基于直角坐標(biāo)機(jī)器人的軟袋再包裝自動(dòng)上料系統(tǒng)

張志遠(yuǎn)，李 琪，畢海深

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

在現(xiàn)代輕工行業(yè)中，對(duì)于設(shè)備的自動(dòng)化要求不斷提高，而在輕工行業(yè)占有很大比重的包裝行業(yè)，更是在生產(chǎn)中存在著迫切的自動(dòng)化要求。軟袋包裝是指采用柔性包裝材料制成包裝袋，其中充填流動(dòng)性與半流動(dòng)性物料的包裝形式。軟袋包裝廣泛應(yīng)用于食品、化工、調(diào)味品、飼料添加劑和醫(yī)藥等行業(yè)。由于軟袋包裝物包裝表面一般帶有所包裝物料的重要信息，為了避免在物流運(yùn)輸或使用過(guò)程中包裝物信息混淆甚至丟失，滿足對(duì)包裝物的再保護(hù)、信息化、儲(chǔ)存、美化和運(yùn)輸?shù)纫?，需要?duì)軟袋包裝物料進(jìn)行再包裝[1,2]。

作為自動(dòng)化設(shè)備的源頭，自動(dòng)上料系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)自動(dòng)化設(shè)備具有關(guān)鍵作用。軟袋包裝物料較盒裝包裝物與固體包裝物所具有的大變形量與大流動(dòng)性的特點(diǎn)，使得對(duì)于軟袋物料的自動(dòng)上料過(guò)程成為技術(shù)難題[1]。因此，很有必要對(duì)軟包裝物料自動(dòng)上料系統(tǒng)進(jìn)行研究?；诖耍疚膶?duì)內(nèi)容物為流體的枕形袋狀的物料再包裝的自動(dòng)上料系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過(guò)全自動(dòng)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直角坐標(biāo)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，運(yùn)用剛性氣動(dòng)夾手抓取軟包裝物料，實(shí)現(xiàn)了軟包裝物料的自動(dòng)化上料。并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該自動(dòng)化上料系統(tǒng)的可行性。

1 問(wèn)題的提出

在課題研究中，欲對(duì)用軟質(zhì)塑料包裝為枕形袋的包裝物進(jìn)行再包裝，包裝袋規(guī)格相同，內(nèi)容物相同，按照?qǐng)D1所示 1×3×6的方式按編號(hào)順序碼放。在自動(dòng)作業(yè)開(kāi)始后，按照?qǐng)D1所示進(jìn)行逆序上料，將軟袋包裝物料放置于圖1右端的傳送帶上，要保證軟包裝物料保持原有的放置方向不變，便于生產(chǎn)線中后續(xù)的相關(guān)操作。上料動(dòng)作示意圖如圖1所示，機(jī)械夾手打開(kāi)，由初始位置沿X軸向左移動(dòng)至抓取X坐標(biāo)位置，然后，沿Y軸下降，至抓取位置后，機(jī)械夾手閉合，抓住物料，然后機(jī)械夾手沿Y軸上升，至最高點(diǎn)后沿X軸向右移動(dòng)至初始位置，根據(jù)動(dòng)作要求，于每一組動(dòng)作開(kāi)始時(shí)機(jī)械夾手打開(kāi)，將物料放置于傳送帶上。

圖1 上料動(dòng)作示意圖

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)描述，采用直角坐標(biāo)機(jī)器人來(lái)完成Y方向的提升與下降以及X方向的水平平移動(dòng)作，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成抓取與釋放。

2.1 直角坐標(biāo)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

直角坐標(biāo)機(jī)器人一般由直線運(yùn)動(dòng)部分、控制部分、驅(qū)動(dòng)部分以及末端操作器組成，最基本的組成部分是直線運(yùn)動(dòng)單元。利用直線運(yùn)動(dòng)單元間的各種組合可構(gòu)成從一維、二維和三維機(jī)器人。具有高可靠性、高速度和高精度的特點(diǎn)且可用于惡劣的工作環(huán)境，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，操作維修方便[3,4]。

依據(jù)運(yùn)動(dòng)描述，采用二維直角坐標(biāo)機(jī)器人來(lái)滿足功能需要。選用ETB10-X32-750-L-P10-C5同步帶傳動(dòng)滑臺(tái)工業(yè)機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱750)與ETH5-L10-350-AC-P10-C5普通單軸絲杠工業(yè)機(jī)器人（以下簡(jiǎn)稱350）組成上料用直角坐標(biāo)機(jī)器人。由全自動(dòng)交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)的控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)高的重復(fù)定位精度與點(diǎn)位控制。機(jī)器人具體參數(shù)如表1所示，機(jī)器人用伺服電機(jī)主要參數(shù)如表2所示。

表1 工業(yè)機(jī)器人參數(shù)[5]

2.2 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為吸附與夾持兩大類(lèi)[7]，由于軟袋包裝物料具有大變形、大流動(dòng)性的特點(diǎn)，在隨直角坐標(biāo)機(jī)器人做直線移動(dòng)時(shí)，在吸盤(pán)內(nèi)部產(chǎn)生的切向力會(huì)使得吸附的穩(wěn)定性較差，不能滿足設(shè)計(jì)要求，所以采取夾持式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)的夾鉗式機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該夾鉗式機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)由四部分組成：機(jī)架為固定部分；氣缸為驅(qū)動(dòng)部分；中間連桿機(jī)構(gòu)為傳動(dòng)部分；組合手指為夾持部分。夾持機(jī)械手整體通過(guò)機(jī)架與機(jī)器人滑塊固定。通過(guò)控制活塞桿的伸出與縮回，來(lái)控制機(jī)械手的張開(kāi)與閉合。

