術(shù)指標(biāo)

（1）產(chǎn)品形式：袋裝面粉。

（2）產(chǎn)品尺寸：420 min×700 mm×150 mm。

（3）碼垛速度：不少于400袋，h。

（4）物品質(zhì)量：不大于50 kg/每袋。

（5）垛板尺寸：1200mm×1200 mm×210mm。

（6）碼垛層數(shù)：6層。

1.2碼垛機器人結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示，此水平多關(guān)節(jié)型碼垛機器人包括基座、立柱旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鏈、垂直驅(qū)動鏈、水平驅(qū)動鏈和末端執(zhí)行機構(gòu)五部分。基座部分設(shè)計為安裝座，用于機器人整體固定。立柱旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鏈主體設(shè)計為支持立柱形式，外加風(fēng)琴罩防護、配重塊及導(dǎo)軌副、鏈輪鏈條、齒輪齒條等，采用電機直連RV減速機驅(qū)動。垂直驅(qū)動鏈中采用電機直連行星減速機作為驅(qū)動部件，為提高機械傳動效率，選用齒輪齒條傳動方式作為垂直驅(qū)動鏈中的動力傳動。驅(qū)動部件固定在滑臺側(cè)，齒條安裝在立柱側(cè)，滑臺與立柱通過導(dǎo)軌副相連接，實現(xiàn)滑臺的上下運動。為減小垂直驅(qū)動鏈上下運動的傳動壓力，在立柱內(nèi)部設(shè)置配重塊，平衡部分重力。配重原理：利用配重塊重力，提供與機械手臂及負(fù)載自重重力相反的拉力，以減輕垂直方向上整體的負(fù)載。當(dāng)控制Z軸向上移動出現(xiàn)異常時，為減小z軸撞擊時的沖擊力及降低撞擊對傳動部件的損害，在撞擊之前，應(yīng)把配重提供的拉力卸掉，即配重塊與配重限位應(yīng)先接觸，滑臺與z軸上限位后接觸。配重塊下滑臺通過鏈條傳動連接。鏈輪通過傳動軸，軸承座等安裝在立柱頂部;鏈條與鏈輪嚙合，其一端連接滑臺，另一端連接配重塊。水平驅(qū)動鏈選擇伺服電機作為驅(qū)動動力，采用RV減速機作為減速部件，增加傳動精度及運動剛性，電機與RV減速機直連，機構(gòu)簡單穩(wěn)定，易于維護。末端執(zhí)行機構(gòu)即抓取面粉的夾治具，整個抓取、放料動作由兩組氣缸完成，分別為抓料氣缸和壓料氣缸。通過對抓料氣缸的控制實現(xiàn)抓手部分的張開和關(guān)閉動作，通過對壓料氣缸的控制實現(xiàn)壓板的壓料和撤銷動作。主要依靠末端執(zhí)行機構(gòu)的抓包及旋轉(zhuǎn)調(diào)整一定角度的動作，進而擺放到指定位置，實現(xiàn)一定的碼垛形式，此種方式使用四自由度碼垛機器人即可滿足生產(chǎn)需求。本文所設(shè)計的水平多關(guān)節(jié)型碼垛機器人避免了碼垛機成本高、占用空間大、設(shè)備不易維護等缺點，穩(wěn)定快速實現(xiàn)不同的碼垛形式。此種碼垛機器人簡化了機械機構(gòu)，降低了制造難度，也減少了產(chǎn)品的成本。

2碼垛機器人關(guān)鍵部位及末端執(zhí)行機構(gòu)

2.1基座及驅(qū)動鏈

機構(gòu)主要由立柱、導(dǎo)軌副、齒輪齒條、鏈輪鏈條、電機減速機、配重塊組件、風(fēng)琴罩防護等組成。

（1）立柱設(shè)計是整個機器人的關(guān)鍵部分，包含了驅(qū)動整個機器人旋轉(zhuǎn)的電機與RV減速機直連機構(gòu)，驅(qū)動直驅(qū)動鏈上下運動的電機與行星減速機直連機構(gòu)以及為減小垂直驅(qū)動鏈上下運動傳動壓力的配重機構(gòu)。其總高度3000 mm，有效行程1800 mm，立柱旋轉(zhuǎn)角度為±180°，底面安裝面為φ780mm的圓形。

（2）風(fēng)琴罩通過仿形導(dǎo)軌截面，卡住兩側(cè)導(dǎo)軌導(dǎo)向，起到減少零件、簡化結(jié)構(gòu)的作用。主要用途為防塵及美觀。

