一種糖業(yè)碼垛機(jī)器人抓手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳義時

（廣西機(jī)械工業(yè)研究院，廣西 南寧 450107）

0 引言

隨著工業(yè)化及信息化不斷深化融合，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣闊。制糖行業(yè)是廣西的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在用工成本日益嚴(yán)峻的今天，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也成為必然。制糖企業(yè)全工段特別是成品碼垛作業(yè)工段具有產(chǎn)量大，重復(fù)勞動多，勞動強(qiáng)度大等特點(diǎn)，運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)對成品進(jìn)行碼垛作業(yè)，能極大地提升生產(chǎn)效率，降低用工數(shù)量及勞動成本，還能規(guī)避工人在生產(chǎn)中遭受意外傷害的風(fēng)險[1]。

正是基于以上的行業(yè)背景，廣西機(jī)械工業(yè)研究院在某糖業(yè)集團(tuán)承擔(dān)了成套碼垛機(jī)器人生產(chǎn)線改造。成套生產(chǎn)線中選用瑞士ABB集團(tuán)高速重載負(fù)載的碼垛機(jī)器人IRB460，最大負(fù)載可達(dá)110 kg，最遠(yuǎn)距離可達(dá)2.4 m。根據(jù)某糖業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)需求，碼垛機(jī)器人在生產(chǎn)中每天至少工作20 h，碼垛效率為900～950包/小時，在生產(chǎn)期間不能出現(xiàn)停機(jī)1 h以上的故障，確保生產(chǎn)流水線平穩(wěn)、可靠。因此，抓手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了對結(jié)構(gòu)剛性提出較高要求外，還需要克服高速碼垛過程中白砂糖包產(chǎn)生動能，使得碼垛機(jī)器人抓手始終保持平穩(wěn)、流暢的工作姿態(tài)。

本文首先對碼垛機(jī)抓手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析了抓手工作時受力情況，最后對關(guān)鍵部位進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的效果。

1 抓手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的抓手針對糖業(yè)集團(tuán)袋裝50 kg白砂糖成品，包裝材料為塑料編織袋，包裝后袋裝白砂糖尺寸是850 mm×470 mm×220 mm。在工作中，抓手除了需要快速實(shí)現(xiàn)抓取，釋放等動作之外，還必須進(jìn)行壓實(shí)以防止白砂糖包在抓手中竄動，因此，抓手整體的結(jié)構(gòu)由抓取機(jī)構(gòu)、壓實(shí)機(jī)構(gòu)以及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。抓取機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抓取和釋放的功能，壓實(shí)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)將白砂糖包壓緊的功能，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)適應(yīng)白砂糖包尺寸的功能。總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 白砂糖包碼垛機(jī)抓手總體設(shè)計(jì)

抓手整體鋁材制作，其中框架采用3060型號鋁型材，抓取機(jī)構(gòu)采用日本進(jìn)口6061鋁合金材質(zhì)加工，抓取機(jī)構(gòu)驅(qū)動氣缸采用日本SMC品牌氣缸，壓實(shí)機(jī)構(gòu)驅(qū)動氣缸采用臺灣AIRTAC品牌氣缸，抓齒選用整體注塑硬質(zhì)塑料。本文設(shè)計(jì)的抓手結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為46.5 kg。工作時，碼垛機(jī)器人總負(fù)重為T總=50+46.5=96.5 kg，遠(yuǎn)小于碼垛機(jī)器人負(fù)載110 kg。

2 工作狀態(tài)下應(yīng)力分析

碼垛機(jī)器人工作時，抓手執(zhí)行抓取以及放料兩個動作。當(dāng)白砂糖包到位時，抓取機(jī)構(gòu)驅(qū)動氣缸伸出，驅(qū)動抓取機(jī)構(gòu)曲柄帶動抓取機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸心轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)抓手閉合并夾緊糖包，同時，壓實(shí)機(jī)構(gòu)氣缸伸出壓實(shí)白砂糖包，防止高速碼垛過程中糖包甩出。當(dāng)碼垛機(jī)器人來到指定的碼垛位置時，抓取機(jī)構(gòu)驅(qū)動氣缸收縮，實(shí)現(xiàn)抓手打開，白砂糖包垂直下落，從而完成一個作業(yè)循環(huán)?；谠撎菢I(yè)集團(tuán)生產(chǎn)需求，碼垛機(jī)器人工作節(jié)拍為900～950包/小時，可以計(jì)算單個作業(yè)循環(huán)時間為t=3.79～4 s。實(shí)際使用中，碼垛機(jī)器人完成一個碼垛流程耗時為3.9 s。

