高速包裝機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

張曉明（廣東一鼎科技有限公司,廣東 佛山 528061）

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高速包裝機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

張曉明
（廣東一鼎科技有限公司,廣東 佛山 528061）

摘 要：對(duì)于部分特殊產(chǎn)品來說，受其特點(diǎn)影響，在對(duì)其進(jìn)行包裝時(shí)為提高工作效率，以及降低對(duì)人員造成的安全威脅，就需要利用各項(xiàng)技術(shù)做好對(duì)包裝機(jī)器人的研究，與人工包裝相比，機(jī)器人具有自動(dòng)化程度高、可靠性強(qiáng)以及靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)高速包裝機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要確定系統(tǒng)主要構(gòu)成部分，并從不同技術(shù)與結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行分析研究，爭(zhēng)取不斷提高機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性與工作高效性。本文對(duì)高速包裝機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：包裝機(jī)器人；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；故障處理；結(jié)構(gòu)

以食品、醫(yī)藥行業(yè)為例其產(chǎn)品物料質(zhì)量輕小，并且對(duì)生產(chǎn)與包裝環(huán)境均有十分嚴(yán)格的要求，為確保產(chǎn)品包裝效果，必須要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對(duì)其自動(dòng)快速包裝作業(yè)進(jìn)行研究，不斷提高作業(yè)的自動(dòng)化與靈活性，降低外界因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成的影響。高速包裝機(jī)器人的提出與應(yīng)用，可以更好的滿足特殊行業(yè)產(chǎn)品包裝需求，為提高機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性與高效性，需要確定關(guān)鍵技術(shù)，從軟件與硬件著手進(jìn)行分析，采取措施來降低機(jī)器人運(yùn)行故障發(fā)生概率。

1 高速包裝機(jī)器人概述

高速包裝機(jī)器人即具有高加速度（＞1g）與高運(yùn)動(dòng)速度（＞0.5m/s）的包裝機(jī)器人系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)器手應(yīng)用現(xiàn)狀來看，因?yàn)槭菍Ⅱ?qū)動(dòng)單元設(shè)置在各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，機(jī)器人設(shè)計(jì)完成后，整體結(jié)構(gòu)大、質(zhì)量重，不能滿足高速包裝需求［1］。因此，在對(duì)高速包裝機(jī)器人進(jìn)行研究設(shè)計(jì)時(shí)，需要以滿足切實(shí)需求為根本，最好軟件與硬件系統(tǒng)分析，對(duì)原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。隨著各項(xiàng)新型技術(shù)在研究中的應(yīng)用，現(xiàn)在高速包裝機(jī)器人在應(yīng)用上已經(jīng)十分廣泛，尤其是包裝工業(yè)機(jī)器人主要負(fù)責(zé)大型物件的搬運(yùn)、裝卸與堆碼，并完成人們不可接觸特殊產(chǎn)品的包裝。從作業(yè)種類進(jìn)行分析，包裝機(jī)器人可以分為裝袋機(jī)器人、堆碼機(jī)器人、裝箱機(jī)器人、灌裝機(jī)器人以及包裝輸送機(jī)器人等。

2 高速包裝機(jī)器人設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 精確性

對(duì)高速包裝機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要確保其系統(tǒng)運(yùn)行效果可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，即能夠在原有基礎(chǔ)上來提升生產(chǎn)線打包速度和質(zhì)量，并且系統(tǒng)速度在設(shè)計(jì)上還具有一定的上升空間，為生產(chǎn)線的下次升級(jí)預(yù)留設(shè)計(jì)空間。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做好精確度的控制，即在具有高速功能的同時(shí)，還具有較高的定位精度，主要因?yàn)樵诋a(chǎn)品包裝過程中如果定位不精準(zhǔn)，很容易導(dǎo)致物料、產(chǎn)品與送料軌道或其他結(jié)構(gòu)產(chǎn)生碰撞，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致機(jī)器人損壞。

