基于Delta－s的高速果奶裝箱機(jī)器人工程示范

劉鳳臣陳 凱張良安尤 晨

周 東1劉黎明1馮進(jìn)友1

（1.杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310009；2.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

基于Delta－s的高速果奶裝箱機(jī)器人工程示范

劉鳳臣1陳 凱1張良安2尤 晨1

周 東1劉黎明1馮進(jìn)友1

（1.杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310009；2.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

研究Delta－S機(jī)器人在果奶裝箱機(jī)上的工程示范應(yīng)用，包括其系統(tǒng)布局及功能要求及Delta－S機(jī)器人的抓取器設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐等問(wèn)題。在基本設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，選取裝填工位做具體分析。分析結(jié)果表明，Delta－S機(jī)器人在高速果奶裝箱機(jī)上的應(yīng)用使得裝箱自動(dòng)化水平和速度都大幅提高，進(jìn)一步說(shuō)明Delta－S機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)線上的應(yīng)用具有很好的應(yīng)用前景。

果奶；裝箱；Delta－S機(jī)器人；抓取器；工程實(shí)踐

果奶產(chǎn)品多是由若干個(gè)瓶子直線排列，上面覆以相應(yīng)數(shù)量的吸管，通過(guò)熱縮膜裹包塑封后形成一條，再由若干塑封條裝于一箱。由于塑封條呈直線排列，且不規(guī)則，運(yùn)行穩(wěn)定性差，包裝過(guò)程中在沒(méi)有側(cè)面約束的情況下無(wú)法可靠運(yùn)行，PET瓶的抓取裝箱方式不適用于此，因此，自動(dòng)包裝一直是困擾生產(chǎn)商的難題。

以往果奶包裝工作程序是：果奶瓶通過(guò)分瓶機(jī)由直立變水平，并被分成若干瓶一組。果奶瓶組經(jīng)過(guò)輸送帶運(yùn)到大膜包裝機(jī)過(guò)程中，由人工在其表面投放吸管組。塑封成條狀后由人工扶起，按裝箱規(guī)格要求分組，人工裝箱，手工封膠帶，并且紙箱是由人工成型的。稍許先進(jìn)的公司是在手工裝箱后增加一個(gè)自動(dòng)封箱機(jī)。生產(chǎn)線中僅此包裝環(huán)節(jié)就需要6個(gè)人，而像娃哈哈公司這類生產(chǎn)線就有一百多條，因此，開(kāi)發(fā)全自動(dòng)包裝設(shè)備刻不容緩。

相比之下，PET產(chǎn)品由于互不關(guān)聯(lián)，瓶底相對(duì)較大，能夠獨(dú)立運(yùn)行，因而從分道、集瓶到裝箱能夠通過(guò)機(jī)械自動(dòng)完成，先進(jìn)包裝設(shè)備還能夠?qū)崿F(xiàn)紙箱成型、裝箱以及封箱一體機(jī)。

高速并聯(lián)機(jī)械手因采用外轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)和輕質(zhì)桿平行四邊形支鏈，可獲得很高的速度和加速度。中國(guó)有些學(xué)者［1，2］采用兩自由度并聯(lián)機(jī)器人Diamond開(kāi)發(fā)了高速裝箱機(jī)器人，但是由于該機(jī)器人僅有兩個(gè)平動(dòng)自由度，限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用。而Clavel等［3－6］發(fā)明的Delta機(jī)構(gòu)則具有適用于大多數(shù)搬運(yùn)的4自由度，而得到了廣泛的應(yīng)用。之后，天津大學(xué)發(fā)明了一種采用兩端含可消隙虎克鉸的三平動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人Delta－s，該機(jī)器人具有與Delta相似的工作性能［7］。

因此，本試驗(yàn)針對(duì)果奶裝箱的特殊工藝需求，研究一種基于Delta－s機(jī)器人的高速果奶機(jī)器人的工程示范應(yīng)用，并探究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Delta－s機(jī)器人的工程實(shí)用性。

