典型魚種自動(dòng)化抓取裝箱的裝置設(shè)計(jì)

盧晟曦 蘭 鋒 鞏 悅

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所，上海 200000）

0 引言

隨著我國人口數(shù)量的增加，陸地可耕種土地資源不斷減少，開發(fā)海洋漁業(yè)養(yǎng)殖資源成了我國重要的發(fā)展戰(zhàn)略，“十四五”對(duì)全國漁業(yè)發(fā)展規(guī)劃明確提出了“穩(wěn)產(chǎn)保供、創(chuàng)新增效、綠色低碳、規(guī)范安全、富裕漁民”的二十字漁業(yè)發(fā)展方針，明確了轉(zhuǎn)型升級(jí)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、調(diào)減控制捕撈業(yè)、規(guī)范有序發(fā)展遠(yuǎn)洋漁業(yè)的重點(diǎn)任務(wù)。開展深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖關(guān)鍵系統(tǒng)及設(shè)備研制具有重要意義。

魚類加工作為深海養(yǎng)殖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)具有重大意義。在目前我國的魚類加工過程中，稱重分級(jí)技術(shù)較為成熟，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化稱重分級(jí)，無須人工干預(yù)。分揀裝箱環(huán)節(jié)則基本由人工完成，自動(dòng)化程度低，人力成本較大。該文針對(duì)國信養(yǎng)殖工船黃魚的加工需求，進(jìn)行了船載典型魚種加工系統(tǒng)自動(dòng)化裝箱技術(shù)的研究，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度減少產(chǎn)線人力成本，提高產(chǎn)能。鑒于黃魚大小、形狀及來料狀態(tài)的差異，通過自動(dòng)化手段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分揀和自動(dòng)規(guī)則裝箱功能也是目前船載典型魚種加工系統(tǒng)的難點(diǎn)與重大需求。

1 工藝流程

深海人工養(yǎng)殖黃魚，通過泵吸至魚水分離器，排水后進(jìn)入休眠池，并采用冰漿預(yù)冷，預(yù)冷后通過帶式提升輸送機(jī)將黃魚送至加工流水線。加工環(huán)節(jié)包括黃魚稱重、按質(zhì)量分級(jí)，抓取裝箱、箱體貼標(biāo)、鋪膜、注冰漿、封箱、碼垛等流程。其中，除抓取裝箱工序外，其他工序的自動(dòng)化技術(shù)均已較為成熟。而由于黃魚體表黏滑，魚鱗易受損，目前國內(nèi)外黃魚裝箱均采用人工方法抓取堆碼，或輸送線將魚無序送入箱中。人工擺放消耗人力成本較大，效率較低，且人工長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)作業(yè)易產(chǎn)生疲勞，易受情緒等因素影響產(chǎn)生失誤。若采用無序裝箱，則無法滿足客戶的美觀需求以及空間利用率需求，故該文提出一種機(jī)械手自動(dòng)抓取、裝箱工藝。

抓取工位的工藝流程如圖1所示，黃魚經(jīng)過冰漿預(yù)冷、稱重分級(jí)后，同一級(jí)的黃魚通過板鏈線輸送至抓取裝箱工位，同時(shí)泡沫箱通過滾筒線輸送至相應(yīng)位置并定位，分隔模具下降放入箱體，機(jī)械臂帶動(dòng)夾爪將黃魚抓起后，放入箱體中的隔間。箱滿后，分隔模具上升離開箱體，箱體和魚通過滾筒線共同輸送至下一工位。

圖1 抓取工位工藝流程

為追求美觀度以及箱體空間利用率，黃魚在泡沫箱體中的擺放形式為魚肚朝上（黃魚魚肚為金色，提升美觀度）；兩列交叉擺放，魚頭朝向兩邊，魚尾朝向中間（提高空間利用率）。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 夾具選取

目前的抓取動(dòng)作普遍采用剛性機(jī)械夾爪、真空吸盤等傳統(tǒng)夾具來完成。黃魚表面具有黏滑液體，且魚鱗質(zhì)軟易受損傷，抓取力過大易造成黃魚表面受損，抓取力過小又無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取，故黃魚抓取夾具選用柔性抓取系統(tǒng)。

