自動(dòng)撕貼標(biāo)簽機(jī)械手的設(shè)計(jì)與分析

張靈益，杜天德，王 波，馮 辰

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

標(biāo)簽在我們的生活中有著不可替代的作用，廣泛應(yīng)用于包裝、管理、辦公、生產(chǎn)等方面。隨著科技的發(fā)展，新一輪的工業(yè)革命興起，以物聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)正以迅猛的速度發(fā)展。作為物聯(lián)網(wǎng)中感知層關(guān)鍵技術(shù)的無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注。射頻識(shí)別(RFID)是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)物體并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，而識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)物體之間無(wú)須有任何介質(zhì)接觸[1]。RFID系統(tǒng)由閱讀器和許多標(biāo)簽組成，并且大多數(shù)RFID系統(tǒng)應(yīng)用是標(biāo)簽密集型應(yīng)用[2]。近年來(lái)，RFID技術(shù)不斷進(jìn)步，產(chǎn)生了有源RFID、無(wú)源RFID、半有源RFID等技術(shù)衍生品，且產(chǎn)品成本不斷降低，使得RFID產(chǎn)品已成為人們生活中必不可少的一部分。

RFID標(biāo)簽的制作流程為：在芯片上進(jìn)行凸點(diǎn)制作，將芯片貼裝到標(biāo)簽紙上，進(jìn)行標(biāo)簽測(cè)試，測(cè)試完成后進(jìn)行層壓沖裁，之后進(jìn)行封裝，最后完成RFID的標(biāo)簽制作。在檢驗(yàn)的流程中，采用的是攝像頭拍攝，由計(jì)算機(jī)識(shí)別是否錯(cuò)誤后，傳送帶滾輪停止運(yùn)行，將錯(cuò)誤的標(biāo)簽停在指定位置，最后讓一名檢驗(yàn)員人工將錯(cuò)誤標(biāo)簽撕下，通過(guò)調(diào)轉(zhuǎn)或者更換的方式將其更正。此方法雖然較為簡(jiǎn)單，不需要專業(yè)人員操作，但不僅人工成本高昂，效率低下，并且在準(zhǔn)確度上有時(shí)不能達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，限制了生產(chǎn)力的發(fā)展。

RFID標(biāo)簽的制作流程中，檢驗(yàn)與糾正在其中是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，將錯(cuò)誤的標(biāo)簽糾正可以保證產(chǎn)品的合格率。在芯片凸點(diǎn)制作、貼裝、測(cè)試、層壓沖裁這些流程中，自動(dòng)化程度很高，機(jī)器流水線制作標(biāo)簽技術(shù)已經(jīng)十分成熟，然而，標(biāo)簽檢驗(yàn)過(guò)程中的相關(guān)設(shè)備存在空缺，目前市場(chǎng)上基本沒(méi)有針對(duì)標(biāo)簽糾錯(cuò)的自動(dòng)化設(shè)備。主要原因如下：一方面不同標(biāo)簽的尺寸各不相同，用一種設(shè)備很難完成不同標(biāo)簽的撕貼要求；另一方面，用機(jī)構(gòu)代替人手撕貼標(biāo)簽很難模仿手部在撕下標(biāo)簽時(shí)使用的剪應(yīng)力，很難在不損壞標(biāo)簽的前提下將其順利撕下。而在生產(chǎn)過(guò)程中，并不是所有的標(biāo)簽都是廢品，有些標(biāo)簽只是左右翻轉(zhuǎn)，只要將其旋轉(zhuǎn)半圈依然可以使用，若是全部將其撕下丟棄會(huì)大大提高生產(chǎn)成本。因此，自動(dòng)撕貼標(biāo)簽的設(shè)備仍然存在市場(chǎng)空白。為此，筆者提出了一種自動(dòng)撕貼標(biāo)簽的機(jī)械手，用以實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽生產(chǎn)流程中的檢驗(yàn)糾正自動(dòng)化。

1 自動(dòng)撕貼標(biāo)簽機(jī)械手的功能分析

筆者設(shè)計(jì)的自動(dòng)撕貼標(biāo)簽機(jī)械手主要針對(duì)標(biāo)簽生產(chǎn)流水線上的檢驗(yàn)糾正要求，需要在攝像頭拍攝到錯(cuò)誤標(biāo)簽之后，待傳送帶停下時(shí)在不損壞標(biāo)簽的前提下完成撕下標(biāo)簽、旋轉(zhuǎn)或者更換標(biāo)簽、貼上正確標(biāo)簽的操作。要滿足這樣的使用要求，設(shè)計(jì)的機(jī)械手應(yīng)該具有以下功能：

