一種旋轉(zhuǎn)式側(cè)向貼標(biāo)機(jī)械臂的設(shè)計與研究

黃棟斐 程 明

（1.東莞市技師學(xué)院，東莞 523000；2.廣東生益科技股份有限公司，東莞 523000）

在智能制造業(yè)中，各種不干膠紙標(biāo)簽的應(yīng)用在產(chǎn)品追溯和管理中變得越來越重要。中型物件和大型物件的貼標(biāo)加工中，一般采用傳統(tǒng)的人工貼標(biāo)方式，逐個進(jìn)行貼標(biāo)操作。目前，人工成本越來越高，并且貼標(biāo)效率低下，容易受到人為因素的影響出現(xiàn)漏貼、錯貼、貼標(biāo)歪斜及褶皺等問題?；谶@些問題，設(shè)計開發(fā)一種結(jié)構(gòu)精巧、應(yīng)用靈活、操作簡單、運行穩(wěn)定、性價比高的自動化貼標(biāo)機(jī)械臂[1]。

1 總體方案

如圖1 所示，傳統(tǒng)貼標(biāo)采用人工貼標(biāo)方式，要求貼標(biāo)部位在紙箱側(cè)面，貼標(biāo)效率較低，且容易出現(xiàn)漏貼、錯貼等問題。為此，設(shè)計一款操作便捷的旋轉(zhuǎn)式貼標(biāo)機(jī)械臂。將貼標(biāo)機(jī)安裝在標(biāo)簽打印機(jī)前端，在機(jī)械臂上設(shè)計一個蜂窩狀的吸盤，利用壓縮空氣實現(xiàn)對各種規(guī)格標(biāo)簽的吸取。貼標(biāo)機(jī)在獲取外部信號后，如傳送帶上紙箱到位或接近到位的信號，通過機(jī)械臂將信號發(fā)送給標(biāo)簽打印機(jī)打印相應(yīng)的標(biāo)簽。吸盤抓取標(biāo)簽后，利用旋轉(zhuǎn)氣缸和直線氣缸完成標(biāo)簽90°的位置調(diào)整。通過解讀標(biāo)簽打印機(jī)的輸入/輸出（Input/Output，I/O）接口信號，選擇可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制板作為機(jī)械臂的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機(jī)械臂與貼標(biāo)機(jī)的信號交互。對于生產(chǎn)線維護(hù)人員來說，一方面PLC 程序易讀易改，可以實現(xiàn)設(shè)備的獨立運行；另一方面，PLC 系統(tǒng)可以很方便地接入整個產(chǎn)線。當(dāng)貼標(biāo)完成和下一個產(chǎn)品到達(dá)兩個信號同時有效時，可進(jìn)行下一個貼標(biāo)流程，如圖2 所示。

圖1 傳統(tǒng)貼標(biāo)示意圖

圖2 貼標(biāo)流程

2 硬件設(shè)計

貼標(biāo)機(jī)械臂包括基板、吹標(biāo)吸標(biāo)組件、直線氣缸和擺動氣缸等，如圖3 所示。擺動氣缸裝于基板，其輸出端通過安裝件與直線氣缸傳動連接，直線氣缸的輸出端通過連接件與吸標(biāo)組件傳動連接[2]。直線氣缸驅(qū)動吸標(biāo)組件在豎直方向伸縮，擺動氣缸驅(qū)動吸標(biāo)組件來回旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了吸標(biāo)組件的取標(biāo)與貼標(biāo)動作，進(jìn)而完成對物件的自動側(cè)向貼標(biāo)操作。

