ABB 拆垛機(jī)器人輔助吸盤裝置的設(shè)計(jì)

畢玉超，高 勇，叢 鑫，劉 輝，高 坤

1. 山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠，濟(jì)南市高新區(qū)科航路2006 號(hào) 250104

2. 濟(jì)南朗科工貿(mào)有限公司，濟(jì)南市鐵騎路68 號(hào)盤龍山工業(yè)園 250132

ABB 拆垛機(jī)器人是從瑞典ABB 公司引進(jìn)的先進(jìn)物流設(shè)備，拆垛能力為16 件/min，具有拆垛速度快、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。真空吸附式吸盤作為拆垛機(jī)器人的末端執(zhí)行元件被廣泛應(yīng)用于物流自動(dòng)化領(lǐng)域[1]，ABB 拆垛機(jī)器人使用的真空海綿吸盤微孔直徑僅為0.5 mm，遇到大顆?；覊m容易堵塞。特別是近年來在國(guó)家煙草專賣局“降本增效、提質(zhì)增量”要求下，各卷煙企業(yè)普遍對(duì)包裝紙箱進(jìn)行回收，二次利用的紙箱表面聚集較多灰塵顆粒，且容易出現(xiàn)皺褶，吸盤在吸附煙箱過程中常因吸力不足而造成煙箱掉落現(xiàn)象[2-3]，造成煙箱損壞，影響工作效率。機(jī)器人仿真軟件RobotStudio 具有動(dòng)畫仿真功能，可以使機(jī)器人工作站高度仿真真實(shí)工作與實(shí)際場(chǎng)景[4]，因此利用RobotStudio 軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行研究的報(bào)道較多。仲德平等[5]利用RobotStudio 軟件編寫了曲線焊縫的路徑離線程序，并將程序?qū)霗C(jī)器人工作站中，通過調(diào)試與仿真解決了焊接過程中曲面工件與焊槍碰撞等問題；蔣旗等[6]利用RobotStudio 軟件進(jìn)行了路徑規(guī)劃編程，獲得了成形、性能較好的構(gòu)件；郝建豹等[7]利用RobotStudion 軟件編寫了碼垛程序，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的碼垛作業(yè)。此外，歐洋等[8]分析了電機(jī)、氣動(dòng)、液壓3 種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)，選擇氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)作為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式；齊良春等[9]改進(jìn)了氣缸結(jié)構(gòu)，使維保工作更加方便可靠；蔡培良等[10]設(shè)計(jì)了一種殘煙自動(dòng)回收裝置，通過氣缸控制翻板導(dǎo)向器的轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)用效果良好。但利用氣缸作為輔助吸盤裝置的驅(qū)動(dòng)方式則鮮見報(bào)道。為此，基于ABB拆垛機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種輔助吸盤裝置，采用RobotStudio 軟件編寫程序并將其導(dǎo)入到機(jī)器人工作站中，以期減少設(shè)備故障次數(shù)，提高拆垛效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

輔助吸盤裝置主要由費(fèi)斯托DSNU 圓形氣缸、鋁合金支撐框架、活動(dòng)支架、吸盤、管路等部件組成，見圖1。該裝置安裝在海綿吸盤（4）上方的鋁合金支撐框架（2）上，與機(jī)器人末端連接；活動(dòng)支架（3）和吸盤（5）位于煙箱兩側(cè)；氣缸（1）安裝在鋁合金支撐框架（2）上，帶動(dòng)與活動(dòng)支架（3）相連的吸盤（5）完成對(duì)煙箱的吸附和釋放動(dòng)作。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)機(jī)器人原有海綿吸盤吸附到煙箱時(shí)，輔助吸盤裝置開始動(dòng)作，吸附并夾緊煙箱兩側(cè)，將煙箱運(yùn)送到輥道輸送機(jī)上，吸盤收回，完成發(fā)煙任務(wù)。

圖1 輔助吸盤裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of auxiliary sucker device

1.2 氣缸選型

氣缸理論推力計(jì)算公式[11]為：

式中：d 為氣缸直徑，m；P 為氣路壓強(qiáng)，Pa。

氣缸實(shí)際推力計(jì)算公式為：

式中：η為氣缸效率，當(dāng)壓強(qiáng)為0.5 MPa 時(shí)，氣缸效率約為0.8[11]。

由此可得氣缸實(shí)際推力為：

已知單煙箱質(zhì)量為16 kg，若煙箱兩側(cè)有兩組吸盤進(jìn)行吸附，則每組吸盤的吸附力F1=0.5mg=0.5×16×9.8=78.4 N。取吸盤與煙箱的最小摩擦系數(shù)為0.4，則氣缸實(shí)際推力應(yīng)滿足0.4 F實(shí)際≥F1，即0.4×0.2πd2P≥78.4 N。已知?dú)饴穳簭?qiáng)為0.5 MPa，計(jì)算可得氣缸直徑d≥0.024 98 m=24.98 mm。取氣缸直徑d=25 mm，最終選用型號(hào)DSNU-25-80-PPV-A 的費(fèi)斯托圓形氣缸。