柔性抓取系統(tǒng)主要由柔性夾爪、氣動(dòng)控制器、附件氣路、壓縮氣源、工業(yè)機(jī)器人及其控制系統(tǒng)組成，柔性夾爪具有四根柔軟的氣動(dòng)“手指”，能夠自適應(yīng)地包覆住目標(biāo)物體，無須根據(jù)物體精準(zhǔn)的尺寸、形狀進(jìn)行預(yù)先調(diào)整，擺脫了傳統(tǒng)生產(chǎn)線要求生產(chǎn)對(duì)象尺寸均等的束縛。夾爪手指部分由柔性材質(zhì)構(gòu)成，具有特殊的氣囊結(jié)構(gòu)，隨著氣動(dòng)控制器輸入氣壓的不同產(chǎn)生不同的動(dòng)作。輸入正壓，夾爪將自適應(yīng)物體外表體征，呈握緊趨勢(shì)，完成抓取動(dòng)作；輸入負(fù)壓，夾爪張開，釋放物體。抓取動(dòng)作類似人的手指抓取物品，具有柔性功能且可自動(dòng)包裹產(chǎn)品，從而避免對(duì)產(chǎn)品造成物理損傷，能夠很好地完成黃魚裝箱的動(dòng)作。其抓取方式不采用“夾”的方式，而是采用“抱”的方式。即夾爪閉合將魚放置入中空間，如此一來，夾爪主要對(duì)黃魚施加的作用力為支撐力，而不是摩擦力，可降低夾爪對(duì)黃魚的損傷，如圖2所示。

圖2 柔性夾爪動(dòng)作模式

2.2 提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

黃魚抓取的另一個(gè)難點(diǎn)在于，黃魚由板鏈線輸送至抓取工位時(shí)，其狀態(tài)為“平躺”于板鏈線，而抓取需要使用夾爪抓住黃魚的重心位置，即夾爪四根手指應(yīng)抓在黃魚腹部位置，因此，黃魚腹部四周需要具有足夠的空間來進(jìn)行穩(wěn)定抓取。故該文設(shè)計(jì)了一種黃魚提升機(jī)構(gòu)，便于柔性夾爪進(jìn)行抓取，如圖3所示。此機(jī)構(gòu)由機(jī)架、升降導(dǎo)臺(tái)氣缸、無動(dòng)力輥筒線、阻擋定位模組等主要模塊組成。

圖3 提升機(jī)構(gòu)

機(jī)架平穩(wěn)放置于水平面，機(jī)臺(tái)大板通過螺紋連接固定于機(jī)架，導(dǎo)臺(tái)氣缸缸體部分通過螺紋連接固定于機(jī)臺(tái)大板，活塞桿部分通過螺紋連接方式與頂升大板進(jìn)行連接，頂升大板上方通過螺紋連接固定有兩個(gè)支撐塊，兩段無動(dòng)力滾筒線分別固定于兩個(gè)支撐塊之上。黃魚通過板鏈線輸送至無動(dòng)力滾筒線，由于支撐塊上斜面與順平面存在5°夾角，故無動(dòng)力滾筒線呈傾斜放置狀態(tài)，使黃魚能夠順利向前滑動(dòng)，同時(shí)不至于滑動(dòng)過快對(duì)魚頭造成損傷。輸送線末端設(shè)有黃魚阻擋，魚頭觸碰到阻擋時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，黃魚阻擋的位置可根據(jù)黃魚長(zhǎng)度進(jìn)行靈活調(diào)整。黃魚到位后，導(dǎo)臺(tái)氣缸向上頂升，推動(dòng)頂升大板向上運(yùn)動(dòng)，頂升大板帶動(dòng)兩個(gè)支撐塊、兩段無動(dòng)力滾筒線以及黃魚向上運(yùn)動(dòng)，黃魚魚腹段懸空，魚腹段周圍留出足夠的空間供機(jī)械臂柔性夾爪抓取。由于黃魚前期經(jīng)過冰漿預(yù)冷處理，其整體剛性較大，不會(huì)發(fā)生過大變形而使黃魚墜落，從而解決了抓取干涉的難題。

2.3 分隔模具的設(shè)計(jì)

為提高黃魚在箱體中呈現(xiàn)出的整體美觀度，需將黃魚腹部朝上置于箱中，而為提高箱體的空間利用率，需要將黃魚規(guī)則擺放入箱體，故夾爪不能直接將魚放入箱中，需要在箱中加裝自動(dòng)拆裝模具，以滿足黃魚規(guī)則擺放的要求。

該文所設(shè)計(jì)的泡沫箱體模具如圖4所示，模具大側(cè)板、小側(cè)板采用6061鋁合金材料，大側(cè)板小側(cè)板通過螺紋連接，大側(cè)板內(nèi)壁開有腰槽及燕尾槽，固定塊采用尼龍材料，通過燕尾槽結(jié)構(gòu)定位，通過螺紋連接方式固定于大側(cè)板。連接桿采用尼龍材料，將分隔尼龍帶分別穩(wěn)定纏繞于連接桿表面，將連接桿及尼龍帶插入固定塊，尼龍帶即為黃魚間的分隔工具。