2.2 可靠性

工業(yè)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，為達(dá)到高精度要求，一般設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，不存在硬件冗余情況，基本上為可靠性比極高的串聯(lián)模型。因此，在對(duì)高速包裝機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在做好對(duì)各重要部件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還需要做好對(duì)加工精度、裝配關(guān)系等因素的分析，做好系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)，具有良好的故障診斷能力，可以及時(shí)解除機(jī)器人故障狀態(tài)，提高其運(yùn)作可靠性［2］。

2.3 動(dòng)態(tài)性

高速包裝機(jī)器人在設(shè)計(jì)時(shí)需要確保其具有高效的作業(yè)能力，即具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性，達(dá)到高速作業(yè)的效果。由此決定了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要控制好結(jié)構(gòu)重量與慣量，在確保其具有剛度與強(qiáng)度前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸、外形以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。同時(shí)，為提高機(jī)器人作業(yè)效率，同時(shí)還需要做好對(duì)控制系統(tǒng)的研究分析，爭(zhēng)取提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及響應(yīng)速度，達(dá)到高效運(yùn)作的目的。

2.4 控制性

為對(duì)高速自動(dòng)包裝機(jī)器人工作循環(huán)間隔時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，需要做好對(duì)快速下行以及快速上行時(shí)間的控制，尤其是要注意快速上行與下行換速時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊振動(dòng)，進(jìn)而會(huì)降低結(jié)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性。基于產(chǎn)品包裝實(shí)際過程中需要180°旋轉(zhuǎn)特點(diǎn)，為避免機(jī)器人轉(zhuǎn)向造成已包裝完產(chǎn)品被打散，要著重研究旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)與停止階段的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行軌跡控制的效果，利用較高的控制效果來提高機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性。

3 高速包裝機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）X軸。X軸結(jié)構(gòu)主要負(fù)責(zé)機(jī)器人在水平方向的移動(dòng)，具有負(fù)載大以及位移與行程小等特點(diǎn)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)分析伺服電機(jī)與滾珠絲杠，尤其是伺服電機(jī)設(shè)計(jì)效果如何直接決定著機(jī)械手的運(yùn)作性能。為使得高速包裝機(jī)器人具有高精度與快速響應(yīng)特點(diǎn)，在確定伺服電機(jī)時(shí)，應(yīng)選擇較小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與轉(zhuǎn)矩的設(shè)備，同時(shí)還要控制好其時(shí)間常數(shù)與啟動(dòng)電壓，并具有較長(zhǎng)時(shí)間過載能力，可以更好的滿足低速大轉(zhuǎn)矩要求。伺服電機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：nL=VL/PR，nM=nL·R。其中，nL表示負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)速度，nM表示電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)速度［3］。

第一，負(fù)載/電機(jī)慣量比。慣量比越大，伺服參數(shù)調(diào)整難度越大，會(huì)影響機(jī)器人作業(yè)穩(wěn)定性，很容易出現(xiàn)振動(dòng)問題。但是如果慣量比過小，雖然具有較高的穩(wěn)定性，但是會(huì)影響系統(tǒng)響應(yīng)速度，并會(huì)降低系統(tǒng)固有頻率，很容易出現(xiàn)諧振。表1為慣量比對(duì)系統(tǒng)性能影響。

表1 慣量比對(duì)系統(tǒng)性能影響（JM表示電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，JL表示負(fù)載總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）

X軸負(fù)載總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（JL）分為直線運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（JL1）與絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（JB），計(jì)算公式為：

第二，轉(zhuǎn)矩。設(shè)計(jì)時(shí)要求系統(tǒng)連續(xù)工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩≤伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，并且所需最大轉(zhuǎn)矩≤伺服電機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩。則X軸連續(xù)工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為：

其中，μ表示滾珠絲杠摩擦系數(shù)，取值0.2；η表示滾珠絲杠機(jī)械效率，取值為0.9.