(1) 控制的功能：機(jī)械手作出撕下、旋轉(zhuǎn)和粘貼等動(dòng)作時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)控制結(jié)構(gòu)，與計(jì)算機(jī)結(jié)合，將同一個(gè)動(dòng)力源輸入不同部分，實(shí)現(xiàn)不同動(dòng)作的實(shí)施。

(2) 撕下標(biāo)簽的剪應(yīng)力：人手在撕下標(biāo)簽時(shí)，兩只手直接形成的剪應(yīng)力可以使標(biāo)簽順利地撕下,為此，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)，可以在工作時(shí)兩側(cè)形成不同方向的力，方便撕下標(biāo)簽。

(3) 可以調(diào)節(jié)的尺寸：設(shè)計(jì)一種可以調(diào)節(jié)寬度的結(jié)構(gòu)，對(duì)于各種尺寸的標(biāo)簽都可以適用，提高機(jī)械手的泛用性。

(4) 交替操作的使用方式：因?yàn)闃?biāo)簽生產(chǎn)流程中，在撕下標(biāo)簽之后，又需要在相同位置貼上正確的標(biāo)簽，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)，讓撕、貼標(biāo)簽機(jī)械手一起交替使用，以提高效率。

2 自動(dòng)撕貼標(biāo)簽機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)標(biāo)簽制作流水線中標(biāo)簽撕貼的基本要求，設(shè)計(jì)符合要求的基本功能結(jié)構(gòu)。筆者所在項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)前期工作，提出了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，包括底部敞口的殼體以及置于殼體空腔內(nèi)的調(diào)節(jié)氣缸、撕貼機(jī)構(gòu)(由外壓塊、內(nèi)壓塊、連桿、輔助壓塊、撕貼氣缸構(gòu)成)、控制氣缸。自動(dòng)撕貼標(biāo)簽機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 控制氣缸的結(jié)構(gòu)

控制氣缸的固定缸體固定連接于殼體頂部，其為雙層結(jié)構(gòu)，形成內(nèi)、外兩個(gè)腔室，且內(nèi)、外兩個(gè)腔室分別外接氣泵，控制氣缸的活動(dòng)氣缸置于內(nèi)腔室；控制氣缸的活動(dòng)缸體的一側(cè)豎直設(shè)有條形孔，另一側(cè)設(shè)有氣源通孔?？刂茪飧捉Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1撕標(biāo)簽機(jī)械手整體結(jié)構(gòu) 圖2控制氣缸結(jié)構(gòu)

控制氣缸固定缸體的內(nèi)側(cè)壁在與條形孔對(duì)應(yīng)位置處設(shè)有氣源啟閉孔，在與氣源通孔對(duì)應(yīng)位置處設(shè)有氣源通道。氣源通道分為由上而下布置的與調(diào)節(jié)氣缸相連的氣源通道1、與真空腔相連的氣源通道2、與撕貼氣缸相連的氣源通道3，條形孔的長(zhǎng)度與氣源通道1的頂部至氣源通道3的底部之間的距離相等，氣源通孔底部與條形孔底部齊平。

通過(guò)控制氣缸的活動(dòng)缸體在內(nèi)腔室上下移動(dòng)，使氣源啟閉孔與條形孔相配合，以控制氣源通道的啟閉，使氣源通孔選擇性地與相應(yīng)的氣源通道相連通。

2.3 撕貼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

撕貼機(jī)構(gòu)如圖3所示，設(shè)有撕貼氣缸，每塊壓塊均包括外壓塊、輔助壓塊、內(nèi)壓塊、連桿。

圖3 撕貼機(jī)構(gòu)

