基于模擬量控制的工業(yè)機器人吸盤類夾具優(yōu)化設(shè)計

余和青，奚 源

（中國電器科學(xué)研究院，廣州 510000）

0 引言

近年來，由于國內(nèi)人口紅利逐漸消失，人工成本不斷攀升，國內(nèi)知名加工企業(yè)紛紛提出“機器人換人”計劃，富士康公司的“百萬機器人計劃”顯得尤為突出。國內(nèi)工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展如火如荼，但我們不能僅僅滿足于替換后的機器人比人效率高，為了促進工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，在工業(yè)機器人本體不斷發(fā)展進步的同時機器人夾具設(shè)計人員必須通過合理的夾具設(shè)計以盡量小的成本得到盡量高的的效率，這就要求我們不斷提高機器人夾具的工作效率并且不斷降低機器人夾具的耗能。

常規(guī)的機器人吸盤類夾具吸盤的負載往往是通過一個固定真空度的開關(guān)量進行控制的，當(dāng)負載變小時，真空發(fā)生器所消耗的壓縮空氣與最大負載時消耗的壓縮空氣是相同的，這就不可避免的造成了壓縮空氣的浪費。本文正是通過真空度開關(guān)量轉(zhuǎn)模擬量控制的方法來針對不同負載控制吸盤的真空度，從而降低機器人多負載吸盤類夾具的耗能并提高其工作效率。

1 夾具設(shè)計條件

本文所介紹的紙箱下線機器人吸盤類夾具需要有效的實現(xiàn)5種紙箱包裝產(chǎn)品的下線功能，5種紙箱包裝產(chǎn)品的外形尺寸和質(zhì)量如表1所示。

機器人選用進口六軸安川ES165 ，負載165KG，要求紙箱包裝產(chǎn)品加上夾具的重量小于所選的機器人負載。ES165機器人的垂直工作高度達到3372mm，水平工作距離達到2651mm，搬運的底盤最長為2760mm，機器人工作范圍如圖1所示。

吸盤夾具的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計較為簡單，由于5種紙箱包裝產(chǎn)品的上表面（及與吸盤接觸的平面）大小接近，只是高度區(qū)別較大，因此我們可以采用1種固定大小的吸盤夾具完成5種產(chǎn)品的吸取。結(jié)構(gòu)由如圖2所示的鋁型材承重框架、機器人連接板、吸盤安裝支座和真空吸盤這4個部分構(gòu)成。

表1 紙箱包裝產(chǎn)品外形尺寸和質(zhì)量

圖1 機器人工作范圍圖

圖2 吸盤夾具機械結(jié)構(gòu)示意圖

在機械結(jié)構(gòu)滿足強度要求的情況下，吸盤夾具的性能主要包括壓縮空氣消耗量的高低和完成吸附動作時間的長短，影響這兩項性能的關(guān)鍵是真空氣動回路的設(shè)計與控制。常規(guī)的工業(yè)機器人吸盤類夾具吸盤的負載往往是通過一個固定真空度的開關(guān)量進行控制的，本文提出了該類吸盤夾具的優(yōu)化設(shè)計，并對兩種設(shè)計進行了詳細的吸盤夾具性能對比。

2 常規(guī)吸盤夾具設(shè)計

吸盤夾具的基本機械結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，接下來需要確認的是真空吸盤的大小和個數(shù)，依據(jù)吸盤底座的尺寸和鋁型材承重框架的大小可以確定真空吸盤的個數(shù)為24個。真空吸盤的大小選型要求24個吸盤的總安全負載必須大于最重的紙箱包裝產(chǎn)品（質(zhì)量為140）的重量，取吸盤類夾具采用的真空度信號（即達到設(shè)定真空壓力輸出電信號）為-85，再根據(jù)公式(1)和表2可以計算出吸盤的有效面積必須大于27.7，因此選取的吸盤口徑為Φ60。

W為吸盤安全負載（N）；

t為安全系數(shù)（水平吊取4）；

S為吸盤有效截面積（cm2）；

P為真空壓力（KPa）。

表2 真空吸盤理論吸力表 （單位：N）

吸盤夾具的真空回路設(shè)計和真空壓力開關(guān)實物如圖3所示，真空壓力開關(guān)在使用前手動設(shè)置好開關(guān)觸發(fā)真空度數(shù)值，當(dāng)電磁閥通電時，壓縮空氣通過真空發(fā)生器，由于氣流的高速運動產(chǎn)生真空，吸盤將紙箱包裝產(chǎn)品吸起，當(dāng)吸盤至真空發(fā)生器氣路中的真空壓力達到真空壓力開關(guān)設(shè)置的真空度觸發(fā)值-85時，真空壓力開關(guān)發(fā)出信號給PLC控制機器人本體動作。當(dāng)電磁閥斷電時，真空發(fā)生器停止工作，真空消失，紙箱包裝產(chǎn)品依靠自重脫離吸盤完成下線動作。