2.1 抓手?jǐn)[臂受力分析

碼垛機(jī)器人擺臂旋轉(zhuǎn)時，抓手一側(cè)的抓取機(jī)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出F1及F2與糖包運(yùn)動過程中產(chǎn)生的動能所施加的力F糖達(dá)到平衡，如圖2所示。

圖2 抓取擺臂受力分析

碼垛機(jī)器人到達(dá)規(guī)定高度后擺臂到碼垛托盤處，根據(jù)實(shí)際使用中的節(jié)拍，可知該段時間為1.15 s。擺臂過程先均加速，后勻速，最后勻減速的過程，勻加速時間t1=0.25 s，勻速時間t2=0.65 s，勻減速時間t3=0.25 s。

根據(jù)行程方程式：

式中：R為碼垛機(jī)器人運(yùn)動時臂展為1 700 mm，擺臂時初始旋轉(zhuǎn)速度v1=0，加速度代入上數(shù)值解得加速度a=7.94 m/s2。

根據(jù)牛頓第二定律：

解得糖包運(yùn)行中的力為：F糖=766.21 N

2.2 抓取執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常碼垛機(jī)器人抓手在低速運(yùn)行時，抓取機(jī)構(gòu)動力執(zhí)行氣缸為一個，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單。在實(shí)際碼垛作業(yè)中，當(dāng)碼垛節(jié)拍超過600包/h，由于負(fù)載動能大幅增加，一個執(zhí)行氣缸不足以完全抵消負(fù)載動能，以致抓取機(jī)構(gòu)左右小幅度擺動。在本設(shè)計(jì)中，抓取機(jī)構(gòu)除了采用常規(guī)的SMC的氣缸UCDG-63×75作為主執(zhí)行機(jī)構(gòu)外，還額外增加兩個臺灣亞德客品牌MI20×75氣缸輔助，來抵消糖包動能來帶的力F糖。為了能更清晰的表達(dá)抓取機(jī)構(gòu)的矢量力學(xué)平衡，特把設(shè)計(jì)簡化為圖3的力學(xué)模型。

圖3 抓取機(jī)構(gòu)矢量力學(xué)模型

根據(jù)力矩公式，可以計(jì)算糖包動能產(chǎn)生的力矩為：

抓取機(jī)構(gòu)執(zhí)行氣缸的矢量力矩和為：

通過查表，可以查到缸徑φ63的氣缸在標(biāo)準(zhǔn)工作氣壓0.6 MPa情況下，伸出時輸出力F1=1 870.2 N，缸徑φ20的氣缸伸出時輸出力150.9 N[2]。帶入數(shù)值求解為：

通過以上計(jì)算可得：抓取機(jī)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用一個φ63的氣缸及兩個φ20的氣缸時，完全能夠抵消抓手工作運(yùn)行速度達(dá)到900包時糖包動能產(chǎn)生的力矩，并且有6 N·m的力矩富余。

3 局部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

抓手使用性能不僅要求設(shè)計(jì)合理性，還需要考慮減輕抓手重量，提高抓手剛性，以保證抓手在工作時不產(chǎn)生多余的晃動，提高抓手使用壽命。

3.1 抓取轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

抓取機(jī)構(gòu)最薄弱的環(huán)節(jié)是抓取機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸。抓手在實(shí)際的工作中，轉(zhuǎn)軸會進(jìn)行上萬次的轉(zhuǎn)動，每次轉(zhuǎn)動過程中都會受到糖包動能產(chǎn)生的力和抓取機(jī)構(gòu)執(zhí)行輸出的力的相互作用，表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)剪切力，因此在抓手的工程化設(shè)計(jì)中，抓取轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)是設(shè)計(jì)的重中之重。

山東大學(xué)李鐵剛等人[3]設(shè)計(jì)抓取轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，抓取機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸與抓取機(jī)構(gòu)執(zhí)行曲柄采用焊接方式組成一體，其缺點(diǎn)是在焊接處由于焊接產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生脆性變化，文中轉(zhuǎn)軸直徑達(dá)到φ34時，壽命為25.4萬次，具有一定的理論借鑒意義，但是整體結(jié)構(gòu)偏笨重，無法滿足糖業(yè)的需求。