1 系統(tǒng)布局及裝箱機(jī)器人功能要求

1.1 果奶全自動(dòng)裝箱要解決的問(wèn)題

（1）果奶瓶組經(jīng)過(guò)大膜塑封后，能夠自動(dòng)立起并進(jìn)入輸送帶；

（2）分道前需對(duì)塑封條進(jìn)行計(jì)數(shù)和分組；

（3）塑封條的分道、緩沖和整列集瓶；

（4）塑封條的裝箱；

（5）紙箱的成型、輸送和封箱。

1.2 工藝過(guò)程及系統(tǒng)布局

整個(gè)自動(dòng)裝箱流程及布局可分成兩條同時(shí)進(jìn)行的路徑，一條是塑封條運(yùn)行路徑，一條是紙箱運(yùn)行路徑，兩條路徑通過(guò)裝箱工序相關(guān)聯(lián)。

1.2.1 塑封條運(yùn)行路徑

（1）翻瓶輸送鏈實(shí)現(xiàn)塑封條由水平到直立；

（2）單道輸送鏈實(shí)現(xiàn)分道前塑封條的分組；

（3）旋轉(zhuǎn)分道機(jī)構(gòu)、集瓶和整列輸送帶實(shí)現(xiàn)塑封條的分道、緩沖存放和裝箱準(zhǔn)備。

1.2.2 紙箱運(yùn)行路徑

（1）紙箱進(jìn)給輸送帶實(shí)現(xiàn)紙箱板臨時(shí)儲(chǔ)備及供給；

（2）紙箱成型機(jī)構(gòu)使紙板成型為一個(gè)上部敞開(kāi)的紙箱；

（3）紙箱輸送帶將成型紙箱輸送到裝箱工位，并將裝箱后的紙箱輸送到封箱工位；

（4）封箱機(jī)構(gòu)以紙箱輸送帶為動(dòng)力配以膠機(jī)封箱裝置，實(shí)現(xiàn)裝箱后膠水封箱。

1.3 對(duì)裝箱工序及機(jī)器人的要求

（1）能夠完成不同瓶型、不同數(shù)量塑封條的裝箱生產(chǎn)，產(chǎn)能不低于400瓶/min（100mL規(guī)格）；

（2）抓取器移動(dòng)路徑能夠根據(jù)瓶型和數(shù)量不同及時(shí)調(diào)整，并且定位準(zhǔn)確；

（3）抓取器必須安全可靠，容易更換，且不損壞包裝膜；

（4）在更換產(chǎn)品時(shí)，要求控制系統(tǒng)安全可靠調(diào)整方便。

根據(jù)塑封條裝箱的上述要求，結(jié)合Delta－S并聯(lián)機(jī)器人具有末端執(zhí)行器始終平動(dòng)，逆解求解容易，軌跡規(guī)劃簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)頻率高，定位準(zhǔn)確，整體剛性好等優(yōu)點(diǎn)，裝箱工序最終采用并聯(lián)機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)和完成。果奶瓶裝箱機(jī)整體方案見(jiàn)圖1。整體設(shè)備構(gòu)成（不含倒瓶及單道輸送鏈）見(jiàn)圖2。

圖1 果奶瓶裝箱機(jī)整體方案圖Figure 1 The total solution of the fruit milk packing machine

圖2 整體設(shè)備構(gòu)成（不含倒瓶及單道輸送鏈）Figure 2 The structure of the whole equipment（Without Bottle－inverted and Singlechannel conveyor chains）

2 抓取器設(shè)計(jì)

由于果奶瓶外形并不是規(guī)則的圓柱形，因此在經(jīng)過(guò)大膜包裝機(jī)塑封包裝成幾瓶一組的條狀后，其外形是不規(guī)則的長(zhǎng)條形（見(jiàn)圖3）。這就給機(jī)械自動(dòng)裝箱帶來(lái)定位難度，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝箱首先要解決如何抓瓶這個(gè)問(wèn)題；此外，塑封膜剛從大膜包裝機(jī)出來(lái)時(shí)，由于瓶身的溫度仍然較高，使得其表面帶有粘性且容易拉破，對(duì)抓手的夾持方式有了更特殊的要求。下面是對(duì)這種直接安裝在Delta［1］并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)平臺(tái)上的抓取器裝置的介紹。