圖3 貼標(biāo)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)構(gòu)成

在生產(chǎn)實際中，如果通過拆裝吸盤切換標(biāo)簽的尺寸，將會對生產(chǎn)線工人提出較高的要求。大標(biāo)簽比較容易實現(xiàn)吸標(biāo)操作，而小標(biāo)簽尤其是尺寸小于10 mm×10 mm 的標(biāo)簽，完成吸標(biāo)難度較大。為了適應(yīng)不同尺寸的標(biāo)簽，在標(biāo)簽吸盤的設(shè)計上巧妙采用大面積的吸孔，可以根據(jù)標(biāo)簽的大小利用透明膠等封堵多余吸孔，達(dá)到柔性吸標(biāo)的目的。

現(xiàn)對吸標(biāo)和貼標(biāo)動作進(jìn)行仿真分析。吹標(biāo)噴頭向上吹標(biāo)簽打印機(jī)打印出來的標(biāo)簽，使標(biāo)簽緊貼標(biāo)簽吸盤。貼標(biāo)機(jī)吸盤吸附標(biāo)簽，并通過擺動氣缸將標(biāo)簽旋轉(zhuǎn)90°后進(jìn)行貼標(biāo)。此貼標(biāo)機(jī)械臂可以應(yīng)用于各種流水產(chǎn)線。吸標(biāo)貼標(biāo)動作分解，如圖4 所示。吸標(biāo)貼標(biāo)組件，如圖5 所示。

圖4 吸標(biāo)貼標(biāo)動作分解

圖5 吸標(biāo)貼標(biāo)組件

3 氣動系統(tǒng)設(shè)計

氣動系統(tǒng)主要由氣源、電磁閥、單向節(jié)流閥、吸盤、真空發(fā)生器和傳感器等組成。氣缸采用排氣節(jié)流的方式控制運行速度，保證在貼標(biāo)過程中動作平穩(wěn)。為了保證吸標(biāo)的可靠性，真空發(fā)生器中單獨配置了空氣過濾器和真空壓力開關(guān)。氣動系統(tǒng)原理，如圖6 所示。文章以垂直氣缸為例介紹氣動元件的選型。

圖6 氣動系統(tǒng)原理圖

3.1 氣缸行程選擇

垂直氣缸的作用是將吸盤上的標(biāo)簽壓貼在紙箱上，考慮貼標(biāo)機(jī)械臂的安裝位置距離傳送帶紙箱250 mm，實際有效工作行程應(yīng)大于該值才能確保貼標(biāo)機(jī)械臂正常取標(biāo)和貼標(biāo)。通過查詢SMC 公司提供的氣缸圓整數(shù)值，選擇行程為300 mm 的氣缸。

3.2 氣缸缸徑選擇

吸標(biāo)、貼標(biāo)組件裝置質(zhì)量為0.7 kg，氣缸推動組件在滑動導(dǎo)軌上的運動摩擦因子為0.25，計算可得氣缸的軸向負(fù)載為1.715 N。考慮貼標(biāo)中要克服貼標(biāo)組件中彈簧的阻力，負(fù)載最終取值應(yīng)為32 N。

由于氣缸運行速度不快，伸出時間約為2 s，則垂直氣缸的速度為100 mm·s-1。氣缸負(fù)載率β的選取與氣缸的負(fù)載性能及氣缸的運動速度有關(guān)，根據(jù)氣缸運行速度選定β=0.5，由此可計算出氣缸的理論輸出力為64 N。

在0.5 MPa 的工作壓強(qiáng)下，根據(jù)相關(guān)公式可以計算出缸徑為12.76 mm，查表選擇氣缸缸徑為16 mm。最終確定垂直氣缸的型號為SMC 公司的CDJ2B16-300Z。通常貼標(biāo)速度要求達(dá)到每分鐘60 件，因此在設(shè)計氣動結(jié)構(gòu)時，應(yīng)通過簡化氣缸動作、增強(qiáng)氣缸支架結(jié)構(gòu)來提升氣缸在快速運動中的可靠性。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計

