輪式食品碼垛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

李賀軍 ， 翟梽錦 ， 任小中

（1.黃河交通學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 焦作 454950；2.焦作市智能機(jī)器人工程技術(shù)研究中心，河南 焦作 454950）

工業(yè)機(jī)器人具有速度快、效率高、可節(jié)約人工成本等優(yōu)勢(shì)，在食品行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，可用于上料、搬運(yùn)、裝卸、分揀、碼垛、包裝等工序[1-3]。但目前常用的多關(guān)節(jié)型機(jī)器人、SCARA 型機(jī)器人、平行桿型機(jī)器人成本較高，直角坐標(biāo)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人等雖然成本較低[4-5]，但自由度低，靈活性差，這些因素限制了工業(yè)機(jī)器人在小企業(yè)中的推廣與應(yīng)用，也制約了小企業(yè)生產(chǎn)智能化、自動(dòng)化的發(fā)展[6-8]?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種低成本的小型碼垛機(jī)器人，能實(shí)現(xiàn)90°、60°、45°等定角度擺臂，同時(shí)具有移動(dòng)功能，可用于餅干、沙琪瑪、薯片、香腸等箱裝食品的搬運(yùn)和碼垛工作，也可以配合企業(yè)現(xiàn)有的食品生產(chǎn)線(xiàn)，靈活解決小批量、個(gè)性化訂單的上下料問(wèn)題[9-10]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

如圖1 所示，輪式食品碼垛機(jī)器人主要由車(chē)體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂升降機(jī)構(gòu)、夾爪平移機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和夾爪機(jī)構(gòu)組成。車(chē)體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以采用驅(qū)動(dòng)帶輪加同步帶的形式帶動(dòng)后輪運(yùn)動(dòng)；機(jī)械臂升降機(jī)構(gòu)可以通過(guò)電機(jī)絲杠機(jī)構(gòu)將機(jī)械臂和滑塊連接在一起，電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械臂沿著導(dǎo)柱下移，電機(jī)反轉(zhuǎn)則機(jī)械臂上移；夾爪平移機(jī)構(gòu)可以采用驅(qū)動(dòng)帶輪加同步帶的形式，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使夾爪沿著導(dǎo)軌左右移動(dòng)；機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用槽輪機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主動(dòng)撥盤(pán)，通過(guò)圓柱銷(xiāo)帶動(dòng)槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)定角度間歇運(yùn)動(dòng)；夾爪機(jī)構(gòu)采用雙氣缸夾緊機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)快速夾緊和卸料的目標(biāo)，同時(shí)，上面也設(shè)有氣缸，用于配合升降機(jī)構(gòu)拓展上下工作空間。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)圖

2 車(chē)體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)器人車(chē)體驅(qū)動(dòng)采用兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，前輪隨動(dòng)的輪式機(jī)構(gòu)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析如圖2所示。

假設(shè)機(jī)器人的方向輪相對(duì)于車(chē)體縱軸的旋轉(zhuǎn)角度為φ，車(chē)體縱軸與X 軸的夾角為θ，左輪速度為V1，右輪速度為V2，車(chē)體速度為Vp， 驅(qū)動(dòng)輪軸距為B，則：

X 向速度分量：

Y 向速度分量：

假設(shè)V1=0，則車(chē)體角速度w1=；假設(shè)V2=0，則車(chē)體角速度w2=

根據(jù)運(yùn)動(dòng)合成，此時(shí)車(chē)體角速度為：

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

車(chē)體轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r為：

當(dāng)V1和V2速度相反時(shí)，|V1+V2|＜|V2-V1|，r＜B/2，機(jī)器人在實(shí)際作業(yè)時(shí)，只需控制V1和V2的速度大小，即可以實(shí)現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)彎和零半徑回轉(zhuǎn)，能夠適應(yīng)狹窄通道和緊湊型食品生產(chǎn)車(chē)間。