兩個(gè)真空腔分別位于內(nèi)壓塊；外壓塊的頂部與對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)臂底端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，外壓塊的內(nèi)側(cè)壁設(shè)有底部敞口的安裝腔，輔助壓塊置于該安裝腔內(nèi)，內(nèi)壓塊置于該安裝腔外側(cè)；連桿的兩端分別與輔助壓塊、內(nèi)壓塊轉(zhuǎn)動(dòng)連接，連桿的中部與安裝腔腔壁轉(zhuǎn)動(dòng)連接，撕貼氣缸的活動(dòng)缸體底部通過(guò)連接件與內(nèi)壓塊轉(zhuǎn)動(dòng)連接。

通過(guò)控制氣缸中的活動(dòng)氣缸，使得氣源啟閉孔與氣源通道1相連，利用氣源啟閉孔的壓力變化控制撕貼氣缸的上下移動(dòng)，使得連接件帶動(dòng)內(nèi)壓塊在連桿的一端上下移動(dòng)，并使得輔助壓塊向相反的方向運(yùn)動(dòng)，從而形成相對(duì)的剪應(yīng)力，讓不合格的標(biāo)簽順利撕下。

2.4 調(diào)節(jié)尺寸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)尺寸機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要由調(diào)節(jié)氣缸和調(diào)節(jié)臂組成。調(diào)節(jié)氣缸中心有氣源通道1穿過(guò)，與調(diào)節(jié)氣缸的運(yùn)動(dòng)互不干涉。調(diào)節(jié)氣缸上部頂端與氣源通道2連接，活動(dòng)缸的下部與調(diào)節(jié)臂相連。而相對(duì)的兩組壓塊都有滑槽與殼體上的固定桿相連，用以固定壓塊組，使其僅能在水平方向上受氣缸控制運(yùn)動(dòng)。

調(diào)節(jié)氣缸的作用主要是調(diào)節(jié)兩個(gè)壓塊組的距離，以應(yīng)對(duì)不同寬度的標(biāo)簽。主要工作過(guò)程是:將控制氣缸的活動(dòng)缸移動(dòng)至與氣源通道2相通，利用控制缸外腔的壓力變化控制調(diào)節(jié)缸中活動(dòng)缸的上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)調(diào)節(jié)臂，則將垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為水平運(yùn)動(dòng)，達(dá)到調(diào)節(jié)兩個(gè)壓塊組之間距離的目的。

2.5 交替操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

此機(jī)構(gòu)利用了一種交替抓頭，可將兩個(gè)機(jī)械手相連，擁有了快速切換的功能，如圖5所示。

在成對(duì)設(shè)置的撕標(biāo)機(jī)械手、貼標(biāo)機(jī)械手的頂部共同連接有機(jī)械手交替抓頭，機(jī)械手交替抓頭的連接板傾斜放置，保持其中一個(gè)機(jī)械手正對(duì)機(jī)臺(tái)進(jìn)行撕標(biāo)或貼標(biāo)，旋轉(zhuǎn)傾斜設(shè)置的連接板，迫使另一個(gè)機(jī)械手正對(duì)機(jī)臺(tái)進(jìn)行貼標(biāo)或撕標(biāo)，這樣兩工位進(jìn)行撕、貼標(biāo)交替工作，可有效提高生產(chǎn)效率。

圖4 調(diào)節(jié)尺寸機(jī)構(gòu) 圖5 交替操作機(jī)構(gòu)

3 機(jī)械手整體工作流程

機(jī)械手主要用于標(biāo)簽生產(chǎn)中替換不良品標(biāo)簽，當(dāng)機(jī)臺(tái)檢測(cè)出不良品時(shí)，外接裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)械手位于不良品標(biāo)簽上方，具體操作方法如下：