由于貼標(biāo)機(jī)械臂的控制流程比較簡單，為了控制成本，實現(xiàn)設(shè)備小型化，控制器采用板式PLC 工控板，兼容三菱PLC 的編程軟件和指令。該控制系統(tǒng)可靠性高、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)、程序開發(fā)周期短且容易操作，方便日后工作人員對設(shè)備進(jìn)行維修維護(hù)。自動貼標(biāo)機(jī)械臂不是孤立存在的自動化生產(chǎn)設(shè)備，而是工廠和企業(yè)產(chǎn)線中的一個環(huán)節(jié)或一個部分，因此要實現(xiàn)其與打印機(jī)、傳送帶、工業(yè)機(jī)器人等其他設(shè)備的信息交互，必須配備相應(yīng)的通信接口[3]。PLC 與標(biāo)簽打印機(jī)I/O 接口進(jìn)行信號交互，接口形式如圖7 所示，包括貼標(biāo)啟動、旋轉(zhuǎn)功能、流水線啟?？刂坪吐暪鈭缶炔糠帧?/p>

圖7 標(biāo)簽打印機(jī)I/O 接口

4.2 程序設(shè)計

貼標(biāo)機(jī)的貼標(biāo)速度與程序的優(yōu)化有很大關(guān)系，因此在程序設(shè)計過程中要考慮設(shè)備之間氣動系統(tǒng)動作等的提前量，設(shè)備運行的節(jié)拍動作要做到嚴(yán)絲合縫，以提高效率[4]。電源開啟后，PLC 控制系統(tǒng)初始化，包括計數(shù)器初始化、相關(guān)變量初始化、中斷初始化及報警信息清除等[5]。在PLC 啟動后延時0.5 s，保證PLC 系統(tǒng)完成初始化后才正式啟動程序，防止設(shè)備誤動作。

初始化完成后，系統(tǒng)等待檢測被貼物傳感器的輸入信號。當(dāng)檢測到被貼物時，貼標(biāo)啟動，打印機(jī)根據(jù)計算機(jī)中設(shè)定的標(biāo)簽開始打印，貼標(biāo)機(jī)械臂吸取標(biāo)簽。系統(tǒng)通過真空檢測傳感器判斷標(biāo)簽是否被正確吸取，確認(rèn)無誤后擺動氣缸帶動吸盤和標(biāo)簽旋轉(zhuǎn)到設(shè)定好的角度。主氣缸執(zhí)行伸出動作，完成貼標(biāo)，機(jī)械臂復(fù)位等待下一個貼標(biāo)信號。

PLC 控制系統(tǒng)和標(biāo)簽打印機(jī)是兩個獨立的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)之間的信號交互需要留有一定的響應(yīng)時間。例如，標(biāo)簽打印機(jī)將打印完成的信號傳送給貼標(biāo)機(jī)，這時貼標(biāo)機(jī)不能立即執(zhí)行吹標(biāo)和吸標(biāo)的動作，因為標(biāo)簽在送出打印機(jī)到達(dá)標(biāo)簽剝離位置還需要一定的時間。標(biāo)簽檢測和報警程序，如圖8 所示。傳感器信號X010用于判斷標(biāo)簽是否已經(jīng)到達(dá)剝離位置，如果打印機(jī)完成打印，但是剝離位置的標(biāo)簽沒有在規(guī)定時間內(nèi)到達(dá)，系統(tǒng)會通過定時器T0 報警。

圖8 標(biāo)簽檢測和報警程序

5 結(jié)語

旋轉(zhuǎn)擺臂式貼標(biāo)機(jī)械臂通過簡單的氣動執(zhí)行元件、巧妙的機(jī)械設(shè)計以及合理的控制系統(tǒng)，有效提升了包裝流水線的自動化程度，提高了貼標(biāo)效率，減少了漏貼等現(xiàn)象。該裝置既可手動操作又可自動操作，適用性較強(qiáng)，實現(xiàn)了自動化產(chǎn)線的側(cè)向貼標(biāo)加工，能夠滿足工程需要。