機(jī)器人自動分揀試驗(yàn)系統(tǒng)的手抓方案研究

王粲

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品種類不斷增多，機(jī)械臂末端的傳統(tǒng)手抓已難以適應(yīng)產(chǎn)品生產(chǎn)的需要，作為通用末端操作器的機(jī)器人手抓在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。機(jī)器人自動分揀技術(shù)是實(shí)現(xiàn)企業(yè)節(jié)省人力成本的重要手段。依托于國產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)，本文闡述了機(jī)器人自動分揀的硬件組成方案，特別是機(jī)器人抓取裝置的方案研究，此項(xiàng)技術(shù)必定可以在船舶制造等重工領(lǐng)域得到廣泛推廣。

Abstract： With the constant development of economy， the increasing constantly of product category， the traditional grippers installed at the end of manipulator can't gradually meet the manufacturing requirement， the robotic hands as the universal end operator， will play an important part in the modern industrial production field. Robot automatic sorting technology is one of the most important means to save manpower cost for enterprises. Based on the domestic industrial robot， this paper expounds the hardware composition of robot automatic sorting， especially the research of robot grasping device. This technology is sure to be widely popularized in the field of shipbuilding and other heavy work.

關(guān)鍵詞：分揀；國產(chǎn)機(jī)器人；硬件；抓取裝置

Key words： sorting；homemade robot；hardware；grasping device

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）30-0149-02

0 引言

機(jī)器人分揀已在日本以及歐美一些發(fā)達(dá)國家的機(jī)械、食品、醫(yī)藥、化妝品等生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)普及，而我國目前真正付諸實(shí)施的機(jī)器人分揀系統(tǒng)還幾乎是空白。根據(jù)目前我國的市場需求狀況和相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)，研究、開發(fā)和應(yīng)用機(jī)器人分揀技術(shù)有著十分重要的意義[1]。機(jī)器人分揀與人工分揀作業(yè)相比，不但高效、準(zhǔn)確，而且在衛(wèi)生保障、質(zhì)量保障等方面有著人工作業(yè)無法替代的優(yōu)勢；與傳統(tǒng)的機(jī)械分揀作業(yè)相比，機(jī)器人分揀有著適應(yīng)范圍廣和隨時能變換作業(yè)對象的優(yōu)勢。

1 機(jī)器人自動分揀試驗(yàn)系統(tǒng)的硬件組成

1.1 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元硬件主要為：1臺PC機(jī)、2個掃描槍。PC機(jī)為普通臺式計算機(jī)，掃描槍為一維碼掃描槍。（圖1）

1.2 機(jī)器人執(zhí)行單元

機(jī)器人執(zhí)行單元的硬件組成主要包括：PLC控制器、工業(yè)機(jī)器人、快換裝置、機(jī)械手抓、手抓支架、安全圍欄及其它附件。

1.2.1 PLC控制器

PLC控制器采用德國西門子公司的300系列，主要實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)處理單元的TCP/IP通訊、與機(jī)器人Profibus通訊及邏輯處理功能，預(yù)留一部分IO接口用于后期外圍設(shè)備故障信號的接受和命令的發(fā)送。

1.2.2 工業(yè)機(jī)器人

根據(jù)工件（50-60kg）及末端手抓重量，機(jī)器人本體采用JARI-CP-160型工業(yè)機(jī)器人，其末端最大載荷為160kg。

機(jī)器人接口需求：根據(jù)設(shè)計要求，機(jī)器人最少能提供4路DO信號用于手抓的抓、放控制和快換工裝的控制；6路DI信號用于接收手抓和快換工裝的反饋；Profibus接口用于機(jī)器人與上位機(jī)的通訊。

1.2.3 快換裝置

為了實(shí)現(xiàn)兩種手抓的更換功能，需要引入快換裝置。結(jié)合本項(xiàng)目中手抓和物料的種類，選用ATI品牌的QC-110型號快換裝置。表1所示為QC-110快換裝置的性能指標(biāo)。

1.2.4 機(jī)械手抓

為了配合客戶后期智能手抓的開發(fā)，設(shè)計采用電動伺服手抓，設(shè)計兩套手抓。手抓主要由夾持爪、傳動機(jī)構(gòu)、控制器等構(gòu)成，夾持爪是夾持被抓零件的結(jié)構(gòu)件，傳動機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)帶動夾持抓的運(yùn)動，控制器功能與機(jī)器人進(jìn)行電氣接口，完成指令的收發(fā)，狀態(tài)反饋，以及控制傳動機(jī)構(gòu)電機(jī)運(yùn)動。手抓的最大負(fù)重60kg（工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動加速度小于2g）。