圖2 專(zhuān)用夾鉗式機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

上料用軟袋物料的外形尺寸為150×100×23mm（長(zhǎng)×寬×高），根據(jù)上料需要，確定的機(jī)械手主要參數(shù)如表3所示。70mm的手指寬度，增加了夾持面積，提高夾持穩(wěn)定性。最大的指間距保證在自動(dòng)上料過(guò)程中，機(jī)器人有足夠的空間下行動(dòng)作，機(jī)械手有足夠的動(dòng)作空間完成夾持動(dòng)作，而最小指間距保證在穩(wěn)定抓取物料的同時(shí)不會(huì)由于距離太小而夾破軟袋。

表3 專(zhuān)用夾鉗式機(jī)械手主要參數(shù)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)備的控制功能主要包括：直角坐標(biāo)機(jī)器人兩軸的直線運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)和精確的點(diǎn)位控制，氣動(dòng)機(jī)械手用氣缸的張開(kāi)與閉合，保證上料動(dòng)作抓取的準(zhǔn)確性。由于需要兩軸插補(bǔ)與精確的點(diǎn)位控制，與實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳遞，所以采用運(yùn)動(dòng)控制卡為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建整個(gè)控制系統(tǒng)。自動(dòng)上料系統(tǒng)是整個(gè)軟袋再包裝自動(dòng)上產(chǎn)線的一個(gè)部分，還需要控制傳送帶用電機(jī)，以及下料分檢部分的三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，故采用ADT-8960A1型六軸運(yùn)動(dòng)控制卡。該卡是基于PCI總線的高性能六軸伺服/步進(jìn)控制卡，一個(gè)系統(tǒng)中可支持多達(dá)16塊控制卡，可控制64路伺服/步進(jìn)電機(jī)，支持即插即用。

構(gòu)建的控制系統(tǒng)在硬件上主要由以下幾部分組成：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(或者通用PC)；運(yùn)動(dòng)控制卡；直流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器；傳感器以及直連式機(jī)械手臂.整體形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，另外還包括電磁鐵、電磁閥以及機(jī)械手汽缸[8]。如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)控制原理圖

運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)PCI插槽內(nèi)嵌到PC機(jī)中，形成上位機(jī)和下位機(jī)的關(guān)系，PCI總線保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，具有高度的可靠性和可維護(hù)性[9]。PC機(jī)主要負(fù)責(zé)人機(jī)界面、實(shí)時(shí)監(jiān)控和發(fā)送指令等系統(tǒng)管理工作；運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)處理運(yùn)動(dòng)控制的細(xì)節(jié)，例如加減速計(jì)算、行程控制、多軸插補(bǔ)等，而且不占用PC機(jī)資源。安全設(shè)備采用光電限位開(kāi)關(guān)限位，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)因?yàn)樵叫谐潭闺姍C(jī)卡死。運(yùn)用示教再現(xiàn)的方法對(duì)機(jī)器人動(dòng)作軌跡進(jìn)行編程。在程序編寫(xiě)過(guò)程中，通過(guò)在線示教的方式，運(yùn)用Delphi語(yǔ)言，引用運(yùn)動(dòng)控制卡的底層函數(shù)完成兩軸的插補(bǔ)引導(dǎo)并控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，記錄機(jī)器人作業(yè)的程序點(diǎn)并插入所需的機(jī)器人命令來(lái)完成程序的編制。采用點(diǎn)位控制（PTP）方式,只須示教各段運(yùn)動(dòng)軌跡的端點(diǎn), 而端點(diǎn)之間的連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡控制(CP)由規(guī)劃部分插補(bǔ)運(yùn)算產(chǎn)生[10]。

整個(gè)系統(tǒng)流程如圖4所示。

通過(guò)工控機(jī)發(fā)出上料指令，運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出脈沖信號(hào)，對(duì)X軸與Y軸的電機(jī)進(jìn)行控制，完成機(jī)器人在兩個(gè)軸的分別動(dòng)作，通過(guò)控制電磁閥的通斷來(lái)控制夾鉗式機(jī)械手的張開(kāi)與閉合，從而控制物料的抓取與釋放。在釋放物料到傳送帶的動(dòng)作中，需要控制Y軸機(jī)器人下行高度，保證在釋放過(guò)程中不會(huì)因?yàn)楦叨葐?wèn)題導(dǎo)致軟袋物料翻轉(zhuǎn)，影響隨后各個(gè)工位的功能實(shí)現(xiàn)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖4 上料系統(tǒng)流程圖

根據(jù)設(shè)計(jì)，組建如圖3所示的自動(dòng)上料系統(tǒng)，將包裝物按圖1所示順序碼放，進(jìn)行了自動(dòng)上料試驗(yàn)，以200框共3600袋物料為例，按照實(shí)際所需的400袋/小時(shí)的速度進(jìn)行上料，全部上料成功，即利用該裝置進(jìn)行自動(dòng)上料的成功率為100%。試驗(yàn)證明，所研究的自動(dòng)上料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、功能齊備，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)中軟袋包裝物料的自動(dòng)上料。

試驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示。

圖5 軟袋自動(dòng)上料直角坐標(biāo)機(jī)器人整體構(gòu)成

5 結(jié)束語(yǔ)

由全自動(dòng)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直角坐標(biāo)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，剛性氣動(dòng)機(jī)械夾手可

以?shī)A取軟包裝物料，本文所設(shè)計(jì)的基于直角坐標(biāo)機(jī)器人的軟袋包裝物料自動(dòng)化上料系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)軟袋包裝物料的準(zhǔn)確自動(dòng)上料，作為整個(gè)再包裝生產(chǎn)線的重要設(shè)備，可推廣應(yīng)用于其他需要對(duì)軟袋包裝物料進(jìn)行自動(dòng)上料的包裝機(jī)械上。

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