圖3 不規(guī)則塑封條示意圖Figure 3 Schematic of the irregular plastic－packaged Fruit－milk

2.1 總體方案

2.1.1 抓取對(duì)象 可抓取部位呈圓形曲面形狀，薄壁，瓶身最大直徑尺寸約為60mm，最大重量約為1.2kg，瓶身、瓶口尺寸差別小，若干瓶一條，外罩薄膜。

2.1.2 抓取姿位 瓶子被抓取后的運(yùn)動(dòng)均為平動(dòng)，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1.3 瓶子抓取方式 常用抓取方式可分為夾持、捏持、握持和吸附等方式［8］。由于抓取物為條狀且?guī)讞l并排一起抓?。ㄟ@里以5條為例），甁間無(wú)隙，不能采用捏持和握持的方式。此外，由于瓶身外側(cè)包覆了塑封膜，因此也無(wú)法用吸盤的方式吸附起來(lái)，所以只能用夾持的方式抓取。采用卡抓的方式不僅可以抓取不規(guī)則變形的塑封條，而且可以減小塑封膜被拉破的概率，具有比較強(qiáng)的自適應(yīng)性（見(jiàn)圖4）。

圖4 抓手示意圖Figure 4 Schematic of the mechanical gripper

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單個(gè)機(jī)械抓手結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。抓手的張合主要通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)連桿來(lái)控制，為了避免抓手之間互相干涉，每?jī)蓚€(gè)抓手為一組，每組抓一條，共5組，見(jiàn)圖6。各組抓手中的氣缸由一個(gè)三位兩通電磁閥統(tǒng)一控制，從而保證每個(gè)抓手動(dòng)作一致。

圖5 單個(gè)抓手結(jié)構(gòu)圖Figure 5 The structure of the single mechanical gripper

圖6 抓手組造型Figure 6 The modeling of the mechanical gripper group

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

由于瓶口卡口處呈不規(guī)則環(huán)形曲面，因此卡抓與之接觸部分形狀必須相同，見(jiàn)圖7。此外由于塑封條外形的不規(guī)則性，為了保證卡抓每次都能抓住瓶子，卡抓的開(kāi)口要盡可能地大。但開(kāi)口如果太大又會(huì)使卡抓與相鄰塑封條干涉。因此，在允許范圍內(nèi)盡可能大的擴(kuò)大卡抓開(kāi)口的同時(shí)，將兩個(gè)卡抓合為一組，這樣只要這兩個(gè)卡抓中的一個(gè)能抓住塑封條就可以將整條抓起，確保了抓取的可靠性。

圖7 抓手抓瓶口圖Figure 7 The working drawing of the mechanical gripper

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主要功能流程設(shè)計(jì)

裝箱機(jī)器人具備分道整列、紙箱成型、果奶裝箱和膠水封箱等4大主要功能，其中的核心功能就是控制機(jī)械抓手運(yùn)動(dòng)的果奶裝箱功能。

裝箱機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用了西門子公司的SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了傳統(tǒng)的PLC和伺服驅(qū)動(dòng)器。SIMOTION將運(yùn)動(dòng)控制、PLC和技術(shù)功能融合在一起，具備定位、同步操作、電子凸輪和插補(bǔ)等功能，用戶可以像編輯PLC程序一樣簡(jiǎn)單靈活地創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)順序。SIMOTION專門針對(duì)Delta結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)出專用的三軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)功能，用戶只要規(guī)劃出抓取器的運(yùn)動(dòng)軌跡，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算并驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

抓取器在完成整個(gè)果奶裝填動(dòng)作時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡類似一個(gè)門框，從進(jìn)瓶工位跨越到進(jìn)箱工位，并最終返回進(jìn)瓶工位。抓取器的運(yùn)行軌跡主要以直線為主，因此采用了SIMOTION的直線插補(bǔ)（＿move－PathLinear）功能。

直線插補(bǔ)是最簡(jiǎn)單的軌跡控制，調(diào)用功能塊Traverse path linearly，在參數(shù)設(shè)定菜單中輸入運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。程序運(yùn)行時(shí)，3根軸驅(qū)動(dòng)的抓取器就能沿直線從當(dāng)前位置到達(dá)運(yùn)動(dòng)空間中的目標(biāo)位置。直線插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定菜單如圖8所示。