（3）后防護蓋板與立柱連接，組成直驅(qū)動鏈的框架，加強整體剛性。

（4）基座用于機器人安裝，通過地腳螺栓固定于地面，與立柱上的RV減速機輸出安裝面通過螺栓連接。

（5）配重組件整體在立柱空腔內(nèi)運動，總質(zhì)量125kg。通過鏈輪鏈條一端與配重塊連接，一端與垂直驅(qū)動鏈中的滑臺相連。

2.2水平驅(qū)動鏈

水平驅(qū)動鏈選擇伺服電機作為驅(qū)動動力，采用RV減速機作為減速部件，增加傳動精度及運動剛性，電機與RV減速機直連，機構(gòu)簡單穩(wěn)定，易于維護。

設(shè)定各參數(shù)：主臂長度950 mm;副臂長度1050 mm;轉(zhuǎn)動角度范圍為+135°。根據(jù)伺服電機、減速機的尺寸及水平運動傳動系統(tǒng)中的受力情況設(shè)計承載水平驅(qū)動鏈的主臂、副臂，通過受力分析和強度校核確定主臂、副臂結(jié)構(gòu)、材料、厚度等。碼垛機器人方案如圖2所示。

2.3末端執(zhí)行機構(gòu)

末端執(zhí)行機構(gòu)與機器人末端法蘭相連接。末端執(zhí)行機構(gòu)的主體支撐部分為高強度鋁合金板材;主安裝架上安裝抓料氣缸和壓料氣缸（各兩個），壓料氣缸末端安裝壓板，當(dāng)抓取面粉袋時，控制氣缸向下運動，使壓板壓緊面粉袋以防機器人運行時面料袋滑動;抓手安裝在主連接臂連桿上，連桿通過軸承座、傳動軸等接組成一個可活動的連桿機構(gòu)，該連桿機構(gòu)與抓料氣缸相連，由氣缸提供動力，故此連桿機構(gòu)可以繞傳動軸方向運動。另外在兩側(cè)抓手安裝支架這間通過絲桿連接，用于調(diào)節(jié)兩側(cè)抓手的開合寬度以適應(yīng)不同寬度的工件。

末端執(zhí)行機構(gòu)的工作情況：末端連接法蘭與機器人末端法蘭相連接用以吊起整個末端執(zhí)行機構(gòu);末端支架安裝在機器人末端安裝法蘭下面作為末端執(zhí)行機構(gòu)的框架;抓手安裝在主連接臂連桿上，連桿通過軸承座、傳動軸等接組成一個可活動的連桿機構(gòu)，此運動體在氣缸組的帶動下繞傳動軸旋轉(zhuǎn)方向運動，當(dāng)開始抓取面粉袋時，此連桿機構(gòu)繞傳動軸旋轉(zhuǎn)方向運動進而驅(qū)動抓手托住面粉袋底部;抓手托住面粉袋底部后，控制壓料氣缸向下運動，使壓板壓緊面粉袋以防機器人運行時面料袋滑動，而后抓手就可根據(jù)現(xiàn)場布局要求將面粉袋搬運到指定位置;面粉袋到達(dá)指定位置后需先控制抓料氣缸反向運動，將連桿機構(gòu)繞傳動軸方向的相反方向張開抓手，隨后控制壓料氣缸向上運動，將壓板升起，完成整個搬運過程。隨后進入下一次搬運過程，依次重復(fù)。末端執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3面粉碼垛系統(tǒng)方案

面粉碼垛系統(tǒng)采用機器人工作站形式，機器人工作站的任務(wù)是將傳送帶送出來的面粉袋按預(yù)定的要求堆成垛。此系統(tǒng)主要由粗導(dǎo)向傳送帶、整形傳送帶、整形裝置、打碼裝置、定位輸送帶、抓手、托板、機器人組成。其工作過程如圖4所示，空托板的送入及成垛托板的移出用叉車完成。面粉裝袋完成后進入粗導(dǎo)向傳送帶，經(jīng)過粗導(dǎo)向后進入面粉袋整形傳送帶，進入整形裝置后，由氣缸驅(qū)動整形裝置將面粉袋壓平，隨后打碼裝置在面粉袋表面噴碼標(biāo)記，最后進入定位輸送帶，將面粉袋定位，使得機器人能夠按要求抓取面粉袋。根據(jù)產(chǎn)線的空間布局要求，碼垛機器人有效利用了現(xiàn)場狹窄的空間，在有限空間的工作單元里進行碼垛工作，提升了碼垛效率。

4結(jié)束語

本文以面粉碼垛系統(tǒng)為例，綜合了圓柱坐標(biāo)型機器人與水平關(guān)節(jié)型機器人的特點，確定了碼垛機器人的結(jié)構(gòu)，并在產(chǎn)線中取得了良好的效果，產(chǎn)線的有限空間得到有效利用，生產(chǎn)效率大幅提高，為今后機器人碼垛系統(tǒng)提供了重要指導(dǎo)和參考。