基于模擬量控制的工業機器人吸盤類夾具優化設計

余和青，奚 源

（中國電器科學研究院，廣州 510000）

0 引言

近年來，由于國內人口紅利逐漸消失，人工成本不斷攀升，國內知名加工企業紛紛提出“機器人換人”計劃，富士康公司的“百萬機器人計劃”顯得尤為突出。國內工業機器人產業的發展如火如荼，但我們不能僅僅滿足于替換后的機器人比人效率高，為了促進工業機器人產業的持續穩定發展，在工業機器人本體不斷發展進步的同時機器人夾具設計人員必須通過合理的夾具設計以盡量小的成本得到盡量高的的效率，這就要求我們不斷提高機器人夾具的工作效率并且不斷降低機器人夾具的耗能。

常規的機器人吸盤類夾具吸盤的負載往往是通過一個固定真空度的開關量進行控制的，當負載變小時，真空發生器所消耗的壓縮空氣與最大負載時消耗的壓縮空氣是相同的，這就不可避免的造成了壓縮空氣的浪費。本文正是通過真空度開關量轉模擬量控制的方法來針對不同負載控制吸盤的真空度，從而降低機器人多負載吸盤類夾具的耗能并提高其工作效率。

1 夾具設計條件

本文所介紹的紙箱下線機器人吸盤類夾具需要有效的實現5種紙箱包裝產品的下線功能，5種紙箱包裝產品的外形尺寸和質量如表1所示。

機器人選用進口六軸安川ES165 ，負載165KG，要求紙箱包裝產品加上夾具的重量小于所選的機器人負載。ES165機器人的垂直工作高度達到3372mm，水平工作距離達到2651mm，搬運的底盤最長為2760mm，機器人工作范圍如圖1所示。

吸盤夾具的機械結構設計較為簡單，由于5種紙箱包裝產品的上表面（及與吸盤接觸的平面）大小接近，只是高度區別較大，因此我們可以采用1種固定大小的吸盤夾具完成5種產品的吸取。結構由如圖2所示的鋁型材承重框架、機器人連接板、吸盤安裝支座和真空吸盤這4個部分構成。

表1 紙箱包裝產品外形尺寸和質量

圖1 機器人工作范圍圖

圖2 吸盤夾具機械結構示意圖

在機械結構滿足強度要求的情況下，吸盤夾具的性能主要包括壓縮空氣消耗量的高低和完成吸附動作時間的長短，影響這兩項性能的關鍵是真空氣動回路的設計與控制。常規的工業機器人吸盤類夾具吸盤的負載往往是通過一個固定真空度的開關量進行控制的，本文提出了該類吸盤夾具的優化設計，并對兩種設計進行了詳細的吸盤夾具性能對比。

2 常規吸盤夾具設計

吸盤夾具的基本機械結構已經確定，接下來需要確認的是真空吸盤的大小和個數，依據吸盤底座的尺寸和鋁型材承重框架的大小可以確定真空吸盤的個數為24個。真空吸盤的大小選型要求24個吸盤的總安全負載必須大于最重的紙箱包裝產品（質量為140）的重量，取吸盤類夾具采用的真空度信號（即達到設定真空壓力輸出電信號）為-85，再根據公式(1)和表2可以計算出吸盤的有效面積必須大于27.7，因此選取的吸盤口徑為Φ60。

W為吸盤安全負載（N）；

t為安全系數（水平吊取4）；

S為吸盤有效截面積（cm2）；

P為真空壓力（KPa）。

表2 真空吸盤理論吸力表 （單位：N）

吸盤夾具的真空回路設計和真空壓力開關實物如圖3所示，真空壓力開關在使用前手動設置好開關觸發真空度數值，當電磁閥通電時，壓縮空氣通過真空發生器，由于氣流的高速運動產生真空，吸盤將紙箱包裝產品吸起，當吸盤至真空發生器氣路中的真空壓力達到真空壓力開關設置的真空度觸發值-85時，真空壓力開關發出信號給PLC控制機器人本體動作。當電磁閥斷電時，真空發生器停止工作，真空消失，紙箱包裝產品依靠自重脫離吸盤完成下線動作。

圖3 夾具真空回路及真空壓力開關實物

3 吸盤夾具真空回路優化設計

由于5種紙箱包裝產品是單線混產并且使用同一夾具，因此當負載為2～5號產品時，它們的質量都小于真空回路的設計負載，但這時機器人本體還是只能在真空開關檢測到140Kg對應的真空度-85KPa時才會接收到真空開關發出的動作信號，這就不可避免的造成了真空發生器的無效工作，不僅浪費了時間而且耗費了多余的壓縮空氣。

要想解決這個問題就需要吸盤夾具識別5種產品，并根據它們的不同質量，及時發出機器人本體的開始動作信號，這就又要求真空開關能夠針對不同產品編號識別多個真空度并都發出信號，依據公式(1)可以計算出5種產品對應的真空度數值，如表3所示。

表3 不同編號紙箱包裝產品對應真空度

首先PLC可以通過產品識別系統發出的5個行程開關信號組合來選擇每個紙箱包裝產品的對應編號的子程序，這樣就可以解決吸盤夾具識別產品編號的問題了，如圖4所示。

圖4 線體產品編號識別系統

表4 不同紙箱包裝產品對應的模擬量電壓值

使用能夠輸出連續模擬量信號的真空壓力表（如圖5所示）又正好可以解決真空度識別這個問題，當PLC接收到真空壓力表輸出的模擬量連續電壓信號時，不同的子程序對應的觸發電壓值又不同，PLC的模擬量處理模塊可以根據存儲程序設置的不同編號產品所對應的電壓（對應方法如表4所示）發出機器人本體開始動作的信號，從而減少真空發生器的無效工作時間。

圖5 模擬量輸出真空壓力表

4 吸盤夾具性能對比

本夾具使用的真空發生器為日本妙德株式會社CV-20HS型型真空發生器，每個真空發生器為6個吸盤提供真空，每個真空發生器的壓縮空氣消耗速度為180L/min，該型真空發生器真空產生性能參數如表5所示。

表5 真空發生器真空產生性能參數

已知6個吸盤加配管的容積即真空系統容積約為0.6L，由公式(1)和表5數據可以計算出每個真空度對應的真空達到時間，T-86KPa=0.96s，T-80KPa=0.71s，T-66KPa=0.44s，T-53KPa=0.28s，T-40KPa=0.18s。

T為真空達到所需時間（S）；

V為真空系統容積（L）；

C為由真空度和真空發生器決定的常數；

α為真空發生器的型式指數。

由于常規吸盤夾具吸取每個編號的產品真空度都為-85KPa，因此常規吸盤夾具完成5個不同編號產品吸附動作所需的時間是5T-86KPa=4.8s，優化后的吸盤夾具所需時間為T-86KPa+T-80KPa+T-66KPa+T-53KPa+T-40KPa=2.57s，時間節省了46.5%，這也意味著吸附過程中同樣節省了46.5%的壓縮空氣。

5 應用概況

產品線體每天24h生產每種編號的產品300臺，優化后的吸盤夾具不僅縮短了產品下線工序時間近12分鐘，理論上還可以每天節省壓縮空氣8640L。縮短后的產品下線時間更好的配合了線體的生產節拍，優化后的吸盤夾具縮短了真空發生器無效工作時間，減少了吸盤高真空度工作時間，減輕了線體的供氣壓力，有效增長了線體設備的使用壽命。

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