圖2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析

3 主要零部件設(shè)計(jì)校核

輪式食品碼垛機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電動(dòng)機(jī)的選型計(jì)算、同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)、絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)、軸的設(shè)計(jì)與校核、軸承的選型與校核、鍵的選擇與校核、聯(lián)軸器的選擇、導(dǎo)軌的選型計(jì)算、導(dǎo)柱的設(shè)計(jì)校核、氣缸的選擇、夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、槽輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等，其中，車(chē)體軸承的計(jì)算校核如下：

初選6206 型深溝球軸承，量動(dòng)載荷P為：

式中，X為徑向載荷系數(shù)（X=1）；Y為軸向載荷系數(shù)（Y=0）；徑向載荷Fr=2 136.4 N；軸向載荷Fa表示支撐軸主要承受的徑向力（Fa=0）。

基本額定壽命為：

式中，Cr為基本額定動(dòng)載荷（Cr=15.2 kN）；ft為溫度系數(shù)，工作溫度小于100 ℃時(shí)，取ft=1；fp為載荷系數(shù)，工作時(shí)沖擊較小，取fp=1；ε為軸承壽命指數(shù)，球軸承取ε=3；軸承轉(zhuǎn)速n=88.4 r/min；預(yù)期壽命L=48 000 h（10年，2 班制）。

可以得出：L＜L10h，軸承壽命合格。

4 零部件三維設(shè)計(jì)

基于SolidWorks 三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了撥盤(pán)、槽輪、車(chē)體、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、夾爪、導(dǎo)柱、絲杠、導(dǎo)軌、機(jī)械臂等共計(jì)83 個(gè)零部件，部分零部件的三維造型如圖3所示。

圖3 部分零部件三維造型

5 裝配設(shè)計(jì)與分析

該機(jī)器人的裝配設(shè)計(jì)主要包括末端執(zhí)行器的裝配設(shè)計(jì)、機(jī)械臂的裝配設(shè)計(jì)、升降機(jī)構(gòu)的裝配設(shè)計(jì)以及車(chē)體的裝配設(shè)計(jì)等，經(jīng)過(guò)干涉檢查、間隙驗(yàn)證、孔對(duì)齊等評(píng)估，裝配方案合理，機(jī)器人總裝圖如圖4所示。

圖4 機(jī)器人總裝圖

機(jī)器人移動(dòng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)11 通過(guò)同步帶1 與同步帶9 傳動(dòng)帶動(dòng)后輪8 實(shí)現(xiàn)；機(jī)械臂升降運(yùn)動(dòng)由升降電機(jī)22 通過(guò)絲杠機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)；機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)13 通過(guò)槽輪機(jī)構(gòu)控制，可實(shí)現(xiàn)90°定角度轉(zhuǎn)動(dòng)，另外通過(guò)更換不同的槽輪機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)60°、45°等定角度擺臂運(yùn)動(dòng)，在間歇期，可以完成食品箱的夾持和卸料工作。其主要技術(shù)參數(shù)有：長(zhǎng)寬高（1 800 mm*1 210 mm*1 750 mm），整機(jī)質(zhì)量（210 kg），自由度（5），車(chē)體移動(dòng)速度（5 km/h），最大承載量（8 kg），機(jī)械臂工作空間（上下為910 mm，左右為778 mm，定角度為90°）。

6 結(jié)論

1）機(jī)器人零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，經(jīng)裝配評(píng)估，無(wú)干涉、間隙、孔未對(duì)齊等問(wèn)題，裝配設(shè)計(jì)合理，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)、升降和平移動(dòng)作。

2）車(chē)體采用兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，前輪隨動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，可以實(shí)現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)彎和零半徑回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，適用于狹窄通道和緊湊型車(chē)間。

3）通過(guò)更換不同的槽輪機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的45°、60°、90°等定角度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，適用于角度固定的碼垛作業(yè)操作。本研究可以為移動(dòng)食品碼垛機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供一定參考。