圖8 直線插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定菜單Figure 8 Movement parameter setting menu of linear interpolation

由于抓取器運(yùn)動(dòng)時(shí)是在進(jìn)瓶工位和進(jìn)箱工位直接往復(fù)運(yùn)行，避免運(yùn)動(dòng)干涉就成為軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制的重點(diǎn)。為此在軌跡規(guī)劃初期，先建立裝箱機(jī)裝箱工位的三維空間模型，分析各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)空間，為抓取器選取最佳路徑。在邏輯控制方面，在各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件上都安裝了傳感器，用于監(jiān)控部件的當(dāng)前位置。為抓取器建立空間位置變量，隨時(shí)記錄并反饋?zhàn)ト∑鞯漠?dāng)前空間位置。在抓取器運(yùn)動(dòng)之前，先判斷運(yùn)動(dòng)空間中是否存在干涉。其他運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作前，也要先讀取抓取器的當(dāng)前位置，只有抓取器處于安全位置，其他運(yùn)動(dòng)部件才會(huì)動(dòng)作。

整個(gè)抓取器裝填流程框圖見(jiàn)圖9。

圖9 裝填流程圖Figure 9 Packing flow chart

3.2 界面設(shè)計(jì)

裝箱機(jī)器人操作程序的界面包含了主操作、氣缸操作、機(jī)械手操作、軌跡設(shè)置、原點(diǎn)設(shè)置和屏幕控制等6個(gè)畫面。

主操作畫面提供分瓶距離設(shè)定、產(chǎn)量記錄和各臺(tái)電機(jī)啟停功能的操作見(jiàn)圖10。

氣缸操作畫面提供裝箱機(jī)上主要?dú)飧讋?dòng)作的操作，見(jiàn)圖11。

機(jī)械手操作畫面顯示當(dāng)前機(jī)械手坐標(biāo)位置和運(yùn)行軌跡，見(jiàn)圖12。機(jī)械抓手坐標(biāo)為抓手在運(yùn)動(dòng)空間中的位置，伺服軸坐標(biāo)為3臺(tái)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角?！白ナ謴?fù)位”按鈕用于設(shè)備手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，令機(jī)械手從當(dāng)前位置自動(dòng)回到E點(diǎn)。3根軸的手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕可以在裝箱機(jī)手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，單獨(dú)對(duì)機(jī)械手的空間位置做調(diào)整。

軌跡設(shè)置畫面用于調(diào)整和設(shè)置機(jī)械手運(yùn)行軌跡，見(jiàn)圖13。

軌跡設(shè)置有兩種方式：① 軌跡示教；② 軌跡輸入。

圖10 主操作畫面Figure 10 The main operating screen

圖11 氣缸操作畫面Figure 11 Cylinders operating screen

圖12 機(jī)械手操作畫面Figure 12 Robot operating screen

在左側(cè)“軌跡示教”框內(nèi)，通過(guò)手動(dòng)方式調(diào)整機(jī)械手的空間位置。當(dāng)機(jī)械手位置滿足運(yùn)行軌跡要求時(shí)，按下右邊對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)按鈕，當(dāng)前坐標(biāo)位置將被存儲(chǔ)。

在右側(cè)可以直接輸入運(yùn)行軌跡各點(diǎn)的空間坐標(biāo)，用來(lái)設(shè)定軌跡。

完成軌跡設(shè)定后，按下“軌跡確認(rèn)”按鈕，軌跡坐標(biāo)將被最終確認(rèn)。

按下“默認(rèn)設(shè)置”按鈕，軌跡坐標(biāo)將恢復(fù)設(shè)備出廠設(shè)置。

圖13 軌跡設(shè)置畫面Figure 13 Path setting screen

原點(diǎn)設(shè)置畫面用于將機(jī)械系統(tǒng)的原點(diǎn)位置與控制系統(tǒng)的原點(diǎn)位置統(tǒng)一，見(jiàn)圖14。

