一種糖業碼垛機器人抓手的結構設計

陳義時

（廣西機械工業研究院，廣西 南寧 450107）

0 引言

隨著工業化及信息化不斷深化融合，工業機器人技術應用范圍越來越廣闊。制糖行業是廣西的支柱產業之一，在用工成本日益嚴峻的今天，應用工業機器人技術也成為必然。制糖企業全工段特別是成品碼垛作業工段具有產量大，重復勞動多，勞動強度大等特點，運用工業機器人技術對成品進行碼垛作業，能極大地提升生產效率，降低用工數量及勞動成本，還能規避工人在生產中遭受意外傷害的風險[1]。

正是基于以上的行業背景，廣西機械工業研究院在某糖業集團承擔了成套碼垛機器人生產線改造。成套生產線中選用瑞士ABB集團高速重載負載的碼垛機器人IRB460，最大負載可達110 kg，最遠距離可達2.4 m。根據某糖業集團生產需求，碼垛機器人在生產中每天至少工作20 h，碼垛效率為900～950包/小時，在生產期間不能出現停機1 h以上的故障，確保生產流水線平穩、可靠。因此，抓手的結構設計除了對結構剛性提出較高要求外，還需要克服高速碼垛過程中白砂糖包產生動能，使得碼垛機器人抓手始終保持平穩、流暢的工作姿態。

本文首先對碼垛機抓手整體結構設計，分析了抓手工作時受力情況，最后對關鍵部位進行局部結構設計分析，并在實際應用中取得良好的效果。

1 抓手整體結構設計

本文設計的抓手針對糖業集團袋裝50 kg白砂糖成品，包裝材料為塑料編織袋，包裝后袋裝白砂糖尺寸是850 mm×470 mm×220 mm。在工作中，抓手除了需要快速實現抓取，釋放等動作之外，還必須進行壓實以防止白砂糖包在抓手中竄動，因此，抓手整體的結構由抓取機構、壓實機構以及調節機構組成。抓取機構實現抓取和釋放的功能，壓實機構實現將白砂糖包壓緊的功能，調節機構實現快速調節適應白砂糖包尺寸的功能?？傮w設計如圖1所示。

圖1 白砂糖包碼垛機抓手總體設計

抓手整體鋁材制作，其中框架采用3060型號鋁型材，抓取機構采用日本進口6061鋁合金材質加工，抓取機構驅動氣缸采用日本SMC品牌氣缸，壓實機構驅動氣缸采用臺灣AIRTAC品牌氣缸，抓齒選用整體注塑硬質塑料。本文設計的抓手結構總質量為46.5 kg。工作時，碼垛機器人總負重為T總=50+46.5=96.5 kg，遠小于碼垛機器人負載110 kg。

2 工作狀態下應力分析

碼垛機器人工作時，抓手執行抓取以及放料兩個動作。當白砂糖包到位時，抓取機構驅動氣缸伸出，驅動抓取機構曲柄帶動抓取機構旋轉軸心轉動，實現抓手閉合并夾緊糖包，同時，壓實機構氣缸伸出壓實白砂糖包，防止高速碼垛過程中糖包甩出。當碼垛機器人來到指定的碼垛位置時，抓取機構驅動氣缸收縮，實現抓手打開，白砂糖包垂直下落，從而完成一個作業循環?；谠撎菢I集團生產需求，碼垛機器人工作節拍為900～950包/小時，可以計算單個作業循環時間為t=3.79～4 s。實際使用中，碼垛機器人完成一個碼垛流程耗時為3.9 s。

2.1 抓手擺臂受力分析

碼垛機器人擺臂旋轉時，抓手一側的抓取機構的執行機構輸出F1及F2與糖包運動過程中產生的動能所施加的力F糖達到平衡，如圖2所示。

圖2 抓取擺臂受力分析

碼垛機器人到達規定高度后擺臂到碼垛托盤處，根據實際使用中的節拍，可知該段時間為1.15 s。擺臂過程先均加速，后勻速，最后勻減速的過程，勻加速時間t1=0.25 s，勻速時間t2=0.65 s，勻減速時間t3=0.25 s。

根據行程方程式：

式中：R為碼垛機器人運動時臂展為1 700 mm，擺臂時初始旋轉速度v1=0，加速度代入上數值解得加速度a=7.94 m/s2。

根據牛頓第二定律：

解得糖包運行中的力為：F糖=766.21 N

2.2 抓取執行機構設計

通常碼垛機器人抓手在低速運行時，抓取機構動力執行氣缸為一個，其優點是設計結構簡單。在實際碼垛作業中，當碼垛節拍超過600包/h，由于負載動能大幅增加，一個執行氣缸不足以完全抵消負載動能，以致抓取機構左右小幅度擺動。在本設計中，抓取機構除了采用常規的SMC的氣缸UCDG-63×75作為主執行機構外，還額外增加兩個臺灣亞德客品牌MI20×75氣缸輔助，來抵消糖包動能來帶的力F糖。為了能更清晰的表達抓取機構的矢量力學平衡，特把設計簡化為圖3的力學模型。