圖3 夾具真空回路及真空壓力開關(guān)實物

3 吸盤夾具真空回路優(yōu)化設(shè)計

由于5種紙箱包裝產(chǎn)品是單線混產(chǎn)并且使用同一夾具，因此當(dāng)負載為2～5號產(chǎn)品時，它們的質(zhì)量都小于真空回路的設(shè)計負載，但這時機器人本體還是只能在真空開關(guān)檢測到140Kg對應(yīng)的真空度-85KPa時才會接收到真空開關(guān)發(fā)出的動作信號，這就不可避免的造成了真空發(fā)生器的無效工作，不僅浪費了時間而且耗費了多余的壓縮空氣。

要想解決這個問題就需要吸盤夾具識別5種產(chǎn)品，并根據(jù)它們的不同質(zhì)量，及時發(fā)出機器人本體的開始動作信號，這就又要求真空開關(guān)能夠針對不同產(chǎn)品編號識別多個真空度并都發(fā)出信號，依據(jù)公式(1)可以計算出5種產(chǎn)品對應(yīng)的真空度數(shù)值，如表3所示。

表3 不同編號紙箱包裝產(chǎn)品對應(yīng)真空度

首先PLC可以通過產(chǎn)品識別系統(tǒng)發(fā)出的5個行程開關(guān)信號組合來選擇每個紙箱包裝產(chǎn)品的對應(yīng)編號的子程序，這樣就可以解決吸盤夾具識別產(chǎn)品編號的問題了，如圖4所示。

圖4 線體產(chǎn)品編號識別系統(tǒng)

表4 不同紙箱包裝產(chǎn)品對應(yīng)的模擬量電壓值

使用能夠輸出連續(xù)模擬量信號的真空壓力表（如圖5所示）又正好可以解決真空度識別這個問題，當(dāng)PLC接收到真空壓力表輸出的模擬量連續(xù)電壓信號時，不同的子程序?qū)?yīng)的觸發(fā)電壓值又不同，PLC的模擬量處理模塊可以根據(jù)存儲程序設(shè)置的不同編號產(chǎn)品所對應(yīng)的電壓（對應(yīng)方法如表4所示）發(fā)出機器人本體開始動作的信號，從而減少真空發(fā)生器的無效工作時間。

圖5 模擬量輸出真空壓力表

4 吸盤夾具性能對比

本夾具使用的真空發(fā)生器為日本妙德株式會社CV-20HS型型真空發(fā)生器，每個真空發(fā)生器為6個吸盤提供真空，每個真空發(fā)生器的壓縮空氣消耗速度為180L/min，該型真空發(fā)生器真空產(chǎn)生性能參數(shù)如表5所示。

表5 真空發(fā)生器真空產(chǎn)生性能參數(shù)

已知6個吸盤加配管的容積即真空系統(tǒng)容積約為0.6L，由公式(1)和表5數(shù)據(jù)可以計算出每個真空度對應(yīng)的真空達到時間，T-86KPa=0.96s，T-80KPa=0.71s，T-66KPa=0.44s，T-53KPa=0.28s，T-40KPa=0.18s。

T為真空達到所需時間（S）；

V為真空系統(tǒng)容積（L）；

C為由真空度和真空發(fā)生器決定的常數(shù)；

α為真空發(fā)生器的型式指數(shù)。

由于常規(guī)吸盤夾具吸取每個編號的產(chǎn)品真空度都為-85KPa，因此常規(guī)吸盤夾具完成5個不同編號產(chǎn)品吸附動作所需的時間是5T-86KPa=4.8s，優(yōu)化后的吸盤夾具所需時間為T-86KPa+T-80KPa+T-66KPa+T-53KPa+T-40KPa=2.57s，時間節(jié)省了46.5%，這也意味著吸附過程中同樣節(jié)省了46.5%的壓縮空氣。

5 應(yīng)用概況

產(chǎn)品線體每天24h生產(chǎn)每種編號的產(chǎn)品300臺，優(yōu)化后的吸盤夾具不僅縮短了產(chǎn)品下線工序時間近12分鐘，理論上還可以每天節(jié)省壓縮空氣8640L?？s短后的產(chǎn)品下線時間更好的配合了線體的生產(chǎn)節(jié)拍，優(yōu)化后的吸盤夾具縮短了真空發(fā)生器無效工作時間，減少了吸盤高真空度工作時間，減輕了線體的供氣壓力，有效增長了線體設(shè)備的使用壽命。

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