本文設(shè)計(jì)的抓取轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)如圖4所示。抓取機(jī)構(gòu)執(zhí)行曲柄與抓取機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸采用一組對稱安裝的漲緊套連接。漲緊套型號用Z3-20-47型可以傳遞扭矩300 N·m的扭矩[3]，兩組對稱使用可以傳遞600 N·m的力矩，遠(yuǎn)大于抓取執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的124 N·m的力矩，具有極高的安全系數(shù)。通過漲緊套連接的方式，對抓取機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸不產(chǎn)生任何損傷，極大提高轉(zhuǎn)軸使用壽命的同事，還進(jìn)一步降低了抓取機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸的直徑。本設(shè)計(jì)采用日本進(jìn)口的6061型號鋁型材棒料，加工后實(shí)際使用轉(zhuǎn)軸直徑為φ20，比常規(guī)使用焊接連接的方式，軸徑減少了70%[4]。

圖4 抓取機(jī)構(gòu)總圖

在抓取機(jī)構(gòu)中，抓取機(jī)構(gòu)抓齒曲柄同樣采用6061型號鋁合金制作，減輕抓手重量，提高抓手的負(fù)載能力。在抓取機(jī)構(gòu)/=抓齒曲柄與抓取機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸的連接方面，同樣采用Z3-20-47型漲緊套，與常規(guī)鍵槽連接的方式相比，具有傳遞扭矩大、連接方式簡單、維護(hù)維修方便，鎖緊方式直接、公差要求不高等優(yōu)勢，同時能夠避免反復(fù)正反轉(zhuǎn)帶來鍵槽松動現(xiàn)象。

3.2 壓實(shí)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓實(shí)機(jī)構(gòu)在實(shí)際碼垛過程中起到至關(guān)重要的作用，壓實(shí)機(jī)構(gòu)把糖包緊緊的壓在抓手范圍內(nèi)，使得糖包始終緊緊的貼緊在抓齒上，避免上下跳動現(xiàn)象。常規(guī)的壓實(shí)機(jī)構(gòu)由執(zhí)行氣缸直連壓板，結(jié)構(gòu)簡單，但是存在著明顯的缺點(diǎn)。最大的缺點(diǎn)是壓實(shí)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行氣缸除了受到軸向的力之外，還會受到徑向力而引起氣缸桿發(fā)生彎曲變形，極大影響到壓實(shí)機(jī)構(gòu)的使用壽命。為此，本文設(shè)計(jì)了新的壓實(shí)機(jī)構(gòu)，通過直線導(dǎo)軌來承受徑向力，氣缸僅受到軸向力，以使得不同方向的力由專門的結(jié)構(gòu)進(jìn)行平衡來提高壓實(shí)機(jī)構(gòu)使用壽命。如圖5所示。

圖5 壓實(shí)機(jī)構(gòu)總圖

本文設(shè)計(jì)的壓實(shí)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新符合組合原理，整個機(jī)構(gòu)簡單，傳動直接，減少了抓手工作工程中軸向和側(cè)向力的積累，也符合機(jī)構(gòu)運(yùn)動鏈簡單的原則。在整個工作過程中，壓實(shí)機(jī)構(gòu)執(zhí)行平穩(wěn)，布置簡單方便，易于安裝和維修，且安裝對于精度要求較低，機(jī)構(gòu)可以自動補(bǔ)償安裝誤差[5]。

4 結(jié)語

碼垛機(jī)器人抓手設(shè)計(jì)要依據(jù)工廠用戶的現(xiàn)實(shí)，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，對抓手進(jìn)行力學(xué)分析，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和提高，設(shè)計(jì)了抓取機(jī)構(gòu)、壓實(shí)機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)，符合產(chǎn)品化設(shè)計(jì)簡單實(shí)用的要求。整個設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡單、尺寸設(shè)計(jì)小巧，安全系數(shù)高。該抓手在某糖業(yè)集團(tuán)使用了一個榨季，實(shí)際完成碼垛150萬余包，抓手運(yùn)行狀態(tài)良好，如圖6所示?？傊疚脑O(shè)計(jì)的抓手是合理的，并得到了初步工程應(yīng)用驗(yàn)證。

圖6 碼垛機(jī)抓手現(xiàn)場應(yīng)用