1.3 吸盤部件

吸盤部件包括固定端、氣缸連接端、活動(dòng)支架、銷軸、吸盤、上部活動(dòng)搖桿和固定吸盤搖桿等，見圖2。其中，活動(dòng)支架采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，固定端（1）與鋁合金支撐框架連接，氣缸連接端（2）固定在活動(dòng)支架（3）上，當(dāng)氣缸做伸出或收回動(dòng)作時(shí)，帶動(dòng)活動(dòng)支架（3）轉(zhuǎn)動(dòng)，活動(dòng)支架（3）帶動(dòng)上部活動(dòng)搖桿（6）和固定吸盤搖桿（7）一起轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)吸盤（5）完成相應(yīng)動(dòng)作。

圖2 吸盤部件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of sucker unit

1.4 氣路結(jié)構(gòu)

輔助吸盤裝置采用氣動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，氣路結(jié)構(gòu)見圖3。來自氣源（6）的壓縮空氣分為3 路，分別流向3 個(gè)兩位五通電磁閥的進(jìn)氣管（1），由兩位五通電磁閥控制氣缸（8）拉桿伸出或收回，帶動(dòng)吸盤部件（9）完成對(duì)煙箱的吸附和釋放動(dòng)作。

圖3 輔助吸盤裝置氣路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of air circuit of auxiliary sucker device

1.5 控制程序

RobotStudio 仿真軟件能夠真實(shí)地模擬機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)工作場(chǎng)景，方便用戶進(jìn)行機(jī)器人編程和操作[12]。本設(shè)計(jì)中采用RobotStudio 軟件編寫控制程序，并運(yùn)用了機(jī)器人軸配置的計(jì)時(shí)指令、觸發(fā)裝置動(dòng)作指令、數(shù)組應(yīng)用、中斷程序等技術(shù)，離線程序分為主模塊、數(shù)據(jù)模塊和系統(tǒng)模塊，將程序?qū)霗C(jī)器人工作站，可使輔助吸盤裝置隨程序指令完成相應(yīng)動(dòng)作?？刂瞥绦蛄鞒虉D見圖4。

圖4 RobotStudio 仿真軟件編程流程圖Fig.4 Flowchart of RobotStudio simulation software programming

2 應(yīng)用效果

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“泰山（紅將軍）”牌箱裝件煙，包裝材料為二次利用紙箱，共10 000 件（由山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠提供）。

設(shè)備：IRB6600 型ABB 拆垛機(jī)器人（瑞典ABB公司）。

測(cè)試方法：ABB 拆垛機(jī)器人運(yùn)行速度設(shè)定為13 件/min，安裝輔助吸盤裝置前后分別完成5 000件煙的拆垛操作，統(tǒng)計(jì)掉煙次數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)分析

表1 可見，安裝輔助吸盤裝置后的ABB 拆垛機(jī)器人，在拆垛過程中未出現(xiàn)因吸附不穩(wěn)而造成煙箱掉落等問題，每5 000 件煙中煙箱掉落次數(shù)由12 次減少為0，保障了煙箱質(zhì)量。此外，出現(xiàn)掉煙故障后，海綿吸盤再次吸附煙箱時(shí)吸盤容易與煙箱發(fā)生碰撞造成吸盤損壞。安裝輔助吸盤裝置后，海綿吸盤的使用周期由2 個(gè)月延長(zhǎng)到4 個(gè)月，減少了備件費(fèi)用。

表1 安裝輔助吸盤裝置前后測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data before and after installation of auxiliary sucker device

3 結(jié)論

基于RobotStudio 機(jī)器人仿真軟件、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)等技術(shù)設(shè)計(jì)了ABB 拆垛機(jī)器人輔助吸盤裝置，在拆垛過程中能夠輔助吸盤吸附夾緊煙箱兩側(cè)，增加了吸附煙箱的穩(wěn)定性，解決了拆垛過程中煙箱掉落等問題。以濟(jì)南卷煙廠生產(chǎn)的“泰山（紅將軍）”牌箱裝件煙為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：安裝輔助吸盤裝置后，在拆垛過程中未出現(xiàn)因吸附不穩(wěn)而造成煙箱掉落等問題，在機(jī)器人運(yùn)行速度為13 件/min 時(shí)，每5 000 件煙中煙箱掉落次數(shù)由12 次減少為0，海綿吸盤使用周期延長(zhǎng)2 個(gè)月，有效降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度以及機(jī)器人的故障發(fā)生率，保證了物流系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。