圖4 箱體模具

為兼容不同尺寸的黃魚，可通過調(diào)整固定塊之間的距離調(diào)整每條魚占用空間的大小，從而實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。機(jī)械手抓取黃魚之后，通過視覺判斷黃魚所處狀態(tài)，調(diào)整機(jī)械臂位姿，使黃魚滿足“腹部朝上，頭朝兩邊，尾向中間，兩列堆放”的堆碼需求。放入時(shí)，由于頭部分隔空間較大，尾部空間較小，可將頭部略微傾斜向下放入隔間，再松開夾爪，如此可對(duì)整條魚精準(zhǔn)順利放入模具隔間起到一定的引導(dǎo)作用。

分隔材料選用軟性尼龍帶有如下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，質(zhì)軟不會(huì)對(duì)黃魚表面造成損傷；第二，如某條黃魚厚度偏大，略寬于分隔間寬度尺寸時(shí)，當(dāng)其頭部進(jìn)入分隔間后，如分隔隔板材料為剛性材料，可能導(dǎo)致其身體無法順利進(jìn)入隔間，甚至損傷黃魚表面。若隔板采用軟性尼龍布，分隔板會(huì)產(chǎn)生一定量的彈性形變，使黃魚能夠順利入箱，同時(shí)不需要為迎合特殊外形尺寸黃魚而增大隔間寬度，可提高箱體空間利用率。

2.4 模具升降與箱體定位

泡沫箱裝滿黃魚后需輸送至下一工位，而箱體模具則不可以隨箱移動(dòng)，故需要對(duì)箱體模具進(jìn)行自動(dòng)拆裝設(shè)計(jì)，如圖5所示?？障渫ㄟ^動(dòng)力滾筒線運(yùn)動(dòng)至滾筒線末端，縱向定位板阻擋其向前運(yùn)動(dòng)，同側(cè)兩推擋氣缸通過連接塊固定于滾筒線，推動(dòng)空箱向另一側(cè)運(yùn)動(dòng)至橫向定位板，完成空箱定位。輸送線兩側(cè)安裝有頂升氣缸，通過轉(zhuǎn)接板及固定板等零件用螺紋連接于輸送線外框架，氣缸縮回帶動(dòng)模具向下運(yùn)動(dòng)，落入箱體。完成黃魚裝箱后，頂升氣缸伸出，帶動(dòng)模具上升，實(shí)現(xiàn)模具與箱體的分離。由于氣缸行程較長(zhǎng)，因此添加起導(dǎo)向作用的導(dǎo)桿，氣缸活塞桿側(cè)連接有浮動(dòng)接頭，可抵消徑向力，維持升降平衡。模具與箱體分離后，動(dòng)力滾筒線反向運(yùn)轉(zhuǎn)，使裝滿魚的泡沫箱輸送至下一工位。

圖5 模具升降與箱體定位

2.5 抓取工位總體布局

黃魚抓取機(jī)器人的型號(hào)選擇匯川IRS311-7-90TS5六軸機(jī)器人，負(fù)載7kg，滿足負(fù)載要求；臂展范圍911mm，滿足空間要求；防護(hù)等級(jí)IP65，滿足船用要求；重復(fù)定位精度±0.03mm，滿足精度要求。綜合上述各模塊，對(duì)抓取、裝箱工位進(jìn)行整體布局設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖6 黃魚抓取裝箱工位布局

3 節(jié)拍設(shè)計(jì)

為滿足用戶的產(chǎn)能需求，需對(duì)工位節(jié)拍進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。設(shè)計(jì)節(jié)拍需考慮設(shè)備故障率與維修時(shí)間等其他影響設(shè)備產(chǎn)能的因素，一般而言，工位理論節(jié)拍要大于實(shí)際節(jié)拍，才能滿足實(shí)際產(chǎn)能需求。設(shè)計(jì)節(jié)拍如表1所示，裝滿一箱黃魚理論所需時(shí)間為62.5s，少于要求時(shí)間70s，故所設(shè)計(jì)的抓取、裝箱工位節(jié)拍滿足需求。

表1 節(jié)拍設(shè)計(jì)分析表

4 選材原則

由于整條產(chǎn)線使用于深海貨船，環(huán)境濕度較大，故抓取裝箱工位所用金屬材料使用食品級(jí)316不銹鋼，機(jī)架無虛焊、漏焊和氣孔現(xiàn)象，箱體模具整體變形量小于5mm，6061鋁合金表面陽極氧化，具體選材如表2所示。

表2 選材清單

5 結(jié)語

該文針對(duì)國信養(yǎng)殖工船典型魚種的加工需求，以減少人員工位、加快生產(chǎn)速度為目的，設(shè)計(jì)了一種黃魚自動(dòng)抓取、裝箱的方案以及相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了每一工位的機(jī)械結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)功能及選材原則，對(duì)工位節(jié)拍做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與分析，滿足了客戶產(chǎn)能及自動(dòng)化程度的需求，實(shí)現(xiàn)了黃魚的自動(dòng)化抓取裝箱。