(1) 打開(kāi)控制氣缸的兩個(gè)外接氣泵，其中一個(gè)氣泵驅(qū)動(dòng)控制氣缸的活動(dòng)缸體在固定缸體內(nèi)腔室中移動(dòng)，另一個(gè)氣泵通入控制氣缸的固定缸體外腔室內(nèi)；當(dāng)控制氣缸的活動(dòng)缸體下移，控制氣缸的活動(dòng)缸體上的條形孔與控制氣缸的固定缸體上的氣源啟閉孔相通，使控制氣缸的活動(dòng)缸體上的氣源通孔與控制氣缸的固定缸體上的氣源通道1相通；此時(shí)，控制氣缸的固定缸體外腔室內(nèi)的氣源經(jīng)氣源啟閉孔、條形孔、氣源通孔、氣源通道1流入調(diào)節(jié)氣缸，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)氣缸的活動(dòng)缸體上下移動(dòng)，通過(guò)兩調(diào)節(jié)臂迫使兩壓塊沿滑動(dòng)軌道水平移動(dòng)(外壓塊沿滑動(dòng)軌道水平移動(dòng)，內(nèi)壓塊沿H形連接件的水平滑槽移動(dòng))，達(dá)到調(diào)節(jié)兩壓塊之間距離的目的；根據(jù)標(biāo)簽的長(zhǎng)度停止調(diào)節(jié)兩滑塊間的距離，外接裝置驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)械手下壓至不良品標(biāo)簽處，兩個(gè)外壓塊分別置于不良品標(biāo)簽的兩旁(相鄰標(biāo)簽之間的留白處)，兩個(gè)內(nèi)壓塊分別置于不良品標(biāo)簽的兩端，使兩內(nèi)壓塊的真空腔與不良品標(biāo)簽貼合。

(2) 繼續(xù)驅(qū)動(dòng)控制氣缸的活動(dòng)缸體下移，控制氣缸的活動(dòng)缸體上的條形孔與控制氣缸的固定缸體上的氣源啟閉孔相通，使控制氣缸活動(dòng)缸體上的氣源通孔與控制氣缸的固定缸體上的氣源通道2相通，此時(shí)，控制氣缸的固定缸體外腔室經(jīng)氣源啟閉孔、條形孔、氣源通孔、氣源通道2與兩個(gè)內(nèi)壓塊的真空腔連通，利用真空負(fù)壓吸附不良品標(biāo)簽。

(3) 繼續(xù)驅(qū)動(dòng)控制氣缸的活動(dòng)缸體下移，控制氣缸活動(dòng)缸體上的條形孔與控制氣缸固定缸體上的氣源啟閉孔相通，使控制氣缸活動(dòng)缸體上的氣源通孔與控制氣缸固定缸體上的氣源通道3相通，此時(shí)，控制氣缸固定缸體外腔室內(nèi)的氣源經(jīng)氣源啟閉孔、條形孔、氣源通孔、氣源通道3流入撕貼氣缸，驅(qū)動(dòng)撕貼氣缸的活動(dòng)缸體上移，帶動(dòng)H形連接件、內(nèi)壓塊上移，由于內(nèi)壓塊、連桿、輔助壓塊構(gòu)成杠桿機(jī)構(gòu)，內(nèi)壓塊上移帶動(dòng)對(duì)應(yīng)的輔助壓塊下移，迫使兩個(gè)輔助壓塊下壓住不良品標(biāo)簽兩側(cè)的留白處，兩個(gè)內(nèi)壓塊吸附不良品上行、兩個(gè)輔助壓塊下壓住不良品兩旁，使不良品標(biāo)簽與基材剝離，達(dá)到撕開(kāi)不良品標(biāo)簽的目的。

(4) 驅(qū)動(dòng)控制氣缸的活動(dòng)缸體上移或關(guān)閉氣泵，斷開(kāi)真空腔氣源，真空腔壓強(qiáng)復(fù)原，使不良品與壓塊分離。

(5) 同理，根據(jù)步驟(1)～步驟(3)，利用機(jī)械手吸附正確的標(biāo)簽并與之前的基材剝離，驅(qū)動(dòng)吸附有正確標(biāo)簽的機(jī)械手移動(dòng)至原不良品上方，下移該機(jī)械手，使正確的標(biāo)簽與原不良品處的基材膠合，斷開(kāi)真空腔氣源，使正確標(biāo)簽與壓塊分離，達(dá)到更換正確標(biāo)簽的目的。

此機(jī)械手可以配置單獨(dú)的機(jī)械手兼用撕標(biāo)機(jī)械手、貼標(biāo)機(jī)械手，也可成對(duì)配置撕標(biāo)機(jī)械手、貼標(biāo)機(jī)械手。

4 結(jié)束語(yǔ)

該自動(dòng)撕貼標(biāo)簽機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，生產(chǎn)制造容易，可配合高速機(jī)臺(tái)進(jìn)行不良品標(biāo)簽的撕貼更換工作，取代了原來(lái)的人工操作方式，能提升電子標(biāo)簽的品質(zhì)并維持較高的作業(yè)速度，降低了生產(chǎn)成本，提高了工作效率，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。