循環(huán)箱體的拆跺機器人末端執(zhí)行器設(shè)計研究

王波+余仁聰+何珣

摘 要：針對循環(huán)煙箱的性能特點，設(shè)計了氣動吸盤與機械夾具相結(jié)合的拆跺機器人末端執(zhí)行器，并構(gòu)建了相配套的真空發(fā)生系統(tǒng)和自閉吸盤系統(tǒng)，確定了該機器人末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)對循環(huán)煙箱的穩(wěn)定高效拆跺，探索了機器人技術(shù)在綠色包裝中的實際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機電；循環(huán)紙箱；末端執(zhí)行器；拆跺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.129

“機器人的末端執(zhí)行器是安裝在移動設(shè)備或者機器人手臂上，使其能夠拿起一個對象，并且具有處理、傳輸、夾持、放置和釋放對象到一個準(zhǔn)確的離散位置等功能的機構(gòu)” [1]。僅煙草行業(yè)每年回收利用的循環(huán)煙箱總量超過2千萬個，由于循環(huán)煙箱已經(jīng)歷了多個周期的運輸、擠壓以及瓦楞紙板本身的強度衰減，其抗壓強度以及接觸面的平整性等都已降低，這也對循環(huán)煙箱的拆跺機器人末端執(zhí)行器的應(yīng)用性能提出了更高要求。

1 總體分析

循環(huán)煙箱的拆垛機器人末端執(zhí)行器，不僅需要實現(xiàn)對煙箱的穩(wěn)定吸取、放置，還應(yīng)克服循環(huán)煙箱惡劣的接觸表面性能（封合不嚴(yán)密、灰塵等），以及人工碼垛帶來的位置偏差吸取、移動過程中的晃動等，因此除了采用合適的氣動吸取結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)輔以合理的夾具機構(gòu)，以雙重保障來實現(xiàn)末端執(zhí)行器的穩(wěn)定工作。既利用吸盤系統(tǒng)取放動作的高效性，又借助夾具機構(gòu)的穩(wěn)定性，最終確保整套末端執(zhí)行器穩(wěn)定高效。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

拆跺機器人末端執(zhí)行器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要點包括：一是適應(yīng)上下升降、左右旋轉(zhuǎn)、前后移動六個基本動作；二是適應(yīng)各種外形尺寸的循環(huán)煙箱；三是能夠承載至少50kg 以上的物體的靜態(tài)和動態(tài)重量；四是整個機械結(jié)構(gòu)重量要輕量化，降低機器人本體的運行負荷；五是機械結(jié)構(gòu)應(yīng)適應(yīng)氣動驅(qū)動的需求，與氣動元件能夠良好配合，并為氣動元件提供必要的安裝空間；六是整套機械結(jié)構(gòu)牢固穩(wěn)定。

針對設(shè)計要點，提出如上圖的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案：一是上部夾板配合吸盤結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)吸盤系統(tǒng)的上下提降動作；左夾板進行限位固定，確保前后移動中箱體的穩(wěn)定；底部托叉在循環(huán)煙箱提起后進行托舉，使旋轉(zhuǎn)中的煙箱保持穩(wěn)定；二是夾具結(jié)構(gòu)基本采用不銹鋼型材，主體使用鏤空板材和柱狀桿進行結(jié)合，并利用鈑金彎管和加強筋結(jié)構(gòu)，提高夾具的整體強度；三是為上部整體采用輕量鋁合金材料構(gòu)成環(huán)形框架，框架上部采用方形板進行連接，既加強框架穩(wěn)定性，同時為上部的氣動元件安裝提供支撐平臺；四是底部托叉為配合滾軸傳輸機構(gòu)，采用柱狀結(jié)構(gòu)，托叉直接可放置在滾軸安裝間隙中，實現(xiàn)了拆垛后煙箱與輸送機構(gòu)的無縫對接，并對底托在整體彎折后進行拋光、倒圓處理，使進叉動作更加平順。

3 氣動機構(gòu)設(shè)計分析

氣動機構(gòu)的設(shè)計要點包括：一是可適應(yīng)不同表面質(zhì)量的循環(huán)煙箱；二是可適應(yīng)由人工堆垛及長途運輸后造成的跺形位置不準(zhǔn)確；三是由于煙箱多次重復(fù)使用，紙箱表面質(zhì)量嚴(yán)重下降，紙箱表面材質(zhì)變軟，而且還會有部分煙箱封口處破損，機器人在吸取時煙箱上表面時變形會很大，嚴(yán)重影響煙箱的抓取，氣動系統(tǒng)要克服循環(huán)煙箱的此類不良狀態(tài)；四是煙箱由于長途運輸及循環(huán)利用，表面附著有大量灰塵，容易堵塞吸盤及真空發(fā)生器，從而影響煙箱的抓取，應(yīng)對氣源系統(tǒng)的前端和后端均進行徹底過濾，確保氣動系統(tǒng)的穩(wěn)定；五是由于煙箱為豎直放置抓取，煙箱重心偏下，當(dāng)機器人抓取煙箱做水平移動時，煙箱會有明顯的晃動，會導(dǎo)致吸盤與煙箱分離，煙箱掉落。