通過(guò)手動(dòng)按鈕調(diào)整主驅(qū)動(dòng)臂的空間位置，當(dāng)主驅(qū)動(dòng)臂為水平位置時(shí)，按下“SET”按鈕，伺服電機(jī)絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器的當(dāng)前值被保存，作為伺服電機(jī)的電子原點(diǎn)。當(dāng)3臺(tái)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)臂的伺服電機(jī)電子原點(diǎn)均被設(shè)定，機(jī)械手空間原點(diǎn)與伺服控制系統(tǒng)的電子原點(diǎn)就保持一致了。

屏幕控制畫面用于對(duì)系統(tǒng)參數(shù)作具體設(shè)置，見(jiàn)圖15。

圖14 原點(diǎn)設(shè)置畫面Figure 14 Origin－set screen

圖15 屏幕控制畫面Figure 15 Control screen

4 總結(jié)與展望

經(jīng)過(guò)與天津大學(xué)一道聯(lián)合攻關(guān)，Delta－S并聯(lián)機(jī)器人在果奶裝箱機(jī)上的應(yīng)用取得成功，將原來(lái)的手工裝箱用機(jī)器手裝箱代替，且裝箱速度提高到15箱/min左右，滿足了生產(chǎn)需求。除此之外，由于智能機(jī)器人的固有柔性特性，使得裝箱機(jī)在作簡(jiǎn)單的調(diào)整后，可適應(yīng)多種規(guī)格產(chǎn)品的裝箱，并且換線調(diào)整簡(jiǎn)單方便。

Delta－S并聯(lián)機(jī)器人在高速果奶裝箱機(jī)上的成功應(yīng)用，為包裝設(shè)計(jì)積累了寶貴的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。目前，目前筆者正在著手將其應(yīng)用在吸管投放機(jī)的設(shè)計(jì)，下一步還計(jì)劃應(yīng)用到彈簧生產(chǎn)的物流和包裝中。不難看出，Delta－S并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用前景將相當(dāng)巨大。

1 Liangan Zhang，JiangPing Mei，Xueman Zhao，Panfeng Wang，Youyu Wang.Reformation of the transfusion bags’secondary packaging line using parallel robot［C］//Institute of Electrical and Electronics Engineers.IEEE ICMA 2007Conference Proceedings.Harbin：International Conference on Mechatronics and Automation，2007：2 043～2 048.

2 張良安，高速軟袋裝箱一體機(jī)的設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)［D］.天津：天津大學(xué)，2007.

3 Clavel R.Dispositif pour le deplacement et le positionnement d’un element dans l’espace：Switzerland，CH0672089A ［P］.1989－10－31.

4 Clavel R.Device for displacing and positioning an element in space：WIPO，WO8703528A1［P］.1987－06－18.

5 Clavel R.Device for the movement and positionning of an element in space：U.S.，No.4，976，582［P］.1990－12－11.

6 Rey L，Clavel R，the Delta parallel robot［M］.In Boer C.R.，Parallel kinematic machine：theoretical aspects and industrial requirements，New York：Springer，1999：401～417.

7 張利敏，梅江平.Delta機(jī)械手動(dòng)力學(xué)尺度綜合［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010（3）：1～7.

8 加藤一郎.機(jī)械手圖冊(cè)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979：49～129.

Demonstration project of high－speed robot packing fruit milk based on the Delta－s

LIU Feng－chen1CHEN Kai1ZHANG Liang－an2YOU Chen1

ZHOU Dong1LIU Li－ming1FENG Jin－you1

（1.Hangzhou Wahaha Group Co.，Ltd.，Hangzhou，Zhejiang310009，China；2.College of Mechanical Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan，Anhui243032，China）

This paper focus on the practical application of the Delta－s robot on the fruit milk packing machine，including its system layout and functional requirements，gripper design based on Delta－S robot，software design and engineering practice.Based on the analysis of the basic design，this paper selects filling stations to make a specific analysis.The results showed that the application of the Delta－s robot on the fruit milk packing machine made a substantial increase in the level of automation and speed of packing，which proved the application of the Delta－s robot on the industrial production line had very good prospects.

case packing；fruit milk；the Delta－s robot；the grabber；the engineering practice

10.3969 /j.issn.1003－5788.2011.06.045

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（編號(hào)：2007AA04Z245）

劉鳳臣（1964－），男，杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司高級(jí)工程師。E－mail：lfc＠wahaha.com.cn

2011－08－01