第三，功率。如果所選電機(jī)功率過大，會(huì)造成生產(chǎn)成本增加，但是功率過小又會(huì)影響到驅(qū)動(dòng)負(fù)載效果，導(dǎo)致機(jī)器人不能完成設(shè)定包裝作業(yè)軌跡。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要求所選電機(jī)功率滿足公式：

其中，Po表示連續(xù)運(yùn)動(dòng)負(fù)載功率，單位W；Pa表示加速運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)功率，單位W。

（2）Y軸。Y軸結(jié)構(gòu)主要在豎直方向進(jìn)行移動(dòng)，具有較大的有效形成，在完成一個(gè)動(dòng)作循環(huán)周期后，Y軸要進(jìn)行3次動(dòng)作，即取料、放料以及返回，這就決定了Y軸設(shè)計(jì)要點(diǎn)為剛度分析，確保結(jié)構(gòu)在豎直方向可以自由運(yùn)動(dòng)，因此伺服電機(jī)需要設(shè)置制動(dòng)器。對(duì)于Y軸結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算，完全與X軸結(jié)構(gòu)相同。Y軸基座與Y軸支撐件相互連接，并且X軸絲杠螺母會(huì)與Y軸支撐件固聯(lián)，達(dá)到X軸與Y軸聯(lián)動(dòng)的目的。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）人機(jī)交互系統(tǒng)。需要為快速包裝機(jī)器人設(shè)置一個(gè)良好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)運(yùn)作系統(tǒng)的控制。一般人機(jī)交互系統(tǒng)主要包括信息顯示區(qū)域、鍵盤區(qū)域、手動(dòng)控制區(qū)域以及報(bào)警區(qū)域等，其中信息顯示區(qū)域需要能夠正常呈現(xiàn)產(chǎn)品包裝流程、注意事項(xiàng)以及突發(fā)故障等信息。對(duì)于參數(shù)設(shè)置區(qū)域的設(shè)計(jì)，主要是包裝任務(wù)的調(diào)整，而報(bào)警區(qū)域則是對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與管理，在遇到異常情況后進(jìn)行報(bào)警。在維護(hù)階段可以調(diào)出系統(tǒng)日志模塊，分析確定報(bào)警原因與處理方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的有效控制。

（2）系統(tǒng)測(cè)試模式。以DMCA-18X2運(yùn)動(dòng)控制器為例，其可以制定L1n，n，n，n為各軸線性插補(bǔ)移動(dòng)增量式距離，在啟動(dòng)程序命令啟動(dòng)前，既可以編寫多個(gè)程序段。在機(jī)器人包裝運(yùn)行過程中，如果緩沖區(qū)有空間，還可以寫入附加程序段，來確保機(jī)器人作業(yè)的連續(xù)性。其中，在C#程序中，利用“MajGal.command（＂MG-LM＂,＂ ＂,＂：＂,ture）；”完成讀L1程序段可用空間的操作，其中“MajGal”為加載GALIL運(yùn)動(dòng)控制卡的“Interop.Galil.dll”運(yùn)動(dòng)鏈接庫(kù)后，“Galil”為實(shí)例化對(duì)象［4］。該軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以采取用圖1程序流程方案，確定機(jī)器人結(jié)構(gòu)各軸直線插補(bǔ)方式運(yùn)行的連續(xù)性。

4 結(jié)束語

快速包裝機(jī)器人現(xiàn)在已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)不可或缺的組成部分，尤其是對(duì)于部分產(chǎn)品特殊的行業(yè)來說，利用快速包裝機(jī)器人作業(yè)，不但可以提高工作效率，同時(shí)還可以降低安全威脅。為提高機(jī)器人應(yīng)用效率，就需要以滿足實(shí)際需求為目的，做好對(duì)硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高機(jī)器人運(yùn)行連續(xù)性與穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

［1］胡杰.高速包裝機(jī)器人設(shè)計(jì)及可靠性研究［D］.華南理工大學(xué),2012.

［2］梅江平.高速包裝機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2007（05）：18-20.

［3］馬娟娟.全自動(dòng)包裝機(jī)器人系統(tǒng)的研制［D］.南京航空航天大學(xué),2011.

［4］張明.白酒包裝自動(dòng)碼垛機(jī)器人的研制［D］.四川理工學(xué)院,2013.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.128