一是使用帶自閉閥的吸盤。當(dāng)煙箱與夾具發(fā)生位置錯位或是有部分吸盤與煙箱分離時，吸盤部分吸孔發(fā)生真空泄漏，夾具系統(tǒng)能自動關(guān)閉已泄露的吸孔，不至于影響其它吸孔的吸取，真空度始終保持在較高的水平上，保證了搬運過程中煙箱不掉落；二是夾具吸盤采用多褶皺吸盤，彌補紙箱的變形，使吸盤與紙箱在抓取過程中始終緊密的貼合；三是在儲氣罐后端加入各類過濾裝置，并在吸盤前端加裝過濾網(wǎng)，同時采用大流量的真空發(fā)生器，可以將灰塵直接排出，確保抓取中動作穩(wěn)定性。

4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計

（1）真空吸附系統(tǒng)的基本設(shè)計。循環(huán)煙箱拆跺中的提升需要真空負壓產(chǎn)生的吸附力，由于循環(huán)煙箱表面平整度不良，灰塵、毛刺及刮痕多，對真空吸附能力提出了更高的要求，選用可靠性高、反應(yīng)快速、高效低噪、振動極小的真空發(fā)生器，利用其高速射流卷吸走負壓腔內(nèi)的氣體，使腔內(nèi)形成很低的真空度，再在真空口處接上真空吸盤，靠真空壓力和吸盤吸取物體。具體設(shè)計方案如下圖2。

（2）自閉功能吸盤系統(tǒng)的設(shè)計。在個體吸盤的選用上，針對循環(huán)煙箱粗糙不平的表面對局部個體吸盤的影響，采用長波紋吸盤并加入自閉閥進行配合，構(gòu)成特有的帶自閉功能的長波紋吸盤個體。當(dāng)循環(huán)煙箱上表面的局部位置無法與吸盤個體良好貼合，或者由于人工碼垛造成煙箱位置偏差，使吸盤作用位置為兩件煙箱縫隙當(dāng)中時，此吸盤個體的自閉閥自動關(guān)閉，不對整個單元的真空度構(gòu)成影響。

通過與某機械手制造公司進行聯(lián)合開發(fā)，在武漢煙草卷煙物流配送中心對設(shè)計的末端執(zhí)行器機構(gòu)進行了實際應(yīng)用，經(jīng)過對循環(huán)煙箱的自動拆跺測試，該套末端執(zhí)行器的基本性能穩(wěn)定，拆跺效率可達850件/小時，能夠適應(yīng)表面性能比較惡劣的各類循環(huán)煙箱。

5 總結(jié)

本文通過對循環(huán)箱體的自動拆跺機器人末端執(zhí)行器的應(yīng)用研究，分析形成了特有的氣動吸盤與機械夾具相結(jié)合的末端執(zhí)行機構(gòu)，并構(gòu)建了相配套的真空發(fā)生系統(tǒng)和帶自閉功能吸盤系統(tǒng)經(jīng)過實際制造使用，確定了該機器人末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)對循環(huán)煙箱的穩(wěn)定高效拆跺，本文是機器人末端執(zhí)行器機構(gòu)在綠色包裝領(lǐng)域的一次成功應(yīng)用研究，對回收紙箱、循環(huán)紙箱、廢料制箱體等重復(fù)利用型箱體實施自動拆跺技術(shù)均具有良好的借鑒意義。

參考文獻：

[1]李曉剛，劉晉浩.碼垛機器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀問題及對策[J].包裝工程，2011，32（03）：96+102.

[2]楊傳民，田少龍，楊錳，侯紅紅.碼垛機器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀問題及對策[J].包裝工程，2014，35（03）：60-62.

[3]劉宏偉，王效杰，梁艷陽，張健.機器人末端執(zhí)行器姿態(tài)軌跡規(guī)劃研究[J].機械設(shè)計與制造，2015（04）：28+34.

作者簡介：王波（1967-），男，碩士學(xué)位，中共黨員，高級工程師，主任，從事卷煙物流管理與技術(shù)工作。endprint