2 手抓系統(tǒng)方案

手抓采用立式夾持抓夾，驅(qū)動機(jī)構(gòu)以交流伺服電機(jī)驅(qū)動T型絲桿進(jìn)行傳動，電機(jī)控制器控制夾持爪的夾持速度和力度。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖2所示。

2.1 結(jié)構(gòu)組成

抓手結(jié)構(gòu)部分主要由快接法蘭、電機(jī)、減速器、滑塊總成、導(dǎo)桿、抓手、絲桿、殼體等組成。

滑塊總成由滑塊、高精度滑動軸承、螺母組成。

滑動導(dǎo)桿為高精度、高強(qiáng)度耐磨光軸，限定滑塊總成的平動運(yùn)動。

電機(jī)、減速機(jī)通過中間齒輪副驅(qū)動T絲桿機(jī)構(gòu)正反旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)滑塊總成的相向、相背運(yùn)動。

抓手是零件的夾持部件，由抓手主體、防滑釘組成。抓手采用模塊化設(shè)計，可方便快速通過螺釘與滑塊總成固定連接。

2.2 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計

傳動機(jī)構(gòu)采用交流伺服電機(jī)+減速機(jī)+絲桿+導(dǎo)軌傳動的形式，交流伺服電機(jī)輸出力矩恒定，且可以通過控制進(jìn)行速度和力矩調(diào)節(jié)，電機(jī)通過減速機(jī)和絲桿將力矩放大且將轉(zhuǎn)動運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，通過導(dǎo)軌連接提高了抓手在機(jī)器人運(yùn)動過程中的抗傾覆力矩。

傳動機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：

①采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動，控制方式靈活、速度、力矩控制精度高。

②T型絲桿傳動靈活，穩(wěn)定可靠，且具有自鎖功能。

③導(dǎo)軌滑動提高抓手抗傾覆能力，確保夾持穩(wěn)定。

2.3 抓放零件過程

夾持爪采用45#優(yōu)質(zhì)碳素鋼材料，調(diào)質(zhì)處理增強(qiáng)零件的強(qiáng)度、韌性及耐磨性能；并進(jìn)行合適的電鍍處理提高零件的環(huán)境適應(yīng)性能。

防滑釘選用高耐磨，與鋼材質(zhì)具有較高摩擦系數(shù)的非金屬材料。較大的摩擦系數(shù)可以在一定程度上減小夾持力的要求，并可以降低系統(tǒng)功耗，減小系統(tǒng)尺寸及重量；同時非金屬材料的較低的表面硬度，可有效保護(hù)零件夾持面不受損傷。

釋放過程為抓夾過程的反過程。

抓手在抓取零件之前，按預(yù)定值張開抓手寬度，可以有效減小零件擺放空間，提高抓取速度。

2.4 夾取可靠性

抓手夾取零件的可靠性主要通過以下措施進(jìn)行保證：

①抓手上的抓釘安裝與鋼材質(zhì)摩擦系數(shù)大的非金屬材料，一方面可以保護(hù)被夾持零件表面，另一方可保證在一定夾持力的情況下，具有更大的摩擦力，從而提供更大的零件提升力；

②設(shè)計時將零件夾持力放大至4倍，使零件在小加速度提升時仍具有足夠的摩擦提升力，有效保證零件提升過程中不會下滑；

③T型螺紋絲桿機(jī)構(gòu)設(shè)計，在零件夾持、提升、搬運(yùn)整個過程中始終保持預(yù)設(shè)夾持力，提高使用可靠性；

④對于特殊形狀零件，還可以通過抓釘側(cè)面掛鉤零件，使零件夾持更加可靠。

3 結(jié)束語

機(jī)器人自動分揀試驗(yàn)系統(tǒng)的手抓系統(tǒng)的設(shè)計，為更深一步的研究與設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，為機(jī)器人分揀系統(tǒng)的手抓系統(tǒng)設(shè)計付諸實(shí)施提供了借鑒，其成功的應(yīng)用也證明了本設(shè)計方案的正確性。由于機(jī)器人與手抓共同作業(yè)替代了人的體力勞動，提高了自動化水平和工作完成質(zhì)量，機(jī)器人分揀將會越來越廣泛地應(yīng)用于各個生產(chǎn)領(lǐng)域[2]。

參考文獻(xiàn)：

[1]王田苗，陶永.我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機(jī)械工程學(xué)報，2014，50（9）：1-13.

[2]焦恩璋，杜榮.工業(yè)機(jī)器人分揀技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2010，2：84-87.

[3]宋召衛(wèi).我國自動分揀技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國物流與采購， 2003（06）.