圖3 抓取機構矢量力學模型

根據力矩公式，可以計算糖包動能產生的力矩為：

抓取機構執行氣缸的矢量力矩和為：

通過查表，可以查到缸徑φ63的氣缸在標準工作氣壓0.6 MPa情況下，伸出時輸出力F1=1 870.2 N，缸徑φ20的氣缸伸出時輸出力150.9 N[2]。帶入數值求解為：

通過以上計算可得：抓取機構的執行機構采用一個φ63的氣缸及兩個φ20的氣缸時，完全能夠抵消抓手工作運行速度達到900包時糖包動能產生的力矩，并且有6 N·m的力矩富余。

3 局部機構設計

抓手使用性能不僅要求設計合理性，還需要考慮減輕抓手重量，提高抓手剛性，以保證抓手在工作時不產生多余的晃動，提高抓手使用壽命。

3.1 抓取轉動機構設計

抓取機構最薄弱的環節是抓取機構的轉軸。抓手在實際的工作中，轉軸會進行上萬次的轉動，每次轉動過程中都會受到糖包動能產生的力和抓取機構執行輸出的力的相互作用，表現為扭轉剪切力，因此在抓手的工程化設計中，抓取轉動機構是設計的重中之重。

山東大學李鐵剛等人[3]設計抓取轉動結構，抓取機構轉軸與抓取機構執行曲柄采用焊接方式組成一體，其缺點是在焊接處由于焊接產生的高溫導致旋轉軸產生脆性變化，文中轉軸直徑達到φ34時，壽命為25.4萬次，具有一定的理論借鑒意義，但是整體結構偏笨重，無法滿足糖業的需求。

本文設計的抓取轉動機構如圖4所示。抓取機構執行曲柄與抓取機構轉軸采用一組對稱安裝的漲緊套連接。漲緊套型號用Z3-20-47型可以傳遞扭矩300 N·m的扭矩[3]，兩組對稱使用可以傳遞600 N·m的力矩，遠大于抓取執行機構產生的124 N·m的力矩，具有極高的安全系數。通過漲緊套連接的方式，對抓取機構轉軸不產生任何損傷，極大提高轉軸使用壽命的同事，還進一步降低了抓取機構轉軸的直徑。本設計采用日本進口的6061型號鋁型材棒料，加工后實際使用轉軸直徑為φ20，比常規使用焊接連接的方式，軸徑減少了70%[4]。

圖4 抓取機構總圖

在抓取機構中，抓取機構抓齒曲柄同樣采用6061型號鋁合金制作，減輕抓手重量，提高抓手的負載能力。在抓取機構/=抓齒曲柄與抓取機構轉軸的連接方面，同樣采用Z3-20-47型漲緊套，與常規鍵槽連接的方式相比，具有傳遞扭矩大、連接方式簡單、維護維修方便，鎖緊方式直接、公差要求不高等優勢，同時能夠避免反復正反轉帶來鍵槽松動現象。

3.2 壓實機構設計

壓實機構在實際碼垛過程中起到至關重要的作用，壓實機構把糖包緊緊的壓在抓手范圍內，使得糖包始終緊緊的貼緊在抓齒上，避免上下跳動現象。常規的壓實機構由執行氣缸直連壓板，結構簡單，但是存在著明顯的缺點。最大的缺點是壓實機構的執行氣缸除了受到軸向的力之外，還會受到徑向力而引起氣缸桿發生彎曲變形，極大影響到壓實機構的使用壽命。為此，本文設計了新的壓實機構，通過直線導軌來承受徑向力，氣缸僅受到軸向力，以使得不同方向的力由專門的結構進行平衡來提高壓實機構使用壽命。如圖5所示。

圖5 壓實機構總圖

本文設計的壓實機構創新符合組合原理，整個機構簡單，傳動直接，減少了抓手工作工程中軸向和側向力的積累，也符合機構運動鏈簡單的原則。在整個工作過程中，壓實機構執行平穩，布置簡單方便，易于安裝和維修，且安裝對于精度要求較低，機構可以自動補償安裝誤差[5]。

4 結語

碼垛機器人抓手設計要依據工廠用戶的現實，在現有技術的基礎上，對抓手進行力學分析，對結構進行改進和提高，設計了抓取機構、壓實機構等機構，符合產品化設計簡單實用的要求。整個設計的優點是結構緊湊、安裝簡單、尺寸設計小巧，安全系數高。該抓手在某糖業集團使用了一個榨季，實際完成碼垛150萬余包，抓手運行狀態良好，如圖6所示?？傊疚脑O計的抓手是合理的，并得到了初步工程應用驗證。

圖6 碼垛機抓手現場應用